王薇薇 崔婧翾 楊益民* 張 松 楊 琳 李旭雯

慢性非傳染性疾病(慢病)是全球的主要疾病，有63%的死因是由慢病造成的，其中48%的死因歸于心血管疾病[1]。隨著社會競爭壓力的不斷增大、體力活動的逐漸減少以及膳食結(jié)構(gòu)的變化，心血管疾病不僅多發(fā)于中老年人，已開始趨于年輕化[2]。心血管疾病的本質(zhì)主要是血管結(jié)構(gòu)和功能異常，包括高血壓在內(nèi)的許多心血管危險因素導(dǎo)致大動脈結(jié)構(gòu)和功能的損害，是導(dǎo)致早期血管改變的重要因素，因此防治心腦血管疾病的重點在于防治血管病變[3]。有學(xué)者針對我國近30年來心血管患病危險因素進行研究，表明血壓水平與心血管疾病發(fā)生具有密切聯(lián)系，且血壓升高與心血管疾病的發(fā)生成對數(shù)線性關(guān)系[4]。高血壓不僅導(dǎo)致心血管疾病的病死率增加，且導(dǎo)致我國每年有127萬人過早死亡[1]。因此，早期的高血壓以及心血管血流動力學(xué)信息的監(jiān)測對預(yù)防心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展必不可少。

血壓測量方法種類頗多，隨著電子醫(yī)療的不斷發(fā)展，間接法測量血壓不僅簡單易行、使用方便，而且無創(chuàng)傷，非常適用于非醫(yī)務(wù)技術(shù)人員操作，以及醫(yī)療儀器家庭化的實現(xiàn)[5]。目前，市場上的醫(yī)療電子儀器功能較為單一，只能進行血壓和心率的監(jiān)測，而脈搏波中蘊含著豐富的心血管血流動力學(xué)信息，脈搏波波形特征變化是評價人體心血管系統(tǒng)生理、病理狀態(tài)的重要依據(jù)[6-7]。因此，研制一種可以在測量血壓的同時采集脈搏波信號，從而得到心血管評價參數(shù)的醫(yī)療電子儀器對實現(xiàn)心血管功能日常監(jiān)測勢在必行。

1 血壓及脈搏波測量方法

本研究根據(jù)逐漸放氣時血壓計袖帶壓力振動對應(yīng)于平均動脈內(nèi)壓力的最大振動，間接推算收縮壓和舒張壓，這種方法的優(yōu)勢是肱動脈上方無傳輸器，所以袖帶的位置不重要，另一個優(yōu)點是較少受外部噪音干擾，從而極大降低由操作人員技術(shù)操作問題帶來的測量誤差[8]。

當袖套內(nèi)壓力P遠高于收縮壓時，脈搏波消失，隨著袖套壓力下降，脈搏開始出現(xiàn)。當袖套壓力從高于收縮壓降到收縮壓Ps以下時，脈搏波會從無到有，并逐漸增大，在平均壓Pm時幅值達到最大。然后脈搏波又隨袖套壓力下降而衰減。示波法血壓測量就是根據(jù)脈搏波幅度與袖套壓力之間的關(guān)系來估計血壓的。脈搏波最大值對應(yīng)的是平均壓Pm，收縮壓Ps和舒張壓Pd分別由對應(yīng)脈搏波最大幅值的比例來確定[9-10]。本課題采用幅度系數(shù)法，并采用臨床值0.48(收縮壓幅度系數(shù))和0.58(舒張壓幅度系數(shù))。在得到平均動脈壓Pm時，在該袖套壓力下，得到橈動脈處的壓力脈搏波波形(如圖1所示)。

圖1 示波法中脈搏波波幅與袖套壓力的對應(yīng)關(guān)系示圖

2 心血管血流動力學(xué)參數(shù)計算

脈搏波波形特征變化首先放映在脈搏波波形面積上的變化，為了能用一個簡單的特征量來描述上述變化，羅志昌等[11]提出一個以脈圖面積變化為基礎(chǔ)的脈搏波波形特征量K值(如圖2所示)。

