楊波，彭志凌，邢聯(lián)大，丁明軍，郭永

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.空軍駐山西地區(qū)軍代表室，山西 太原 030024； 3.淮海工業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 長(zhǎng)治 046012)

1 引 言

對(duì)心血管疾病患者進(jìn)行長(zhǎng)期的血壓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是很有必要的。傳統(tǒng)的柯氏音聽(tīng)診法雖然測(cè)量精度較高，但是無(wú)法進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；而動(dòng)脈插管法雖然可以動(dòng)態(tài)地測(cè)量血壓且具有較高的精度，但是該方法具有準(zhǔn)備復(fù)雜、有創(chuàng)等缺點(diǎn)。所以有必要設(shè)計(jì)一款無(wú)創(chuàng)且能夠連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)量血壓的設(shè)備。

目前無(wú)創(chuàng)連續(xù)動(dòng)態(tài)血壓測(cè)量方法主要有容積補(bǔ)償法、動(dòng)脈張力法、基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法等。容積補(bǔ)償法被測(cè)部位需要保持一定的壓力，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)導(dǎo)致被測(cè)部位靜脈充血；其次由于血管自身的力學(xué)特性，使得血管容積與外置壓力成非線性關(guān)系，所以轉(zhuǎn)換精度不高。動(dòng)脈張力法的傳感器的安裝位置需要非常精確，其對(duì)傳感器位移高度敏感，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量會(huì)因傳感器的移動(dòng)而降低血壓測(cè)量的準(zhǔn)確度[1]?；诿}搏波傳導(dǎo)時(shí)間法對(duì)傳感器安裝精度要求低，具有較高的精確度，不適感較少，所以本研究選擇此方法進(jìn)行血壓測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)。

2 脈博波傳導(dǎo)速度與血壓之間的關(guān)系

使用脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(PWTT)為參數(shù)模型進(jìn)行測(cè)量時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于參與實(shí)驗(yàn)者的臂長(zhǎng)不同，脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間差異很大。所以采用引入身高數(shù)據(jù)的脈搏波傳導(dǎo)速度(PWV)模型，即可剔除臂長(zhǎng)不同對(duì)模型的影響。根據(jù)董驍?shù)难芯靠芍?，收縮壓、平均壓、舒張壓與脈搏波傳導(dǎo)速度有如下關(guān)系[2]：

SBP=a+27.2781×PWV

(1)

MAP=b+12.1051×PWV

(2)

DBP=(3×b-a+9.0372×PWV)/2

(3)

式中，a、b是兩個(gè)待校準(zhǔn)參數(shù)，需要針對(duì)每一位使用者進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，PWV是脈搏波傳導(dǎo)速度。通過(guò)測(cè)量脈搏波傳導(dǎo)速度，代入式(1)、式(2)、式(3)就能夠間接地計(jì)算出血壓值。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由心電傳感器、脈搏波傳感器、升壓電路、主控單片機(jī)、Wi-Fi模塊、上位機(jī)軟件構(gòu)成。使用心電、脈搏波傳感器采集心電和脈搏波信號(hào)。-2.5～+2.5 V的脈搏波信號(hào)經(jīng)過(guò)升壓電路變?yōu)?～5 V的模擬信號(hào)，心電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波放大，之后兩路信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)再通過(guò)Wi-Fi模塊把信號(hào)傳送到上位機(jī)。上位機(jī)將從單片機(jī)中傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行濾波、計(jì)算之后，顯示心電和脈搏波波形以及血壓和心率。系統(tǒng)硬件示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 System diagram

3.1 脈搏波傳感器

脈搏波傳感器選擇的是HK-2000B，具有集成度高、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。此傳感器的輸出為-2.5～+2.5 V的模擬信號(hào)，所以需要升壓電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行電壓抬升至0～5 V，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。本研究使用此傳感器采集的是手腕處的脈搏波信號(hào)。

3.2 心電傳感器

心電傳感器采用的是AD8232。此傳感器是一款全集成式單導(dǎo)聯(lián)ECG前端，具有高信號(hào)增益，以及DC阻塞能力。三個(gè)電極R端、L端、COM端，依次放置在左胸處、右胸處、肚臍附近這三個(gè)位置。AD8232的外圍電路見(jiàn)圖2。

圖2 AD8232外圍電路Fig.2 AD8232 peripheral circuit

3.3 升壓電路

脈搏波傳感器的輸出電壓范圍是-2.5～+2.5 V，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是0～5 V，所以需要對(duì)輸出電壓進(jìn)行升壓才能夠采集到完整的波形，否則只能采集到部分波形。本研究采用OP07搭建一個(gè)同相加法器，將脈搏波傳感器采集到的信號(hào)向上平移，使采集的脈搏波信號(hào)落入0～5 V的A/D轉(zhuǎn)換器的采集電壓范圍。升壓電路見(jiàn)圖3。

圖3 升壓電路Fig.3 Boost converter

3.4 主控單片機(jī)

本研究選用的是Arduino uno單片機(jī)。這款單片機(jī)自帶8通道10位ADC轉(zhuǎn)換器，滿足采集心電和脈搏波信號(hào)的使用，故選擇這款單片機(jī)。

