吳育東，鐘舜聰,2，沈耀春,3

1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院光學(xué)/太赫茲及無損檢測實驗室，福建福州 350108；2.福建省醫(yī)療器械和生物技術(shù)重點研究室，福建 福州350108；3.英國利物浦大學(xué) 電氣電子工程系，英國 利物浦 L69 3GJ

基于SWT和ANN的無創(chuàng)連續(xù)血壓測量方法研究

吳育東1，鐘舜聰1,2，沈耀春1,3

1.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院光學(xué)/太赫茲及無損檢測實驗室，福建福州 350108；2.福建省醫(yī)療器械和生物技術(shù)重點研究室，福建 福州350108；3.英國利物浦大學(xué) 電氣電子工程系，英國 利物浦 L69 3GJ

本文針對電子血壓計不能實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)測量等問題，提出一種基于平穩(wěn)小波變換（Stationary Wavelet Transform，SWT）算法和光電容積傳感技術(shù)的無創(chuàng)血壓測量方法。實驗分析了模擬數(shù)據(jù)庫中的26900個脈搏波信號，通過SWT對光電容積脈搏波進(jìn)行分解，重構(gòu)第5層高頻系數(shù)，提取該重構(gòu)信號的10個特征參數(shù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artif i cial Neural Networks，ANN）的矢量輸入，脈搏波對應(yīng)的血壓作為ANN的輸出進(jìn)行血壓模型的訓(xùn)練，并對模型進(jìn)行誤差分析。實驗結(jié)果表明，模型的測試誤差達(dá)到美國醫(yī)療器械促進(jìn)協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)，通過該方法可實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)測量。

血壓；光電容積脈搏波；平穩(wěn)小波變換；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

引言

血壓表征血液對血管壁的側(cè)壓力，通過對人體血壓的連續(xù)監(jiān)測，可以很好地反映出人體心血管系統(tǒng)功能的好壞?，F(xiàn)實生活中通常用電子血壓計進(jìn)行血壓測量[1]，該方式的主要缺點是只能間斷性獲得人體血壓，并且測量過程中充氣袖套的使用會給測量者帶來不適感。

先前許多學(xué)者尋求通過脈搏波傳輸時間（Pulse Transit Time，PTT）估計人體血壓[2-4]。其原理是同時獲取人體的心電信號（Electrocardiosignal，ECG）[5]和光電容積脈搏波（Photoplethysmography，PPG）[6-7]信號，利用這兩路信號實現(xiàn)PTT的計算，最后通過PTT與血壓建立的模型間接計算血壓。這種方法需要采集兩路信號，增加了設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性，限制了儀器的小型化，不利于便攜式攜帶實現(xiàn)24 h的連續(xù)監(jiān)測。

后來有些學(xué)者提出基于單個PPG信號對血壓的測量方法[8-10]。李章俊等[11]學(xué)者也做了關(guān)于PPG時域波形與血壓相關(guān)性的研究?；诿}搏波的原理，研究PPG信號的時間參數(shù)、面積參數(shù)、主播點高等參數(shù)與血壓的相關(guān)性，為利用脈搏波特征參數(shù)檢測血壓提供依據(jù)。

然而臨床研究表明[12]，隨著血管外周阻力、血管壁彈性和血液粘度等生理因素的變化，人體脈搏波的波形特征也出現(xiàn)了一系類變化。4個不同類型的PPG信號，見圖1?？梢钥闯霾煌说腜PG信號有所差異，特別是信號中重搏波部分越來越不明顯，PPG波形特征的變化會影響特征參數(shù)的提取導(dǎo)致血壓計算精度下降。

圖1 不同類型的PPG信號

針對上述問題，本 文提出一種基于平穩(wěn)小波變換（Stationary Wavelet Transform，SWT）和光電容積傳感技術(shù)的無創(chuàng)血壓測量方法。通過SWT對原始PPG信號進(jìn)行分解，重構(gòu)第5層高頻系數(shù)，提取該重構(gòu)信號的10個特征參數(shù)作為ANN的矢量輸入，以及每個PPG對應(yīng)的收縮壓（Systolic Blood Pressure，SBP）和舒張壓（Diastolic Blood Pressure，DBP）作為ANN的矢量輸出進(jìn)行訓(xùn)練擬合，通過該方法實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)測量。

