李申龍， 李毅彬， 李洪陽(yáng)， 張　洋， 陳曉萌， 鄧　寧

(清華大學(xué) 微電子與納電子學(xué)系， 北京 100084)

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基于脈搏波相位差的無創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量方法

李申龍， 李毅彬， 李洪陽(yáng)， 張洋， 陳曉萌， 鄧寧

(清華大學(xué) 微電子與納電子學(xué)系， 北京 100084)

摘要:無創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量技術(shù)對(duì)醫(yī)療保健、臨床監(jiān)護(hù)、臨床研究有重要意義。首次提出利用人體脈搏波的相位差來測(cè)量血壓的新方法。介紹了橈動(dòng)脈相位差和指端相位差與血壓的關(guān)系，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同血壓條件下的人體多點(diǎn)脈搏波相位差，結(jié)果表明：多點(diǎn)脈搏波相位差與血壓存在很強(qiáng)的相關(guān)性，且便攜性與穩(wěn)定性要優(yōu)于傳統(tǒng)的基于脈搏波傳輸時(shí)間(PTT)測(cè)量血壓。

關(guān)鍵詞:脈搏波； 相位差； 無創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量

0引言

血壓作為人體的一個(gè)重要生理參數(shù)，能夠反映人體心臟和血管的功能狀況，也是臨床上疾病診斷觀察治療的重要依據(jù)[1]。高血壓是心腦血管疾病最重要的危險(xiǎn)因素之一，50 %～70 %的腦卒中和40 %～50 %的心肌梗死發(fā)生與血壓升高有關(guān)[2,3]。血壓的監(jiān)測(cè)對(duì)于心腦血管疾病的預(yù)防和早期發(fā)現(xiàn)及治療有著重要作用[4]。因此，實(shí)現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)測(cè)量對(duì)健康監(jiān)護(hù)和臨床研究具有重要意義。

傳統(tǒng)的基于脈搏波傳輸時(shí)間(pulse transit time，PTT)測(cè)量血壓是較為普遍的無創(chuàng)血壓連續(xù)測(cè)量方法，被廣泛用在可穿戴設(shè)備上進(jìn)行血壓測(cè)量。其核心思想是根據(jù)心電圖(ECG)和動(dòng)脈遠(yuǎn)端的脈搏波得到PTT，而PTT與血壓存在較強(qiáng)的相關(guān)性，因此,可以根據(jù)測(cè)得的PTT計(jì)算得到血壓值[5～7]。但是，基于PTT的血壓測(cè)量方法需要同時(shí)測(cè)量心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)，而心電信號(hào)需要在人體多個(gè)部位固定電極，需要多條電極引線，導(dǎo)致測(cè)量不方便。而且心電電極在使用一段時(shí)間后不能保證與皮膚很好地接觸，不適于長(zhǎng)時(shí)間(如24小時(shí)/7天)連續(xù)監(jiān)測(cè)血壓[8,9]。

脈搏波信號(hào)可以用多種傳感器檢測(cè)到，不同傳感器采集到的脈搏波，反映了脈搏波不同的屬性。 聚偏二氟乙烯(polyvinyl lidene fluoride,PVDF)壓電薄膜制成的壓電傳感器，可以采集到壓力脈搏波，光電傳感器可以通過探測(cè)血氧飽和度采集到光電容積脈搏波[10]。不同種類的脈搏波雖然都有相同的脈搏周期，但不同脈搏波傳播的機(jī)理和決定其傳播速度的因素是不同的[11]。這就導(dǎo)致了不同脈搏波各自的波形和傳播速度的差別。傳播速度的差別是產(chǎn)生脈搏波相位差的根本原因。

本文研究了人體橈動(dòng)脈和指端脈搏波的相位差。橈動(dòng)脈脈搏波相位差會(huì)隨著人體血壓升高而減小，指端脈搏波相位差會(huì)隨著人體血壓升高而變大，趨勢(shì)不同的原因是主動(dòng)脈和毛細(xì)動(dòng)脈對(duì)脈搏波的影響機(jī)理不同。由于測(cè)量過程中傳感器對(duì)位置很敏感，會(huì)導(dǎo)致單點(diǎn)脈搏波相位差測(cè)血壓存在一定的誤差，因此，用多點(diǎn)脈搏波相位差測(cè)量血壓可以更好地提高測(cè)量精度。