3.5 Wi-Fi模塊

本研究選用的Wi-Fi模塊型號(hào)為ESP8266，該模塊支持標(biāo)準(zhǔn)的802.11 b/g/n 協(xié)議和完整TCP/IP 協(xié)議棧，故選擇該模塊。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本研究設(shè)計(jì)的血壓測(cè)量?jī)x，需要使用單片機(jī)采集兩路模擬信號(hào)：一路是心電信號(hào)，一路是脈搏波信號(hào)。第一步初始化串口；第二步初始化Wi-Fi模塊；第三步判斷采集通道是否開(kāi)啟；第四步采集心電、脈搏波信號(hào)；第五步判斷是否結(jié)束采集。單片機(jī)軟件流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 單片機(jī)軟件流程圖Fig.4 MCU software flow chart

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

心電和脈搏波信號(hào)都有不同程度的基線漂移和工頻干擾現(xiàn)象。基線漂移的現(xiàn)象通常源于呼吸，頻率在0.15～0.3 Hz，所以用Kaiser窗FIR高通濾波器，通帶邊緣頻率為3 Hz，阻帶邊緣頻率為500 mHz。工頻干擾使用中心頻率為50 Hz，阻帶寬度為2 Hz的FIR陷波濾波器進(jìn)行抑制[3]。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理之后，就可以進(jìn)行波峰檢測(cè)來(lái)計(jì)算PWTT。使用LabVIEW中的波峰檢測(cè)VI來(lái)找出波峰點(diǎn)的索引位置S[i]，使用式(4)得到時(shí)間位置ST[i]。

ST[i]=t0+S[i]×Δt

(4)

式中，ST[i]是時(shí)間位置，t0是開(kāi)始時(shí)間，S[i]是索引位置，Δt是采樣間隔時(shí)間。

以心電R波波峰點(diǎn)為PWTT的起點(diǎn)，以脈搏波主波峰最大值點(diǎn)為PWTT的終點(diǎn),來(lái)計(jì)算PWTT。PWTT示意圖見(jiàn)圖5，則PWTT為：

PWTT=STP-STE

(5)

式中，STP為脈搏波主峰最大值點(diǎn)的時(shí)間位置，STE為心電R波波峰點(diǎn)的時(shí)間位置。

使用身高和身體系數(shù)獲得臂長(zhǎng)數(shù)據(jù)，則臂長(zhǎng)l為：

l=BDC·h

(6)

式中，h為身高，BDC為人體系數(shù)取0.5。

則PWV為：

(7)

計(jì)算出PWV之后代入式(1)、式(2)、式(3)即可得到收縮壓、平均壓、舒張壓。上位機(jī)的前面板見(jiàn)圖6。

圖5 PWTT示意圖Fig.5 PWTT schematic

圖6血壓測(cè)量?jī)x前面板程序

Fig.6Blood pressure monitor front panel program

選擇RR間期來(lái)計(jì)算心率。心率與RR間期的關(guān)系為：

HR=60×fs/RR

(8)

式中HR為心率，單位為次/min。fs是采樣頻率。RR為RR間期個(gè)數(shù)，單位為個(gè)。

5 樣機(jī)及測(cè)量過(guò)程

試驗(yàn)樣機(jī)及測(cè)量過(guò)程見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 樣機(jī)示意圖Fig.7 Prototype diagram

圖8 測(cè)量過(guò)程示意圖Fig.8 Scheduling process diagram

6 系統(tǒng)測(cè)試分析

為測(cè)試本測(cè)量系統(tǒng)對(duì)不同人的測(cè)量準(zhǔn)確性，選取10位受試者進(jìn)行試驗(yàn)，并與柯氏音聽(tīng)診法測(cè)得的血壓值進(jìn)行比較，計(jì)算絕對(duì)誤差。受試者的年齡范圍在20～25歲，男女比例為1∶1，身體健康，實(shí)驗(yàn)中受試者采用坐姿靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，測(cè)量數(shù)據(jù)的相關(guān)性見(jiàn)圖9-圖11。

為驗(yàn)證本測(cè)量系統(tǒng)是否具有良好的一致性，選取1名受試者使用柯氏音聽(tīng)診法測(cè)得舒張壓為77 mmHg，收縮壓為128 mmHg。之后使用本測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行10次試驗(yàn)，得到10組測(cè)量值并與實(shí)際值進(jìn)行比較，計(jì)算絕對(duì)誤差與標(biāo)準(zhǔn)差。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

經(jīng)計(jì)算，舒張壓的標(biāo)準(zhǔn)差為5.8176 mmHg，收縮壓的標(biāo)準(zhǔn)差為5.3415 mmHg，符合AAMI推薦的標(biāo)準(zhǔn)差不大于8 mmHg的標(biāo)準(zhǔn)[4-7]，能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量出血壓值。

表1 本測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果(10位受試者)Table 1 Test results of this measurement system (10 testers)

表2 本測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果(同一位受試者連續(xù)測(cè)量10次)Table 2 Test results of this measurement system(the same tester measured 10 times )

圖9收縮壓相關(guān)性圖

Fig.9Systolic blood pressure correlation diagram

7 結(jié)束語(yǔ)

本研究根據(jù)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間與血壓的關(guān)系模型，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的血壓測(cè)量?jī)x，實(shí)現(xiàn)了無(wú)創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測(cè)人體血壓的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以滿足AAMI標(biāo)準(zhǔn)的要求,且體積小，攜帶方便，克服了傳統(tǒng)測(cè)量血壓需要的氣囊以及無(wú)法進(jìn)行無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量的缺點(diǎn)。

圖10 舒張壓相關(guān)性圖Fig.10 Diastolic pressure correlation diagram

圖11 心率相關(guān)性圖Fig.11 Heart rate correlation diagram