诱发成瘾性戒毒疗效测评系统中自动血压检测的设计

2012-01-05高刃奇童立云李永红

成都信息工程大学学报 2012年3期

高刃奇, 杨波, 童立云, 赵旭, 李永红

(1.成都信息工程学院物理场生物效应及仪器重点实验室,四川成都610225;2.眉山强制隔离戒毒所,四川眉山612160)

0 引言

完整的戒毒诊断评估系统要对生理、心理、认知、行为、社会功能等方面进行评价,反映了戒毒者对毒品的防御力,即康复水平。其中心理评估是戒毒评估的难点,要求由心理专业人员使用量表以保证评估的科学性与可靠性,并且要有对照组作为判断依据。目前国内外的戒毒人员的心理评估都是通过心理专业人员新型问卷评估调查进行判断的。传统的药物依赖、成瘾评价,一般是通过访谈、问卷的形式进行调查,这种方法需要病人进行积极地配合。对于强戒人员进行评价时,无法确定被测试者回答问题的真实度。这就需要研究一种新的方法对强戒人员的戒毒水平做一个客观公正的评估,尽可能降低戒毒人员回归社会后复吸的可能性。

对戒毒人员生理参数的信息仅用于检测其是否生理脱毒,并没有考虑心理因素对生理参数的影响[1]。当戒毒人员看到吸毒有关场景时[2-3],心理的变化必然会引起例如呼吸急促、心跳加快、血压上升等生理变化[4]。其中血压作为一项重要的人体生理指标,需要进行准确的检测。同时由于此种特殊的使用场合,要求尽量减少在检测过程中对戒毒人员的干扰,并且能够准确判断出血压的微小波动,因此对血压的自动检测进行了专门的设计。

1 基础电路实现

电子血压计的实现思路是将袖带中的气压信息转换为电信号,再通过对电信号的处理计算得到最终的收缩压与舒张压。研究表明,此种方法得到的检测结果准确可信[5-6]。

图1 硬件原理框图

设计思路如图1所示,将血压袖带与气泵、气阀连接到一起,通过气压传感器检测其内部的气体压力,再通过外接电路转换为电压信号,由这个电压信号反映袖带内的气压。其中气泵与气阀由单片机控制对袖带进行充气、放气。后端处理中,将电压信号分为两路:一路通过高通电路滤掉直流分量作为交流信号;另一路不做处理,作为直流信号。交流信号代表袖带中微小的压力波动,当血压袖带中的气压值在人体血压的范围内时主要表现为脉搏波。直流信号没有做任何处理,其代表的就是袖带内的气压值。将这两路信号进行同步A/D转换后,就可根据这些数据计算出人体的收缩压与舒张压[7]。

实际制作中,将血压袖带连接到压力传感器US9111,即图2中的CGQ1,压力传感器将气压信息转换为电信号,经过AD620进行小倍数差分放大后再经过一级运放UY2放大后便为所需的直流分量。为了防止后端A/D转换中影响信号精度,直流分量输出端添加一个电压跟随器保证UY2输出端电压稳定。经过前端放大后,要在电压信号中提取出交流分量,首先经过一级二阶巴特沃斯高通滤波器,截止频率为0.8Hz,滤除直流分量。由于信号中的交流分量较小,在高通滤波后需要经过大比例放大才能够清晰识别所需的脉搏波,所以在高通滤波模块后添加后端放大模块。考虑到袖带摩擦以及电路中引入的干扰因素,得到的交流分量中可能包含大量的高于脉搏波频域的干扰,所以在交流分量输出前通过二阶巴特沃斯低通滤波器将这些干扰滤除,截止频率为38Hz。由于后端的A/D转换范围为05V,为了防止负向电压影响到A/D转换电路,所以在交流分量输出之前串联一个二极管,以隔离负向电压。ADC0与ADC1处分别连接A/D转换电路并将结果传入单片机进行处理,计算血压值。

图2 硬件电路图

信号处理过程中,高通滤波使用二阶巴特沃斯高通滤波,高通滤波器的传递函数为:

