張克剛，李蓓，饒夢(mèng)琳，張廣，王丹，何史林

1.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院海南分院 a.醫(yī)工科；b.急診科；c.信息科，海南 三亞 572013；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300170

脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法檢測(cè)血壓算法的研究與實(shí)現(xiàn)

張克剛1a，李蓓1b，饒夢(mèng)琳1c，張廣2，王丹2，何史林1c

1.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院海南分院 a.醫(yī)工科；b.急診科；c.信息科，海南 三亞 572013；2.軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所，天津 300170

目的研究并實(shí)現(xiàn)用脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法檢測(cè)血壓。方法利用對(duì)心電R波和脈搏波波峰的定位，計(jì)算脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間；利用檢測(cè)方法結(jié)合監(jiān)護(hù)儀檢測(cè)血壓采集大量數(shù)據(jù)，對(duì)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和人體血壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)心電R波和脈搏波波峰的定位，并計(jì)算脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間；利用統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行血壓估計(jì)，估計(jì)值與實(shí)測(cè)值誤差在5 mmHg，占比32.54%；誤差在10 mmHg以內(nèi)的占比59.92%。結(jié)論定位方法的穩(wěn)定性還需提高，血壓估計(jì)算法的準(zhǔn)確度還不夠，后期將據(jù)此深入研究。

脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間；R波定位；統(tǒng)計(jì)分析；血壓估計(jì)；多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀

引言

血壓是反應(yīng)心血管系統(tǒng)功能狀態(tài)的重要參數(shù)之一，通過(guò)對(duì)血壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體心血管疾病的及時(shí)監(jiān)控和預(yù)警，同時(shí)為臨床醫(yī)生對(duì)于疾病的診治提供重要依據(jù)，在臨床中具有重要意義?，F(xiàn)有的血壓測(cè)量方法主要包括導(dǎo)管介入法、聽(tīng)診法、示波法、動(dòng)脈張力法等。導(dǎo)管介入法為有創(chuàng)檢測(cè)；聽(tīng)診法、示波法檢測(cè)都需要用袖帶檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)檢測(cè)；動(dòng)脈張力檢測(cè)法為手工檢測(cè)，且檢測(cè)難度較大，不利于進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法，主要通過(guò)測(cè)量血流在一定距離的傳導(dǎo)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)血壓的檢測(cè)[1-3]。相比較上面的幾種方法，脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間檢測(cè)法可以更方便地實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)血壓監(jiān)測(cè)，方便快捷。

1 原理與方法

1.1 脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法檢測(cè)原理

脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間（Pulse Wave Transit Time，PWTT）是射血期在主動(dòng)脈根部產(chǎn)生的搏動(dòng)波沿血管壁傳導(dǎo)到外周某處的時(shí)間，是反映動(dòng)脈彈性及可擴(kuò)張性的常用指標(biāo)[1]。PWTT值大小，一定程度上反映了血管壁的僵硬程度。血流在動(dòng)脈血管中流動(dòng)與血管壁相互作用產(chǎn)生壓力，脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間反映了血流在動(dòng)脈血管中流動(dòng)的相互作用，這與人體血壓密切相關(guān)。因此我們就可以通過(guò)對(duì)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體血壓的監(jiān)測(cè)。

1.2 脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的檢測(cè)

心臟每次收縮時(shí)將血流壓入動(dòng)脈血管，在主動(dòng)脈根部產(chǎn)生脈搏波信號(hào)，與此同時(shí)，心臟產(chǎn)生的心電信號(hào)出現(xiàn)R波信號(hào)，即可將其出現(xiàn)的時(shí)間定義為主動(dòng)脈根部產(chǎn)生脈搏波的時(shí)間，也可利用在同一動(dòng)脈位置檢測(cè)到的R波信號(hào)時(shí)間與脈搏波頂點(diǎn)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的檢測(cè)。

1.2.1 心電R波波峰定位

心電R波波峰定位主要包括前期信號(hào)預(yù)處理以及后期R波波峰定位。信號(hào)預(yù)處理主要包括濾波、求導(dǎo)等：信號(hào)采集模塊采集的信號(hào)包含有大量的干擾噪聲，會(huì)對(duì)后前的波峰定位造成較大干擾，因此必須進(jìn)行濾波去噪處理；信號(hào)噪聲主要包括環(huán)境當(dāng)中的50 Hz工頻噪聲以及信號(hào)采集時(shí)噪聲的基線漂移，而心電信號(hào)的主要頻率位于二者之間，因此將帶通濾波進(jìn)行處理；相比信號(hào)其他位置以及干擾信號(hào)，R波的上升沿和下降沿的斜率都最大，因此采用求導(dǎo)得出信號(hào)斜率，進(jìn)一步在信號(hào)當(dāng)中突出R波信號(hào)[4-8]。R波波峰檢測(cè)，主要依據(jù)ANSI/AAMI EC13:2002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。R波波峰定位流程，見(jiàn)圖1。其主要包括：

