一种新型动脉硬化检测装置的研制

窦可建 ，叶继伦, ，张旭, ，罗珺涵

1 深圳大学 生物医学工程学院，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

3 深圳市生物医学重点实验室，深圳市，518060

0 引言

2019年3月，《中国心血管病报告2018》指出中国现有患心血管疾病的人数达2.9亿之多。心血管病死亡率仍居首位，高于肿瘤和其他疾病，所有病因致死中，心血管疾病死亡率在农村占45.50%，在城市占43.16%。我国心血管疾病危险因素流行趋势明显，今后心血管疾病人数还会增加，心血管疾病已经成为我国甚至全世界威胁人类健康的主要疾病[1]。心血管疾病的一个主要致病因素是血管壁硬化，它的早期症状是动脉血管弹性下降[2]。其中血管壁的僵硬程度和动脉腔径的大小是决定动脉血管弹性的两大主要因素，一旦人体动脉血管弹性下降，就可能出现动脉硬化。治疗动脉硬化最好的方式就是及早的发现和及时的治疗，所以测量动脉硬化出现了很多方式，有创的方式有血管造影法和血管内超声等，无创的方式有CT扫描、彩色多普勒和磁共振成像等。利用测量脉搏波传导速度来预测人体动脉硬化方法，例如测量踝-臂脉搏波传导速度、颈-股脉搏波传导速度等[3]。

国内的动脉硬化测量研究起步较晚，研发的设备也比较少，而且检测方法与测量原理基本一样。目前，动脉硬化测量已被国外公司所垄断，其设备价格昂贵且测量费用较高。因此我们急需研制一种新型测量动脉硬化的设备，打破国外企业的垄断，现就一种新型测量动脉硬化的方式进行如下介绍。

1 脉搏波传导速度检测原理与方案设计

1.1 脉搏波传导速度检测原理

脉搏波是心脏搏动沿着动脉血管和血液向外传播形成的，主要与血管的顺应性有关。测量压力波动在人体动脉系统中给定距离的两侧脉搏波计算时间后可以计算出脉搏波的传导速度，影响脉搏波传导速度的主要因素有动脉血管的弹性和血管壁厚度等[4]。年龄的增加及一些致病因素如高血压、高血脂、肥胖等，会使人体的动脉僵硬程度增加，弹性变小，这样导致脉搏波在动脉中传导速度变快，这就是通过测量脉搏波传导速度来评价人体动脉硬化程度的基本原理。

1.2 系统整体设计方案

了解对比动脉硬化仪器得出，我们需要一种方式简单、测量方便、体积较小的系统装置，便于分析评价患者动脉硬化程度[5]。鉴于现有仪器中张力法的操作不便，且示波法无法连续采集脉搏波信号，我们提出了一种新型的采集脉搏波的方法。本研究使用四路血氧探头来采集人体的脉搏波，四路探头分别置于人体的左右手指和脚趾。另外再加一路心电测量，用来判断采集的四路脉搏波是否处在同一心动周期中。这种脉搏波采集方法克服了不是实时不间断的问题，这样系统就可以准确并且连续检测脉搏波在受试者体中的传导速度，借此判断受试者是否患有外周动脉硬化。另外本研究在系统中加入了四路血压的同步采集，四路血压采集分别置于人体左右肱动脉和踝动脉。本研究用采集到的踝血压值比上臂血压值，计算得到踝臂指数。根据踝臂指数可以分析得出受试者下肢动脉狭窄与阻塞的基本情况，从而判断出受试者是否具有粥样动脉硬化。结合本系统的参数可以对人体动脉硬化情况进行全面详细的了解，系统平台整体架构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 心电与脉搏波模块

图1 系统平台整体架构Fig.1 System platform overall architecture

心电与脉搏波模块主要以STM32F101RCT6单片机为控制核心，通过发光管驱动电路实现血氧探头[6]，然后夹在受试者的手指和脚趾来采集人体脉搏波信号。同时利用CD4052双四选一数字控制模拟开关实现四路脉搏波的控制，采集完成后对脉搏波信号进行滤波、放大、24位的A/D转换的预处理。之后计算出血氧饱和度，并实时显示脉搏波的波形与血氧饱和度的值[7]。心电部分由放置在人体四肢的电极夹采集到心电信号，之后经过24位A/D转换，将预处理的信号送至单片机进行后续处理。心电与脉搏波模块系统架构如图2所示。

图2 心电与脉搏波模块系统架构图Fig.2 Architecture of ECG and pulse wave module system

2.2 串口扩展模块

由于主控板需要4路血压、1路心电、4路血氧信号，并且需要解包识别上传到上位机，还需接受来自上位机的部分指令。为此我们选择一块工作频率较高的单片机，本系统选用STM32F427VGT6，它的主频在180 MHz，满足上述要求。此款单片机只有4个串口，为此我们需要在单片机上增加串口扩展功能。

我们选用的串口扩展芯片是WK2124。它是SPI接口的4通道UART器件，其中每个通道的子串口都可以独立设置，每个子串口都有独立的256级发送FIFO和接收FIFO，可以满足系统要求，WK2124原理框架如图3所示。

