基于脉搏生物电信息的眼压非接触测量技术研究∗

2021-11-13康爱国

电子器件 2021年5期

李广，康爱国

(太原理工大学物理与光电工程学院，山西晋中 030600)

眼压是诊断眼病和心血管疾病的重要参数，传统接触式眼压测量容易引起交叉感染和角膜意外损伤等问题。近年来非接触式眼压测量已经成为该领域研究的热点。目前，日本佳能公司研制了TX－20眼压计[1]，芬兰爱科公司研制了iCare HOME 手持式回弹眼压计[2]，以及国内研制了索维SW－500 眼压计[3]。这些设备在测量时虽不需要眼部麻醉，也不需要接触眼球，但需要放到眼部位置，手动控制，不能连续测量，并且误差都在3 mmHg 以上。为了克服这些缺点，本文利用脉搏生物电信息可间接检测人体生理指标并且应用于智能化医疗设备的特点[4－5]，建立基于脉搏信息的眼压模型，提出了借助脉搏信息间接测量眼压的方法。由于脉搏信息众多，计算方法不同，所建眼压模型不同，给眼压的准确测量带来困难。因此，找到合适的脉搏信息眼压模型对设计精确的眼压测量系统具有重要意义。

1 眼压测量原理及测量系统设计

1.1 眼压测量原理

人体的眼压、血压和脉搏有密切关系，如果人体血管壁和眼球壁的弹性维持不变，则脉搏传输时间PTT 和血压成正比[6－7]。大量临床试验证明，人体眼压和血压在正常范围内成线性关系[8－9]，由此可知人体眼压和脉搏传输时间PTT 也具有线性关系。本文借鉴参考文献[6]中脉搏与血压的关系，结合医学中血压与眼压的关系，得到脉搏信息与眼压的关系，为得出详细的数量关系，本文借鉴文献[6]中脉搏信息与血压的建模方法，通过自取数据，得到了脉搏信息与眼压的模型关系。通过测量脉搏传输时间，可计算出眼压。原理如式(1)所示:

式中:IOP 为眼压，单位mmHg；PTT 为脉搏传输时间，单位为秒。m和n为常数，无量纲。理论上，通过测量同一时刻人体脉搏传输时间和实际眼压值，代入式(1)可计算出m和n，得到基于脉搏传输时间的眼压模型。此外，其他脉搏信息也是眼压的重要影响因素[9]，本文在此基础上建立了基于多脉搏信息的眼压模型。

1.2 脉搏信息测量原理

脉搏信息包括脉搏波传输时间PTT、每搏输出量Z、降中峡相对高度(h1/h)、重搏波相对高度(h2/h)、脉搏波波形特征量K、脉率R、收缩期波形面积k1、舒张期波形面积k2、特征比例k1/k2，需要根据脉搏波形的特征点和各个参数计算获得[10]。利用自行研制的眼压测量系统测得的人体脉搏波形如图1所示，其中b为脉搏波的起点；c为主波波峰；d为重搏前波波峰；e是左心室舒张期起点；f为重搏波起点；g是重搏波最高压力点；h、h1、h2分别为主波波峰高度、降中峡高度、重搏波高度。

图1 人体脉搏波形

各个脉搏信息的计算方法:

(1)脉搏传输时间PTT 包括PTTECG和PTTPCG两种[11－12]。PTTECG是心电信号(ECG)L 波的峰值点到相应周期脉搏特征点的时间。PTTPCG是心音信号(PCG)S1的峰值点到相应周期脉搏特征点的时间。脉搏特征点的选取方法包括主波上升沿斜率最大的点P1，主波中值点P2和主波波峰最大值点P3。大量研究结果表明以中值点P2作为脉搏波特征点计算得到的脉搏波传输时间PTT 标准差最小，结果最稳定[13]。PTT 计算原理如图2 所示，