圖2 脈搏波波形特征圖

脈搏波波形特征定義為公式1：

式中Ps為收縮壓、Pd為舒張壓；Pm為平均動脈壓，是橈動脈脈搏壓力波形P(t)變化的平均值，其定義為公式2：

式中T為脈搏波周期，T=60/HR

由此可見，K值的大小僅決定于脈搏波的脈圖面積，其和收縮壓Ps與舒張壓Pd的絕對值無關(guān)，是一個無量綱值，相當于脈搏波壓力脈動分量的平均值(Pm-Pd)在脈動分量最大值(Ps-Pd)中所占的百分比。不同生理病理狀態(tài)下脈圖波形和面積都會有很大變化，這個變化可用K值表示。

在確定了收縮壓、舒張壓和波形系數(shù)K值之后，通過和人體脈搏波傳播相關(guān)數(shù)學(xué)模型建立血壓和血流之間的定量關(guān)系，就可以得到一系列的血流動力學(xué)參數(shù)計算公式[11]。

3 主要硬件電路結(jié)構(gòu)

本裝置硬件主要由氣壓傳感器、信號處理電路、單片機和電壓轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。采用腕部氣囊式的傳感方式在測量血壓的同時提取脈搏波信號，用可充放氣的血壓袖套縛住手腕，在充放氣過程中同時提取橈動脈壓力脈搏波信號和反映袖套本身內(nèi)部的氣體的壓力信號。一路橈動脈脈搏波信號，對該信號進行濾波和二級放大，然后送入單片機中進行信號處理；另一路接近直流的袖套內(nèi)壓力信號，從該路信號中實時監(jiān)測袖套內(nèi)的壓力值，并直接送入到單片機中。信號送入單片機后，通過A/D轉(zhuǎn)換進行信號采集、存儲及計算，再通過D/A輸出控制腕式袖套的充放氣過程，最后通過串口通訊與PC端相連(如圖3所示)。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

3.1 氣壓傳感器

本裝置選擇NovaSensor公司的NPC-1220系列氣壓式(袖套)傳感器提取橈動脈壓力脈搏波。該傳感器的表壓有不同量程等，5 spi、10 spi、15 spi和20 spi(1 mm Hg=0.019 spi)。考慮到實際測量時需要的壓力范圍值為0～200 mm Hg，故選擇型號為NPC 1220-005，實際測壓范圍為0～250 mm Hg。

該傳感器操作簡單且是一種帶高集成度放大電路的硅壓力傳感器，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。操作者只需要套上袖套就可以進行測量，適用于非醫(yī)務(wù)技術(shù)人員，從而提高了橈動脈壓力脈搏波的適應(yīng)性(如圖4所示)。

圖4 NPC 1220-005原理圖

3.2 信號處理電路

信號處理電路如圖5所示，包括前置放大電路(a)、脈搏波信號放大濾波電路(b)和電位鉗制電路(c)。由于橈動脈脈搏波信號幅值為mV級，頻率為0.1～8 Hz，信號頻率均是低頻信號，且受試者日常呼吸及測量時產(chǎn)生的運動偽影，都會造成信號干擾，因此本裝置采用具有高增益、高共模抑制比的芯片INA118構(gòu)成前置差分放大電路[7,12]。

在脈搏波信號放大濾波電路中，選擇具有四通道的運算放大器TL084芯片。第一級放大為20倍，濾波范圍為33 Hz，第二級放大為47倍，濾波范圍為15.9 Hz?？偡糯蟊稊?shù)為940倍，濾波范圍為0～15.9 Hz。

由于微控制器單元(micro controller unit, MCU)有一定的基準電壓輸入值，信號輸入端的電位若大于或小于這個范圍值，則MCU無法讀取信號值，若輸入信號的電位過高，則有燒毀MCU的危險性。因此在信號濾波放大后設(shè)計了電位鉗制電路。相較于信號直接輸入到MCU中，電壓跟隨器可以提高輸入阻抗，大幅度減小輸入電容的容量，降低輸出阻抗，起到緩沖和隔離作用。

3.3 單片機

圖5 信號處理電路圖

脈搏波信號處理主要包括從前置放大電路分離的脈搏波信號和袖套內(nèi)壓力信號，處理該信號的MCU需要具有低功耗、高存儲空間、高運算速度和至少2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的性能特點[13]。為此本研究選擇ARM芯片STM32F103RBT6，不僅能夠滿足以上信號處理的要求，同時還具有高實時性、可靠性、體積小以及集成度高的特點，有利于實現(xiàn)裝置小型化[14]。

