趙彥峰,于雙,王慧泉,2,朱豪杰,王金海,2△

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387;2.天津市醫(yī)學(xué)電子診療技術(shù)工程中心，天津 300387)

1 引 言

連續(xù)血壓[1]測(cè)量可以實(shí)際反映血壓在全天內(nèi)的變化規(guī)律，對(duì)突發(fā)性心腦血管病的預(yù)測(cè)及對(duì)降壓藥的治療效果評(píng)估有重要意義[2]。

連續(xù)血壓直接測(cè)量法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)血壓的測(cè)量，被公認(rèn)為血壓測(cè)量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但技術(shù)要求高，且為有創(chuàng)測(cè)量，不能被廣泛使用[3]。無創(chuàng)連續(xù)血壓間接測(cè)量是通過分析人體相關(guān)特征信號(hào)，獲取血壓值的測(cè)量方法。動(dòng)脈張力法[4]和容積補(bǔ)償法[5]是兩種常用的無創(chuàng)連續(xù)測(cè)量方法，但其長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量會(huì)導(dǎo)致靜脈充血而影響測(cè)量精度，其應(yīng)用有一定局限性?；诿}搏波傳導(dǎo)時(shí)間的連續(xù)無創(chuàng)血壓測(cè)量是利用脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間與血壓之間的相關(guān)性提出的一種間接測(cè)量法，測(cè)量裝置簡(jiǎn)單，無袖帶的充放氣，有利于長(zhǎng)時(shí)間的血壓監(jiān)測(cè)。早在1957年，Lansdown就提出對(duì)于某一個(gè)體，PTT與血壓之間呈線性相關(guān)[6]，由于不同個(gè)體之間的心臟和血管不同，測(cè)量會(huì)有較大的誤差，但許多學(xué)者已經(jīng)證明血壓和脈搏之間存在密切的相關(guān)性[7]。本研究提取脈搏波特征參數(shù)，利用相關(guān)分析對(duì)脈搏波特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將優(yōu)化的脈搏波特征參數(shù)加入PTT與血壓之間的校正模型中，以克服脈搏波特征的個(gè)體差異對(duì)本方法無創(chuàng)血壓檢測(cè)的影響。

2 基本原理

血壓是在血液循環(huán)中，心臟周期性地射血，血液沿著主動(dòng)脈流動(dòng)時(shí)對(duì)血管壁所施加的壓力[8]。血液在流動(dòng)過程中產(chǎn)生周期性的脈搏波，脈搏波波形會(huì)隨著離心臟距離的不同會(huì)有時(shí)間上的延遲即脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，由Moens-Kortweg公式和Hughes[9]推導(dǎo)出人體血壓變化與動(dòng)脈血管壁楊氏彈性量以及脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的關(guān)系[10]：

(1)

式中：P為血壓值，E0為血壓值為零時(shí)血管壁彈性模量，h為血管壁厚度，d為血管內(nèi)徑，ρ為血液密度，PTT為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，K為無量綱常數(shù)，γ為血管特性參數(shù)量值。

由上式可知，血壓值和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間具有較好的相關(guān)性，由脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間可以間接地得到血壓值。見圖1，A點(diǎn)為PTT的起點(diǎn)，D點(diǎn)為PTT的終點(diǎn)。

圖1 脈搏波特征參數(shù)示意圖

脈搏波的特征參數(shù)有很多，如幅值，時(shí)間特性等[11]。常見的脈搏波特征參數(shù)[12]有主波的高度h(即D點(diǎn)的幅值)、主波的上升時(shí)間t(tBD)、升支最大斜率近似值K(KC)、脈搏波的波形系數(shù)、每搏心輸出量的特征參數(shù)(Z=(h×T)/(T-t))、脈搏波的周期T(TDE)等參數(shù)[13]。利用偏最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而間接的計(jì)算出血壓值。

偏最小二乘法回歸的基本作法是先在變量集中提出第一成分t1(t1是x1，x2…，xm的線性組合，且盡可能多地提取原自變量集中的變異信息)；同時(shí)在因變量集中也提取第一成分u1，并要求t1與u1相關(guān)程度達(dá)到最大。然后建立因變量y1，y2，…，yp與t1的回歸，如果回歸方程已達(dá)到滿意的精度，則算法中止。否則繼續(xù)第二對(duì)成分的提取，直到能達(dá)到滿意的精度為止。若最終對(duì)自變量集提取r個(gè)成分t1,t2,…，tr,偏最小二乘法回歸將通過建立y1,y2,…,yp與t1,t2,…，tr的回歸式，再表示為y1,y2,…,yp與原自變量的回歸方程式，即偏最小二乘回歸方程。