1脈搏波相位差原理

脈搏波的相位差是指兩種不同種類的脈搏波(如壓力脈搏波和光電容積脈搏波)，從心室開始傳播到同一位置，由于不同脈搏波傳播速度的差異，會(huì)導(dǎo)致峰值有一個(gè)時(shí)間差，如圖1，這個(gè)時(shí)間差就是脈搏波相位差。不同的脈搏波的起因是相同的，都是心臟的搏動(dòng)沿動(dòng)脈血管和血流向外周傳播而形成的，但不同脈搏波傳播的機(jī)理和決定其傳播速度的因素是不同的。所以，脈搏波相位差蘊(yùn)含著豐富的信息，其本身也可以用于無創(chuàng)連續(xù)的血壓測(cè)量。

圖1　脈搏波相位差Fig 1　Phase difference of pulse wave

2實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

2.1實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)試者將2組4只傳感器分別置于左手橈動(dòng)脈和指端。其中，傳感器1和傳感器2為光電傳感器，用于采集光電容積脈搏波；傳感器3和傳感器4為壓電傳感器，用于采集壓力脈搏波。傳感器1和傳感器3放置在橈動(dòng)脈處，傳感器2和傳感器4放置在指端，傳感器通過單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過串口傳入電腦，在電腦端使用Matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、繪圖及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。右手使用歐姆龍血壓儀，每一分鐘測(cè)量一次血壓，記錄血壓變化和心率變化。

實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)階段：靜息階段、運(yùn)動(dòng)階段以及恢復(fù)階段。第一階段為靜息階段，測(cè)試者雙臂保持不動(dòng)，安靜狀態(tài)下測(cè)量脈搏波2～3 min；第二階段測(cè)試者卸下傳感器，通過跑步等劇烈運(yùn)動(dòng)的方式改變血壓；第三階段為運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段，測(cè)試者重新戴上傳感器，并通過血壓儀記錄血壓，此階段主要記錄人體從運(yùn)動(dòng)后的高血壓高心率狀態(tài)，恢復(fù)到正常血壓與心率的過程，每分鐘測(cè)量一次血壓，直至記錄的血壓與心率值，與第一階段平穩(wěn)時(shí)的血壓心率相近為止。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在運(yùn)動(dòng)恢復(fù)階段，從Matlab實(shí)時(shí)獲取的脈搏波波形和血壓儀測(cè)得的數(shù)據(jù)都能觀察到血壓和心率由劇烈變平緩的過程。圖2為橈動(dòng)脈處，脈搏波相位差隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖，為了消除隨機(jī)誤差，每個(gè)點(diǎn)為5個(gè)心動(dòng)周期的脈搏波相位差平均值?？梢钥闯觯弘S著血壓升高，光電容積脈搏波與壓力脈搏波的相位差有負(fù)相關(guān)的趨勢(shì)。圖中可以明顯看到：運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的開始階段脈搏波相位差變小，隨著血壓和心率的恢復(fù)，脈搏波相位差也恢復(fù)到正常的水平。圖3為指端處脈搏波相位差隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖?？梢钥闯觯弘S著血壓的升高，容積脈搏波與壓力脈搏波的相位差有正相關(guān)的趨勢(shì)。圖中可以看到：運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的開始階段脈搏波相位差變大，隨著血壓和心率的恢復(fù)，脈搏波相位差也恢復(fù)到正常的水平。

圖2　橈動(dòng)脈脈搏波相位差隨時(shí)間變化關(guān)系Fig 2　Phase difference of radial artery pulse wave change with time

圖3　指端脈搏波相位差隨時(shí)間變化關(guān)系Fig 3　Phase difference of finger tip pulse wave change with time

圖4為人體多點(diǎn)脈搏波相位差隨時(shí)間變化的散點(diǎn)圖，即橈動(dòng)脈處相位差與指端相位差相減與血壓的關(guān)系?？梢钥闯?相對(duì)于單點(diǎn)脈搏波相位差，采用兩點(diǎn)相位差之差與血壓的變化有著更明顯的趨勢(shì)。

圖4　多點(diǎn)脈搏波相位差隨時(shí)間變化關(guān)系Fig 4　Phase difference of multipoint pulse wave change with time

將計(jì)算出的相位差，通過軟件分別將三組數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)測(cè)得的血壓進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表1。通過表1可以看出:多點(diǎn)相位差的相關(guān)性明顯好于單點(diǎn)相位差的相關(guān)性。

表1　脈搏波相位差與血壓的相關(guān)性

3討論

3.1橈動(dòng)脈和指端各自的脈搏波相位差

由于不同脈搏波傳播的機(jī)理和其傳播速度是不同的，因此,影響脈搏波相位差的因素很復(fù)雜，但主要可以歸結(jié)為兩個(gè)因素:一是血壓，二是血流傳播的路徑。

