基于Android平臺(tái)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

游 玲 鄭瑞杰 季 忠,2#*

1(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044)2(重慶市醫(yī)療電子工程技術(shù)中心，重慶 400044)

基于Android平臺(tái)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

游 玲1鄭瑞杰1季 忠1,2#*

1(重慶大學(xué)生物工程學(xué)院，重慶 400044)2(重慶市醫(yī)療電子工程技術(shù)中心，重慶 400044)

血壓是反映心臟和血管功能狀況的重要參數(shù)，無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確的血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)便攜式系統(tǒng)能提高血壓監(jiān)測(cè)的舒適性與便捷性，從而有助于心血管疾病的預(yù)防和診斷。根據(jù)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)一套基于Android平臺(tái)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由前端信號(hào)采集系統(tǒng)和手機(jī)端App構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)心電、脈搏信號(hào)的同步采集。用手機(jī)端App實(shí)時(shí)繪制兩路波形，計(jì)算出脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間PWTT和脈搏波波形特征量K，建立血壓回歸模型,計(jì)算血壓值，并對(duì)血壓的變化進(jìn)行圖表分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的血壓絕對(duì)誤差均小于8 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)誤差小于5 mmHg，App界面簡(jiǎn)單易操作，用戶通過(guò)隨身攜帶的手機(jī)就能隨時(shí)查看自己身體健康狀況變化，達(dá)到預(yù)防高血壓疾病和及時(shí)問醫(yī)的目的。

Android；脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間；無(wú)創(chuàng)血壓；血壓分析

引言

血壓是反映人體心臟和血管的功能狀況的重要參數(shù)，會(huì)隨時(shí)間、生理狀態(tài)的不同而波動(dòng)[1]。受醫(yī)院、診室測(cè)量時(shí)間和地點(diǎn)的影響，血壓變異癥患者晝夜間的血壓存在較大波動(dòng)，容易錯(cuò)過(guò)隱匿性高血壓和誘發(fā)“白大褂”高血壓的診斷[2]。高血壓屬于慢性病[3]，診斷治療本身是一個(gè)緩慢、長(zhǎng)期的過(guò)程，需在家調(diào)理、服藥并長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。而間歇式血壓只能得到某一時(shí)刻的血壓值，無(wú)法為血壓的診斷、預(yù)防提供連續(xù)的數(shù)據(jù)，這就需要便攜、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的連續(xù)血壓無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

現(xiàn)有的人體連續(xù)血壓測(cè)量方法可分為有創(chuàng)測(cè)量法和無(wú)創(chuàng)測(cè)量法。動(dòng)脈插管法被認(rèn)為是一種有創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)的“金標(biāo)準(zhǔn)”[4]，它將連接壓力傳感器的導(dǎo)管插入大動(dòng)脈或者心臟來(lái)監(jiān)測(cè)血壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)地測(cè)量血壓，但該方法局限性大[5]。無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)方法包括動(dòng)脈張力法、容積補(bǔ)償法和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間測(cè)量法等[6]。其中脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間法測(cè)量方便、舒適度高、效果理想。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間測(cè)量法做了大量的研究[7]，目的在于提高測(cè)量精度，以求能夠應(yīng)用于臨床。

同時(shí)，隨著智能手機(jī)的更新?lián)Q代，處理性能也越來(lái)越強(qiáng)，這為低成本的移動(dòng)血壓監(jiān)測(cè)提供了支持[8]。安卓手機(jī)在智能手機(jī)市場(chǎng)中占據(jù)較高的份額[9]，且Android是完全免費(fèi)開放的移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)，這就為連續(xù)血壓測(cè)量提供了有力的平臺(tái)支持[10]。

筆者根據(jù)前面所述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建了基于Android平臺(tái)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了心電(electrocardiogram，ECG)和脈搏(pulse wave，PW)信號(hào)的同步采集，計(jì)算得到脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(pulse wave transit time，PWTT)和脈搏波波形特征量K，并建立了包含個(gè)體差異性的無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)血壓的連續(xù)無(wú)創(chuàng)測(cè)量。

