基于手指压力示波法的血压测量系统设计*

陈真诚，李世勇，梁永波，朱健铭，曾若生

(1.桂林电子科技大学 电子工程与自动化学院， 广西 桂林 541004; 2.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

1 引 言

随着高血压患者人数不断上升，由其引起的各种并发症已成为常见的疾病。因此，血压测量在临床疾病诊断和家庭健康监测中变得越来越重要。人体血压测量方法分为有创测量法和无创测量法[1-2]。无创测量法有动脉张力法、容积补偿法、示波法等。Pressman和Newgard于1963年提出动脉张力法[3]，其测量原理是在桡动脉、股动脉和颈动脉等浅表动脉施加外压[4]。当动脉受到外部压力时，动脉血管将处于扁平状态，然后利用压力传感器测得施加在动脉上的压力，得到脉压波波形，进而求出血压值。Penanz于1973年提出容积补偿法[5]。该方法指出动脉血管在受到外部压力后，将进入去负荷状态，若外部压力与血管内压力相同，则动脉血管壁内径将不会随着血压的波动而变化，它处于恒定容积的状态[6]。此时测量外部压力就能得到血压。示波法测量血压的原理基础是脉搏波，通过袖套对人体手臂施加压力进而对动脉血管产生压迫，以此产生血管中血流的受阻振荡信号也就是脉搏波信号，利用传感器同时采集脉搏波信号以及袖带所施加的压力信号，最后拟合出两种信号之间的关系来计算出收缩压、舒张压。

2 手指压力示波法的测量原理

无袖套血压测量系统基于示波法原理，同时参考动脉张力法和容积补偿法，见图1。与示波法原理相比，袖套充气对动脉血管产生的压力在此系统中由使用者手指指尖按压传感器产生(见图1中绿色箭头)，其压力值由正下方的压力传感器获得；此过程中动脉血管血容积变化则通过手指下方的光电容积脉搏波传感器获取(见图1中红色箭头)。通过MATLAB中的图形交互界面(graphical user interface, GUI)实时显示两种信号波形，对信号进行处理，建立受力光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最终计算出人体的血压值。本系统测量时需保证手指匀速施压于传感器，以得到幅度值变化的光电容积脉搏波信号。在操作过程中，由于使用者不熟悉本系统而导致施加压力时大时小，造成输出波形不符合要求。因此，为规范使用者正确使用本系统，特在GUI界面中设计了施加压力的范围界限。在GUI压力显示模块中，红色曲线为压力上界限，蓝色曲线为下界限。这两条曲线在视觉上指导使用者如何匀速施加压力，如果使用者施加的压力值在该界限内就能较成功地输出符合要求的波形。

图1 无袖套血压测量系统原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the cuff-less blood pressure measurement system

3 系统设计

3.1 系统设计

无袖套血压测量系统选用STM32F103ZET6为处理芯片，与PPG传感器和压力传感器组成下位机信号采集系统。数据处理、血压计算模型则采用MATLAB GUI界面，两者通过串口通信方式传输数据。系统设计实物图见图2。

图2实物图

Fig.2Picture of real products

3.2 传感器选型与标定

无袖套血压测量系统需准确测量施加的压力。本研究选择薄膜式压力传感器，型号为RFP-603，该传感器敏感区直径为10 mm，响应时间为us级，量程为500 g。该传感器能将压力转换成阻值变化信号，最后经电路转化成电压信号。传感器经砝码标定后得到力-电压曲线关系。共采集30个不同的砝码质量所对应的输出压力值(范围为0～450 g)及其输出电压。传感器所受压力值与输出电压间的关系曲线见图3。对力-电压曲线进行多项式拟合，经比较最终选择5阶多项式拟合。

图3 传感器压力与输出电压标定关系曲线图Fig.3 Sensor pressure and output voltage calibration curve

5阶多项式拟合后，得压力传感器输出电压(v)与压力y的关系：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.

由于绿光受皮下组织的干扰相对其他光源更小[7]，因此,PPG传感器光源选择525 nm的绿光，型号为AM250，接收器采用APDS9008光电探测器。又因其输出信号中包含有很多噪声而脉搏波信号频率集中在0～20 Hz之间，因此模拟带通滤波的频率范围为0.16～14.6 Hz。

3.3 无袖套血压测量系统工作流程

人体脉搏波信号的形态主要由低频信号决定，其主要频率集中在0～20 Hz[8-9]。根据奈奎斯特采样定理,同时考虑脉搏波峰值点识别与提取精度，设置脉搏波的采样率为100 Hz。开始测量时，STM32将两路内置ADC采集的数据通过串口通信方式发送到MATLAB GUI，其工作流程见图4。GUI界面对两组数据进行实时显示。测量结束后，通过GUI界面对数据进行处理，建立受力光电容积脉搏波信号、施加压力与血压之间的模型关系，最终计算出人体的血压值。

图4 系统工作流程图Fig.4 System work flow chart

3.4 数据拟合与计算模型

3.4.1数据拟合 选择滑动平均滤波算法滤除原始脉搏波信号与压力信号中的毛刺等异常值。同时找出受力后的脉搏波信号的峰值点与其峰值点对应的压力值，结果见图5(a)、图5(b)。

