脈搏波信號(hào)的血壓提取算法研究

趙德康，張永建，路開放

（河北工程大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

隨著社會(huì)發(fā)展，人口老齡化加重，心血管健康成了人們?cè)絹碓阶⒅氐膯栴}，血壓值的高低一直是診斷心血管疾病的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)[1]，但是在檢測(cè)血壓值得過程中，人們存在著很多問題，如可測(cè)量血壓地點(diǎn)距離遠(yuǎn)、測(cè)量血壓程序復(fù)雜[2?3]、測(cè)量結(jié)果誤差大等問題[4]。對(duì)此，本研究提出一種新的多特征參數(shù)的血壓提取方法，利用生物電采集技術(shù)，在人體手腕部位同步采集心電信號(hào)（Electrocardiograph，ECG）和脈搏信號(hào)（Photoplethysmo?graph，PPG），并通過多特征參數(shù)的回歸分析，建立不同于以往單一參數(shù)模型的多特征參數(shù)的血壓計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了更準(zhǔn)確便捷的人體血壓的提取[5?7]。

1 基本原理

1.1 光電脈搏波信號(hào)概述

在心臟周期性的搏動(dòng)產(chǎn)生壓力使血液在人體的循環(huán)過程中，血管中流動(dòng)的血液也以波的形式傳遞著這種壓力，通常把這種可以反應(yīng)脈搏壓力的波就叫作脈搏波。當(dāng)用一束光源的光照射人體血管時(shí)，由于血管周期性的擴(kuò)張和收縮，透射光的強(qiáng)度呈現(xiàn)同周期性變化，即光強(qiáng)的變化可以反映血管中壓力的變化。此時(shí)把所得到的光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，就可以得到脈搏波信號(hào)[8]。

1.2 脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間理論基礎(chǔ)

由1878 年Moens?Korteweg 實(shí)驗(yàn)研究提出的流體波傳導(dǎo)速度公式可知，人的長度為L的血管中脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間計(jì)算公式為：

式中：D為血管內(nèi)徑；h為彈性血管壁厚度；E為楊氏彈性模量；ρ為流體密度。這些值在一定時(shí)間內(nèi)可以視為常量。

Hughes 等人證明了血管彈性模量E和血管跨壁壓之間有以下關(guān)系：

式中：E0是血液管壁內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到平衡時(shí)的彈性模量；∝為一個(gè)系數(shù)，表征了血液管壁特征；BP 為血壓值。結(jié)合式（1）和式（2），則有：

對(duì)式（3）兩邊同時(shí)求導(dǎo)可得：

可見，血壓與PWTT（Pulse Wave Translation Time）的關(guān)系在一定范圍為線性關(guān)系，那么在得到脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間后，便可計(jì)算動(dòng)脈血壓值[9?10]。本研究通過心電波峰值點(diǎn)和脈搏波峰值點(diǎn)時(shí)間差來計(jì)算PWTT。

1.3 年齡與血壓關(guān)系

隨著年齡的增長，人體的多個(gè)器官都會(huì)衰退，血管壁也會(huì)變得越來越脆弱，血管就容易出現(xiàn)異常，從而引起血液的不流通，最后容易引起血壓變化。青年人，血管彈性好，當(dāng)血管收縮時(shí)血管的總阻力增高時(shí)，血壓隨之升高，所以年輕人血壓以舒張壓高為主[11]。中年人和年輕人相比，缺乏運(yùn)動(dòng)，和老年人相比，工作應(yīng)酬多，生活壓力大，容易導(dǎo)致神經(jīng)和體液水平變化，中年人容易表現(xiàn)舒張壓增高，其原因和血管內(nèi)功能紊亂有關(guān)。老年人動(dòng)脈硬化明顯，血管彈性差，多有心臟射血增加，因此就表現(xiàn)為收縮壓高，而舒張壓較低的現(xiàn)狀[12?13]。

2 算法實(shí)現(xiàn)

2.1 算法概述

為了實(shí)現(xiàn)人體血壓提取，本文算法首先對(duì)硬件系統(tǒng)采集到的心電波和脈搏波原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用巴特沃斯來消除信號(hào)中夾雜的噪聲并獲取信號(hào)的特征參數(shù)。之后通過獲取的特征參數(shù)來計(jì)算脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，并運(yùn)用回歸分析法分別建立收縮壓和舒張壓與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和年齡的數(shù)學(xué)模型，最終通過模型計(jì)算提取血壓，其流程如圖1 所示。

圖1 算法流程

2.2 實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集

本實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集設(shè)備主要由1 顆YK1801 脈搏傳感器芯片和1 顆MN8802 脈搏芯片組成，脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記的方式感應(yīng)人體的心電和脈搏信息，通過模擬前端芯片MN8802 向電腦輸出波形信號(hào)。

2.3 信號(hào)預(yù)處理以及特征點(diǎn)提取

噪聲和干擾會(huì)影響特征信息的提取，通過傳感器獲取的原始信號(hào)會(huì)夾雜著毛刺和基線漂移等噪聲，在對(duì)脈搏波信號(hào)進(jìn)行特征點(diǎn)提取以前，需要對(duì)它們進(jìn)行預(yù)處理。因?yàn)檠獕翰杉O(shè)備中微處理器的計(jì)算能力有限，所以選用巴特沃斯濾波法，設(shè)置通帶截止頻率參數(shù)Wp1與Wp2 為0.5 Hz 和30 Hz，阻帶截止頻率參數(shù)Wc1 與Wc2 為0.1 Hz 和40 Hz，來對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪處理。圖2 為脈搏波原始信號(hào)與利用巴特沃斯去噪后信號(hào)的對(duì)比圖。圖3 為心電原始信號(hào)與利用巴特沃斯去噪后信號(hào)的對(duì)比圖?？梢娀诎吞匚炙沟娜ピ腩A(yù)處理方法有效地去除了信號(hào)的基線漂移和噪聲毛刺，獲得了較好的信號(hào)，為后面脈搏波信號(hào)的特征點(diǎn)提取奠定基礎(chǔ)。