1 方法

1.1 血壓計(jì)算模型

隨著動(dòng)脈內(nèi)壓力的增加，脈搏波沿動(dòng)脈傳播的速率也變大，因此可根據(jù)脈搏波速度(pulse wave velocity，PWV)的變化推知?jiǎng)用}內(nèi)壓力的變化[11]。若已知體表兩點(diǎn)間的距離，即可利用脈搏波在動(dòng)脈中兩點(diǎn)間傳導(dǎo)時(shí)間PWTT求出PWV，根據(jù)建立的血壓模型就可以由 PWTT得出血壓值。目前，已有大量研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)血壓的變化與PWTT的變化具有良好的相關(guān)性[12]。另外，血壓還受血管阻力、血管壁彈性和血液黏性等的影響，會(huì)導(dǎo)致脈搏波波形圖的特征和面積發(fā)生相應(yīng)變化[13]，這可以通過(guò)脈搏波波形特征量K來(lái)反映。因此,本研究以心電 R 波為起點(diǎn)、脈搏波峰為終點(diǎn)計(jì)算PWTT[14]，結(jié)合脈搏波波形特征量K，建立無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)的回歸模型。

如圖1 所示，首先定位心電、脈搏信號(hào)的波峰點(diǎn)，計(jì)算出兩路信號(hào)相鄰特征點(diǎn)之間的點(diǎn)數(shù)，結(jié)合采樣頻率可得到傳導(dǎo)時(shí)間的表達(dá)式，有

(1)

式中，Ni為心電、脈搏信號(hào)相鄰特征值點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)數(shù)，f為采樣頻率。

圖1 ECG 和PW信號(hào)測(cè)量 PWTTFig.1 PWTT measurement from ECG and PW signals

K值與脈搏波波形關(guān)系模型[15]如圖2所示。

圖2 提取脈搏波波形特征量KFig.2 Picking the characteristic value K of pulse

K值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，大小只與脈搏波形狀有關(guān)[16]，相當(dāng)于脈搏壓力脈動(dòng)分量均值(pm-pd)與脈動(dòng)分量最大值(ps-pd)比值，與舒張壓pd和收縮壓ps的絕對(duì)值無(wú)關(guān)，其計(jì)算方式為

(2)

(3)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用袖帶式血壓計(jì)測(cè)量得到大量受試者的血壓值，對(duì)應(yīng)通過(guò)研究所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)測(cè)量得到受試者的PWTT和K值，再將二者與血壓進(jìn)行相關(guān)性分析得到相關(guān)性函數(shù)，利用最小二乘法確定權(quán)重系數(shù)和校正系數(shù)初始值。收縮壓和舒張壓的計(jì)算模型表達(dá)式為

(4)

(5)

式中，A1、B1是收縮壓的權(quán)重系數(shù)，A2、B2是舒張壓的權(quán)重系數(shù)，C1、C2分別是與被監(jiān)測(cè)對(duì)象個(gè)體化差異相關(guān)的收縮壓和舒張壓的校正系數(shù)。

測(cè)試不同個(gè)體時(shí)，C1和C2可根據(jù)被測(cè)者手動(dòng)輸入的袖帶血壓值進(jìn)行個(gè)性化校正，提高準(zhǔn)確度。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究通過(guò)PWTT和K值建立模型計(jì)算血壓值，這就要求前端信號(hào)采集系統(tǒng)能夠同步實(shí)時(shí)采集正確的心電、脈搏信號(hào)，然后手機(jī)端根據(jù)接收信號(hào)來(lái)提取血壓所需的特征參數(shù)，并計(jì)算血壓。無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The block diagram of system

前端信號(hào)采集系統(tǒng)如圖4所示，主要由ECG傳感器和PPG傳感器、信號(hào)控制和處理模塊以及藍(lán)牙模塊等組成。采集系統(tǒng)利用兩個(gè)采樣保持器，實(shí)現(xiàn)心電和脈搏信號(hào)的同步采集。心電信號(hào)采用II導(dǎo)聯(lián)的方式獲取，脈搏信號(hào)是通過(guò)將指夾式光電脈搏傳感器夾在左手中指上獲取。人體心電信號(hào)的頻率范圍為0.05～100 Hz，有效頻率主要集中在0.05～40 Hz之間[17]；脈搏信號(hào)頻率范圍1～40 Hz，基于奈奎斯特采樣定律，結(jié)合手機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力，設(shè)定每通道采樣頻率為200 Hz。采集前端獲得兩路信號(hào)，可通過(guò)藍(lán)牙模塊(CC2540)傳輸給手機(jī)。

圖4 采集前端裝置Fig.4 Acquisition front-end device

序號(hào)S_SBPC_SBPAE_SBPSE_SBPS_DBPC_DBPAE_DBPSE_DBP123456789101112131415108109100112107102108109106112125112115111108109103971071001051091061061081211091121121081615731304473104.732.683.877065656769687370677476687269706360646463717067697273667070707513633322322104.902.651.79