根据波峰值与压力值的关系选择拟合算法进行数据拟合。本研究分别选择了多项式、单高斯、双高斯算法进行拟合。三种曲线拟合算法结果分析见表1,曲线拟合结果见图6。

图5 (a).PPG幅度波形;(b).压力曲线Fig.5 (a) .PPG amplitude waveform; (b).Pressure curve表1 三种拟合方式Table 1 Comparison of three fitting methods

3阶多项式单高斯双高斯SSE0.013380.022410.006296R-square0.9040.84510.9565Adjusted R-square0.88960.83030.9444RMSE0.026350.032670.0187

图6三种拟合方法结果图

Fig.6Results of the three fitting methods

从表1中可看出,双高斯拟合算法效果好，因此本研究选用双高斯拟合算法。

双高斯模型拟合如下：选择2个平均值不同、幅度不同、标准差不同的高斯函数之和作为模型，表达式如下：

(1)

其中a1和a2为高斯函数的幅度，σ1和σ2为标准差，μ1和μ2分别为两个高斯函数的平均值，也就是两个高斯函数尖峰的中坐标。ξ为测量系统在开始之前手指放置产生的压力。

3.4.2血压计算模型 基于示波法计算收缩压与舒张压的算法模型,主要为波形特征法和幅度系数法。

(1)波形特征法是根据所测得脉搏波波包络线形状分析出收缩压与舒张压的特异性，并通过此特异性来计算人体血压值[10]。

(2)幅度系数法又称归一化法。当人体血管平均压与外界施加压力相等时，脉搏波包络幅度将最大，并由此计算出平均血压(mean blood pressure， MBP)，然后根据特定比例系数计算出收缩压和舒张压[11]。在幅度系数法研究中，比较典型的算法是根据收缩压(systolic blood pressure， SBP)和舒张压(diastolic blood pressure，DBP)与所测脉搏波最大幅值的比例关系判别得出血压值。在幅度波形中，收缩压对应脉搏波幅度值ASBP，平均血压对应幅度值AMBP，舒张压对应的幅度值ADBP。KSBP为收缩压归一化系数，KDBP为舒张压归一化系数，则：

(2)

(3)

Geddes提出收缩压归一化系数为0.5，舒张压的归一化系数为0.75～0.8[12]；Mauro认为收缩压归一化系数为0.46～0.64，舒张压归一化系数为0.43～0.73[13]。

(3)本研究采用幅度系数法进行血压测量，根据双高斯拟合算法得到拟合波形图，取其最大值对应的压力作为平均血压，根据平均血压范围选择不同的比例系数来计算收缩压和舒张压。本研究在大量实验的基础上，参考了Geddes 、Mauro等给出的归一化系数，得到了无袖套血压测量系统的归一化系数，见表2。

表2 无袖套血压测量系统归一化系数Table 2 Normalized coefficient of cuff-less blood pressure measurement system

4 实验结果

4.1 无袖套血压测量系统采集血压流程

无袖套血压测量系统的具体测量过程：

(1)在室内进行，环境保持安静，志愿者需静息15 min。

(2)考虑到志愿者不熟悉使用本测量系统，因此所有志愿者需先学习使用此测量系统：

(a)首先志愿者采用坐姿，传感器置于平面，使传感器与其心脏处于同一水平线上；

(b)其次志愿者将左手中指前端正放于传感器上方；

(c)志愿者缓慢按压中指，施加压力在GUI界面标明界限范围内；

(d)测量结束,计算出血压值。

(3)每位志愿者测10次求其均值，每组数据间隔2 min。

(4)测量结束后，用欧姆龙电子血压计(Omron HEM-7201)测量其袖套式的血压值，并作为无袖套血压测量系统的参考值，同样测量10次求均值。

4.2 结果分析

一共采集了24位志愿者的数据，年龄21～31岁，女性数据9组。收缩压在106～155 mmHg范围内，舒张压在67～97 mmHg范围内。以欧姆龙电子血压计测量值作为参考值，将无袖套血压测量系统的收缩压和舒张压数据分别与其进行相关性分析，结果见图7。两种方法测量的收缩压相关系数为0.841，标准差为6.78 mmHg；舒张压相关系数为0.809，标准差为4.91 mmHg。实验结果说明,基于手指压力示波法的无袖套血压测量系统与基于示波法的电子血压计有着较高的相关性。

图7相关性分析

Fig.7Correlation analysis

5 结束语

本研究设计了一种基于手指压力示波法的无袖套血压测量系统。同时采集手指端动脉受压后的光电容积脉搏波波形信号以及施加的压力信号，采用双高斯拟合算法对两组信号进行曲线拟合，建立了计算血压的模型公式，实现了无袖套血压测量。以袖带式结果为参考值，本测量系统的收缩压相关系数为0.841，标准差为6.78 mmHg；舒张压相关系数为0.809，标准差为4.91 mmHg。虽然与传统袖套式电子血压计相比存在一定误差，但为无袖套血压测量系统提供了一种新思路，也为血压测量装置的小型化、移动医疗以及全民健康服务提供了一种新方法。