图2 PTT 计算原理图

(2)每搏输出量Z表示心脏每次搏动的射血量，通过影响收缩压进而影响眼压。计算方法如式(2)所示，

式中:h是脉搏主波波峰高度，单位为mmHg。t1为收缩期时间，T为脉搏周期，单位为秒。

③脉搏波形特征量K表示动脉血管的弹性、外周阻力和血液的粘稠度[14]，与眼压的高低有密切关系。K值的计算方法如式(3)所示，

式中:平均动脉压

式(3)中Ps和Pd分别为收缩压和舒张压，单位为mmHg，可直接由脉搏波形纵坐标读出。

式(4)中P(t)表示脉搏关于t的函数。

④收缩期波形面积k1，舒张期波形面积k2和特征比例k1/k2的计算公式如下所示，

式中:收缩期平均动脉压

式中:t1为收缩期时间，单位为秒。

舒张期平均动脉压

式中:t2为舒张期时间，单位为秒。

⑤脉率可以衡量人体外围状况对眼压的影响，脉率小时眼压低，脉率大时眼压高。其计算方法如式(10)所示。

1.3 眼压测量系统设计

测量系统由下位机(图3)与上位机软件(图4)构成[15]。眼压测量系统工作流程:利用脉搏、心电和心音传感器采集到的脉搏、心电和心音信号进行放大、滤波、模数转换，再由蓝牙传输至上位机显示波形，利用写入上位机里的脉搏信息计算公式和眼压模型公式在上位机里处理并显示脉搏信息和眼压。

图3 系统实物图

图4 上位机界面

2 眼压模型建立

由眼压测量系统测得测试对象的脉搏信息，由Goldmann 压平式眼压计测得实际眼压IOPt，对这两组信息建模。Goldmann 压平眼压计是是当前国内外公认为“金标准”的测量眼压的仪器。

2.1 PTTECG眼压模型的建立

选择40 名测试者，男女各一半，年龄在20 岁到40 岁之间，其中有10 名血压偏高，10 名血压偏低。分别在一天内5、7、10、14、18 时从这40 名测试者中不放回的随机抽取测试者16 名，测量测试者同一时刻下的实际眼压IOPt和脉搏信息。脉搏传输时间以心电信号为参考计算，用眼压测量系统测得PTTECG，对PTTECG和IOPt进行数据拟合，得到PTTECG眼压模型。以脉搏传输时间PTTECG和实测眼压IOPt为横、纵坐标进行数据拟合，拟合结果如图5所示。

图5 PTTECG和IOPt 的拟合曲线

拟合得到的模型如式(11)所示，

拟合相关系数R1＝0.893 3，说明拟合度较高。

2.2 PTTPCG眼压模型的建立

测试对象与条件同2.1 节PTTECG眼压模型建立的情况，脉搏传输时间以心音信号为参考计算，用眼压测量系统测得PTTPCG，用Goldmann 眼压计测量相同时刻下的实际眼压IOPt。对PTTr和IOPt进行数据拟合，得到PTTPCG眼压模型。以脉搏传输时间PTTPCG和实测眼压IOPt为横、纵坐标进行数据拟合，拟合结果如图6 所示。

图6 PTTPCG和IOPt 的拟合曲线

拟合得到的模型如式(12)所示，

拟合相关系数R2＝0.996 2，说明曲线拟合度很高。比较R1与R2，发现PTTPCG眼压模型的拟合程度大于PTTECG眼压模型拟合程度。说明以心电信号为参考计脉搏传输时间对眼压的影响更密切。

2.3 多脉博信息眼压模型的建立

测试对象与条件同2.1 节PTTECG眼压模型建立的情况，脉搏传输时间以心音信号为参考计算，利用眼压测量系统测得多脉搏波信息，用Goldmann 眼压计测量相同时刻下的实际眼压IOPt，对多脉搏波信息和IOPt进行多元回归分析，得到多脉搏信息眼压模型。