手機(jī)端App的主要功能如圖5所示，由注冊(cè)/登錄、用戶信息、測(cè)量、血壓分析和健康報(bào)告5個(gè)模塊構(gòu)成。用戶在使用時(shí)，首先呈現(xiàn)的是登錄/注冊(cè)頁(yè)面，成功登錄后進(jìn)入測(cè)量界面。測(cè)量、血壓分析、健康報(bào)告和用戶信息4個(gè)模塊可以互相啟動(dòng)，以完成不同的任務(wù)。本研究的重點(diǎn)在于無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，而手機(jī)軟件端的健康報(bào)告等功能將另文闡述。

圖5 手機(jī)軟件端功能框圖Fig.5 The structure of the system phone software

為提高App的處理效率，系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)建多線程來(lái)分別處理各響應(yīng)和計(jì)算。在實(shí)時(shí)測(cè)量過(guò)程中，藍(lán)牙通信線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，根據(jù)需要選擇是否保存原始數(shù)據(jù)；繪圖線程利用Achargenine，繪制兩路波形；算法線程實(shí)現(xiàn)PWTT、K值、心率和血壓的計(jì)算，并將結(jié)果存入SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，供后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析。

由于人體血壓在不同狀態(tài)和不同時(shí)間是不斷發(fā)生變化的，能夠向用戶展示這種變化趨勢(shì)是十分有意義的，因此App端設(shè)計(jì)了血壓分析模塊，以統(tǒng)計(jì)分析收縮壓和舒張壓的變化趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)一天的血壓最大、最小值及其出現(xiàn)時(shí)間，分析血壓是否是正常的“杓型”變化[18]，并提供生活建議；分析長(zhǎng)時(shí)間的歷史血壓變化，可觀察生活調(diào)理對(duì)血壓的改善程度。

設(shè)計(jì)無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的初衷是為了家庭用戶，因此根據(jù)當(dāng)今家庭成員數(shù)量特點(diǎn)，設(shè)定系統(tǒng)可處理最多10位用戶數(shù)據(jù)。心電和脈搏信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換AD為12位，每秒產(chǎn)生400個(gè)數(shù)據(jù)(約0.31 kb)。普通測(cè)量時(shí)，被測(cè)者在靜坐狀態(tài)下只需持續(xù)測(cè)量30 s；而臨近高血壓者和高血壓患者需長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)血壓變化，所以考慮血壓波動(dòng)和手機(jī)電量因素，所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)1 h的測(cè)量。

2 結(jié)果

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性驗(yàn)證

選取3名受試者(2名女性1名男性，23～26歲)，同時(shí)使用歐姆龍HEM-6131型袖帶式血壓計(jì)和本研究所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，各測(cè)試5組數(shù)據(jù)，單位為mmHg，共15組，如表1所示。其中，S_SBP、C_SBP分別為本研究所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量得到的收縮壓和袖帶血壓計(jì)測(cè)得的參考收縮壓，AE_SBP、SE_SBP分別表示收縮壓絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差；S_DBP、C_DBP分別為本系統(tǒng)測(cè)量得到的舒張壓和袖帶血壓計(jì)測(cè)得的參考舒張壓，AE_DBP、SE_DBP分別表示舒張壓絕對(duì)誤差和標(biāo)準(zhǔn)差。

由表1可看出，由本研究所設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所得到的血壓值與歐姆龍血壓計(jì)所得到的血壓值的絕對(duì)誤差都小于8 mmHg，3位受試者在這兩種方法下所得血壓值的標(biāo)準(zhǔn)誤差都小于5 mmHg。

2.2 系統(tǒng)整體測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試完成之后，將傳感器放置到合適位置，手機(jī)端登錄App，進(jìn)入測(cè)量界面，藍(lán)牙配對(duì)連接后開始測(cè)量，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試Fig.6 System test

從圖6中可看出，系統(tǒng)能正確采集、傳輸信號(hào)，心電信號(hào)的R波和脈搏信號(hào)的波峰明顯、易識(shí)別(紅圈標(biāo)記)，便于后續(xù)處理。心率和血壓正常范圍分別為60～100/min，89～140/60～90 mmHg，圖6中的心率和收縮壓分別為60/min、100 mmHg，在正常范圍內(nèi)，用黑色字體顯示；舒張壓為59mmHg，低于正常值，但在允許波動(dòng)范圍(±5%)內(nèi)，顯示為黃色。

