高 云,周聰聰,田 健,涂春龍,葉學(xué)松

(浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生儀學(xué)院,杭州 310027)

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基于多傳感器的無創(chuàng)血壓測量系統(tǒng)的研究*

高 云,周聰聰,田 健,涂春龍,葉學(xué)松*

(浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室,生物醫(yī)學(xué)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生儀學(xué)院,杭州 310027)

針對(duì)無創(chuàng)血壓測量過程中易受手臂運(yùn)動(dòng)干擾影響測量準(zhǔn)確度,設(shè)計(jì)研究了一種無創(chuàng)血壓測量中抗運(yùn)動(dòng)干擾系統(tǒng)。該系統(tǒng)在常規(guī)的無創(chuàng)血壓測量基礎(chǔ)上,通過集成MEMS加速度傳感器,實(shí)時(shí)采集血壓測量過程中手臂運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào),并將該信號(hào)作為自適應(yīng)濾波器的參考信號(hào)來抵消原始信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)測量過程中手臂局部運(yùn)動(dòng)的血壓檢測具有較好的抗運(yùn)動(dòng)干擾作用。該方法可用于其他已經(jīng)存在的可穿戴的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中,提高其抗干擾能力,并對(duì)其他人體生理參數(shù)的穿戴式檢測技術(shù)具有重要意義。

血壓;自適應(yīng)濾波;穿戴式;加速度傳感器;抗運(yùn)動(dòng)干擾

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,基于穿戴式傳感器的生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備正逐漸成為研究熱點(diǎn)[1-3]。近年來心電、呼吸、血壓等穿戴式測量設(shè)備層出不窮。Ferreira Marques F A等人研究設(shè)計(jì)的穿戴式心電血壓監(jiān)測系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測穿戴者的心電和血壓[4]。Lim C Y等人利用織物電極,設(shè)計(jì)研究了一種可穿戴式衣衫,用來監(jiān)聽穿戴者的心電信號(hào)并且可以判斷其心率是否異常[5]。Kundu S K等人自主設(shè)計(jì)了一種可穿戴式的紡織電容呼吸傳感器,用來測量人體的呼吸率[6]。然而,穿戴式生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備真正應(yīng)用到日常生活之中,仍需要克服許多困難。由于穿戴式生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用場景大多數(shù)是在日常生活之中,設(shè)備的抗運(yùn)動(dòng)干擾能力尤其重要,這是限制其應(yīng)用的主要原因之一[7]。

在眾多生理參數(shù)測量中,血壓測量更易受到運(yùn)動(dòng)的影響[8]。特別地,就目前市場存在的一些可穿戴的動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測裝置而言,大多數(shù)是在穿戴者靜止?fàn)顟B(tài)下測量的,這嚴(yán)重限制了可穿戴動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。因此,血壓的抗運(yùn)動(dòng)干擾測量研究對(duì)血壓測量技術(shù)的提高乃至未來可穿戴動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測裝置的真正實(shí)現(xiàn)具有十分重要的意義。同時(shí),本文提出并實(shí)現(xiàn)的方法也對(duì)其他人體生理信號(hào)檢測的穿戴式技術(shù)的發(fā)展具有普遍的意義。

在日常生活中主要適用的是無創(chuàng)血壓測量。目前市場上存在的可穿戴動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)廣泛采用的是示波法測量,示波法主要是利用在放氣過程中脈搏波幅度的規(guī)律性變化來判定收縮壓和舒張壓的。隨著袖帶內(nèi)壓力的逐漸降低,具體過程可分為以下4個(gè)階段[9]:①當(dāng)袖帶壓力大于收縮壓時(shí),脈搏波幅度較小;②當(dāng)袖帶壓力等于收縮壓時(shí),脈搏波幅度逐漸增加;③當(dāng)袖帶內(nèi)壓力等于平均壓時(shí),脈搏波幅度最大;④當(dāng)袖帶內(nèi)壓力大于平均壓時(shí),脈搏波幅度逐漸開始減小。