图3 WK2124原理框架Fig.3 WK2124 schematic block diagram

在单片机外部中断中查询WK2124寄存器信息，判断中断的类型和来源的子串口，判断无错误后，单片机读取、接收计数寄存器，得到接收的先入先出缓存里的数据长度，最后将数据全部取出，退出外部中断进程。中断处理如图4所示。

图4 中断处理Fig.4 Interruption processing

3 系统的界面

系统软件是利用Visual Studio中的C++语言编写，系统平台可以实现5通道波形及12个参数的实时同步显示与存储，系统软件还提供了导联脱落报警功能。左边波形依次为一路心电和四路脉搏波波形[8]。右边参数分别为四路血氧值和四路血压值。系统界面如图5所示。

4 算法设计

4.1 脉搏波预处理

脉搏波信号是一种十分微弱的信号，非常容易受外界干扰，主要表现为：信号弱、频率低，易受环境光和暗电流影响，以及工频干扰。因此我们需要对信号进行去除噪声和减少基线漂移，处理后的信号进行特征识别和参数计算。

图5 系统界面图Fig.5 System interface diagram

对于脉搏波信号噪声的去除，我们选用滑动平均滤波，也称递推平均滤波法。它是有限长度冲击响应滤波器，对任一点的前、后一点与其本身做算术平均，结果作为该点值。它的优点是对周期性干扰有较好的抑制效果，平滑度高，采用滑动平均滤波处理的脉搏波波形前后对比如图6所示。

图6 脉搏波去燥对比图Fig.6 Contrast chart of pulse wave dedrying

在去除脉搏波信号噪声后，脉搏波信号还会因为采集时人体的呼吸运动或者皮肤接触传感器发生相对运动而产生超低频信号，其结果就是信号发生了基线漂移。为此我们需要去除信号的基线漂移，本研究采用三次样条插值法去除基线漂移。方法是以给定信号的起始点为定点，利用给定点数值以三次样条插值出基线。然后用采样点上的值减去对应时间点上的基线值，得到消除基线漂移的信号，如图7所示。

4.2 计算脉搏波传导速度

脉搏波的传导速度是计算人体测量点之间的距离和延迟时间的商。人体测量点之间的距离用常规方式，皮卷尺测量。关键是选取脉搏波的合适参考点作为计算脉搏波的延迟时间，一般参考点的选择利用其特征点，有波峰点、波谷点、切线的拐点等。波峰点是波形的最大值，特征明显，不易受外因影响，易于定位。为此我们将脉搏波的波峰点作为波形的参考点，波峰点标记各个脉搏波如图8所示，由图8可知波峰点可以满足要求。

图7 脉搏波去除基线漂移对比图Fig.7 Removal of baseline drift by pulse wave

图8 波峰点标记各个脉搏波Fig.8 Peak points mark pulse waves

5 参数验证

随着人体年龄的增长，人的动脉弹性功能可能随之下降[9]。本研究选择10名20～30岁年轻健康人群和10名50～60岁年龄较大但是无心脑血管疾病人群接受测试实验，然后使用欧姆龙仪器测试做对比验证分析。

由于两组受试者的年纪相差较大，脉搏波传导速度大小差异明显，所以动脉弹性的差异也较为明显。表1、表2为本系统对比欧姆龙仪器的测试结果。

计算得出老年组脉搏波传导速度相比于年轻组平均增加13.2%，增幅比较明显，且P值小于0.01，说明两组人群的脉搏波传导速度存在极显著性差异。该实验结果证明了本系统脉搏波传导速度对人体动脉硬化有较强的敏感性[10]。

表1 20～30岁年轻组的脉搏波传导速度(cm/s)Tab.1 PWV in 20～30 years old younger group

表2 50～60岁老年组的脉搏波传导速度(cm/s)Tab.2 PWV in 50～60 years old elder group

对比组使用欧姆龙仪器测得10名年轻志愿者PWV平均值为1 129.41 cm/s，使用本系统测量出的平均值为1 170.15 cm/s，二者误差为40.74 cm/s，相对误差为3.6%；欧姆龙仪器测量的老年组志愿者PWV平均值为1 297.57 cm/s，本系统测得的平均值为1 325.58 cm/s，二者误差为28.01 cm/s，相对误差为2.1%。相对误差均小于5%，满足要求。

本系统实现了对人群动脉硬化的初步检测，在动脉硬化测量上，经过计算，有较强的敏感性，可以作为测量动脉硬化的一种手段。在准确性上通过与市面上欧姆龙仪器做对比分析，两种设备的相对误差在5%以内，完全符合预期要求。本系统为人们提供了一种新型的便携式动脉硬化检测平台。

6 结论

本研究基于现有无创动脉硬化测量方式，提出了一种新型的、便捷式的动脉硬化测量装置，利用一个心动周期内指-趾脉搏波的传导速度结合人体四肢血压检测参数，综合分析人体动脉硬化程度。初步实现了对动脉硬化的检测与分析，通过数据对比验证分析，可以快速诊断出动脉硬化并提出预防措施。并且该装置体积小、测量方便，有广泛的临床应用前景，为推动我国自主研发动脉硬化装置提供了参考。