孫煜，馮秀麗

天津普仁萬(wàn)合信息技術(shù)有限公司 研發(fā)一部，天津 300457

引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織2013年發(fā)布的《高血壓全球概要》顯示，每年大約有1700萬(wàn)人死于心血管疾病，其死亡率已儼然超過(guò)傳染性疾病，成為世界第一[1]。我國(guó)形勢(shì)同樣嚴(yán)峻，據(jù)《中國(guó)心血管病報(bào)告2016》報(bào)告，全國(guó)有心血管病患者約2.9億，其中高血壓患者有2.7億。然而，18歲以上高血壓的知曉率、治療率和控制率僅有46.5%、41.1%和13.8%[2]。我國(guó)每年由于血壓升高而導(dǎo)致過(guò)早死亡的人數(shù)高達(dá)200萬(wàn)[3]。這表明很多人都沒(méi)有重視高血壓所帶來(lái)的健康隱患，缺乏對(duì)血壓的日常監(jiān)控。

大量研究發(fā)現(xiàn)，血壓的連續(xù)測(cè)量有利于高血壓及其并發(fā)癥的防治和診斷工作[4]。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：① 可以有效避免因緊張等原因產(chǎn)生的“白大衣現(xiàn)象”；② 可以反映一段時(shí)間內(nèi)的血壓變化趨勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱性高血壓；③ 可以提高高血壓的預(yù)測(cè)和診斷能力；④ 可以驗(yàn)證降壓藥的藥效性，便于醫(yī)生做出劑量調(diào)整。

目前，臨床上使用的動(dòng)態(tài)連續(xù)血壓計(jì)的原理多數(shù)是基于示波法的。該方法操作簡(jiǎn)單，測(cè)量方便。但由于需要加壓，會(huì)造成嚴(yán)重的不適感；較長(zhǎng)的測(cè)量間隔，不利于夜間血壓監(jiān)測(cè)。這些缺點(diǎn)，使得該類血壓計(jì)的臨床效果并不理想。

本文主要介紹了我們自主研發(fā)的一種基于脈搏波波速和脈搏波波形特征參量法的腕式血壓計(jì)。該血壓計(jì)使用壓電薄膜傳感器采集橈動(dòng)脈脈搏波，提取脈搏波形相關(guān)特征，借助心電信號(hào)，通過(guò)回歸建模，測(cè)量血壓值。將傳感器置于手腕橈動(dòng)脈搏動(dòng)最強(qiáng)處采集脈搏波，可以有效代替袖帶加壓過(guò)程，實(shí)現(xiàn)24 h血壓的連續(xù)監(jiān)測(cè)。該血壓計(jì)理論上可以通過(guò)將測(cè)量間隔縮小至2 min，更為靈敏地觀測(cè)血壓的變化情況。

1 基于脈搏波的血壓測(cè)量方法

近些年，越來(lái)越多的人開(kāi)始研究基于脈搏波的連續(xù)血壓測(cè)量方法[5-7]。該方法突破了袖帶加壓的限制，極大地提升了測(cè)量時(shí)的舒適度。其方法主要有兩種，一種是脈搏波速法，該方法通過(guò)獲得脈搏波波速或脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間來(lái)測(cè)量血壓；另一種是脈搏波波形特征參量法，該方法通過(guò)分析脈搏波波形特征與血壓的關(guān)系來(lái)進(jìn)行血壓測(cè)量。

1.1 脈搏波速法

該方法通過(guò)獲得脈搏波波速或脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間（Pulse Wave Transit Time，PWTT）來(lái)測(cè)量血壓[8-9]。Puke等[10]設(shè)計(jì)了一個(gè)放置于胸前的可穿戴設(shè)備，該設(shè)備可以同時(shí)獲取心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)，將計(jì)算得到的PWTT用于血壓的測(cè)量。

我們對(duì)采集得到的心電信號(hào)進(jìn)行R波識(shí)別，確定每一時(shí)間段的R波位置。其次，根據(jù)相鄰兩個(gè)R波點(diǎn)截取出單周期脈搏波信號(hào)，通過(guò)識(shí)別脈搏波起始點(diǎn)，計(jì)算得到R波與脈搏波起始點(diǎn)間的距離。該距離對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，見(jiàn)圖1。

圖1 脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間

1.2 脈搏波波形特征參量法

該方法主要通過(guò)提取脈搏波的時(shí)、頻域特征來(lái)測(cè)量血壓[11-12]。脈搏波的時(shí)域特征包括波形、時(shí)間等。波形特征主要包括主波高度、重搏波高度等。時(shí)間特征主要包括主波上升時(shí)間、收縮期時(shí)間、舒張期時(shí)間等[13]。脈搏波的頻域特征主要包括主波以及各諧波的幅度與頻率。

