夏攀，周瑞石，趙榮建，何征嶺，陳賢祥△，方震△

(1.中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京100049)

1 引 言

目前，中國(guó)心血管病死亡率占城鄉(xiāng)居民總死亡率原因的首位，農(nóng)村為45.50%，城市為43.16%[1]。血壓(blood pressure, BP)是一個(gè)非常重要的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，是評(píng)估人體健康狀態(tài)的有效指標(biāo)，高血壓是導(dǎo)致眾多心血管相關(guān)疾病的主要誘因之一[2]。避免心血管病并發(fā)癥的最好辦法是早期預(yù)防，而血壓的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于心血管相關(guān)疾病的早期預(yù)防具有非常重要的意義[2-3]。

常規(guī)的袖帶血壓測(cè)量方法需要在手臂上捆綁袖帶，定期地充放氣操作使得該方法不適合用于連續(xù)血壓測(cè)量和穿戴式測(cè)量場(chǎng)景[4-5]。相比于常規(guī)袖帶血壓測(cè)量方法，基于脈搏波到達(dá)時(shí)間(pulse arrival time, PAT)或脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(pulse transit time, PTT)的連續(xù)血壓估計(jì)方法具有無創(chuàng)性、連續(xù)性和可穿戴等優(yōu)點(diǎn)，其在最近二十年受到了廣泛關(guān)注[6-10]。Poon等[11]基于PTT估計(jì)收縮壓和舒張壓，估計(jì)模型初始校準(zhǔn)即可準(zhǔn)確估計(jì)血壓。Zhang等[12]提出了一種基于信號(hào)質(zhì)量的修正卡爾曼濾波的方法，基于PAT能更好地跟蹤血壓的變化。但是此類基于PAT/PTT的血壓估計(jì)方法，在測(cè)量時(shí)均需要佩戴心電導(dǎo)聯(lián)線與指套式光電探頭，對(duì)用戶的依從性要求較高[13]。

Wong等[14]認(rèn)為射血前期(pre-ejection period, PEP)是表征心臟交感神經(jīng)活動(dòng)的特異性和敏感性參數(shù)，其在壓力或人體生理活動(dòng)中具有明顯變化。有研究表明，PEP與血壓具有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以作為血壓的有效替代物[15]。而且基于PEP的方法具備測(cè)量簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。因此，本研究基于PEP與血壓具有較高相關(guān)性的機(jī)理，提出了一種基于PEP的連續(xù)血壓估計(jì)方法。

2 原理與方法

PAT定義為心電信號(hào)(electrocardiogram, ECG)R點(diǎn)到光電容積脈搏波信號(hào)(photoplethysmography, PPG)波谷點(diǎn)的時(shí)間間隔，表征每一次心臟搏動(dòng)由心臟電生理開啟到血液到達(dá)指尖外周的時(shí)間延遲。PAT包含兩個(gè)組成成分：PTT和PEP。PTT定義為心震信號(hào)(seismocardiogram, SCG)主動(dòng)脈瓣打開(aorta opening, AO)點(diǎn)到PPG波谷點(diǎn)的時(shí)間間隔，對(duì)應(yīng)于脈搏波在動(dòng)脈血管中的傳導(dǎo)時(shí)間。在學(xué)術(shù)界，PEP可以定義為ECG 信號(hào)R點(diǎn)到SCG信號(hào)AO點(diǎn)的時(shí)間間隔[16]，它是左心室的電生理-機(jī)械生理延遲，又稱為等容收縮期。PAT/PTT與PEP的定義見圖1。

經(jīng)典基于PAT/PTT的血壓估計(jì)方法依賴于Moens-Korteweg血流動(dòng)力學(xué)理論，該理論闡述了人體動(dòng)脈血管中的脈搏波傳輸速度(pulse wave velocity, PWV)與血管彈性模量、動(dòng)脈管壁厚度以及血液密度等多個(gè)心血管參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)心血管參數(shù)發(fā)生改變致使PWV加快，此時(shí)PTT減小，導(dǎo)致人體血壓升高；相反當(dāng)PWV減慢，此時(shí)PTT將增大，導(dǎo)致人體血壓降低。Wong等[14]研究發(fā)現(xiàn)PAT對(duì)血壓的預(yù)測(cè)效果優(yōu)于PTT，PEP對(duì)血壓的預(yù)測(cè)有一定的潛力，在測(cè)量中加入PEP對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)無袖血壓是必要的。Lewis等[17]提出PEP可以作為評(píng)價(jià)心臟收縮力的有效指標(biāo)，人體心臟收縮狀態(tài)的增強(qiáng)將導(dǎo)致PEP的縮短。也有研究表明，人體運(yùn)動(dòng)后將導(dǎo)致血壓升高，PEP也隨之迅速減小，隨著人體恢復(fù)平靜，血壓緩慢降低到正常水平，PEP也隨之緩慢增大[15]。人體運(yùn)動(dòng)后，血壓與PEP呈高度相關(guān)性[15]。

