基于柯氏音法与示波法结合的新型血压测量系统

山瑞平++胡欣宇++成丽君

摘 要

本文提出了柯氏音法与示波法结合的新型血压测量方法，深入研究了柯氏音信号的综合处理方法。其中有效特征实时抽取算法大幅度降低了信息存储量；示波法粗测与柯氏音法精测相结合，保证了测量值的稳定性和准确性。最后开展了血压测量实验，运用研发的新型血压测量系统进行人体血压自动测量，测量结果与人工测量法对比，人工测量值标准差是大于自动测量值的标准差，证明该系统具有较高的准确性。

【关键词】柯氏音法 示波法 背景噪声 血压测量

1 血压计的结构与功能实现

1.1 系统结构设计

在全世界范围内高血压已成为世界上危害人们身体健康的重大疾病，而预防和治疗高血压的前提是能够准确和方便地测量血压。如图1所示通过电子电路模拟人工柯氏音法血压测量，得到柯氏音法与示波法相结合的自动血压测量。

将装有气囊的袖带带在上臂，对袖带进行充气与放气来压迫上臂动脉；听诊器利用安置在上臂动脉血管上方的柱极体麦克风中的拾音器来取代，从而获得柯氏音信号；水银压力计用电阻式传感器来取代，袖带气囊与导管连接可以测量气囊内的气压和脉搏波；键盘与显示器实现输入与输出；微处理器实现测量控制和信号综合处理。

1.2 柯氏音信号的采集

拾音器主要由金属壳和鼓膜组成，其内安装驻极体麦克风模拟人工听诊方法，为了得到血管的音频信号可将拾音器置于袖带下沿的动脉血管上方，使用时将来自上臂血管的音频振动耦合到拾音器鼓膜中，并传导到驻极体麦克风之后转变成电信号输出。

1.3 柯氏音信号的形成特征分析

柯氏音信号是来自于间断性血液射流通过受压血管时形成的肱动脉搏动音，其频谱特性可得柯氏音信号属于随机信号无周期性，随脉搏搏动间歇性地出现。人工听诊的过程中，柯氏音声强是识别柯氏音有与无的重要特征，它展现了有效柯氏音的出现位置及强度。

实测柯氏音信号中通常存在强烈的噪声干扰，其中，环境噪声可能来自于语音、汽笛、电子设备等，频率和幅值具有很大的随机性；袖带摩擦噪声来自于袖带与上臂的摩擦，这类噪声的出现时间与柯氏音相似，幅值与柯氏音相当，较难处理；电回路噪声主要来自于工频干扰和热噪声等，其幅值较弱，。对于叠加较强噪声柯氏音信号需采用多种降噪手段结合进行信号处理。

1.4 压力及脉搏信号测量

1.4.1 自适应充气控制

为了根据被测者当前血压自动调整最大充气压力，控制袖带压力匀速上升的条件下，气泵电机供电电压UM与当前袖带压力值的关系为

。通过PWM调速过程中，改变占空比来改变电机电压的有效值UM=DUi，保证袖带压力匀速上升可通过保持PWM占空比与袖带压力线性变化。

1.4.2 脉搏波信号预处理

脉搏波的波形信号P（t）可看作缓变直流分量和快变交流分量组成，通过惯性滤波器的使用能有效地去除脉搏波中存在的直流分量，并得到脉搏波中的交流分量，来实现脉搏波的基线漂移消除，该方法与高通滤波器的区别之处在于对原信号产生的相位移动量较小，计算量更小。

1.4.3 有效特征的抽取

在袖带进行放气减压的过程时，为了便于血压值的计算，设备从柯氏音、脉搏波以及袖带气压信号中识别有用的数据并加以保存。

1.4.4 脉搏波特征抽取

由滤波输出信号Po（t）在零附近波动的特征，得离散化信号Po（k△t）周期识别的模型：

，式中的α是滞回因子。当T输出由-1转为1时，可认为是新脉搏波周期的起始点。利用脉搏波峰值提取模型，当脉搏波上升沿后记录幅值最大与最小的信号，在整个测量过程中设备对脉搏波实现周期识别与峰谷值提取。在一个脉搏波周期内，获取有用信息抛弃无用信息，从而大幅度减少了数据存储量。

2 血压测量实验

在人身体上利用血压计样机测量实际血压并通过每次测量实验的数据与人工听诊法作对比试验消除环境因素对本实验的影响。实验分为四组，利用该血压计每隔两分钟对同一实验者进行一次测量，每组连续测量25次，共测量100次，结果如图2所示。

表1给出人工测量数据与自动测量数据误差情况，误差小于3 mmHg的收缩压测量值所占比例大约在96%以上，实验中人工测量时有些人为操作可能会对测量结果产生影响，排除此误差干扰，表明该血压计的测量数据与人工听诊法的测量数据十分接近。

对于该血压测量方法的稳定度，与舒张压对比计算的结果是，人工测量值的标准差为3.05 mmHg，自动测量值的标准差为2.76 mmHg；对比收缩压，自动测量值的标准差为3.67 mmHg，人工测量值的标准差为3.88 mmHg。因此自动测量值的标准差是小于人工测量值的标准差，可得此血压计测量高于人工测量的稳定度。

3 结论

本文给出的新型血压测量系统与对应的测量过程和信号处理方法是可行且有效的。柯氏音法与示波法结合的血压测量方法能够显著提高自动血压测量的准确性和稳定性。

（通讯作者：山瑞平）

参考文献

[1]甄斌，永进，王素品.示波法血压测量的实现与讨论[J].生物医学工程学杂志，1999.16（01）：42-45.

[2]李毅，李咏雪.电子血压汁（基于振荡法）的工作原理及其检测[J].医疗卫生装备，2008，29（8）：105-106.

[3]Spainski A.Standard algorithm of blood-pressure measurement by oscillometeric method M ed.&Biol.&Comput，1992（03）：671.

作者简介

山瑞平（1989-），现供职于山西农业大学软件学院。主要研究方向为矩阵理论、智能计算、模式识别。

作者单位

山西农业大学软件学院 山西省太谷县 030801