誘發成癮性戒毒療效測評系統中自動血壓檢測的設計

高刃奇, 楊 波, 童立云, 趙 旭, 李永紅

(1.成都信息工程學院物理場生物效應及儀器重點實驗室,四川成都610225;2.眉山強制隔離戒毒所,四川眉山612160)

0 引言

完整的戒毒診斷評估系統要對生理、心理、認知、行為、社會功能等方面進行評價,反映了戒毒者對毒品的防御力,即康復水平。其中心理評估是戒毒評估的難點,要求由心理專業人員使用量表以保證評估的科學性與可靠性,并且要有對照組作為判斷依據。目前國內外的戒毒人員的心理評估都是通過心理專業人員新型問卷評估調查進行判斷的。傳統的藥物依賴、成癮評價,一般是通過訪談、問卷的形式進行調查,這種方法需要病人進行積極地配合。對于強戒人員進行評價時,無法確定被測試者回答問題的真實度。這就需要研究一種新的方法對強戒人員的戒毒水平做一個客觀公正的評估,盡可能降低戒毒人員回歸社會后復吸的可能性。

對戒毒人員生理參數的信息僅用于檢測其是否生理脫毒,并沒有考慮心理因素對生理參數的影響[1]。當戒毒人員看到吸毒有關場景時[2-3],心理的變化必然會引起例如呼吸急促、心跳加快、血壓上升等生理變化[4]。其中血壓作為一項重要的人體生理指標,需要進行準確的檢測。同時由于此種特殊的使用場合,要求盡量減少在檢測過程中對戒毒人員的干擾,并且能夠準確判斷出血壓的微小波動,因此對血壓的自動檢測進行了專門的設計。

1 基礎電路實現

電子血壓計的實現思路是將袖帶中的氣壓信息轉換為電信號,再通過對電信號的處理計算得到最終的收縮壓與舒張壓。研究表明,此種方法得到的檢測結果準確可信[5-6]。

圖1 硬件原理框圖

設計思路如圖1所示,將血壓袖帶與氣泵、氣閥連接到一起,通過氣壓傳感器檢測其內部的氣體壓力,再通過外接電路轉換為電壓信號,由這個電壓信號反映袖帶內的氣壓。其中氣泵與氣閥由單片機控制對袖帶進行充氣、放氣。后端處理中,將電壓信號分為兩路:一路通過高通電路濾掉直流分量作為交流信號;另一路不做處理,作為直流信號。交流信號代表袖帶中微小的壓力波動,當血壓袖帶中的氣壓值在人體血壓的范圍內時主要表現為脈搏波。直流信號沒有做任何處理,其代表的就是袖帶內的氣壓值。將這兩路信號進行同步A/D轉換后,就可根據這些數據計算出人體的收縮壓與舒張壓[7]。

實際制作中,將血壓袖帶連接到壓力傳感器US9111,即圖2中的CGQ1,壓力傳感器將氣壓信息轉換為電信號,經過AD620進行小倍數差分放大后再經過一級運放UY2放大后便為所需的直流分量。為了防止后端A/D轉換中影響信號精度,直流分量輸出端添加一個電壓跟隨器保證UY2輸出端電壓穩定。經過前端放大后,要在電壓信號中提取出交流分量,首先經過一級二階巴特沃斯高通濾波器,截止頻率為0.8Hz,濾除直流分量。由于信號中的交流分量較小,在高通濾波后需要經過大比例放大才能夠清晰識別所需的脈搏波,所以在高通濾波模塊后添加后端放大模塊。考慮到袖帶摩擦以及電路中引入的干擾因素,得到的交流分量中可能包含大量的高于脈搏波頻域的干擾,所以在交流分量輸出前通過二階巴特沃斯低通濾波器將這些干擾濾除,截止頻率為38Hz。由于后端的A/D轉換范圍為05V,為了防止負向電壓影響到A/D轉換電路,所以在交流分量輸出之前串聯一個二極管,以隔離負向電壓。ADC0與ADC1處分別連接A/D轉換電路并將結果傳入單片機進行處理,計算血壓值。

圖2 硬件電路圖

信號處理過程中,高通濾波使用二階巴特沃斯高通濾波,高通濾波器的傳遞函數為:

取二階巴特沃斯網絡函數的系數 a11=1.414,截止角頻率 ωc=0.8×2π,取 C1=C2=0.1μ F。則:

在對交流信號的處理中,低通濾波使用二階巴特沃斯低通濾波,低通濾波器的傳遞函數為:

取二階巴特沃斯網絡函數的系數 a11=1.414,截止角頻率 ωc=38×2π,取 C3=C4=0.1μ F。則:

2 軟件流程

2.1 放氣方式

目前的電子血壓計計算血壓的方法主要是根據平均壓推算收縮壓與舒張壓。其過程是記錄袖帶放氣過程中的脈搏波峰值。脈搏波隨著袖帶放氣的變化過程是從沒有到出現,峰值逐漸上升,再帶到平均壓時達到最高值,然后峰值逐漸下降,直至消失。其收縮壓與舒張壓的取值,根據平均壓處脈搏波峰值的50%～90%[8],在平均壓前后分別尋找與此數值最接近的脈搏波峰值,此峰值處的袖帶壓力值便為被測者的收縮壓或舒張壓。

在放氣過程中放氣速度越慢,采集到的脈搏波數量就越多,根據結果計算出的血壓值就越準確。可是由于長時間壓迫血管對病人身體不利,這就需要考慮優化放氣過程和對脈搏波的判斷來提高精度,此過程中嘗試了勻速放氣和階梯放氣[9]。

2.1.1 勻速放氣

在整個放氣過程中,袖帶中的氣壓是勻速下降的,同時記錄脈搏波峰值。

圖3 勻速放氣直流信號

圖4 勻速放氣交流信號

這種放氣方法檢測較快,但是由于脈搏波的頻率與人心跳速度相關,若放氣過快會導致采集到的脈搏波過少,導致脈搏波峰值波動較大,算出的收縮壓與舒張壓可能誤差較大。

2.1.2 階梯放氣

在放氣過程中,每放4～5mm汞柱的氣壓便進行停頓[10],等檢測到1～3個脈搏波后再繼續放氣,重復這個過程,直至脈搏波過小。

圖5 階梯放氣直流信號

圖6 階梯放氣交流信號

此種方法每下降一個階段時,便會停止等待脈搏波,可以看到每個存在脈搏波的階段均存在2個脈搏波,并且其脈搏波的峰值近似,對這兩個值取平均作為此袖帶壓力時的脈搏波峰值,此種方法可以提高脈搏波峰值精度。但由于此種方法在每個階段都要等候脈搏波,所以檢測速度較慢,更適合需要提高精度的場合。

2.1.3 放氣方式對測量精度的影響

在研制過程中,分別實現了兩種放氣方式并進行了實驗。實驗方式是選取5名被測者,先使用同一種放氣方式測量他們靜息狀態下的血壓并記錄數據,檢測完休息3分鐘再進行重復測量,反復檢測10次。再使用另一種放氣方式進行同樣的檢測。對兩組數據進行分析,計算每名被測者的血壓數據的方差。方差越低證明檢測越準確。使用平均放氣方式的一組數據的平均方差為62.3,而使用階梯放氣方式的一組數據的平均方差為40.2。實驗證明使用階梯放氣的方式能夠得到更準確的血壓值。

2.2 單片機控制過程

由于設計要求檢測精度較高,實時性要求略低,這里使用了階梯放氣的方法。具體實現為單片機通過兩個I/O口,經三極管分別控制一個12V供電的氣泵和氣閥。單片機同時獲取直流信號、交流信號的A/D采樣結果,并對氣泵、氣閥進行控制,具體流程如圖7所示。

3 數據處理

3.1 干擾因素

3.1.1 電路干擾

由于將壓力信號轉換為電壓信號,在電信號的處理過程中,可能會出現一些干擾。脈搏波所處的頻域在38Hz以下,而電路中產生的干擾通常均高于此頻域,其中最明顯的干擾是50Hz工頻干擾。在直流信號部分,干擾的影響并不明顯,但在交流信號部分,由于信號經過高通濾波后又進行了高倍放大,其中一定會包含大量的干擾,雖然不會導致脈搏波無法識別,但有可能影響識別的精度。所以對于這部分干擾要通過低通電路或者進行A/D轉換后使用FIR濾波器進行濾波處理,以求得到較準確的結果。