取二阶巴特沃斯网络函数的系数 a11=1.414,截止角频率 ωc=0.8×2π,取 C1=C2=0.1μ F。则:

在对交流信号的处理中,低通滤波使用二阶巴特沃斯低通滤波,低通滤波器的传递函数为:

取二阶巴特沃斯网络函数的系数 a11=1.414,截止角频率 ωc=38×2π,取 C3=C4=0.1μ F。则:

2 软件流程

2.1 放气方式

目前的电子血压计计算血压的方法主要是根据平均压推算收缩压与舒张压。其过程是记录袖带放气过程中的脉搏波峰值。脉搏波随着袖带放气的变化过程是从没有到出现,峰值逐渐上升,再带到平均压时达到最高值,然后峰值逐渐下降,直至消失。其收缩压与舒张压的取值,根据平均压处脉搏波峰值的50%～90%[8],在平均压前后分别寻找与此数值最接近的脉搏波峰值,此峰值处的袖带压力值便为被测者的收缩压或舒张压。

在放气过程中放气速度越慢,采集到的脉搏波数量就越多,根据结果计算出的血压值就越准确。可是由于长时间压迫血管对病人身体不利,这就需要考虑优化放气过程和对脉搏波的判断来提高精度,此过程中尝试了匀速放气和阶梯放气[9]。

2.1.1 匀速放气

在整个放气过程中,袖带中的气压是匀速下降的,同时记录脉搏波峰值。

图3 匀速放气直流信号

图4 匀速放气交流信号

这种放气方法检测较快,但是由于脉搏波的频率与人心跳速度相关,若放气过快会导致采集到的脉搏波过少,导致脉搏波峰值波动较大,算出的收缩压与舒张压可能误差较大。

2.1.2 阶梯放气

在放气过程中,每放4～5mm汞柱的气压便进行停顿[10],等检测到1～3个脉搏波后再继续放气,重复这个过程,直至脉搏波过小。

图5 阶梯放气直流信号

图6 阶梯放气交流信号

此种方法每下降一个阶段时,便会停止等待脉搏波,可以看到每个存在脉搏波的阶段均存在2个脉搏波,并且其脉搏波的峰值近似,对这两个值取平均作为此袖带压力时的脉搏波峰值,此种方法可以提高脉搏波峰值精度。但由于此种方法在每个阶段都要等候脉搏波,所以检测速度较慢,更适合需要提高精度的场合。

2.1.3 放气方式对测量精度的影响

在研制过程中,分别实现了两种放气方式并进行了实验。实验方式是选取5名被测者,先使用同一种放气方式测量他们静息状态下的血压并记录数据,检测完休息3分钟再进行重复测量,反复检测10次。再使用另一种放气方式进行同样的检测。对两组数据进行分析,计算每名被测者的血压数据的方差。方差越低证明检测越准确。使用平均放气方式的一组数据的平均方差为62.3,而使用阶梯放气方式的一组数据的平均方差为40.2。实验证明使用阶梯放气的方式能够得到更准确的血压值。

2.2 单片机控制过程

由于设计要求检测精度较高,实时性要求略低,这里使用了阶梯放气的方法。具体实现为单片机通过两个I/O口,经三极管分别控制一个12V供电的气泵和气阀。单片机同时获取直流信号、交流信号的A/D采样结果,并对气泵、气阀进行控制,具体流程如图7所示。

3 数据处理

3.1 干扰因素

3.1.1 电路干扰

由于将压力信号转换为电压信号,在电信号的处理过程中,可能会出现一些干扰。脉搏波所处的频域在38Hz以下,而电路中产生的干扰通常均高于此频域,其中最明显的干扰是50Hz工频干扰。在直流信号部分,干扰的影响并不明显,但在交流信号部分,由于信号经过高通滤波后又进行了高倍放大,其中一定会包含大量的干扰,虽然不会导致脉搏波无法识别,但有可能影响识别的精度。所以对于这部分干扰要通过低通电路或者进行A/D转换后使用FIR滤波器进行滤波处理,以求得到较准确的结果。