2.3 血壓統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖7所示為某天的血壓變化，其中標(biāo)出了8：00—21：00各時(shí)間點(diǎn)的收縮壓和舒張壓的平均值。從圖7中可看出，該用戶一天內(nèi)血壓在不斷波動(dòng)，12：00達(dá)到最小值100/63 mmHg，15：00達(dá)到一天最大值113/76 mmHg，收縮壓波動(dòng)幅度比舒張壓波動(dòng)幅度要大，但都在正常范圍內(nèi)。

圖7 血壓統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 Statistical analysis of blood pressure

3 討論和結(jié)論

筆者在無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)模型構(gòu)建方面，通過(guò)綜合考慮PWTT和脈搏波形特征參數(shù)K，克服了單一參數(shù)在監(jiān)測(cè)精度方面的不足，并針對(duì)不同受試者引入了個(gè)性化參數(shù)校正，實(shí)現(xiàn)了SBP和DBP的較高精度測(cè)量?？紤]到家用型連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)要求，本設(shè)計(jì)的前端采集系統(tǒng)尺寸較小，并與使用量最大的Android手機(jī)結(jié)合，在手機(jī)App上直觀顯示連續(xù)的血壓值，被測(cè)者平時(shí)通過(guò)手機(jī)就能了解自己的血壓變化。

筆者設(shè)計(jì)的基于Android平臺(tái)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為家用型連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)提供了一種與現(xiàn)有血壓測(cè)量方式不同的可選方案，方便人體血壓指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和評(píng)估，也可供醫(yī)生進(jìn)行病理診斷分析，達(dá)到預(yù)防疾病、及時(shí)診斷和提高生活質(zhì)量的目的。

但該系統(tǒng)還存在有待完善的地方。本研究設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)模型中的個(gè)性化參數(shù)校正需被測(cè)者手動(dòng)輸入校正，在后續(xù)研究中將嘗試自適應(yīng)校正。驗(yàn)證系統(tǒng)精度時(shí)，由于現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件及課題進(jìn)度等原因，實(shí)驗(yàn)中所用的歐姆龍血壓計(jì)自身存在±3 mm Hg誤差，后續(xù)將在臨床實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性。前端信號(hào)采集系統(tǒng)因材料、技術(shù)等限制，還不夠精小，后續(xù)要從傳感器和處理電路入手，進(jìn)一步縮小體積，以提高便攜性。

本課題設(shè)計(jì)了一套基于Android平臺(tái)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由前端信號(hào)采集系統(tǒng)與手機(jī)端App組成。前端信號(hào)采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)心電和脈搏兩路信號(hào)的同時(shí)采集、處理，并可通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行傳輸。手機(jī)端App實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的特征點(diǎn)定位，從而準(zhǔn)確地計(jì)算出PWTT和K值；同時(shí)，通過(guò)應(yīng)用大量已經(jīng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，建立了基于PWTT和K值的無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)比歐姆龍血壓計(jì)所測(cè)量的血壓值，可以看出：應(yīng)用本研究設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)血壓連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所測(cè)量的血壓值的絕對(duì)誤差均小于8mmHg，標(biāo)準(zhǔn)誤差小于5mmHg，證明了模型的可靠性。本研究所設(shè)計(jì)的App界面簡(jiǎn)單，易操作，可根據(jù)個(gè)人情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)置。讓用戶通過(guò)隨身攜帶的手機(jī)就能隨時(shí)查看自己身體健康狀況的變化，及時(shí)調(diào)整不健康的生活方式，以達(dá)到預(yù)防高血壓等疾病和及時(shí)就醫(yī)的目的。

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Non - Invasive Blood Pressure Monitoring System Based on Android Platform

You Ling1Zheng Ruijie1Ji Zhong1,2#*

1(SchoolofBiomedicalEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)2(MedicalElectronicEngineeringTechnologyCenterofChongqing,Chongqing400044,China)

Android; PWTT; noninvasive blood pressure; blood pressure analysis

10.3969/j.issn.0258-8021. 2017. 04.015

2016-11-18， 錄用日期:2017-02-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(81371713)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(106112015CDJZR235522)

R318

D

0258-8021(2017) 04-0497-05

*通信作者(Corresponding author)，E-mail: jizhong@cqu.edu.cn