圖1 PAT/PTT與PEP的定義圖

本研究基于PEP與血壓之間較高相關(guān)性的機(jī)理，提出了基于PEP的連續(xù)血壓估計(jì)方法。由于對(duì)數(shù)血壓估計(jì)模型實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且具有良好的魯棒性[18]。因此，本研究采用對(duì)數(shù)估計(jì)模型驗(yàn)證該方法的可行性，對(duì)數(shù)血壓估計(jì)模型為：

(1)

其中SBP代表收縮壓估計(jì)值，DBP代表舒張壓估計(jì)值，as，bs，ad，bd分別為收縮壓，舒張壓的模型參數(shù)，亦稱為模型校準(zhǔn)參數(shù)，PEP為射血前期。

本研究通過最小二乘法求解上述模型參數(shù)。本研究共采集人體運(yùn)動(dòng)后15組血壓-PEP數(shù)據(jù)，取前5組數(shù)據(jù)用來完成模型校準(zhǔn)，計(jì)算模型校準(zhǔn)參數(shù)，取后10組數(shù)據(jù)用來測(cè)試所提血壓估計(jì)模型的性能。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 信號(hào)采集方案

為驗(yàn)證本研究方法的可行性，制備了一種柔性可貼式信號(hào)采集設(shè)備樣機(jī)。該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包含多通道生理信號(hào)檢測(cè)模塊，微處理器模塊和電源模塊。其中多通道生理信號(hào)檢測(cè)模塊同步采集人體胸導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)，SCG信號(hào)，透射式手指PPG信號(hào)。采用BLE 4.2無線技術(shù)將多通道原始生理信號(hào)實(shí)時(shí)回傳至智能客戶終端。出于設(shè)備體積以及實(shí)用性考慮，采用150mAh鋰電池為該設(shè)備提供電源。

實(shí)驗(yàn)招募了13名健康男性受試者，年齡分布為23～43歲，以驗(yàn)證本研究方法的可行性。在開始采集數(shù)據(jù)之前，要求每位受試者做騎行運(yùn)動(dòng)2 min，使血壓升高，然后靜坐，同步采集受試者的ECG，SCG和PPG信號(hào)及參考血壓。參考血壓值采用美國(guó)順泰公司的SunTech Oscar2動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)儀測(cè)量。數(shù)據(jù)采集過程持續(xù)20 min，前10 min內(nèi)每2 min記錄一次人體參考血壓值，共采集5組。后10 min每1 min記錄一次人體參考血壓值，共采集10組。在數(shù)據(jù)采集過程中，實(shí)時(shí)獲取所有生理信號(hào)并記錄，數(shù)據(jù)采集頻率為250 Hz。信號(hào)采集示意以及實(shí)驗(yàn)流程，見圖2。

圖2 信號(hào)采集以及實(shí)驗(yàn)流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.2.1生理信號(hào)預(yù)處理 本研究對(duì)采集到的ECG，SCG和PPG等多通道生理信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過提取各通道生理信號(hào)的特征點(diǎn)，進(jìn)一步解析PEP和PAT等血壓替代物，最后獲取人體運(yùn)動(dòng)后的15組參考血壓值與PEP/PAT值數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

步驟1：采用10點(diǎn)滑動(dòng)平均去除ECG信號(hào)中的工頻干擾，采用IIR型帶通濾波器(截止頻率0.7～50 Hz)去除ECG，SCG和PPG信號(hào)中的呼吸、體動(dòng)等干擾；

步驟2：采用經(jīng)典的Pan-Tompkins算法提取每一心跳節(jié)拍ECG信號(hào)中的R波；

步驟3：根據(jù)所有信號(hào)間的同步性，經(jīng)由ECG信號(hào)R波后向搜索SCG信號(hào)中的AO特征點(diǎn)以及PPG信號(hào)中的波谷點(diǎn)。提取ECG信號(hào)R波后向20～120 ms時(shí)間窗內(nèi)的SCG信號(hào)局部最大值點(diǎn)作為AO特征點(diǎn)。提取ECG信號(hào)R波后向100～300 ms時(shí)間窗內(nèi)的PPG信號(hào)局部最小值點(diǎn)作為波谷點(diǎn)，根據(jù)上述提取的特征點(diǎn)計(jì)算PEP、PAT等血壓替代物；

步驟4根據(jù)每次測(cè)量參考血壓值的時(shí)間戳(單位：min)，對(duì)每次測(cè)量血壓1 min內(nèi)的PEP值和PAT值進(jìn)行平均運(yùn)算，最后得到人體運(yùn)動(dòng)后的15組參考血壓值與PEP/PAT值數(shù)據(jù)。