圖1 R波波峰定位流程圖

（1）檢測(cè)能力：能夠檢測(cè)振幅范圍0.5～5 mV，脈寬范圍從70～120 ms的QRS波；拋棄振幅小于0.15 mV的信號(hào)，以及幅度達(dá)到1 mV但脈寬＜10 ms的QRS波。

（2）抗噪能力：能夠抑制幅度100 μV，頻率為60 Hz的背景噪聲，能夠抑制0.1 Hz，峰峰值為4 mV的三角波噪聲。1.2.2 脈搏波波峰定位

脈搏波波峰定位流程，見(jiàn)圖2。脈搏波波峰定位同樣分為前期信號(hào)預(yù)處理和后期定位兩部分。因?yàn)槊}搏波信號(hào)相比心電信號(hào)其信號(hào)簡(jiǎn)單、帶寬范圍窄，而且不具備R波信號(hào)斜率最大的特點(diǎn)，因此只進(jìn)行帶通濾波。在后期定位中，直接利用求導(dǎo)得到相應(yīng)的極值點(diǎn)，在極值點(diǎn)附近求其峰值點(diǎn)即為脈搏波波峰位置[9-13]。

圖2 脈搏波波峰定位流程圖

1.3 血壓估計(jì)

根據(jù)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間估算血壓，現(xiàn)在主要是利用Moens-Korteweg方程來(lái)進(jìn)行近似：

Tb是基礎(chǔ)PWTT，Pb是對(duì)應(yīng)于Tb的基礎(chǔ)血壓值。γ是血管特征的比例系數(shù)，ΔT是血壓變化對(duì)應(yīng)的PWTT變化。因?yàn)閭€(gè)體的血管特征在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的變化，所以血壓與PWTT 有近似線性關(guān)系：

為得到最終的血壓估計(jì)，只需測(cè)試兩組PWTT值，同時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)血壓計(jì)測(cè)出其對(duì)應(yīng)的血壓值，從而求出a、b值即可。但是前提是在理想狀態(tài)下，因而忽略了血壓改變時(shí)動(dòng)脈內(nèi)徑大小和動(dòng)脈壁厚度的改變[14-16]。在實(shí)際應(yīng)用中，往往存在較大誤差。本文利用采集到的大量心電數(shù)據(jù)，通過(guò)上述信號(hào)處理以及脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的檢測(cè)方法，結(jié)合患者多種生理參數(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，確定人體血壓與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 R波及脈搏波波峰定位

本文利用基于MK2511芯片設(shè)計(jì)的智能腕表進(jìn)行心電信號(hào)和脈搏波數(shù)據(jù)采集，采樣頻率512 Hz。對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行歸一化、去除線性趨勢(shì)處理，處理之后的信號(hào)，見(jiàn)圖3。圖中只能大致看出有些許R波信號(hào)輪廓，但是信號(hào)基本還是被淹沒(méi)在噪聲當(dāng)中。

圖3 原始信號(hào)波形

對(duì)其進(jìn)行帶通濾波處理。心電的能量主要集中在頻率成分為5～11 Hz之間，但是在11～37 Hz之間還存在一些心電信號(hào)的細(xì)節(jié)成分。因此，在不損失R波信號(hào)特點(diǎn)的前提下，為最大程度減小計(jì)算量以及提高濾波效果，本文采用通帶為5～26 Hz的帶通濾波器對(duì)信號(hào)采集模塊采集到的原始心電信號(hào)進(jìn)行濾波處理。原始心電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波之后的信號(hào)波形，見(jiàn)圖4。圖中基本可以很清楚的看出R波信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量相比原始信號(hào)得到很大提高。

圖4 帶通濾波信號(hào)圖形

心電信號(hào)當(dāng)中，R波信號(hào)的斜率最大。為在心電信號(hào)當(dāng)中突出R波信號(hào)，對(duì)濾波處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)。經(jīng)過(guò)求導(dǎo)處理之后的信號(hào)波形，見(jiàn)圖5，求導(dǎo)處理更加突出了R波信號(hào)，同時(shí)也徹底消除了信號(hào)的基線漂移，使信號(hào)集中在0的左右。

圖5 求導(dǎo)處理信號(hào)波形

根據(jù)E13標(biāo)準(zhǔn)，利用波峰高度，波峰位置（離上一個(gè)波峰的距離），以及波峰斜率來(lái)分辨是QRS波或者噪聲。兩個(gè)R波波峰距離必須大于200 ms（忽略300 bpm以上的心率），每個(gè)R波必須同時(shí)包括上升沿和下降沿，R波波峰幅值必須大于檢測(cè)閾值：

