趙德康，張永建，路開放

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

隨著社會發(fā)展，人口老齡化加重，心血管健康成了人們越來越注重的問題，血壓值的高低一直是診斷心血管疾病的一項重要標(biāo)準(zhǔn)[1]，但是在檢測血壓值得過程中，人們存在著很多問題，如可測量血壓地點距離遠、測量血壓程序復(fù)雜[2?3]、測量結(jié)果誤差大等問題[4]。對此，本研究提出一種新的多特征參數(shù)的血壓提取方法，利用生物電采集技術(shù)，在人體手腕部位同步采集心電信號（Electrocardiograph，ECG）和脈搏信號（Photoplethysmo?graph，PPG），并通過多特征參數(shù)的回歸分析，建立不同于以往單一參數(shù)模型的多特征參數(shù)的血壓計算模型，實現(xiàn)了更準(zhǔn)確便捷的人體血壓的提取[5?7]。

1 基本原理

1.1 光電脈搏波信號概述

在心臟周期性的搏動產(chǎn)生壓力使血液在人體的循環(huán)過程中，血管中流動的血液也以波的形式傳遞著這種壓力，通常把這種可以反應(yīng)脈搏壓力的波就叫作脈搏波。當(dāng)用一束光源的光照射人體血管時，由于血管周期性的擴張和收縮，透射光的強度呈現(xiàn)同周期性變化，即光強的變化可以反映血管中壓力的變化。此時把所得到的光強度的變化轉(zhuǎn)化為電信號，就可以得到脈搏波信號[8]。

1.2 脈搏波傳導(dǎo)時間理論基礎(chǔ)

由1878 年Moens?Korteweg 實驗研究提出的流體波傳導(dǎo)速度公式可知，人的長度為L的血管中脈搏波傳導(dǎo)時間計算公式為：

式中：D為血管內(nèi)徑；h為彈性血管壁厚度；E為楊氏彈性模量；ρ為流體密度。這些值在一定時間內(nèi)可以視為常量。

Hughes 等人證明了血管彈性模量E和血管跨壁壓之間有以下關(guān)系：

式中：E0是血液管壁內(nèi)壓強達到平衡時的彈性模量；∝為一個系數(shù)，表征了血液管壁特征；BP 為血壓值。結(jié)合式（1）和式（2），則有：

對式（3）兩邊同時求導(dǎo)可得：

可見，血壓與PWTT（Pulse Wave Translation Time）的關(guān)系在一定范圍為線性關(guān)系，那么在得到脈搏波傳導(dǎo)時間后，便可計算動脈血壓值[9?10]。本研究通過心電波峰值點和脈搏波峰值點時間差來計算PWTT。

1.3 年齡與血壓關(guān)系

隨著年齡的增長，人體的多個器官都會衰退，血管壁也會變得越來越脆弱，血管就容易出現(xiàn)異常，從而引起血液的不流通，最后容易引起血壓變化。青年人，血管彈性好，當(dāng)血管收縮時血管的總阻力增高時，血壓隨之升高，所以年輕人血壓以舒張壓高為主[11]。中年人和年輕人相比，缺乏運動，和老年人相比，工作應(yīng)酬多，生活壓力大，容易導(dǎo)致神經(jīng)和體液水平變化，中年人容易表現(xiàn)舒張壓增高，其原因和血管內(nèi)功能紊亂有關(guān)。老年人動脈硬化明顯，血管彈性差，多有心臟射血增加，因此就表現(xiàn)為收縮壓高，而舒張壓較低的現(xiàn)狀[12?13]。

2 算法實現(xiàn)

2.1 算法概述

為了實現(xiàn)人體血壓提取，本文算法首先對硬件系統(tǒng)采集到的心電波和脈搏波原始數(shù)據(jù)進行處理，使用巴特沃斯來消除信號中夾雜的噪聲并獲取信號的特征參數(shù)。之后通過獲取的特征參數(shù)來計算脈搏波傳導(dǎo)時間，并運用回歸分析法分別建立收縮壓和舒張壓與脈搏波傳導(dǎo)時間和年齡的數(shù)學(xué)模型，最終通過模型計算提取血壓，其流程如圖1 所示。

圖1 算法流程

2.2 實驗信號采集

本實驗信號采集設(shè)備主要由1 顆YK1801 脈搏傳感器芯片和1 顆MN8802 脈搏芯片組成，脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記的方式感應(yīng)人體的心電和脈搏信息，通過模擬前端芯片MN8802 向電腦輸出波形信號。

2.3 信號預(yù)處理以及特征點提取

噪聲和干擾會影響特征信息的提取，通過傳感器獲取的原始信號會夾雜著毛刺和基線漂移等噪聲，在對脈搏波信號進行特征點提取以前，需要對它們進行預(yù)處理。因為血壓采集設(shè)備中微處理器的計算能力有限，所以選用巴特沃斯濾波法，設(shè)置通帶截止頻率參數(shù)Wp1與Wp2 為0.5 Hz 和30 Hz，阻帶截止頻率參數(shù)Wc1 與Wc2 為0.1 Hz 和40 Hz，來對原始信號進行去噪處理。圖2 為脈搏波原始信號與利用巴特沃斯去噪后信號的對比圖。圖3 為心電原始信號與利用巴特沃斯去噪后信號的對比圖?？梢娀诎吞匚炙沟娜ピ腩A(yù)處理方法有效地去除了信號的基線漂移和噪聲毛刺，獲得了較好的信號，為后面脈搏波信號的特征點提取奠定基礎(chǔ)。

