基于手指壓力示波法的血壓測量系統設計*

陳真誠，李世勇，梁永波，朱健銘，曾若生

(1.桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院， 廣西 桂林 541004; 2.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

隨著高血壓患者人數不斷上升，由其引起的各種并發癥已成為常見的疾病。因此，血壓測量在臨床疾病診斷和家庭健康監測中變得越來越重要。人體血壓測量方法分為有創測量法和無創測量法[1-2]。無創測量法有動脈張力法、容積補償法、示波法等。Pressman和Newgard于1963年提出動脈張力法[3]，其測量原理是在橈動脈、股動脈和頸動脈等淺表動脈施加外壓[4]。當動脈受到外部壓力時，動脈血管將處于扁平狀態，然后利用壓力傳感器測得施加在動脈上的壓力，得到脈壓波波形，進而求出血壓值。Penanz于1973年提出容積補償法[5]。該方法指出動脈血管在受到外部壓力后，將進入去負荷狀態，若外部壓力與血管內壓力相同，則動脈血管壁內徑將不會隨著血壓的波動而變化，它處于恒定容積的狀態[6]。此時測量外部壓力就能得到血壓。示波法測量血壓的原理基礎是脈搏波，通過袖套對人體手臂施加壓力進而對動脈血管產生壓迫，以此產生血管中血流的受阻振蕩信號也就是脈搏波信號，利用傳感器同時采集脈搏波信號以及袖帶所施加的壓力信號，最后擬合出兩種信號之間的關系來計算出收縮壓、舒張壓。

2 手指壓力示波法的測量原理

無袖套血壓測量系統基于示波法原理，同時參考動脈張力法和容積補償法，見圖1。與示波法原理相比，袖套充氣對動脈血管產生的壓力在此系統中由使用者手指指尖按壓傳感器產生(見圖1中綠色箭頭)，其壓力值由正下方的壓力傳感器獲得；此過程中動脈血管血容積變化則通過手指下方的光電容積脈搏波傳感器獲取(見圖1中紅色箭頭)。通過MATLAB中的圖形交互界面(graphical user interface, GUI)實時顯示兩種信號波形，對信號進行處理，建立受力光電容積脈搏波信號、施加壓力與血壓之間的模型關系，最終計算出人體的血壓值。本系統測量時需保證手指勻速施壓于傳感器，以得到幅度值變化的光電容積脈搏波信號。在操作過程中，由于使用者不熟悉本系統而導致施加壓力時大時小，造成輸出波形不符合要求。因此，為規范使用者正確使用本系統，特在GUI界面中設計了施加壓力的范圍界限。在GUI壓力顯示模塊中，紅色曲線為壓力上界限，藍色曲線為下界限。這兩條曲線在視覺上指導使用者如何勻速施加壓力，如果使用者施加的壓力值在該界限內就能較成功地輸出符合要求的波形。

圖1 無袖套血壓測量系統原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cuff-less blood pressure measurement system

3 系統設計

3.1 系統設計

無袖套血壓測量系統選用STM32F103ZET6為處理芯片，與PPG傳感器和壓力傳感器組成下位機信號采集系統。數據處理、血壓計算模型則采用MATLAB GUI界面，兩者通過串口通信方式傳輸數據。系統設計實物圖見圖2。

圖2實物圖

Fig.2Picture of real products

3.2 傳感器選型與標定

無袖套血壓測量系統需準確測量施加的壓力。本研究選擇薄膜式壓力傳感器，型號為RFP-603，該傳感器敏感區直徑為10 mm，響應時間為us級，量程為500 g。該傳感器能將壓力轉換成阻值變化信號，最后經電路轉化成電壓信號。傳感器經砝碼標定后得到力-電壓曲線關系。共采集30個不同的砝碼質量所對應的輸出壓力值(范圍為0～450 g)及其輸出電壓。傳感器所受壓力值與輸出電壓間的關系曲線見圖3。對力-電壓曲線進行多項式擬合，經比較最終選擇5階多項式擬合。

圖3 傳感器壓力與輸出電壓標定關系曲線圖Fig.3 Sensor pressure and output voltage calibration curve

5階多項式擬合后，得壓力傳感器輸出電壓(v)與壓力y的關系：y=-24.73×v5+309.3×v4-1 547.4×v3+3 904.5×v2-5 078.6×v+2 844.0

注：Pa=N/S，1 Kg=10 N，S=π(d/2)2，1 kPa≈7.5 mmHg.

由于綠光受皮下組織的干擾相對其他光源更小[7]，因此,PPG傳感器光源選擇525 nm的綠光，型號為AM250，接收器采用APDS9008光電探測器。又因其輸出信號中包含有很多噪聲而脈搏波信號頻率集中在0～20 Hz之間，因此模擬帶通濾波的頻率范圍為0.16～14.6 Hz。

3.3 無袖套血壓測量系統工作流程

人體脈搏波信號的形態主要由低頻信號決定，其主要頻率集中在0～20 Hz[8-9]。根據奈奎斯特采樣定理,同時考慮脈搏波峰值點識別與提取精度，設置脈搏波的采樣率為100 Hz。開始測量時，STM32將兩路內置ADC采集的數據通過串口通信方式發送到MATLAB GUI，其工作流程見圖4。GUI界面對兩組數據進行實時顯示。測量結束后，通過GUI界面對數據進行處理，建立受力光電容積脈搏波信號、施加壓力與血壓之間的模型關系，最終計算出人體的血壓值。