3.1.2 压力干扰

电子血压计检测脉搏波是依靠脉搏引起的袖带内气压波动,这种波动很微小,所以电路对袖带内的压力波动很敏感[11]。手臂的移动、挤压,对袖带的碰撞都会干扰到对脉搏波的采集。但这种外界因素对交流信号的影响远超脉搏波,所以可以通过这个特点将干扰分离。当检测到这些巨大波动时,便将这部分采集的交流信号峰值放弃掉,以保证采集到的交流信号峰值都是由脉搏波引发的。这样也可有效提高运算得出的血压值精度。

图7 血压检测流程图

3.2 血压算法

首先,将采样到的直流信号与交流信号以函数形式表示为 VD[t]、VA[t],其中t代表时间。VD[t]代表的直流分量受到干扰的程度较小,不用对其进行处理。而交流分量 VA[t]需要进行去噪处理。交流信号经过了放大滤波多级模拟信号处理过程,会被引入50Hz工频干扰等杂波,并且突然的放气与停止也会一起交流分量上的脉冲,这些干扰在频域上与脉搏波有很大区别,可以通过FIR滤波将干扰信号滤除。使用的滤波器参数为h[0]=0.00582286;h[1]=0.05714910;h[2]=0.05714910;h[3]=0.00582286。处理结果为-τ]h[τ],由此得到一个没有高频干扰的交流信号。得到的信号 VAO[t]中,包含了整个测量过程中的全部脉搏波,并且与 VD[t]同步。

第二步是对 VAO[t]进行分析。首先要去除人为干扰,脉搏波中可能存在由于外界挤压血压袖带产生的较大峰值,这些峰值远大于脉搏波,可以通过阈值法排除。然后使用斜率法寻找交流分量中所有极大值,即脉搏波峰值[12]。找到的峰值按照时间顺序放入t[n],则将 VAO[t[n]]的值依次存入数组AC[n]中,并将 VD[t[n]]的值依次存入数组DC[n]中,AC[n]与DC[n]中的值一一对应。

最后便通过 AC[n]与DC[n]计算收缩压与舒张压。首先寻找 AC[n]中的最大值ACMAX,假设 ACMAX=AC[n0],则DC[n0]为被测者的平均压。设定0.55ACMAX与0.85ACMAX为收缩压与舒张压的门限值[13],在AC[n]中 n＜n0的部分寻找与0.55ACMAX最接近的值 AC[n1],在 AC[n]中 n＞n0的部分寻找与0.85ACMAX最接近的值AC[n2]。则DC[n1]为被测者的收缩压,DC[n2]为被测者的舒张压。

4 结束语

设备研制完成后在眉山强制隔离戒毒所对40名戒毒人员进行了实验。40人中20人为A组,均为新进戒毒所人员;另20人为B组,均已在戒毒所内强制戒毒18个月。实验过程中给戒毒人员播放一段20分钟的视频,前10分钟为风景视频,后10分钟为吸毒场景视频,全程每隔2分钟自动检测一次血压,观察其血压变化。实验结果显示A组血压波动超过5%以上人数占实验组总人数的85%,B组血压波动超过5%以上人数占实验组总人数的60%。

由测试结果可以看出大部分新进戒毒所人员在观看吸毒场景视频时血压都有不同程度的上升,而从已进入戒毒所戒毒18个月人员的血压波动分布来看,其波动比例明显下降,向无明显波动方向集中。诱发成瘾性戒毒疗效测评系统通过实验数据产生变化时间与理论相符,验证了设备的正确性与实用性。同时血压参数是可以作为戒毒测评的一个标准指标。

实验数据说明一段时间的强制隔离戒毒可以提升戒毒患者对毒品的抵制能力。但是,强制隔离戒毒是完全隔离社会的戒毒模式,如何使患者从戒毒所平稳过度到社会,需要政府、强制隔离戒毒所和其它戒毒单位统筹协调,实现各个环境的无缝对接,从而巩固治疗效果,减小复吸率。

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