圖2 原始脈搏信號與去除噪聲后信號對比圖

基于脈搏波的血壓提取算法中，需要提取心電信號和脈搏信號的主波峰值點作為脈搏波傳導(dǎo)時間的計算依據(jù)。在運用Matlab 軟件的峰值獲取函數(shù)findpeaks 提取特征值時，經(jīng)常會提取到大量不需要的干擾點。所以采取增加時間閾值的方法，以0.65 倍的信號周期為時間閾值，若在時間閾值內(nèi)只有一個極大值，則認為這個點為信號波峰值點，若時間閾值內(nèi)有多個極大值，則認為幅值最大的點為信號峰值點，以此類推找出所有峰值點。

圖3 原始心電信號與去除噪聲后信號對比圖

2.4 血壓提取

人體存在正常的衰老過程，隨著年齡增長，人體的各項生理機能也在退化，當(dāng)動脈血管硬化時，血管的管壁會變厚，管腔會變小，彈性變小，血液流動阻力變大，血壓升高，那么人的年齡就會對人體血壓測量造成影響。在采集分析數(shù)據(jù)時也發(fā)現(xiàn)不同年齡段的尤其是老年和青少年的脈搏波和血壓的關(guān)系有所不同，所以在此提出一種以年齡和脈搏波傳導(dǎo)時間為參數(shù)的血壓測量模型。

本文選取20 名不同年齡的測試者，通過兩組實驗儀器進行同步采集數(shù)據(jù)，左臂用生物電采集技術(shù)儀器采集測試者的心電和脈搏數(shù)據(jù)，右臂同時用醫(yī)用水銀血壓儀采集測試者的收縮壓和舒張壓數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計測試者的年齡信息。最后得到每一位測試者的血壓和脈搏波傳導(dǎo)時間以及年齡的對應(yīng)數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

以計算得到的脈搏波傳導(dǎo)時間和年齡為自變量，以醫(yī)用水銀血壓計同步測得的血壓值作為因變量，對收縮壓進行線性回歸分析并對舒張壓進行二次多形式回歸得到回歸系數(shù)和常數(shù)項，得出血壓計算模型如下：

式中：SBP 為收縮壓；DBP 為舒張壓；AGE 表示年齡；PWTT 代表脈搏波傳導(dǎo)時間。

表1 20 名志愿者測試數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果與分析

下面根據(jù)建立模型進行血壓準(zhǔn)確性測試，選取不同年齡段的10 位志愿者，利用本設(shè)備采集人體血壓值與利用魚躍（YUYUE）牌醫(yī)用水銀血壓計測量的血壓值進行對比，計算其誤差。測試數(shù)據(jù)如表2 所示，同時在手臂處采用魚躍臂式電子血壓儀（YE680B）測量血壓進行參照對比。其中魚躍（YUYUE）牌醫(yī)用電子血壓計的測量數(shù)值具體參數(shù)為：測量血壓精度誤差小于5 mmHg，測量范圍為0～280 mmHg（0～37.3 kPa），實驗數(shù)據(jù)如表3 所示。

經(jīng)計算可知，通過模型計算所得收縮壓平均絕對誤差為3.0 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62 mmHg；舒張壓平均絕對誤差為4.5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.87 mmHg?？芍赡Ｐ陀嬎愠龅氖湛s壓和舒張壓都達到了AAMI 美國醫(yī)療儀器促進協(xié)會制定的標(biāo)準(zhǔn)[14]（平均偏差不大于5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于8 mmHg）。

表2 模型計算血壓與醫(yī)用水銀血壓儀測量血壓對比數(shù)據(jù) mmHg

表3 電子血壓儀與醫(yī)用水銀血壓儀測量血壓對比數(shù)據(jù) mmHg

經(jīng)計算可得，電子血壓儀測得的收縮壓平均絕對誤差為3.80 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.71 mmHg；舒張壓平均絕對誤差為5.06 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.66 mmHg。經(jīng)過本實驗?zāi)Ｐ陀嬎闼檬湛s壓平均絕對誤差為3.0 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62 mmHg；舒張壓平均絕對誤差為4.5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.87 mmHg。比較可知，由本實驗?zāi)Ｐ陀嬎愠龅氖湛s壓和舒張壓準(zhǔn)確性相比傳統(tǒng)袖帶式電子血壓儀準(zhǔn)確性都有所提高。

4 結(jié) 語

本文對連續(xù)血壓監(jiān)測方法進行研究，提出一種基于心電和脈搏波信號并以年齡和脈搏波傳導(dǎo)時間為參數(shù)的多參數(shù)血壓檢測方法。根據(jù)脈搏波噪聲特性，提出巴特沃斯去噪方法對心電信號和脈搏波信號進行去噪處理并提取特征值，然后通過回歸分析得到血壓模型并計算提取血壓。經(jīng)實驗驗證，本文方法誤差在國際醫(yī)療設(shè)備要求范圍內(nèi)，且適用于低功耗的可穿戴式設(shè)備，為家庭穿戴式人體血壓檢測提供了有效的實施路徑。