圖2 原始脈搏信號(hào)與去除噪聲后信號(hào)對(duì)比圖

基于脈搏波的血壓提取算法中，需要提取心電信號(hào)和脈搏信號(hào)的主波峰值點(diǎn)作為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的計(jì)算依據(jù)。在運(yùn)用Matlab 軟件的峰值獲取函數(shù)findpeaks 提取特征值時(shí)，經(jīng)常會(huì)提取到大量不需要的干擾點(diǎn)。所以采取增加時(shí)間閾值的方法，以0.65 倍的信號(hào)周期為時(shí)間閾值，若在時(shí)間閾值內(nèi)只有一個(gè)極大值，則認(rèn)為這個(gè)點(diǎn)為信號(hào)波峰值點(diǎn)，若時(shí)間閾值內(nèi)有多個(gè)極大值，則認(rèn)為幅值最大的點(diǎn)為信號(hào)峰值點(diǎn)，以此類推找出所有峰值點(diǎn)。

圖3 原始心電信號(hào)與去除噪聲后信號(hào)對(duì)比圖

2.4 血壓提取

人體存在正常的衰老過程，隨著年齡增長，人體的各項(xiàng)生理機(jī)能也在退化，當(dāng)動(dòng)脈血管硬化時(shí)，血管的管壁會(huì)變厚，管腔會(huì)變小，彈性變小，血液流動(dòng)阻力變大，血壓升高，那么人的年齡就會(huì)對(duì)人體血壓測(cè)量造成影響。在采集分析數(shù)據(jù)時(shí)也發(fā)現(xiàn)不同年齡段的尤其是老年和青少年的脈搏波和血壓的關(guān)系有所不同，所以在此提出一種以年齡和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間為參數(shù)的血壓測(cè)量模型。

本文選取20 名不同年齡的測(cè)試者，通過兩組實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行同步采集數(shù)據(jù)，左臂用生物電采集技術(shù)儀器采集測(cè)試者的心電和脈搏數(shù)據(jù)，右臂同時(shí)用醫(yī)用水銀血壓儀采集測(cè)試者的收縮壓和舒張壓數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)測(cè)試者的年齡信息。最后得到每一位測(cè)試者的血壓和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間以及年齡的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

以計(jì)算得到的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和年齡為自變量，以醫(yī)用水銀血壓計(jì)同步測(cè)得的血壓值作為因變量，對(duì)收縮壓進(jìn)行線性回歸分析并對(duì)舒張壓進(jìn)行二次多形式回歸得到回歸系數(shù)和常數(shù)項(xiàng)，得出血壓計(jì)算模型如下：

式中：SBP 為收縮壓；DBP 為舒張壓；AGE 表示年齡；PWTT 代表脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間。

表1 20 名志愿者測(cè)試數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

下面根據(jù)建立模型進(jìn)行血壓準(zhǔn)確性測(cè)試，選取不同年齡段的10 位志愿者，利用本設(shè)備采集人體血壓值與利用魚躍（YUYUE）牌醫(yī)用水銀血壓計(jì)測(cè)量的血壓值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算其誤差。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示，同時(shí)在手臂處采用魚躍臂式電子血壓儀（YE680B）測(cè)量血壓進(jìn)行參照對(duì)比。其中魚躍（YUYUE）牌醫(yī)用電子血壓計(jì)的測(cè)量數(shù)值具體參數(shù)為：測(cè)量血壓精度誤差小于5 mmHg，測(cè)量范圍為0～280 mmHg（0～37.3 kPa），實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

經(jīng)計(jì)算可知，通過模型計(jì)算所得收縮壓平均絕對(duì)誤差為3.0 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62 mmHg；舒張壓平均絕對(duì)誤差為4.5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.87 mmHg。可知，由模型計(jì)算出的收縮壓和舒張壓都達(dá)到了AAMI 美國醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)[14]（平均偏差不大于5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于8 mmHg）。

表2 模型計(jì)算血壓與醫(yī)用水銀血壓儀測(cè)量血壓對(duì)比數(shù)據(jù) mmHg

表3 電子血壓儀與醫(yī)用水銀血壓儀測(cè)量血壓對(duì)比數(shù)據(jù) mmHg

經(jīng)計(jì)算可得，電子血壓儀測(cè)得的收縮壓平均絕對(duì)誤差為3.80 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.71 mmHg；舒張壓平均絕對(duì)誤差為5.06 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.66 mmHg。經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算所得收縮壓平均絕對(duì)誤差為3.0 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為3.62 mmHg；舒張壓平均絕對(duì)誤差為4.5 mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差為4.87 mmHg。比較可知，由本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算出的收縮壓和舒張壓準(zhǔn)確性相比傳統(tǒng)袖帶式電子血壓儀準(zhǔn)確性都有所提高。

4 結(jié) 語

本文對(duì)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究，提出一種基于心電和脈搏波信號(hào)并以年齡和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間為參數(shù)的多參數(shù)血壓檢測(cè)方法。根據(jù)脈搏波噪聲特性，提出巴特沃斯去噪方法對(duì)心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)進(jìn)行去噪處理并提取特征值，然后通過回歸分析得到血壓模型并計(jì)算提取血壓。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文方法誤差在國際醫(yī)療設(shè)備要求范圍內(nèi)，且適用于低功耗的可穿戴式設(shè)備，為家庭穿戴式人體血壓檢測(cè)提供了有效的實(shí)施路徑。