【学习笔记】基于多种传感器的无创连续血压测量研究
2016年电子技术应用第5期
作者：张 洋，李毅彬，陈晓萌，邓 宁
摘 要： 近年来，通过脉搏波（光电容积脉搏波（PPG）、血液调制的磁信号（MMSB）和压力脉搏波（PPW））实现血压（BP）无创连续测量成为血压测量的热点。通过运动恢复实验，研究上述三种脉搏波之间的相位差（PD）与血压的关系，进而提出利用PPG与MMSB之间的相位差测量血压的新方法。结果表明：对于不同脉搏波，相位差与收缩压（SBP）的相关性略高于与舒张压（DBP）的相关性，PPG与MMSB之间的相位差与血压的相关性最高。利用PD实现血压无创连续测量，具有很好的发展前景。
0 引言
目前，心脑血管疾病已经成为威胁人类健康的头号杀手，积极防控心脑血管疾病变得刻不容缓[1]。血压等人体生理参数的实时监控既可以为高血压的预防、诊断和治疗提供有力的依据，又能有效地预防突发性心脑血管疾病[2-3]。但是，传统的血压测量方法基于充气袖带，测量时会给被测试者带来较大不适，而且无法实现连续测量。因此，无袖带的无创连续测量技术受到越来越多研究者的重视[4]。
血压的无创连续测量分为直接测量和间接测量。直接测量即在体表采集动脉处的压力信号，经过一定的处理和标定后直接计算出人体的舒张压和收缩压。部分学者尝试探究桡动脉处的压力与中心动脉处的压力之间的关系[5-6]，有的学者利用桡动脉容积补偿法来测量血压[7]。间接测量即采集人体的各种脉搏波信号，寻找这些信号与血压的关系，并利用这些关系测量血压。有的学者利用脉搏波到达时间的高频分量和低频分量来估计收缩压[8]；有的学者利用处理后的脉搏波延时来估计血压[9]；更多的学者是利用脉搏波传播时间（PPT）来测量血压[10-12]。目前PTT(Pulse Transmit Time)无创连续测量血压是研究的主流。不同的研究者选取不同的特征点来计算PTT，并选用相应的模型计算血压，测量结果可以达到美国医疗仪器促进协会（AAMI）的要求。但是，基于PTT的血压测量方法存在一些缺陷。为了确定PTT，需要同时采集人体的脉搏波信号和心电信号，从而需要在人体不同部位安放传感器和心电电极。这样做成的设备不方便佩戴，不适合实时监控人体血压。
为了解决这一问题，本文从实验的角度研究PPG、MMSB和PPW之间的相位差与血压的关系，发现PPG与MMSB之间的相位差与血压的相关性最高，可以利用它实现血压的无创连续测量。与PTT法测量血压相比，脉搏波相位差法的优势在于：它仅需要测量脉搏波，从而只需在人体同一位置安放多个传感器。不同传感器又可以集成到一块电路板上，这样做成的测量设备具有便携的优点，适合随身携带，并实时监控人体血压。
1 脉搏波概述
在血液循环过程中，心脏周期性的收缩和舒张使血液周期性地由主动脉向外周动脉流动，同时引起血液压强、血液流速和血管直径等许多人体生理参数周期性变化。这些变化具有波动的性质，所以称为脉搏波。在人体固定的位置，可以用不同的传感器采集不同的脉搏波。表1列出了MMSB、PPW、PPG、直径脉搏波（DPW）和速度脉搏波（VPW）的测量方式、测量原理以及测量位置。
图1是在桡动脉处同时采集的MMSB、PPW和PPG波形(为使波形之间互不重叠，已添加偏置并利用MATLAB滤波)。如图1所示，这些脉搏波的周期相同，不同脉搏波的主波峰之间存在时间差，这个时间差称为这两种脉搏波之间的相位差。本文通过运动恢复试验，探究不同脉搏波之间的相位差与血压的关系。
2 实验方案