圖4 系統工作流程圖Fig.4 System work flow chart

3.4 數據擬合與計算模型

3.4.1數據擬合 選擇滑動平均濾波算法濾除原始脈搏波信號與壓力信號中的毛刺等異常值。同時找出受力后的脈搏波信號的峰值點與其峰值點對應的壓力值，結果見圖5(a)、圖5(b)。

根據波峰值與壓力值的關系選擇擬合算法進行數據擬合。本研究分別選擇了多項式、單高斯、雙高斯算法進行擬合。三種曲線擬合算法結果分析見表1,曲線擬合結果見圖6。

圖5 (a).PPG幅度波形;(b).壓力曲線Fig.5 (a) .PPG amplitude waveform; (b).Pressure curve表1 三種擬合方式Table 1 Comparison of three fitting methods

3階多項式單高斯雙高斯SSE0.013380.022410.006296R-square0.9040.84510.9565Adjusted R-square0.88960.83030.9444RMSE0.026350.032670.0187

圖6三種擬合方法結果圖

Fig.6Results of the three fitting methods

從表1中可看出,雙高斯擬合算法效果好，因此本研究選用雙高斯擬合算法。

雙高斯模型擬合如下：選擇2個平均值不同、幅度不同、標準差不同的高斯函數之和作為模型，表達式如下：

(1)

其中a1和a2為高斯函數的幅度，σ1和σ2為標準差，μ1和μ2分別為兩個高斯函數的平均值，也就是兩個高斯函數尖峰的中坐標。ξ為測量系統在開始之前手指放置產生的壓力。

3.4.2血壓計算模型 基于示波法計算收縮壓與舒張壓的算法模型,主要為波形特征法和幅度系數法。

(1)波形特征法是根據所測得脈搏波波包絡線形狀分析出收縮壓與舒張壓的特異性，并通過此特異性來計算人體血壓值[10]。

(2)幅度系數法又稱歸一化法。當人體血管平均壓與外界施加壓力相等時，脈搏波包絡幅度將最大，并由此計算出平均血壓(mean blood pressure， MBP)，然后根據特定比例系數計算出收縮壓和舒張壓[11]。在幅度系數法研究中，比較典型的算法是根據收縮壓(systolic blood pressure， SBP)和舒張壓(diastolic blood pressure，DBP)與所測脈搏波最大幅值的比例關系判別得出血壓值。在幅度波形中，收縮壓對應脈搏波幅度值ASBP，平均血壓對應幅度值AMBP，舒張壓對應的幅度值ADBP。KSBP為收縮壓歸一化系數，KDBP為舒張壓歸一化系數，則：

(2)

(3)

Geddes提出收縮壓歸一化系數為0.5，舒張壓的歸一化系數為0.75～0.8[12]；Mauro認為收縮壓歸一化系數為0.46～0.64，舒張壓歸一化系數為0.43～0.73[13]。

(3)本研究采用幅度系數法進行血壓測量，根據雙高斯擬合算法得到擬合波形圖，取其最大值對應的壓力作為平均血壓，根據平均血壓范圍選擇不同的比例系數來計算收縮壓和舒張壓。本研究在大量實驗的基礎上，參考了Geddes 、Mauro等給出的歸一化系數，得到了無袖套血壓測量系統的歸一化系數，見表2。

表2 無袖套血壓測量系統歸一化系數Table 2 Normalized coefficient of cuff-less blood pressure measurement system

4 實驗結果

4.1 無袖套血壓測量系統采集血壓流程

無袖套血壓測量系統的具體測量過程：

(1)在室內進行，環境保持安靜，志愿者需靜息15 min。

(2)考慮到志愿者不熟悉使用本測量系統，因此所有志愿者需先學習使用此測量系統：

(a)首先志愿者采用坐姿，傳感器置于平面，使傳感器與其心臟處于同一水平線上；

(b)其次志愿者將左手中指前端正放于傳感器上方；

(c)志愿者緩慢按壓中指，施加壓力在GUI界面標明界限范圍內；

(d)測量結束,計算出血壓值。

(3)每位志愿者測10次求其均值，每組數據間隔2 min。

(4)測量結束后，用歐姆龍電子血壓計(Omron HEM-7201)測量其袖套式的血壓值，并作為無袖套血壓測量系統的參考值，同樣測量10次求均值。

4.2 結果分析

一共采集了24位志愿者的數據，年齡21～31歲，女性數據9組。收縮壓在106～155 mmHg范圍內，舒張壓在67～97 mmHg范圍內。以歐姆龍電子血壓計測量值作為參考值，將無袖套血壓測量系統的收縮壓和舒張壓數據分別與其進行相關性分析，結果見圖7。兩種方法測量的收縮壓相關系數為0.841，標準差為6.78 mmHg；舒張壓相關系數為0.809，標準差為4.91 mmHg。實驗結果說明,基于手指壓力示波法的無袖套血壓測量系統與基于示波法的電子血壓計有著較高的相關性。

圖7相關性分析

Fig.7Correlation analysis

5 結束語

本研究設計了一種基于手指壓力示波法的無袖套血壓測量系統。同時采集手指端動脈受壓后的光電容積脈搏波波形信號以及施加的壓力信號，采用雙高斯擬合算法對兩組信號進行曲線擬合，建立了計算血壓的模型公式，實現了無袖套血壓測量。以袖帶式結果為參考值，本測量系統的收縮壓相關系數為0.841，標準差為6.78 mmHg；舒張壓相關系數為0.809，標準差為4.91 mmHg。雖然與傳統袖套式電子血壓計相比存在一定誤差，但為無袖套血壓測量系統提供了一種新思路，也為血壓測量裝置的小型化、移動醫療以及全民健康服務提供了一種新方法。