脈搏波所呈現(xiàn)出的波形、波速、幅度和周期等方面的綜合信息很大程度上反映了人體心血管系統(tǒng)中許多生理和病理的血流特征。因此，我們分別對(duì)脈搏波提取了時(shí)域和頻域的特征。時(shí)域特征有：快速射血期（t1），能反映出心臟的射血能力；心率（hr），能反映出心動(dòng)周期；主波寬度（width），取主波高度80%的兩點(diǎn)間距離作為主波寬度，能反映射血能力和血管彈性。頻域特征有：從單周期脈搏波的頻譜圖中提取前四個(gè)峰值的幅度和頻率作為特征。

結(jié)合上述兩種方法，我們提取了12個(gè)特征，即脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間PWTT；時(shí)域特征：射血期t1、心率hr、主波寬度width；頻域特征：頻譜圖的前四個(gè)峰值的幅度H1、H2、H3、H4以及前四個(gè)峰值的頻率F1、F2、F3、F4作為構(gòu)建血壓計(jì)模型的參數(shù)，記為[p1, p2, …, p12]。

1.3 血壓計(jì)模型

血壓是一個(gè)非常復(fù)雜的人體指標(biāo)，而且受多種因素影響。不同血管的舒張功能隨年齡增長(zhǎng)逐漸增加，到壯年期首先出現(xiàn)阻力血管舒張功能的下降，引起血壓不同程度的升高。而身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）作為衡量身高、體重的指標(biāo)，同樣影響著血壓水平[14]。BMI是高血壓發(fā)病的一個(gè)獨(dú)立危險(xiǎn)因素，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)BMI的變化可以有效預(yù)測(cè)高血壓發(fā)病的危險(xiǎn)。因此，建立血壓模型時(shí)，除了考慮脈搏波外，也將用戶的個(gè)人特性，如性別、BMI、年齡等因素考慮在內(nèi)。

通過(guò)簡(jiǎn)單的線性擬合并不能很好的預(yù)測(cè)血壓。因此，我們依據(jù)性別和BMI參數(shù)將模型進(jìn)行細(xì)化，以PWTT為主，結(jié)合脈搏波形特征參量，并引入年齡參數(shù)等13個(gè)特征，以水銀血壓計(jì)得到的血壓測(cè)量值為目標(biāo)值，建立以隨機(jī)森林為內(nèi)核的非線性血壓計(jì)算模型，模型原理圖，見(jiàn)圖2。隨機(jī)森林是由Leo Breiman在2001年提出的，該算法通過(guò)使用自舉重采樣法生成N個(gè)訓(xùn)練樣本集，并將N個(gè)決策樹(shù)集成起來(lái)，共同決定結(jié)果[15-16]。單個(gè)決策樹(shù)的預(yù)測(cè)能力可能不足，但通過(guò)多個(gè)決策樹(shù)共同預(yù)測(cè)后，往往能得到更好的結(jié)果。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)樹(shù)都只用到部分特征和樣本，增加了決策樹(shù)之間的特異性，在一定程度上避免了過(guò)擬合現(xiàn)象。

圖2 血壓計(jì)模型原理圖

2 基于脈搏波腕式血壓計(jì)的測(cè)試

針對(duì)脈搏波腕式血壓計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)涉及到的儀器有腕式血壓計(jì)、魚(yú)躍牌水銀血壓計(jì)。腕式血壓計(jì)的核心器件主要包括脈搏傳感器和脈感TM芯片。

脈搏傳感器是自主研發(fā)的一種便攜式無(wú)源傳感器，屬于壓電薄膜傳感器（圖3）。該傳感器具有頻帶寬、靈敏度高、抗沖擊性能良好、重量輕等特點(diǎn)。使用壓電薄膜的優(yōu)勢(shì)在于，對(duì)其縱向施加一個(gè)很小的力，在橫向上會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，適合用來(lái)獲取微弱的脈搏波信號(hào)。并且，相比于壓電和光電傳感器，壓電薄膜傳感器具有更好的抗干擾能力和靈敏性。

圖3 壓電薄膜脈搏傳感器

自主研發(fā)的脈感TM技術(shù)芯片，集成了心電信號(hào)測(cè)量模塊和脈搏波信號(hào)調(diào)理模塊以及核心處理器。心電信號(hào)模塊包含心電傳感器、兩級(jí)心電放大器以及高低通濾波器?？紤]到心電信號(hào)的微弱性，我們經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，將毫伏級(jí)的心電信號(hào)放大至伏級(jí)。我們采用AD8232放大器，實(shí)現(xiàn)了1000倍的放大。心電信號(hào)的頻率范圍在0.05～100 Hz，其中主要能量集中在0.05～35 Hz之間。我們選用OPA2376進(jìn)行高低通濾波，其截止頻率分別為100 Hz、0.05 Hz。脈搏波信號(hào)模塊，我們同樣選用了AD8232進(jìn)行兩級(jí)放大。由于脈搏波信號(hào)的頻譜能量主要集中在40 Hz以內(nèi)，因此，我們選用100 Hz的低通濾波器進(jìn)行濾波。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