數(shù)據(jù)的實時采集與判斷是確定采集脈搏波氣壓值即受試者平均動脈壓的關(guān)鍵。采用兩路并行12位模數(shù)轉(zhuǎn)換IO口，同時采集接近直流的袖套內(nèi)壓力信號以及反應(yīng)橈動脈處的脈搏波壓力信號。

當氣泵加壓使袖套內(nèi)壓力值達到受試者舒張壓時，單片機可以采集到搏動的脈搏波信號，隨著袖套內(nèi)壓力的不斷增大，脈搏波波峰幅值也隨之增大，當袖套內(nèi)壓力達到受試者平均動脈壓時，脈搏波波峰幅值達到最大。單片機通過記錄此時的脈搏波波峰幅值最大值對應(yīng)的袖套內(nèi)壓力，得到受試者的平均動脈壓。單片機控制氣泵和氣閥失能，讓袖套內(nèi)壓力保持在平均動脈壓狀態(tài)，采樣頻率100 Hz，持續(xù)20 s，以采集足夠分析的穩(wěn)定的脈搏波波形(如圖6所示)。

圖6 單片機內(nèi)功能流程圖

3.4 氣泵及氣閥驅(qū)動電路

控制袖套壓力主要依靠氣泵、電磁閥和勻速放氣閥實現(xiàn)。本裝置選用的氣泵和氣閥都是3 V供電需求，且通過單片機I/O口控制通斷，為達到氣泵和氣閥的工作電流，并實現(xiàn)過電流保護功能，因此需要設(shè)計驅(qū)動電路提供氣泵和氣閥的工作電壓(如圖7所示)。

圖7 氣泵或氣閥驅(qū)動電路圖

4 結(jié)論

根據(jù)示波法檢測人體血壓的原理，以及人體橈動脈脈動變化與動脈血管外加袖套壓力的關(guān)系得到橈動脈壓力脈搏波，從而實現(xiàn)在無創(chuàng)測量人體腕部血壓的同時，可以無創(chuàng)采集人體橈動脈壓力脈搏波，為實現(xiàn)血壓和心血管血流動力學(xué)因素綜合監(jiān)測人體心血管狀態(tài)的功能奠定了基礎(chǔ)。

本裝置利用NovaSensor公司的NPC-1220系列氣壓式(袖套)傳感器采集腕部氣囊內(nèi)壓力信號，通過信號處理模塊將壓力信號分離為人體脈動信號及腕部氣囊內(nèi)袖套壓力，并利用STM32F103RBT6芯片的兩路并行I/O口，實時監(jiān)測并控制兩路壓力信號，通過尋找脈搏波波峰最大幅值點得到人體平均動脈壓，計算得出人體收縮壓及舒張壓。

本研究所采用示波法的幅度系數(shù)法是應(yīng)用最廣泛的方法之一，且具有抗干擾性好、重復(fù)性好和誤差小等特點[15-16]。為驗證本系統(tǒng)重復(fù)性，對同1名志愿者進行連續(xù)10次血壓測量，初步預(yù)試驗表明，本裝置血壓監(jiān)測具有良好重復(fù)性。其誤差來源主要有：①在放氣過程中，袖套內(nèi)脈動分量壓力信號不穩(wěn)定易造成脈動分量波形波峰點誤判，從而造成血壓值計算誤差；②袖套內(nèi)脈動分量壓力信號相較直接采用壓力傳感器提取脈搏波信號而言有一定差異性，故在后續(xù)研究中，將繼續(xù)完善波峰點判別算法及袖套內(nèi)脈動分量的脈搏波信號完善算法。

隨著電子醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展，以及健康醫(yī)療家庭化的不斷推廣與重視，能夠?qū)崿F(xiàn)個人健康實時動態(tài)監(jiān)測的家庭健康監(jiān)測設(shè)備，可以更完善的造福于人類健康，為心血管疾病的早期發(fā)現(xiàn)與監(jiān)測提供途徑。

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