對(duì)于同一位置，血壓變化會(huì)導(dǎo)致脈搏波傳播速度的變化。當(dāng)血壓改變時(shí)，由于血液流速和血管壁壓力的改變，壓力脈搏波和容積脈搏波的波速均會(huì)隨之變化，兩者傳播時(shí)間的變化差，與血壓有很強(qiáng)的相關(guān)性。

對(duì)于不同位置，如指端或橈動(dòng)脈，傳播路徑對(duì)脈搏波波速也有很大的影響，在指尖測(cè)得的信號(hào)主要是毛細(xì)動(dòng)脈中的脈搏波，相對(duì)于橈動(dòng)脈，毛細(xì)動(dòng)脈網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜且血管直徑更細(xì)。在血流動(dòng)力學(xué)的理論中，血液在毛細(xì)血管中流動(dòng)時(shí)，主要發(fā)生的是湍流效應(yīng)，而血液在橈動(dòng)脈流動(dòng)時(shí)，主要發(fā)生的是層流效應(yīng)，這對(duì)脈搏波的傳播會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此，在實(shí)際測(cè)量中橈動(dòng)脈和指端脈搏波相位差與血壓有相反的相關(guān)性。

3.2多點(diǎn)脈搏波相位差測(cè)量血壓的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)的基于PTT的血壓測(cè)量方法，獲得PTT需要同時(shí)測(cè)量心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)，而心電信號(hào)需要在人體多個(gè)部位固定電極，需要多條電極引線，導(dǎo)致測(cè)量不方便。而采用脈搏波相位差的方法，可以有效地避免這個(gè)問題。壓電傳感器和光電傳感器都能在橈動(dòng)脈和指端同時(shí)測(cè)得信號(hào)，即只需要身體的一個(gè)部位，就能得到實(shí)時(shí)的血壓，避免了繁瑣的電極引線，具有更好的便攜性。在單點(diǎn)脈搏波相位差測(cè)量血壓的基礎(chǔ)上，多點(diǎn)脈搏波相位差測(cè)量血壓有著更明顯優(yōu)勢(shì)。首先，通過相關(guān)性分析可以看出，測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同位置且趨勢(shì)相反的相位差，可以更好地得到與血壓的關(guān)系。由于在測(cè)量脈搏波時(shí)，壓電傳感器和光電傳感器對(duì)位置十分敏感，位置微小的改變，例如：每次穿戴時(shí)，靜息狀態(tài)下的脈搏波相位差均值都會(huì)有微小的變動(dòng)。而多點(diǎn)脈搏波相位差，通過增加了一組測(cè)量量，可以大大減小這種由于位置的改變而引入的相位差均值變化。其次，由于系統(tǒng)是用單片機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)過AD處理傳入PC，傳輸過程中難免會(huì)產(chǎn)生誤差，而且在實(shí)際測(cè)量中傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)十分敏感，輕微的晃動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致脈搏波波形的變化，對(duì)波峰點(diǎn)的識(shí)別造成困難，而采用多點(diǎn)的方式，可以有效避免由于系統(tǒng)和傳感器的輕微晃動(dòng)而引起的實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差。

4結(jié)束語(yǔ)

本文研究了人體不同點(diǎn)處脈搏波相位差與血壓的關(guān)系，并提出了基于人體多點(diǎn)脈搏波相位差實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量的新方法。通過實(shí)驗(yàn)的方法定性地得出了多點(diǎn)脈搏波相位差與血壓的關(guān)系。與傳統(tǒng)的采用ECG測(cè)量脈搏波傳輸時(shí)間測(cè)量血壓相比，新方法具有測(cè)量方便、連線更少、抗干擾能力更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

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李申龍(1988-)，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛诿}搏波的無創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量。

Non-invasive continuous measurement method of blood pressure based on phase difference of pulse wave

LI Shen-long, LI Yi-bin, LI Hong-yang, ZHANG Yang, CHEN Xiao-meng, DENG Ning

(Institute of Microelectronics and Nanoelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Abstract:Non-invasive continuous blood pressure (BP) measurement technology is significant for health care,clinical monitoring and clinical research.For the first time,put forward a new method to measure BP using phase difference of human body ’s pulse wave.Introduce relationship between BP and phase difference of radial artery and finger tip,and an experiment is designed to measure phase difference of human body’ s multi-points pulse wave under different BP,and results show that,phase difference of human’s multi-points pulse wave has a strong correlation with BP,and portability and stability are superior to traditional method based on pulse transit time(PTT).

Key words:pulse wave; phase difference; non-invasive continuous blood pressure(BP)measurement

作者簡(jiǎn)介:

中圖分類號(hào):TP 212.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)01—0062—03

收稿日期：2015—04—21

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0062—03