示波法測量血壓簡單易行,但是對(duì)于脈搏波幅度信號(hào)的準(zhǔn)確度要求較高,而脈搏波容易受到手臂運(yùn)動(dòng)的干擾。這就是無創(chuàng)血壓測量易受運(yùn)動(dòng)干擾的主要原因之一。針對(duì)示波法測量血壓過程中,抗運(yùn)動(dòng)干擾問題的,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。全曉莉等人根據(jù)大量的病例數(shù)據(jù)分析,總結(jié)出了一套經(jīng)驗(yàn)方法,消除運(yùn)動(dòng)帶來的奇異峰值[10]。由于該方法是根據(jù)作者設(shè)計(jì)的測量系統(tǒng)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的,所以在用于其他測量系統(tǒng)時(shí),需要重新進(jìn)行大量的測試統(tǒng)計(jì),適用性較差。Koo Y等人利用加速度傳感器采集手臂的運(yùn)動(dòng)信號(hào),并建立模型分析了運(yùn)動(dòng)信號(hào)對(duì)脈搏波信號(hào)的干擾,運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過模型轉(zhuǎn)化成對(duì)袖帶內(nèi)壓力的干擾,但是僅僅是建立了模型,并沒有應(yīng)用到實(shí)際的血壓測量系統(tǒng)當(dāng)中[11]。Choi H S等人利用電容傳感器來檢測手臂的運(yùn)動(dòng)信號(hào),以此作為參考信號(hào),對(duì)運(yùn)動(dòng)干擾進(jìn)行噪聲抵消,取得了一些成果,但是作者只針對(duì)血壓的脈搏波波形做了一些處理,并沒有得到血壓測量值,分析算法的有效性[12-14]。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一個(gè)無創(chuàng)血壓測量系統(tǒng),利用加速度傳感器采集到的加速度信號(hào)作為自適應(yīng)濾波的參考輸入,對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行濾波處理,去除運(yùn)動(dòng)信號(hào)的干擾,提高了無創(chuàng)血壓測量系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件系統(tǒng)

本系統(tǒng)的硬件電路主要分為3個(gè)部分,包括充氣與放氣的氣路模塊、電路模塊以及信號(hào)采集模塊。系統(tǒng)的實(shí)物圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)所示。本系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體公司出品的LIS3DH加速度傳感器,該傳感器可以同時(shí)測量三軸重力加速度,精確測量人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),具有功耗低、精確度和靈敏度高的特點(diǎn)。圖1(b)顯示的是本系統(tǒng)的完整裝置。圖1(c)所示是系統(tǒng)正在進(jìn)行測量。

圖1 血壓測量系統(tǒng)

1.1.1 氣路模塊

為了控制系統(tǒng)的尺寸,充氣氣路模塊采用的KPM14A迷你直流小氣泵,本系統(tǒng)的放氣氣路模塊采用的是KSV15C比例可調(diào)線性放氣閥和快速放氣閥,用來控制線性放氣,實(shí)時(shí)采集氣路中的氣壓。通過調(diào)節(jié)控制信號(hào)的占空比,來實(shí)現(xiàn)對(duì)放氣速度的調(diào)節(jié)。

1.1.2 電路模塊

該系統(tǒng)的主控芯片是TI的MSP430FG4618,用于控制系統(tǒng)的自動(dòng)充放氣、A/D轉(zhuǎn)換以及進(jìn)行運(yùn)算。該單片機(jī)功耗低,資源豐富,穩(wěn)定性強(qiáng),自帶12位A/D轉(zhuǎn)換器。芯片可通過藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)用于數(shù)據(jù)分析。脈搏波信號(hào)經(jīng)過放大之后,通過一個(gè)帶通濾波器,最后經(jīng)過CPU的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