1 實驗原理

1.1 平穩(wěn)小波變換原理

小波變換[13]類似于傅里葉變化，將一般的信號表示為小波基的線性疊加，從而將對原來函數(shù)的分析轉(zhuǎn)換為疊加權(quán)系數(shù)，即小波變換的分析。連續(xù)小波變化定義為：

平穩(wěn)小波變換[14-15]是通過對傳統(tǒng)的離散小波變換進(jìn)行降低重復(fù)計算量與復(fù)雜度的ε-抽樣來實現(xiàn)的，具有非抽樣的時不變特性。ε-采樣離散小波變換是Pesquet在離散小波變換的基礎(chǔ)上與1996年提出的一種方法，其在采樣過程中選擇保留偶數(shù)項或者奇數(shù)項，即選定一個ε，而傳統(tǒng)的離散小波變換在采樣時只是保留偶數(shù)項。平穩(wěn)小波變換的分解與重構(gòu)過程，見圖2。

圖2 平穩(wěn)小波變換的分解和重構(gòu)過程

分解濾波器的上采樣過程，見圖3。其中分解濾波器在不同層上均作上采樣的補(bǔ)零操作，使得在不同層次上得到不同的濾波器，如圖3所示為第j+1層所采用的濾波器是在第j層濾波器的基礎(chǔ)上進(jìn)行上采樣得到的。

圖3 分解濾波器的上采樣過程

在初狀態(tài)下，F(xiàn)0= L0_ D, G0= H_D，隨著分解層數(shù)的遞增，分解濾波器也隨之變大。與離散小波變換的分解過程相比較，平穩(wěn)小波變換在每一層的分解過程中并沒有采用下采樣，所以分解系數(shù)仍與原始信號保持相同的長度，這一特性使得分解系數(shù)在直接作用重構(gòu)濾波器后直接相加就可以得到上一次的近似系數(shù)部分，而不需要再進(jìn)行上采樣。在應(yīng)用中，信號采用電的長度要滿足被2N整除的條件，其中N為平穩(wěn)小波變換中信號的分解層數(shù)。

本研究通過對不同特征的PPG信號進(jìn)行10層的SWT分解分析，由各層的高頻系數(shù)重構(gòu)對應(yīng)的高頻信號，發(fā)現(xiàn)第5層（以下簡稱D5層）高頻信號具有共同的特征。圖1中不同特征的脈搏波和對應(yīng)的D5層高頻信號，見圖4。原始信號的有用高頻成分大部分都分布在D5層中，而且D5層的每搏信號與原始PPG信號在時間尺度上一一對應(yīng)，原始PPG信號有的重播波不明顯，在D5層都能體現(xiàn)出來。所以本研究以D5層作為研究對象，提取D5層的特征參數(shù)作為ANN的擬合輸入。

提取D5層的10個特征參數(shù)，見圖5。原始PPG信號通過SWT分解，由第5層高頻系數(shù)重構(gòu)得到D5層分量。再利用差分閥值法計算D5層每搏波形信號的主動脈瓣開放點A1，收縮期最高壓力點B1，降中峽點C1，重搏波點D1等特征點[16-18]，以此基礎(chǔ)上提取10個特征參數(shù)：主波B1點的幅值Hb，降中峽點C1點的幅值Hc，重播波點D1的幅值Hd。時間參數(shù)有主波點B1點到起始點A1的時間Tb，降中峽點C1點到起始點A1的時間Tc，重播波點D1點到起始點A1的時間Td。面積參數(shù)有起始點A1到主播點B1的面積s1，主播點B1到下一個波起始點面積s2，以及總面積s。以這10個特征參數(shù)作為ANN的輸入。

