適合連續血壓測量的脈搏波分析方法的研究

殷廣亮，盧文科，倪珊珊

（東華大學 信息學院，上海 201620）

適合連續血壓測量的脈搏波分析方法的研究

殷廣亮，盧文科，倪珊珊

（東華大學 信息學院，上海 201620）

脈搏波變化蘊藏著豐富的人體生理信息。利用紅外脈搏傳感器提取人體指尖脈搏波，分析脈搏波的特征點及特征參數，從而建立特征參數與人體真實血壓的回歸方程，進而實現血壓的無創連續測量。該過程主要包括特征點提取、特征參數分析、回歸方程建立、連續血壓預測四個部分。通過此方法計算所得出的血壓值與壓力式血壓計所測量的人體真實血壓值具有良好的一致性。

無創；連續；血壓測量；脈搏特征參數

0 引言

現今社會，生活壓力劇增，高血壓已經成為最常見的心血管系統慢性病。自古以來血壓的測量經歷了脈診、水銀柱式測量儀以及電子袖帶式血壓計等多種方式。傳統的血壓測量儀多為袖帶式且不可連續測量。為了研究全新的血壓測量方式從而實現無創、無袖帶、長期、連續的血壓測量，很多學者探究了多種測量方法［1-2］。醫院與家庭中所使用的血壓測量裝置主要是基于柯氏音法或示波法，雖然能夠較為準確地測量出血壓值，但袖帶需要充氣放氣，只能測量出某個時刻的血壓值，無法對血壓進行連續監測，此外，袖帶還會對被測對象的手臂或者手腕等測量位置產生壓力，使被測者產生不適感。為了克服上述測量方法的不足，許多學者提出了基于脈搏波的血壓測量方法。脈搏波是由心臟的周期性收縮產生的，心室收縮時將血射入主動脈中，使主動脈內壓力驟升同時容積增大，動脈管壁隨之擴張；及至減慢射血期，主動脈壓開始下降，管壁彈性回縮。動脈管壁隨著心室的舒縮而出現周期性的回縮和舒張，即形成脈搏［3-4］。脈搏起始于主動脈根部，沿動脈管壁進行波浪式傳播，又稱為脈搏波，而脈搏波可以反映出諸多的生理信號。當血液流經人體的微血管時，該部分微血管的血液容積在心臟波動下會呈動脈性變化。這里用血液容積的變換來反映血管的變化，采用紅外光電脈搏傳感器記錄血管光電容積的變化，血液容積隨時間變化的波形進而可以等效為脈搏波［5］。目前，脈搏波分析方法主要有三種：心電波形與光脈搏波結合方法、兩路脈搏波結合分析方法、脈搏波特征參數血壓測量技術。每一種測量方法又各有其優缺點［6］。

（1）心電波形與光電容積脈搏波結合法：心電與光電容積脈搏波結合法是利用同一動脈脈搏波從心電 R波傳輸至脈搏波特征點之間的時間間隔來估測血壓。經推理演算的血壓的估算公式為［7］：

其中 a為動脈壁的厚度，d為內部直徑，g為重力加速度，E0為動脈壁的彈性系統。K表示脈搏波所經過的距離，T表示傳播時間。

此方法無法檢測預射血期的脈搏波的變化情況，預射血期的存在又會導致脈搏波傳導時間的變化，同時，脈搏波流過的血管長度過長，更容易受到血管狀況不同的影響，這些因素都會影響 PTT，導致估計的血壓不夠精確。此外該方法還要設計一套心電傳感器，會給被測者增加負擔，并且使測量系統變得繁雜，便攜性能受到影響。

（2）兩路光電容積脈搏波結合的方法：這種方法利用人體兩個不同的部位，例如手指和手腕，根據測得的兩路脈搏波信號特征點的時間間隔來估算血壓［8］。兩路脈搏波相結合的方法保持了動脈血管的一致性，避免了心臟預射期的影響。但這種方法所得到的脈搏波傳導時間只與收縮壓變化量有一定的關系，舒張壓的變化相關性很小，無法準確測量舒張壓。而且需要測量兩路脈搏波，也會給被測者帶來很大的不便。

（3）脈搏波特征參數法：該方法的核心在于建立脈搏波特征參數與血壓之間的關系［9］。這種方法只需要測量一路脈搏波，通過波形的特征參數與指尖血壓的相關性來估算舒張壓與收縮壓。本文將主要研究通過脈搏波特征參數法來實現指尖連續血壓測量［10］。

