成剛，查曉俊

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院 （江蘇南京 210008）

血壓水平與心功能、外周血管功能密切相關(guān)，能夠反映人體心血管系統(tǒng)的健康狀況[1-2]。高血壓是臨床常見(jiàn)的慢性病，也是心腦血管疾病的最主要危險(xiǎn)因素之一[2-3]。因此，血壓的精準(zhǔn)測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)血壓異常患者尤為重要。由于血壓的波動(dòng)性和不確定性，單次血壓測(cè)量結(jié)果并不能真實(shí)反映患者日常活動(dòng)狀態(tài)下的血壓水平[4]。動(dòng)脈插管法能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)不間斷血壓測(cè)量，是國(guó)際公認(rèn)的血壓測(cè)量金標(biāo)準(zhǔn)[5]；但由于其為有創(chuàng)操作、專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)、價(jià)格昂貴及有傷口感染風(fēng)險(xiǎn)等缺點(diǎn)，多用于術(shù)中和危重患者的血壓測(cè)量。無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量則具有無(wú)創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)證更廣、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化血壓監(jiān)測(cè)、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。本研究通過(guò)采集人體脈搏波信號(hào)和動(dòng)脈血壓值，建立基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量模型，以實(shí)現(xiàn)患者血壓的無(wú)創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助醫(yī)師及時(shí)掌握患者病情，確定藥物治療的有效性，及時(shí)調(diào)整給藥時(shí)間和劑量，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本研究中的脈搏波數(shù)據(jù)是利用光電血氧探頭采集受試者左手手指末端的光電容積脈搏波波形，收縮壓和舒張壓由水銀血壓計(jì)測(cè)得。水銀血壓計(jì)由江蘇魚(yú)躍醫(yī)療設(shè)備股份有限公司生產(chǎn)，經(jīng)南京市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院計(jì)量合格，且在合格證有效期內(nèi)。

脈搏波頻率主要分布在0.1～40.0 Hz 之間，絕大部分頻率集中在10 Hz 以下[8]。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，將脈搏波的采樣頻率設(shè)為100 Hz，采集時(shí)間定為1 min。數(shù)據(jù)采集在我院心內(nèi)科門(mén)診和病房進(jìn)行，采集前，受試者靜息5 min，調(diào)整情緒，穩(wěn)定呼吸；采集時(shí)，囑受試者身體保持正常坐姿，手臂和手指保持靜止；脈搏波信號(hào)采集完成后，進(jìn)行血壓測(cè)量，每位受試者連續(xù)測(cè)量3次，每次間隔1 min，取3次測(cè)量結(jié)果的平均值作為血壓的參考值。

本研究共采集296組數(shù)據(jù)，其中男143例，女153例；年齡25～75歲，平均（44.20±13.45）歲；高血壓121例，正常血壓112例，低血壓63例；收縮壓76～191 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），平均（121.43±23.93）mmHg；舒張壓47～113 mmHg，平均（78.26±13.79）mmHg。

1.2 數(shù)據(jù)處理

由于受信號(hào)采集裝置及人為因素的影響，采集到的脈搏波信號(hào)中均含有噪聲，而噪聲會(huì)降低提取脈搏波特征點(diǎn)算法的運(yùn)行效率和準(zhǔn)確性，因此，需對(duì)脈搏波信號(hào)做預(yù)處理。脈搏波特征參數(shù)獲取流程見(jiàn)圖1。

圖1 脈搏波特征參數(shù)獲取流程

本研究采用低通濾波器去除脈搏波信號(hào)中的高頻噪聲，考慮到脈搏波信號(hào)的頻率一般不會(huì)超過(guò)10 Hz，所以將低通濾波器的截止頻率設(shè)為10 Hz[8]；采用零向位濾波去除基線漂移，先將輸入序列按順序?yàn)V波，即前向?yàn)V波，然后將濾波后所得序列反轉(zhuǎn)，再用同一個(gè)濾波器做逆向?yàn)V波，濾波得到的序列再反轉(zhuǎn)，最終得到零相位失真的輸出序列[9]；波形中還會(huì)夾雜著一些非脈搏波波形，這些波形的存在會(huì)影響脈搏波特征點(diǎn)的提取，需要進(jìn)行篩選將其剔除；在提取脈搏波的特征點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)濾波后的信號(hào)仍然有零星毛刺存在，我們采用Matlab工具箱中五點(diǎn)三次平滑濾波的方法去除毛刺，該方法不僅能夠有效濾去脈搏波信號(hào)的毛刺，還可保證峰值點(diǎn)的幅值變化較小[10]；脈搏波特征點(diǎn)的提取采用微分法，該方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為容易，被廣泛應(yīng)用于信號(hào)特征點(diǎn)的識(shí)別；最后，通過(guò)相關(guān)性分析，共篩選出6個(gè)收縮壓特征參數(shù)（波峰幅值、重搏波幅值、波形面積、二次諧波幅值、三次諧波幅值、四次諧波幅值）和8個(gè)舒張壓特征參數(shù)（波谷幅值、波峰幅值、上升支斜率、基波頻率、基波幅值、一次諧波幅值、二次諧波幅值、三次諧波幅值）[11]。