为了探究MMSB、PPW和PPG之间的相位差与血压的关系，需要在左手桡动脉处同时采集3路脉搏波信号，并同时使用欧姆龙电子血压计在右臂肱动脉处测量人体血压。分别利用巨磁阻传感器、压力传感器和光电传感器采集MMSB、PPW和PPG信号。采集的信号经过放大、20 Hz低通滤波和50 Hz工频滤波后，使用基于ARM Cortex-M4的飞思卡尔 K60单片机实现模数转换。之后，通过异步收发传输器系列端口把这些有用的数据发送给计算机，提取信号峰值并计算相位差。模数转换的采样率为500 Hz，串行传输的波特率为115 200 Bd，最终利用MATLAB在电脑上实时显示这些从人体采集到的信号。人体血压无法连续测量，所以每半分钟测量一次血压，再把测得的SBP和DBP与不同脉搏波之间的相位差进行比较。为了更明显地发现相位差与血压的关系，需要在较大范围内改变人体血压，本文采用运动恢复法来改变血压。
本实验的5名实验者是年龄位于23～30岁的健康成年人，他们均无高血压和心血管疾病病史。所有实验者在实验前一天均未饮酒，并且在实验前均处于静息状态。
整个实验分为两个阶段：静止阶段和运动恢复阶段。在静止阶段，实验者坐在椅子上静止不动，以避免运动所带来的干扰。用不同的传感器在其左手桡动脉处采集3种脉搏波信号，并同时用欧姆龙电子血压计在其右臂肱动脉处测量血压，每位实验者采集30组数据。在运动恢复阶段，实验者先在椭圆机上快速跑动，半小时后坐到椅子上静止不动。此时，再分别用不同传感器和欧姆龙电子血压计在相应位置处采集脉搏波和血压值。每位实验者采集70组数据，以便与静止阶段相比较。
3 实验结果及分析
5名实验者运动过后，血压升高，脉搏波之间的相位差也有较大变化。不同实验者的血压和脉搏波相位差变化略有不同，但其整体趋势以及反映问题的本质是一致的，因此选择了其中一位实验者的数据做详细的分析。
图2为某位实验者的3种脉搏波之间的相位差变化图，图3为该实验者的血压变化图。其中前30组数据为静止阶段，后70组数据为运动恢复阶段。
如图2所示，运动之后的恢复阶段脉搏波之间的相位差表现出不同的变化趋势。为了进一步探究相位差与血压的关系，把恢复阶段细分为前期、中期和后期。从实验者停止运动到人体血压首次降至静止阶段平均血压的110%（分界点1）称为恢复阶段前期，从分界点1到人体血压首次降至静止阶段平均血压的90%（分界点2）称为恢复阶段中期，从分界点2到实验结束称为运动恢复阶段末期。这是一种为了研究问题方便而采用的划分方式，实验结束并不意味着恢复阶段的结束。虽然对于不同的个体，恢复阶段前期、中期和后期的起止时间并不相同，但其揭示问题的本质是一致的。
从图3中可以看出，该实验者静止时，血压在一个很小的范围内波动。相应地，不同脉搏波之间的相位差也保持稳定。激烈运动过后，血压升高。恢复阶段前期，血压迅速下降，相应地，脉搏波之间的相位差也迅速减小。恢复阶段中期，血压基本稳定，而脉搏波之间的相位差缓慢增大。恢复阶段后期，血压在一定范围内波动，相应地，脉搏波之间的相位差也在一定范围内波动。其他的实验者的数据也都呈现出相同的趋势。
从实验结果来看，在恢复阶段前期，血压对相位差起主导作用，并且血压和相位差都有较大变化。分别计算静止阶段和恢复阶段前期各实验者不同脉搏波相位差与SBP、DBP的线性相关系数，并把数据分别列在表2、表3中。如两表所示，恢复阶段前期的相位差与血压的相关性高于静止阶段。对于不同阶段，3种脉搏波的相位差与SBP的相关性均略高于与DBP的相关性。其中，PPG与MMSB之间的相位差与血压的相关性最高，而MMSB与PPW之间的相位差与血压的相关性最低。因此可以利用PPG与MMSB之间的相位差测量静止阶段和恢复阶段前期的人体血压，能够达到相当高的精度。
4 结论
本文通过运动恢复实验在较大范围内改变人体血压，研究不同脉搏波之间的相位差与血压的关系，并提出利用PPG与MMSB之间的相位差实现血压无创测量的新方法。结果表明，PPG与MMSB之间的相位差与SBP和DBP均具有较高的相关性，用它来测量血压能够达到相当高的精度。与利用脉搏波和ECG获得PTT实现血压无创测量相比，用该方法做成的设备便于随身携带和实时监控，具有更广阔的发展前景。在今后的研究中，会进一步改进实验条件，并把重点放在血压的运动检测上。
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