其中，AN為平均噪聲，AR為R波波峰平均幅值。利用最后檢測(cè)到的8個(gè)噪聲、R波幅值、R-R間隙來(lái)分別估計(jì)平均噪聲、平均R波幅值以及平均R-R間隙。為防止由于連續(xù)的強(qiáng)的心跳將閾值提的太高以至于正常的心跳無(wú)法檢測(cè)，在連續(xù)8 s沒(méi)有波峰檢測(cè)到時(shí)，重新對(duì)閾值進(jìn)行初始化。除去濾波器延時(shí)、窗延時(shí)、最小間隔延時(shí)等延時(shí)，算法定位結(jié)果在原始心電信號(hào)定位效果，見(jiàn)圖6。

圖6 R波定位結(jié)果

脈搏波波峰定位與R波波峰定位相類似，主要包括：采用通帶范圍為0.1～3 Hz的帶通濾波器進(jìn)行去噪處理，通過(guò)求導(dǎo)求得脈搏波各個(gè)極值點(diǎn)，在極值點(diǎn)前120點(diǎn)尋找相應(yīng)峰值點(diǎn)，最終定位結(jié)果，見(jiàn)圖7。

圖7 脈搏波定位結(jié)果

2.2 血壓估計(jì)

本文利用心電采集模塊采集9000多例心電及脈搏波數(shù)據(jù)，同時(shí)采用邁瑞iPM8型號(hào)的多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀對(duì)其血壓進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)篩選得3280例有效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)錄入Epidata 3.1軟件中進(jìn)行統(tǒng)一管理，使用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，見(jiàn)表1。

表1 多重線性回歸方程結(jié)果列表

模型復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.663，模型擬合較好，可用于估計(jì)分析。估計(jì)值與實(shí)測(cè)值差值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為（-0.06±12.76）mmHg，尚未能達(dá)到血壓計(jì)準(zhǔn)確性檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)（5±8）mmHg。利用回歸模型在252例患者中的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，將相關(guān)自變量引入模型，結(jié)果顯示，估計(jì)值與實(shí)測(cè)值誤差在5 mmHg以內(nèi)的82例，占比32.54%；誤差在10 mmHg以內(nèi)的151例，占比59.92%。

3 討論

本文通過(guò)對(duì)心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)的處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)心電R波及脈搏波波峰的定位，并通過(guò)定位結(jié)果計(jì)算了脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，最后利用采集篩選的數(shù)據(jù)對(duì)人體血壓和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析得到了人體血壓和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并對(duì)其估計(jì)效果進(jìn)行了檢測(cè)。通過(guò)與監(jiān)護(hù)儀實(shí)際檢測(cè)到的血壓數(shù)據(jù)相對(duì)比，誤差在10 mmHg范圍內(nèi)的檢測(cè)比例已經(jīng)達(dá)到59.92%。與傳統(tǒng)的利用Moens-Korteweg方程只利用PWTT估算血壓相比，本文的算法增加了臂圍、臂長(zhǎng)等個(gè)性化參數(shù)，提高了算法的適用性和估算精度。但同時(shí)本文應(yīng)用的定位算法在信號(hào)干擾較大時(shí)，定位效果并不理想；同時(shí)本文的利用統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)的結(jié)果還不足夠準(zhǔn)確，算法估算的精度比例還不夠，在后期的研究中，將結(jié)合以上不足進(jìn)一步加強(qiáng)深入。

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本文編輯 袁雋玲

Research and Realization of Detecting Blood Pressure by Pulse Wave Transit Time Method

ZHANG Ke-gang1a, LI Bei1b, RAO Meng-lin1c, ZHANG Guang2, WANG Dan2, HE Shi-lin1c
1.a.Department of Medical Engineering; b.Department of Emergency; c.Department of Information; Chinese PLA General Hospital Hainan Branch, Sanya Hainan 572013, China; 2. Institute of Health Equipment, Academy of Military Medical Sciences, Tianjin 300170, China

ObjectiveTo study and realize the method to detect the blood pressure by pulse wave transmission time (PWTT).MethodsThe PWTT was calculated by using the orientation of the electrocardiogram R wave and pulse wave peak. Statistical analysis was performed on the relationship between the PWTT and human body's blood pressure by using the detection method combined with the monitor blood pressure collecting a large amount of data.ResultsThe orientation of the electrocardiogram R wave and pulse wave peak were realized, and the PWTT was calculated. Meanwhile, the blood pressure was estimated based on the statistical results. The proportion of the error of the estimated value and the measured values in 5 mmHg accounted for 32.54% and in 10 mmHg accounted for 59.92%.ConclusionThe stability of the positioning method still needs to be improved. In addition, the accuracy of the blood pressure estimation algorithm is not enough, and further studies will be conducted in the future.

pulse wave transmission time; R wave positioning; statistical analysis; blood pressure estimation

R318.6

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.003

1674-1633(2017)08-0008-03

2016-12-29

2017-02-22

海南省高新技術(shù)課題（ZDFY2017008）。

何史林，解放軍總醫(yī)院海南分院信息科副主任，主要研究方向?yàn)閺氖箩t(yī)療信息化、遠(yuǎn)程醫(yī)療和可穿戴設(shè)備研發(fā)與研究。

通訊作者郵箱：heshilin301@163.com