1.3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種由非線性變換單元構(gòu)成的前饋網(wǎng)絡(luò)，也被稱為誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的血壓計(jì)算模型中，輸入脈搏波特征參數(shù)，輸出收縮壓和舒張壓。由于收縮壓和舒張壓的模型輸入神經(jīng)元個(gè)數(shù)不同，因此，本研究建立了兩個(gè)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，即收縮壓BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和舒張壓BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。模型的訓(xùn)練樣本為196組數(shù)據(jù)，驗(yàn)證樣本為100組數(shù)據(jù)。因此，收縮壓BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型輸入為196×6的脈搏波特征參數(shù)矩陣，輸出為196×1的收縮壓矩陣；舒張壓BP 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型輸入為196×8的脈搏波特征參數(shù)矩陣，輸出為196×1的舒張壓矩陣。收縮壓BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證輸入為100×6的脈搏波特征參數(shù)矩陣，輸出為100×1的收縮壓矩陣；舒張壓BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證輸入為100×8的脈搏波特征參數(shù)矩陣，輸出為100×1的舒張壓矩陣。

本研究選擇三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，需確定隱含層的最佳節(jié)點(diǎn)數(shù)目。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和誤差背景，最終確定收縮壓BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為10，舒張壓BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)為12。隱含層節(jié)點(diǎn)傳遞函數(shù)選用tansig 函數(shù)，輸出層節(jié)點(diǎn)傳遞函數(shù)選用purelin 函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù)選擇traingd 函數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的其他參數(shù)設(shè)置為：學(xué)習(xí)速率為0.1，訓(xùn)練要求精度為0.1，最大訓(xùn)練次數(shù)為5 000次。

2 結(jié)果

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練結(jié)束后，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證，將100組驗(yàn)證樣本輸入訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)，比較收縮壓和舒張壓的仿真值和水銀血壓計(jì)測(cè)得值的誤差。圖2為收縮壓仿真值和測(cè)得值的比較結(jié)果及殘差圖，圖3為舒張壓仿真值和測(cè)得值的比較結(jié)果及殘差圖。

圖2 收縮壓仿真值和測(cè)得值比較

圖3 舒張壓仿真值和測(cè)得值比較

由圖2（a）和圖3（a）可知，收縮壓和舒張壓的仿真值與測(cè)得值的曲線重合度較高；從圖2（b）和圖3（b）可以看出，大多數(shù)樣本點(diǎn)的殘差值在±5 mmHg以內(nèi)。通過(guò)計(jì)算，100個(gè)驗(yàn)證樣本中，收縮壓仿真值和測(cè)得值的均方根誤差為5.92 mmHg，77個(gè)樣本點(diǎn)的殘差值在±5 mmHg以內(nèi)；舒張壓BP仿真值和測(cè)得值的均方根誤差為6.11 mmHg，71個(gè)樣本點(diǎn)的殘差值在±5 mmHg以內(nèi)。因此，收縮壓BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型血壓計(jì)算誤差滿足美國(guó)醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)（the Association for the Advancement of Medical Instrumentation，AAMI）的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（平均誤差＜5 mmHg，誤差的標(biāo)準(zhǔn)差＜8 mmHg）[12]的比例達(dá)77%，舒張壓BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型血壓計(jì)算誤差滿足AAMI的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的比例達(dá)71%。

3 討論

本研究通過(guò)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)了基于脈搏波特征參數(shù)的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量，仿真值對(duì)臨床上血壓連續(xù)測(cè)量具有一定的參考意義；但其血壓測(cè)量精度未能100%滿足AAMI 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，且該模型穩(wěn)定性較差，不能有效控制血壓的計(jì)算精度。這和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的缺陷有關(guān)，如不能保證收斂至全局最小點(diǎn)、學(xué)習(xí)收斂速度慢等；另外，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的初始權(quán)值和閾值對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和預(yù)測(cè)精度具有較大影響，但又無(wú)法準(zhǔn)確獲得[13]。針對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的缺陷，若要進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算精度，需對(duì)BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化。

在今后的研究中，我們將從以下幾方面對(duì)血壓計(jì)算模型進(jìn)行改進(jìn)：（1）采集更多、更全面的樣本數(shù)據(jù)，增加低血壓的數(shù)據(jù)量，提高模型的泛化能力；（2）計(jì)算更多的脈搏波特征參數(shù)，從而得到更多高相關(guān)性的特征參數(shù)，去除相關(guān)性低的特征參數(shù)；（3）優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的算法，或采用深度學(xué)習(xí)算法建立模型，提高模型的精度，實(shí)現(xiàn)誤差100%滿足AAMI 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到臨床的使用要求，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)。