基于脈搏-心電的便攜式血壓儀的研制*

韓國成，古旺，朱健銘，陳真誠

(桂林電子科技大學生命與環境科學學院，廣西 桂林 541004)

1 引 言

由相關文獻可知，應用傳統的PWTT求取血壓的方法，結果顯示收縮壓(systolic blood pressure, SBP)和PWTT有很好的相關性，但舒張壓(diastolic blood pressure, DBP)和PWTT相關性不大，結果導致DBP的測量結果誤差較大[1]，本研究綜合了心率、每搏輸出量和外周阻力對血壓的影響后，使DBP的測量誤差減小。同時在系統硬件上也進行了優化，在心電的提取過程當中，摒棄的傳統的導聯線，只需要左右手的對稱兩個手指放在相應的電極上即可完成心電的檢測，使得測量過程無任何束縛。

2 理論基礎

在血壓總量無較大變化的前提下，血壓主要受動脈管壁的彈性、每搏輸出量、心率、外周阻力的影響[2]。根據楊-莫恩斯公式[3]可知脈搏波傳導時間主要受動脈管壁的彈性大小的影響，動脈管壁的彈性越大則PWTT越大，因此動脈管壁的彈性可以用PWTT表示，血壓和PWTT也就有了一定的相關性。本研究以ECG的R波峰點和PPG的起點之間的時間差表示PWTT[4]，應用PPG的波峰值近似表示每搏出量[5]，手指采集PPG信號反映的是手指毛細血管中血液容量的變化，因此，通過PPG獲得的PWTT能一定程度上反映出外周阻力對血壓的影響。

3 系統設計

3.1 系統硬件設計

系統樣機需要同時采集PPG和ECG兩種信號，對于PPG采集系統應用的是PulseSensor反射式光電容積脈搏波傳感器，該傳感器的光源采用了峰值波長為515nm的綠光LED，感受波峰長為565 nm的光接收器。應用該傳感器的優點是只需要將手指放在LED光源前端，就能準確檢測人體的脈搏波[6]。

對于ECG信號的采集系統應用的BMD101芯片，該芯片是專用于生物信號檢測和處理的片上設備，體積小，功耗低，能檢測到uv到mv級的ECG信號，對信號進行前期的放大、濾波，經過處理后的ECG數據由串口發送出去，便于處理器接收處理[7]，得益于BMD101芯片的上述優點，本系統對ECG采集摒棄了傳統的導聯線，只需要左右手的兩個手指放在相應的電極上即可完成檢測。

應用TFT顯示屏顯示測量結果，不僅能顯示測量血壓的結果，還能顯示所測PPG和ECG的波形，給用戶更加直觀的感受，樣機系統框圖見圖1，樣機測試圖見圖2。

3.2 系統軟件設計

本研究提出的血壓測量方法本質在于找到血壓與PWTT、PPG峰值、心率之間的關系，因此要準確的提取ECG波形中的R波峰點，PPG波形中的起點、波峰值。把ECG波形中R波峰點和PPG起點之間的時間差作為PWTT，通過PPG波形中兩個波峰之間的時間差求取心率，PPG峰值就直接在PPG波形中進行提取。

圖1便攜式血壓儀系統框圖

Fig1Blockdiagramofportablebloodpressuremonitor

圖2血壓儀樣機測試圖

Fig2Bloodpressuremonitortestpicture

在準確提取ECG和PPG波形特征點之前，首先要確定獲得的兩種波形是否滿足實際需求。對這兩種信號進行頻譜分析后發現，PPG信號中噪聲較小，進行平滑濾波后即可進行特征點的提取，但ECG信號中含有的噪聲較大，主要包括50 Hz及其諧波100 Hz工頻的干擾和0～0.5 Hz的基線漂移[8]，通過matlab仿真后發現，加權遞推平均濾波和小波閾值濾波相結合能很好的濾出ECG信號中的噪聲。這種濾波方法對硬件的要求較低，容易實現。

對信號進行濾波處理后就能進行特征點提取了，本研究采用的算法是差分閾值法。對ECG波形中的R波峰值進行提取的時候發現，傳統差分閾值不能剔除ECG波形中因手指運動產生的幅值較大的奇異點，需在相鄰R波間的時間差上再一次設定閾值，對兩種波形特征點的提取效果圖見圖3。

4 臨床試驗研究

4.1 血壓模型建立實驗

應用魚躍牌水銀血壓儀對志愿者進行血壓規范測量，然后應用樣機對志愿者進行PPG和ECG數據采集，求取PWTT、心率和ECG峰值。對20名志愿者進行數據采集，以水銀血壓計SBP、DBP為因變量，以對應提取出的PWTT、心率和ECG峰值的為自變量，進行回歸分析得到回歸系數和常數，通過回歸分析最后得到的血壓方程為：

SBP=-0.315×PWTT×f+110.8976

DBP=-1.3443×PWTT×f+1.4315×HR+0.0056×PPV+21.2948

公式中f代表采樣頻率，樣機的采樣頻率為200 Hz，HR代表心率，PPV代表脈搏波峰值。

圖3 PPG、ECG特征點提取效果圖

Fig3ECG、PPGextractfeaturepointseffectdiagram

4.2 血壓模型驗證實驗

為了驗證血壓模型的準確性，本研究采用Bland-Altman法對血壓模型測得的血壓值和傳統水銀血壓儀測得的血壓值進行一致性分析。Bland-Altman法是數學界和工程界廣泛認同的適合兩種數據一致性分析的統計方法[9]。通過這種方法對20名志愿者測得的血壓數據見表1，Bland-Altman分析圖見圖4。

從圖4可以看出SBP和DBP的95%一致性界限分別為(-8.3，11.6)，(-9.9,12.7)，SBP和DBP的20個數據中均只有一個數據位于一致性界限以外。經計算SBP和DBP的Pearson相關系數分別為0.8676，0.8456。由以上兩種分析可知應用樣機血壓儀所測的血壓值和水銀血壓儀所測的血壓值有較好的一致性。

表1兩種方法所測血壓值(mmHg)

Table 1 Blood pressure values measured by two methods

圖4 兩種方法所測血壓值的一致性分析圖

5 結論

本研究首先在理論上對血壓的影響因素進行分析，血壓是心臟泵血功能和血管狀況的綜合作用的結果，而PWTT只能反映動脈血管的彈性情況，因此，引進每搏輸出量和心率來表征人體的心臟功能。然后通過血壓數據采集建立血壓測量模型，應用Bland-Altman法對血壓儀樣機和傳統水銀血壓儀所測血壓值的一致性進行了驗證。此外本研究還在系統硬件上進行優化，對于ECG和PPG的采集都是通過手指進行，無任何束縛，系統體積小巧，攜帶方便。本系統的不足之處在于，樣機對于PPG和ECG的采集都是通過手指采集得到，測量過程中，手指的輕微抖動，可能引起PPG和ECG奇異點的出現，影響測量結果。血壓模型建立應用的數據量較小，測量誤差并不能滿足美國醫療儀器促進協會推薦標準，同時該血壓模型只適應于本樣機，不能通用，所以血壓模型需繼續優化。