血壓測量主函數(shù)流程如圖2所示。

圖2 血壓測量系統(tǒng)流程圖

圖3 自適應(yīng)濾波器原理圖

2 血壓測量的抗運(yùn)動(dòng)干擾研究

2.1 自適應(yīng)噪聲抵消器設(shè)計(jì)基本原理

人體運(yùn)動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)偽差影響血壓信號(hào)的采集,從而降低了血壓測量的準(zhǔn)確度。有研究學(xué)者指出[15],信號(hào)中由運(yùn)動(dòng)引入的誤差與運(yùn)動(dòng)本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是有限的,這種動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以用一個(gè)FIR系統(tǒng)來表示,也就是說,加速度采集到的運(yùn)動(dòng)信號(hào),經(jīng)過一個(gè)FIR系統(tǒng),就可以得到運(yùn)動(dòng)偽差的估計(jì)。利用自適應(yīng)濾波器來抵消運(yùn)動(dòng)偽差的本質(zhì),就是將由加速度信號(hào)來估計(jì)運(yùn)動(dòng)偽差,再從含有干擾信號(hào)的源信號(hào)中,減去運(yùn)動(dòng)偽差,就可以得到期望信號(hào)。

(1)

(2)

2.2 算法步驟

本系統(tǒng)采用的NLMS自適應(yīng)濾波算法是基于LMS改進(jìn)而來的,主要區(qū)別是采用補(bǔ)償可調(diào)節(jié)的方式控制收斂,步驟如下:

誤差估計(jì):

e(n)=d(n)-y(n)

濾波:

y(n)=WT(n)·X(n)

系數(shù)更新:

W(n+1)=W(n)+2μe(n)X(n)/[P(n)+α]

式其:α為正常數(shù),μ是步長因P(n)=XT(n)X(n),是輸入信號(hào)的功率值估計(jì)。X(n)=[x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)]T為n時(shí)刻的參考輸入矢量,即加速度信號(hào)。

圖4 自適應(yīng)濾波算法流程圖

具體的流程圖如圖4所示。

在使用示波法測量血壓過程中,手臂的抖動(dòng)常常會(huì)引入運(yùn)動(dòng)干擾,導(dǎo)致脈搏波的信號(hào)受到影響,如圖5所示。在圖5(a)中1、2兩處,是由于手臂上下擺動(dòng)造成的影響,由圖5(b)可以看出,加速度信號(hào)也產(chǎn)生了相應(yīng)的變化,很好的記錄了手臂運(yùn)動(dòng)的情況。圖5(c)是經(jīng)過帶通濾波器、滑動(dòng)平均濾波器和自適應(yīng)濾波器處理后的信號(hào),可以看出,運(yùn)動(dòng)信號(hào)的干擾已經(jīng)被去除。

圖5 自適應(yīng)濾波處理效果圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

傳統(tǒng)的示波法測量學(xué)壓,有兩種方式,一種是波形特征法,通過擬合脈搏波序列的包絡(luò)線,然后在包絡(luò)線中尋找突變點(diǎn);另一種是幅度系數(shù)法,尋找最大脈搏波幅度值,通過確定收縮壓和舒張壓的比例系數(shù),從而確定收縮壓和舒張壓。兩種方法對(duì)于脈搏波幅度值的準(zhǔn)確性要求都很高,所以都會(huì)嚴(yán)重受到奇異波的影響。因此,去除手臂運(yùn)動(dòng)干擾引起的奇異波有助于提高示波法無創(chuàng)血壓測量的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng),采用加速度傳感器測量手臂的運(yùn)動(dòng)信號(hào),并以此作為參考輸入,通過自適應(yīng)濾波算法,去除了奇異波干擾,如圖6所示是測量過程中的一組波形圖。在此測量過程中,手臂隨機(jī)運(yùn)動(dòng)了3次,得到了如圖6(a)所示的原始的脈搏波信號(hào),圖6(b)是加速度傳感器采集到

的手臂的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。其中圖6(c)是信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器和滑動(dòng)平均濾波器后的結(jié)果,可以看出,有3處受到了運(yùn)動(dòng)的干擾。圖6(d)是(c)圖信號(hào)經(jīng)過以信號(hào)(b)為參考輸入的自適應(yīng)濾波器后的結(jié)果,可以看出3處干擾得到了明顯的濾除,信號(hào)得到了改善。