3.2.2血壓估計(jì)模型的可行性驗(yàn)證 為驗(yàn)證本研究方法的可行性，共采集13名受試對(duì)象的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)所構(gòu)建的血壓估計(jì)模型進(jìn)行評(píng)估。血壓估計(jì)模型評(píng)估包括兩個(gè)部分：基于PEP的血壓估計(jì)模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證與基于PAT的血壓估計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。本研究采用平均絕對(duì)誤差(mean absolute error, MAE)和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)指標(biāo)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性，采用相關(guān)性圖和Bland-Altman圖驗(yàn)證其性能。

4 結(jié)果

按照美國(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)(theAssociation forthe Advancement of Medical Instrumentation, AAMI)對(duì)于血壓測(cè)量準(zhǔn)確性的要求：收縮壓和舒張壓的平均絕對(duì)誤差小于5 mmHg，同時(shí)誤差的標(biāo)準(zhǔn)差小于8 mmHg。本研究分析了13名受試者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估所提血壓估計(jì)模型的誤差性能。13名受試者血壓的平均絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差，見表1。

通過小樣本的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，基于PEP或PAT的血壓估計(jì)精度具有個(gè)體差異性，但對(duì)大部分個(gè)體來說，本研究方法的準(zhǔn)確性與基于PAT的血壓估計(jì)方法相當(dāng)，在一定程度上已經(jīng)滿足AAMI的要求。

表1 受試者的平均絕對(duì)誤差(MAE)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本研究方法的性能細(xì)節(jié)，采用相關(guān)性圖和Bland-Altman圖分析該方法的性能，采用相關(guān)性圖展示參考收縮壓與估計(jì)收縮壓的相關(guān)性，可以看到基于PEP的估計(jì)收縮壓與參考收縮壓之間的相關(guān)系數(shù)為0.81(見圖3(a), 95% CI: 0.74～0.86,P<0.0001)，均方根誤差為6.80 mmHg；基于PAT的估計(jì)收縮壓與參考收縮壓之間的相關(guān)系數(shù)為0.82(見圖3(b), 95% CI: 0.75～0.87,P<0.0001)，均方根誤差為6.84 mmHg。采用Bland-Altman圖評(píng)估血壓估計(jì)方法的一致性性能結(jié)果，見圖3(c)-(d)。兩種方法的絕大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均處于95%的一致性界限之內(nèi)。通過小樣本的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩種血壓估計(jì)方法對(duì)于收縮壓估計(jì)的性能相當(dāng)。

采用相關(guān)性圖展示參考舒張壓與估計(jì)舒張壓的相關(guān)性，可以看到基于PEP的估計(jì)舒張壓與參考舒張壓之間的相關(guān)系數(shù)為0.89(圖4(a), 95% CI: 0.83～0.91,P<0.0001)，均方根誤差為4.64 mmHg?？梢钥吹交赑AT的估計(jì)舒張壓與參考舒張壓之間的相關(guān)系數(shù)為0.88(圖4(b), 95% CI: 0.83～0.91,P<0.0001)，均方根誤差為4.70 mmHg。采用Bland-Altman圖評(píng)估血壓估計(jì)方法的一致性性能，見圖4(c)-(d)。結(jié)果顯示，兩種方法的絕大部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均處于95%的一致性界限之內(nèi)。通過小樣本的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于舒張壓估計(jì)而言，兩種血壓估計(jì)方法性能相當(dāng)。且相比于收縮壓，兩種方法在舒張壓估計(jì)方面具有更優(yōu)的性能。

圖3 兩種血壓估計(jì)方法在收縮壓估計(jì)方面的相關(guān)性圖和Bland-Altman圖

圖4 兩種血壓估計(jì)方法在舒張壓估計(jì)方面的相關(guān)性圖和Bland-Altman圖

5 結(jié)束語

針對(duì)常規(guī)基于PAT的連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要同時(shí)佩戴心電極和指套式脈搏波傳感器，對(duì)用戶的依從性要求較高的問題。本研究提出了一種基于PEP的連續(xù)血壓估計(jì)方法。招募了13名男性受試者，通過與美國(guó)順泰公司的SunTech Oscar2動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了該方法的可行性。通過小樣本的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，基于PEP或PAT的血壓估計(jì)精度具有個(gè)體差異性，對(duì)于大部分個(gè)體而言，本研究方法的準(zhǔn)確性與基于PAT的血壓估計(jì)方法相當(dāng)，在一定程度上滿足AAMI對(duì)于血壓測(cè)量準(zhǔn)確性的要求，且能夠明顯降低對(duì)用戶的依從性要求，該方法在便攜式連續(xù)血壓測(cè)量方面具有潛力，后續(xù)計(jì)劃擴(kuò)大驗(yàn)證規(guī)模，更全面地評(píng)估本研究方法的性能，并探究基于PEP或PAT的血壓估計(jì)精度個(gè)體差異性的原因。