3.1.2 壓力干擾

電子血壓計檢測脈搏波是依靠脈搏引起的袖帶內氣壓波動,這種波動很微小,所以電路對袖帶內的壓力波動很敏感[11]。手臂的移動、擠壓,對袖帶的碰撞都會干擾到對脈搏波的采集。但這種外界因素對交流信號的影響遠超脈搏波,所以可以通過這個特點將干擾分離。當檢測到這些巨大波動時,便將這部分采集的交流信號峰值放棄掉,以保證采集到的交流信號峰值都是由脈搏波引發的。這樣也可有效提高運算得出的血壓值精度。

圖7 血壓檢測流程圖

3.2 血壓算法

首先,將采樣到的直流信號與交流信號以函數形式表示為 VD[t]、VA[t],其中t代表時間。VD[t]代表的直流分量受到干擾的程度較小,不用對其進行處理。而交流分量 VA[t]需要進行去噪處理。交流信號經過了放大濾波多級模擬信號處理過程,會被引入50Hz工頻干擾等雜波,并且突然的放氣與停止也會一起交流分量上的脈沖,這些干擾在頻域上與脈搏波有很大區別,可以通過FIR濾波將干擾信號濾除。使用的濾波器參數為h[0]=0.00582286;h[1]=0.05714910;h[2]=0.05714910;h[3]=0.00582286。處理結果為-τ]h[τ],由此得到一個沒有高頻干擾的交流信號。得到的信號 VAO[t]中,包含了整個測量過程中的全部脈搏波,并且與 VD[t]同步。

第二步是對 VAO[t]進行分析。首先要去除人為干擾,脈搏波中可能存在由于外界擠壓血壓袖帶產生的較大峰值,這些峰值遠大于脈搏波,可以通過閾值法排除。然后使用斜率法尋找交流分量中所有極大值,即脈搏波峰值[12]。找到的峰值按照時間順序放入t[n],則將 VAO[t[n]]的值依次存入數組AC[n]中,并將 VD[t[n]]的值依次存入數組DC[n]中,AC[n]與DC[n]中的值一一對應。

最后便通過 AC[n]與DC[n]計算收縮壓與舒張壓。首先尋找 AC[n]中的最大值ACMAX,假設 ACMAX=AC[n0],則DC[n0]為被測者的平均壓。設定0.55ACMAX與0.85ACMAX為收縮壓與舒張壓的門限值[13],在AC[n]中 n＜n0的部分尋找與0.55ACMAX最接近的值 AC[n1],在 AC[n]中 n＞n0的部分尋找與0.85ACMAX最接近的值AC[n2]。則DC[n1]為被測者的收縮壓,DC[n2]為被測者的舒張壓。

4 結束語

設備研制完成后在眉山強制隔離戒毒所對40名戒毒人員進行了實驗。40人中20人為A組,均為新進戒毒所人員;另20人為B組,均已在戒毒所內強制戒毒18個月。實驗過程中給戒毒人員播放一段20分鐘的視頻,前10分鐘為風景視頻,后10分鐘為吸毒場景視頻,全程每隔2分鐘自動檢測一次血壓,觀察其血壓變化。實驗結果顯示A組血壓波動超過5%以上人數占實驗組總人數的85%,B組血壓波動超過5%以上人數占實驗組總人數的60%。

由測試結果可以看出大部分新進戒毒所人員在觀看吸毒場景視頻時血壓都有不同程度的上升,而從已進入戒毒所戒毒18個月人員的血壓波動分布來看,其波動比例明顯下降,向無明顯波動方向集中。誘發成癮性戒毒療效測評系統通過實驗數據產生變化時間與理論相符,驗證了設備的正確性與實用性。同時血壓參數是可以作為戒毒測評的一個標準指標。

實驗數據說明一段時間的強制隔離戒毒可以提升戒毒患者對毒品的抵制能力。但是,強制隔離戒毒是完全隔離社會的戒毒模式,如何使患者從戒毒所平穩過度到社會,需要政府、強制隔離戒毒所和其它戒毒單位統籌協調,實現各個環境的無縫對接,從而鞏固治療效果,減小復吸率。

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