圖4 不同特征的PPG信號和 對應(yīng)的D5層

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

20世紀(jì)80年代中期，Rumelhart和McCelland[19]提出了誤差反向傳播算法，即熟稱Bcak Propagation （BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。算法在實行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練時，數(shù)據(jù)的傳輸是從輸入層到輸出層正向傳輸，而在訓(xùn)練各層權(quán)值時，則是按照誤差降低的方向，從輸出層通過隱含層逆向地逐層訂正，訓(xùn)練的過程中重復(fù)著正向數(shù)據(jù)傳播和反向權(quán)值訂正，直到網(wǎng)絡(luò)的輸出與期望輸出的誤差達(dá)到設(shè)定的數(shù)值，或是到達(dá)設(shè)定的訓(xùn)練次數(shù)，網(wǎng)絡(luò)停止訓(xùn)練。

圖5 提取c4層信號的10個特 征參數(shù)

本文使用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見圖6?？偣卜譃檩斎雽?，隱含層，輸出層3層結(jié)構(gòu)，其中隱含層使用sigmoid傳遞函數(shù)，輸出層則是線性的，訓(xùn)練時網(wǎng)絡(luò)采用Levenberg-Marquardt算法[20]，及trainlm函數(shù)。以D5層提取的10個特征參數(shù)作為輸入層的輸入矢量。隱含層共包括30個神經(jīng)元，以每搏PPG信號對應(yīng)的SBP和DBP作為輸出層，進(jìn)行模型的訓(xùn)練。

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.3 模擬數(shù)據(jù)庫

實驗中分析的PPG信號和對應(yīng)的SBP和DBP數(shù)據(jù)都來自于模擬數(shù)據(jù)庫[21-26]，該數(shù)據(jù)庫記錄了多種生理信號和生命體征。這些信號中大多數(shù)包括了心電圖、血壓和PPG信號。以125 Hz采樣頻率記錄保存。數(shù)據(jù)庫的信號，見圖7。本文以PPG信號進(jìn)行分析，提取特征參數(shù)作為ANN的輸入，數(shù)據(jù)庫中記錄的每搏ABP信號對應(yīng)的收縮壓和舒張壓作為ANN的輸出，進(jìn)行訓(xùn)練。

2 血壓模型建立與測試

本文總共計算了不同人的26900個每搏PPG信號和信號對應(yīng)的SBP和DBP。把這些數(shù)據(jù)分為ANN模型訓(xùn)練和測試兩部分，其中24900個作為模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)，2000個作為模型測試數(shù)據(jù)。

2.1 模型建立

在進(jìn)行ANN模型訓(xùn)練時候，算法隨機(jī)地將24900個數(shù)據(jù)的70%劃分為訓(xùn)練樣本，15%劃分為驗證樣本，剩下15%的數(shù)據(jù)為測試樣本。根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的誤差直方圖和R值來判定所訓(xùn)練的模型的性能。

圖7 數(shù)據(jù)庫的信號

訓(xùn)練模型的性能評估結(jié)果，見圖8。圖8a為訓(xùn)練完成后訓(xùn)練樣本、驗證樣本、和測試樣本的誤差直方圖。誤差計算公式為：誤差=目標(biāo)輸出-實際輸出。如圖可以看出誤差大部分集中在0附近。圖8b為訓(xùn)練樣本，驗證樣本，測試樣本的回歸圖。如圖訓(xùn)練樣本，驗證樣本，測試樣本及所有數(shù)據(jù)的R值分別為：0.96614，0.96415，0.96008，0.96493。根據(jù)誤差直方圖和回歸圖可以看出訓(xùn)練的模型良好。

2.2 模型測試

2000個每搏PPG信號作為模型的測試估計。測試血壓實際值和估計值對應(yīng)的折線圖，見圖9。由圖可以從宏觀看出經(jīng)模型計算的血壓估計值和實際值之間很接近。

圖9中對應(yīng)SBP和DBP的誤差直方圖，見圖10，其中誤差e由下面公式計算得到：

式中BPest為經(jīng)過ANN訓(xùn)練模型估計出的SBP或者DBP，而BP為對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的實際值。從圖中可以看出收縮壓和舒張壓的誤差e大部分都集中在[-5,5] mmHg之間。

3 結(jié)果分析

上述血壓模型測試結(jié)果統(tǒng)計，即以SBP和DBP對應(yīng)的絕對誤差ea的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為性能分析結(jié)果（均值±標(biāo)準(zhǔn)差），見表1。其中絕對誤差ea由下面公式計算得到：