1 脈搏波特征參數法測量血壓原理

該方法的主要原理是對提取到的波形選取特定波形的特征參數，此方法一般選取 13個特征參數，即主波高度、降中峽相對高度 H、重搏波相對高度 h/H、主波上升斜率 V、脈動周期時間 T、收縮期時間比 T1/T、舒張期時間比 T2/T和 H（1+T1/T2）、收縮期面積比 Sa/S、舒張期面積比 Sb/S、脈搏波波形特征量 K、收縮期面積特征量 K1、舒張期面積特征量 K2［11］。每個特征參數可以反映獨特的生理指標，例如，K值是一個以脈搏波波圖面積變化為基礎的脈搏波波形特征量，它可反映血管外周阻力、血管壁彈性和血液黏度等人體心血管系統中最為重要的生理參數。然后以被測者的真實血壓值作為因變量，以脈搏波特征參數為自變量進行回歸分析，建立起血壓與特征參數的關系方程。方法原理如圖1所示。

2 實現

圖1 脈搏波特征參數法的原理分析

采集到脈搏波之后，首先需要確定脈搏波的特征參數。特征參數的提取通過分析脈搏波的特征點來確定。這里針對一個周期的脈搏波使用6個脈搏波特征點。首先是提取波形的特征點，每個脈搏周期的分割采用小波模極大值法實現。然后在每個周期內找到最大、最小值分別為 C、B兩點，然后再看特定區間內是否存在極點，若存在則可以確定 F和 G點，若不存在極值點，則繼續進行微分，找到曲率最大的點即 F點和曲率最小的點即G點。特定區間是通過大量脈搏波做統計分析所得。D點為每個脈搏周期內二階差分最大值所對應的點。而 E點是D和 F點之間斜率最小的點。如圖2所示。

圖2 脈搏波特征點的選擇

特征點的變化代表了心血管系統的不同狀態。在圖2中，B點為主動脈瓣開放點；C點為收縮期最高壓力點；D點為主動脈擴張降壓點；E點為左心室舒張期開始點；F點為重搏波起點；G點為重搏波壓力最高點。識別特征點之后，進行特征參數的計算。通過特征點的值可以計算出每個脈搏周期13個特征參數的值。

這里為了建立血壓與特征參數之間的關系，選擇了11名 20～30歲的健康受試者進行回歸分析。采用紅外脈搏傳感器采集指尖處的脈搏波波形，從采集到的波形里選取 100個周期的波形，對每個波形識別特征點并提取特征參數。與此同時用袖帶式電子血壓計測量被測者的血壓值。對于每一名受試者分別以收縮壓和舒張壓為因變量，以提取的 13個脈搏波的特征參數為自變量，進行逐步回歸分析，選擇 a值為 0.1作為選入或剔除自變量的 F檢驗標準。結果如表1、2所示。

表1 收縮壓的回歸分析結果

表2 舒張壓的回歸分析結果

由表1、2中數據可以看出，收縮壓與主波上升斜率V相關性較好，而舒張壓與脈搏波波形特征量K相關性較好。不同的人，其血壓特征方程是不同的，所以不能采取統一標準方程來進行血壓的測量。在測量每個人的血壓之前，應該首先采集一段時長的脈搏波，分析得出特征方程以后再應用此方程進行血壓的連續測量。選取其中的一名受試者，逐步分析得到收縮壓 （SBP）和舒張壓（DBP）方程為：

脈搏波特征參數測量血壓的實現過程如圖3。

圖3 脈搏波特征參數測量血壓實現過程

3 結束語

本文分析了多種現代血壓測量方法的優缺點，并主要提出一種基于脈搏波特征參數的連續血壓測量方法。此方法通過提取脈搏波的特征參數，進而逐步回歸分析建立血壓與脈搏波特征參數之間的關系方程，通過建立的特征方程來估計人體每搏的收縮壓與舒張壓，實現無創連續血壓測量。本文方法測得的血壓與普通電子袖帶式血壓計測得的血壓擁有良好的一致性，收縮壓與舒張壓的平均差值都小于 5，標準方差都小于10。所以基于脈搏波特征參數的血壓測量方法能夠真實地反應人體的血壓值，也最為適合應用于連續血壓測量的實際應用當中。

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Research on methods suitable for continuous blood pressure measurement based on pulse wave

Yin Guangliang，Lu Wenke，Ni Shanshan
（Information Institute，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Pulse wave of human contains much physiological information.By extracting the human fingertip pulse wave with infrared pulse sensor and analizing feature points and feature parameters of pulse wave，we can establish the regression equation between characteristic parameters and real human blood pressure.Then the noninvasive continuous blood pressure measurement can be actualized.The process mainly includes feature extraction，feature analysis，foundation of regression equation and continuous blood pressure prediction.The result of this method are in good agreement with the real value of blood pressure.

noninvasive；continuous；blood pressure measurement；pulse features

TP212.3

A

1674-7720（2015）23-0011-03

殷廣亮，盧文科，倪珊珊.適合連續血壓測量的脈搏波分析方法的研究［J］.微型機與應用，2015，34（23）：11-13.

2015-08-13）

殷廣亮（1990-），男，在讀碩士，主要研究方向：智能傳感器。

盧文科（1962-），男，博士，博士生導師，主要研究方向：聲表面波、靜磁波、小波變換、傳感器理論及技術。

倪珊珊（1990-），女，在讀碩士，主要研究方向：智能傳感器。