3 數(shù)據(jù)采集及處理

脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的計(jì)算關(guān)鍵在于脈搏波傳輸起點(diǎn)和終點(diǎn)的選擇，一般可以采用心電信號(hào)的R波作為PTT的時(shí)間起點(diǎn)[14]，在肢體末端如指尖等設(shè)置一光電傳感器，記錄光電脈搏波(PPG)[15]，提取PPG信號(hào)的最大值為終點(diǎn)，從而得到延時(shí)時(shí)間PTT。本實(shí)驗(yàn)使用ANALOG DISCOVERY采集卡，雙通道、14-Bit、125MSPS采樣率，利用氯化銀電極和反射式PPG傳感器，分別采集50名志愿者的心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)，通過姿態(tài)和飲食調(diào)整志愿者的血壓值，共獲得200組不同的血壓值數(shù)據(jù)。被測(cè)者性別為25男25女，均為年齡在22～60歲之間，平均年齡為39歲，本研究所有的志愿者均被告知實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)內(nèi)容并征得同意。在測(cè)量實(shí)驗(yàn)前被測(cè)人員應(yīng)休息10 min，并且保持端坐的狀態(tài)，使用歐姆龍HEM-7111測(cè)量血壓，每個(gè)被測(cè)者測(cè)量四次血壓，每隔十五分鐘測(cè)量一次作為一組數(shù)據(jù)，這樣可以避免一次偶然性誤差對(duì)結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

人體心電信號(hào)(ECG)和光電脈搏波信號(hào)(PPG)屬于非常微弱的生理低頻信號(hào)，其頻率范圍在0～30 Hz之間，其幅值范圍在0～10 mV之間。人體自身阻抗大，且易受外界環(huán)境的影響，所以在采集過程中，采用高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲、低溫漂的前置放大器對(duì)心電信號(hào)和脈搏信號(hào)進(jìn)行放大，放大之后的信號(hào)通過50 Hz的陷波濾波器濾除工頻干擾和巴特沃斯低通數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波，獲得較平滑的信號(hào)，見圖3。

圖3 濾波處理后的效果圖

4 建模分析

利用Matlab計(jì)算200組數(shù)據(jù)的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間以及脈搏波特征參數(shù)：脈搏波的傳導(dǎo)時(shí)間(PTT)、脈搏波的波形系數(shù)(K’)、主波高度(H)、升支最大斜率(K)、每搏心輸出量的特征參數(shù)(Z)、脈搏波的周期(T)，各參數(shù)的范圍見表1。

表1血壓值及其相應(yīng)的波形特征參數(shù)

Table 1 The blood pressure value and the corresponding waveform characteristic parameters

對(duì)人體動(dòng)脈收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和脈搏波特征參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到相關(guān)系數(shù)(R)見表2、3。

表2收縮壓和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間

以及脈搏特征參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果

Table2Thesimplecorrelationanalysisofsystolicbloodpressureandpulsewaveconductiontimeandpulsecharacteristicparameters

相關(guān)系數(shù)PTTK’HKZTR-0.61-0.240.320.260.29-0.5

表3舒張壓和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間

以及脈搏特征參數(shù)的相關(guān)性分析結(jié)果

Table3Thesimplecorrelationanalysisofdiastolicbloodpressureandpulsewaveconductiontimeandpulsecharacteristicparameters

相關(guān)系數(shù)PTTK’HKZTR-0.63-0.410.400.390.42-0.58

從表2、表3可以看出，收縮壓與舒張壓均與脈搏波的傳導(dǎo)時(shí)間、脈搏波的波形系數(shù)、主波高度、升支最大斜率、每搏心輸出量的特征參數(shù)脈搏波的周期具有較好的相關(guān)性。

由圖4可知,收縮壓和舒張壓預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值的相關(guān)性分別為0.76、0.80，線性關(guān)系良好，平均絕對(duì)誤差分別為7.8、6.9 mmHg，滿足AAMI國(guó)際電子血壓計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，對(duì)5名新志愿者進(jìn)行收縮壓和舒張壓測(cè)量，同時(shí)采集心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)，利用Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，分析得出脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和脈搏波特征參數(shù)，帶入本研究建立的校正模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)收縮壓和舒張壓的預(yù)測(cè)。計(jì)算結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果見表4。

圖4 測(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比

表4測(cè)試組PTT值、脈搏波特征值及血壓預(yù)測(cè)結(jié)果

Table4ThebloodpressurepredictionresultsofPTTvalue,thecharacteristicsofpulsewave

次數(shù)GenderPTTK’HKZT測(cè)量值SBPDBP計(jì)算值SBPDBP1M0.34871.40.7397.020.930.8011862115.164.22M0.3120.831.4319.831.910.6813187127.885.93W0.31400.771.5322.891.960.6810769106.472.44M0.30670.751.35519.271.710.7013890134.686.15W0.31750.81.52925.211.780.9510565104.263.8

圖5為血壓預(yù)測(cè)結(jié)果，其中SBP(a)為收縮壓實(shí)際測(cè)量值，SBP(c)為收縮壓計(jì)算值；DBP(a)為舒張壓測(cè)量值，DBP(c)為舒張壓計(jì)算值。預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差為5 mmHg之內(nèi)，滿足AAMI國(guó)際電子血壓計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 測(cè)量值與計(jì)算值對(duì)比

6 結(jié)論

本研究提出了一種連續(xù)血壓測(cè)量的新方法，利用偏最小二乘法分析脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間與脈搏波特征參數(shù)的關(guān)系，分別建立收縮壓和舒張壓與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間PTT以及脈搏波特征參數(shù)的回歸方程，以此實(shí)現(xiàn)血壓的連續(xù)性、無袖帶式檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法計(jì)算得到的舒張壓和收縮壓的預(yù)測(cè)平均絕對(duì)誤差小于5 mmHg，滿足AAMI[16]國(guó)際電子血壓計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。