表1 實驗結(jié)果

由表1可知，通過該方法估算的收縮壓絕對誤差ea的均值為3.98 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為3.32 mmHg，舒張壓絕對誤差ea的均值為3.81 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為3.63 mmHg。根據(jù)美國醫(yī)療器械促進(jìn)協(xié)會（AAMI）頒發(fā)的評價血壓計準(zhǔn)確性的國際標(biāo)準(zhǔn)[27]，設(shè)備測量的血壓與標(biāo)準(zhǔn)血壓計測量的絕對誤差ea的均值必須＜5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差必須＜8 mmHg。上表中SBP和DBP所對應(yīng)的絕對誤差均值和標(biāo)準(zhǔn)差都＜（5±8）mmHg，滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖8 訓(xùn)練模型性能評估

4 討論與結(jié)論

圖9 血壓實際值與估計值折線圖

圖10 血壓誤差直方圖

本文提出了利用PPG信號無創(chuàng)測量血壓的新方法。通過SWT對原始PPG信號進(jìn)行分解。由第5層高頻系數(shù)重構(gòu)得到D5層分量,提取D5層信號的10個特征參數(shù)進(jìn)行ANN的矢量輸入，以每搏PPG信號對應(yīng)的SBP和DBP作為ANN的矢量輸出?？偣卜治隽藬?shù)據(jù)庫中26900個PPG信號，根據(jù)測試的結(jié)論SBP絕對誤差ea為（3.93±3.22）mmHg，DBP絕對誤差ea為（3.81±3.63）mmHg，滿足美國醫(yī)療器械促進(jìn)協(xié)會頒發(fā)的評價血壓計準(zhǔn)確性的國際標(biāo)準(zhǔn)，即絕對誤差ea應(yīng)在（5±8）mmHg以內(nèi)。因此，通過該方法能夠測量人體的每搏血壓值，為智能穿戴等健康監(jiān)護(hù)設(shè)備實現(xiàn)血壓的無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測提供一定的參考價值，后續(xù)將設(shè)計相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，將該方法應(yīng)用于系統(tǒng)中進(jìn)行測試研究。

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本文編輯 袁雋玲

Noninvasive Continuous Blood Pressure Measurment Method Based on SWT and ANN

WU Yu-dong1, ZHONG Shun-cong1,2, SHEN Yao-chun1,3

1.Laboratory of Optics, Terahertz and Non-destructive Testing & Evaluation, School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350108, China; 2.Fujian Key Laboratory of Medical Instrument and Pharmaceutical Technology, Fuzhou Fujian 350108, China; 3.Department of Electrical Engineering and Electronics, University of Liverpool, Liverpool L69 3GJ, United Kingdom

In order to solve the problem of non-invasive continuous measurement of blood pressure in electronic sphygmomanometer, a non-invasive blood pressure measurement method based on stationary wavelet transform (SWT) algorithm and photoplethysmography were proposed. In the experiment, a total of 26900 pulse wave signals from the mimic database were analyzed and subsequently the pulse wave was decomposed by SWT. Furthermore, 10 characteristic parameters of the 5thlayer high frequency reconstruction signal were extracted as the input of artif i cial neural networks (ANN). The blood pressure corresponding to the pulse wave was taken as the output of ANN to train the blood pressure model. The error analysis of the model was carried out. The results indicated that the error of the model met the standards of the American association for the advancement of medical instrumentation. Therefore, this method can be employed in noninvasive continuous measurement of blood pressure.

blood pressure; photoplethysmography; stationary wavelet transform; artificial neural networks

TP391.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.05.006

1674-1633(2017)05-0022-06

2017-01-23

2017-03-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（51675103）；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點科研基金（博導(dǎo)類：20133514110008）；國家衛(wèi)生和計劃生育委員會科研基金（WKJ-FJ-27）；福建省杰出青年基金（滾動資助計劃，2014J07007）。

鐘舜聰，研究員/博士生導(dǎo)師，主要研究方向為無損檢測。

通訊作者郵箱：zhongshuncong@hotmail.com