圖6 自適應(yīng)濾波處理前后脈搏波信號(hào)對(duì)比圖

針對(duì)自適應(yīng)濾波器在示波法血壓測量中克服運(yùn)動(dòng)干擾能力進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)選取了10名健康成年人,使用本設(shè)備各測量5組,在測量過程中隨機(jī)的上下擺動(dòng)手臂,將使用抗運(yùn)動(dòng)干擾算法后的最終測量結(jié)果以及沒有使用抗運(yùn)動(dòng)干擾算法的測量結(jié)果與水銀血壓計(jì)進(jìn)行比較,結(jié)果如表1和表2所示。從表1中的數(shù)據(jù)可以看出,收縮壓和舒張壓的均方差都超出了規(guī)定的8 mmHg。而從表2中數(shù)據(jù)可以看出,收縮壓和舒張壓的均差在±5 mmHg以內(nèi),均方差在8 mmHg以內(nèi),符合無創(chuàng)血壓測量標(biāo)準(zhǔn)。

表1 10名健康成年人未使用抗運(yùn)動(dòng)干擾算法的測量結(jié)果 單位:mmHg

表2 10名健康成年人使用抗運(yùn)動(dòng)干擾算法后的測量結(jié)果 單位:mmHg

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種無創(chuàng)血壓測量系統(tǒng),針對(duì)可穿戴式動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)的抗運(yùn)動(dòng)干擾問題進(jìn)行了研究,利用MEMS加速度傳感器采集到的加速度信號(hào),作為自適應(yīng)濾波器的參考輸入,對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)造成的干擾信號(hào)進(jìn)行抵消,在一定程度上消除了血壓測量過程中手臂局部運(yùn)動(dòng)造成的干擾,提高了動(dòng)態(tài)血壓測量的準(zhǔn)確性。本方法可以用于目前市場上已經(jīng)存在的可穿戴式動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中,提高其抗運(yùn)動(dòng)干擾能力。同時(shí),該方法對(duì)于其他人體生理參數(shù)穿戴式檢測技術(shù)也有重要意義。

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A Research on Non-Invasive Blood Pressure Measurement System Based on Multi-Sensors*

GAOYun,ZHOUCongCcong,TIANJian,TUChunlong,YEXuesong*

(Biosensor National Laboratory,Key Laboratory of Biomedical Engineering of Education Ministry,Department of Biomedical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Since the blood pressure measurement is susceptible to the arm movement in the process of measurement,this paper implements a noninvasive blood pressure system with an anti-noise algorithm. The system based on the conventional noninvasive blood pressure measurement,collect the real-time information of the arm movement during the measurement by the use of a MEME acceleration transducer,which is used as the reference input of a self-adaptive filter to eliminate the motion artifact by using the self-adaptive filtering algorithm. The experimental results show that the system is resistant to the partial arm motion artifact in the process of measuring blood pressure measurement. The method can be used by the other wearable blood pressure measurement system and improve its anti-interference ability.

blood pressure;self-adaptive filter;wearable;acceleration transducer;movement interference

高 云(1988-),男,遼寧丹東人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)獒t(yī)療器械研發(fā),zjugy@zju.edu.cn;

葉學(xué)松(1970-),浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院教授,博導(dǎo)。研究方向?yàn)镸EMS傳感器和CMOS集成電路設(shè)計(jì);微納生物醫(yī)學(xué)傳感檢測技術(shù);微流體神經(jīng)芯片與神經(jīng)信息學(xué);現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器和醫(yī)療器械,yexuesong@zju.edu.cn。

項(xiàng)目來源:十二五國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAH06F00);國家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2013ZX03005008);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目

2014-12-19 修改日期:2015-02-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.05.025

TP274.2;TF212.3

A

1004-1699(2015)05-0763-05