我們先后兩次招募了524名志愿者。將第一次采集的340人數(shù)據(jù)作為建立模型的樣本（男性有136人，女性有204人，年齡分布為28～85歲）。第二次采集的184人數(shù)據(jù)作為血壓計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試樣本（男性有61人，女性有123人，年齡分布為29～93歲）。數(shù)據(jù)采集步驟如下：

首先，受試者在溫度為25℃的房間內(nèi)休息15 min；然后，佩戴腕式血壓計(jì)采集橈動(dòng)脈的脈搏波形和心電信號(hào)波形，單次采集時(shí)間為1 min，采集次數(shù)至少為3次，之后采用水銀血壓計(jì)測(cè)量受試者的血壓，作為參考值。

通過(guò)篩選初步去除了質(zhì)量較差的信號(hào)，得到了1405個(gè)樣本。之后根據(jù)檢查R波識(shí)別結(jié)果后又去掉了3個(gè)樣本。我們最終得到了1402個(gè)樣本集，其中建立模型樣本集有999個(gè)，血壓計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試集有403個(gè)，其樣本分布，見(jiàn)表1。

表1 樣本收縮壓分布（%）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 心電R波識(shí)別結(jié)果及分析

計(jì)算PWTT需要用到R波峰值點(diǎn)，我們對(duì)1405個(gè)樣本的心電信號(hào)進(jìn)行了R波峰值點(diǎn)的識(shí)別。該識(shí)別算法采用的是小波濾波以及改進(jìn)的高寬比識(shí)別算法。通過(guò)人工篩查，其中有1402個(gè)樣本的R波識(shí)別正確，識(shí)別率為99.8%。心電R波識(shí)別結(jié)果，見(jiàn)圖4。

圖4 心電R波識(shí)別結(jié)果

3.2 血壓計(jì)測(cè)試結(jié)果及分析

血壓計(jì)測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示，腕式血壓計(jì)的計(jì)算結(jié)果與水銀血壓計(jì)測(cè)量結(jié)果的偏差的均值分別為0.030 mmHg/-0.965 mmHg（收縮壓/舒張壓），遠(yuǎn)小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 mmHg的上限；偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為5.364 mmHg/5.618 mmHg（收縮壓/舒張壓），小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8 mmHg的上限。

表2 血壓測(cè)試結(jié)果

表3 血壓測(cè)試結(jié)果

更進(jìn)一步，我們通過(guò)使用Bland-Altman法，定量的分析了測(cè)試血壓與參比血壓之間的比較，如圖5、圖6所示。從圖中可以看出，兩種血壓計(jì)收縮壓和舒張壓差值的均值都小于1 mmHg，這一現(xiàn)象表明兩種測(cè)量方法的一致性程度較高。并且，從圖中還可以看出95%置信區(qū)間（虛線）也都在10 mmHg附近。

圖5 收縮壓與水銀血壓計(jì)收縮壓差值與平均值關(guān)系散點(diǎn)圖

圖6 舒張壓與水銀血壓計(jì)舒張壓差值與平均值關(guān)系散點(diǎn)圖

4 總結(jié)與展望

以往的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量方法都不能很好地滿足連續(xù)性、穩(wěn)定性、精度、舒適度等技術(shù)要求。本文設(shè)計(jì)了一種腕式血壓計(jì)，該血壓計(jì)使用壓電薄膜傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的袖帶，通過(guò)采集心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)，提取特征，建立血壓計(jì)算模型，從而得到血壓值。該血壓計(jì)擺脫了袖帶加壓的限制，極大地提升了測(cè)量時(shí)的舒適感，適用于長(zhǎng)時(shí)間的血壓監(jiān)測(cè)。從精度上來(lái)看，腕式血壓計(jì)和水銀血壓計(jì)之間的測(cè)量誤差滿足AAMI SP-10的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，并且在95%的置信區(qū)間內(nèi)誤差小于5%，具有較好的一致性。

在未來(lái)的研究中，可以引入一些血管生理參數(shù)，如血液粘稠度、血管彈性等，這些參數(shù)同樣也是影響血壓的重要因素。通過(guò)提取更多與血壓相關(guān)的有效特征以及使用基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)算法建模，相信在不久的將來(lái)，該血壓計(jì)可以為測(cè)量者提供準(zhǔn)確的血壓信息，并輔助醫(yī)生及時(shí)地發(fā)現(xiàn)潛在的病患。