建立多脉搏信息眼压模型，要在测得的众多脉搏信息中提取出与眼压相关性强的脉搏信息。本文通过皮尔森相关系数计算脉搏信息与眼压的相关性[16]。皮尔森相关系数r的公式如(13)所示

式中:

r表示x和y之间的相关系数，取值范围为[－1，1]，对相关系数取绝对值，越接近1 相关性越好。通常，0.4≤｜r｜<0.7 为显著相关；0.7≤｜r｜<1 为高度相关。以每名测试者的眼压IOPt为y，脉搏波传导时间PTTPCG、每搏输出量Z、降中峡相对高度(h/H)、重搏波相对高度(g/H)、脉搏波波形特征量K、脉率R、收缩期波形面积k1、舒张期波形面积k2、特征比例k1/k2为x，代入式(13)，得到IOPt和各脉搏波信息的相关系数。由计算结果表明与IOP 具有强相关性的脉搏波信息是脉搏波传输时间PTTPCG、每搏输出量Z、脉搏波波形特征量K和脉率R，其中K无量纲。相关系数分别为0.901、0.806、0.881、0.84。测得多脉搏信息和IOPt如表1 所示。

表1 多脉搏信息与实际眼压值(IOPt)

根据多脉博电信息与眼压的相关特性，建立多脉博信息的眼压模型。多元线性回归模型选取由皮尔森相关系数计算的相关性较强的脉搏信息与眼压作为自变量和因变量，表达式如式(15)所示，

式中:Y是因变量，X1，X2，…XK为自变量，A为常数项，B1，B2…BK为回归方程系数。以Y表示IOPt，X1，X2，…XK表示多脉搏波信息。将每组IOPt和脉搏信息分别代入式(15)，计算A，B1，B2…BK，得出基于多脉搏信息的眼压模型为

3 模型有效性及测量准确性实验验证

为了验证所得眼压模型的有效性，并得到测量准确性最高的眼压模型，分别将PTTECG眼压模型、PTTPCG眼压模型和多脉搏信息眼压模型这三种眼压模型输入到上位机。利用测量系统重新测得上述40 名测试者的眼压IOP1、IOP2、IOP3和脉搏生物电信息。利用Goldmann 眼压计测量同一时刻的实际眼压IOPt。得到的数据如表2 所示。

表2 脉搏传输时间、测量眼压和实际眼压

比较IOP1和IOP2，说明以心音信号为参考计算脉搏传输时间更准确。比较IOP2和IOP3说明多脉搏信息模型系统测量的眼压更加准确。分别用IOP1、IOP2、IOP3与IOPt求差取平均值，得到误差分析表如表3 所示。

表3 测量眼压与实际眼压的平均误差

由表3 可知三种眼压模型的平均测量误差都在误差允许的范围内，证明了利用三种模型测量眼压的正确性。PTTECG眼压模型和PTTPCG眼压模型测得眼压的平均误差分别为3.2 mmHg 和2.2 mmHg，说明以心音信号为参考计算脉搏传输时间能够更准确地计算眼压。由多脉搏波信息眼压模型测得的眼压平均误差为1.3 mmHg，相对于PTTPCG眼压模型的眼压测量准确性提高了41%。说明多脉搏信息眼压模型是三种眼压模型中测量眼压最准确的模型。综合分析，三种模型产生误差原因是测试者在饮水、按压眼球情况下会使眼压短时内改变，脉搏并不会随之改变引起的，在误差范围内；PTTPCG眼压模型比PTTECG眼压模型误差小，是因为PTTECG包括射血前期时间和PTTPCG两部分，射血前期的时间是心脏放电到射血的时间，即心电信号L 波峰值点到心音信号S1的峰值点的时间。L 波峰值点是心脏开始放电的时刻，不是心脏收缩泵血的时刻，在射血前期脉搏没有开始传输；单脉搏信息模型误差比多脉搏信息模型大，这就证明了建立眼压模型要将脉搏信息考虑全面。