脉搏波形态特征与血压相关性的研究

刘沛，庞宇，吴宝明，王普领，马勋

（1. 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400042；2. 重庆邮电大学光电工程学院，重庆 400042；3. 第三军医大学大坪医院野战外科研究所，重庆400000）

前言

随着时代的发展，人们生活水平逐渐提高，越来越多的人对健康引起重视。但是，由于价格和位置等因素的影响，在感觉不到身体不适的情况下很多人不会经常去或不会去医院检查健康，当出现症状再去医院检查时可能已由小病转成大病，因此，现如今兴起了家庭健康监护仪的研发热潮[1]。

血压是否正常是健康与否的重要判断依据之一，检查血压是临床上判断疾病和观察治疗效果的一大方式。血压是血液在动脉中流动时作用于血管壁所产生的压力[2]。血压有收缩压和舒张压两种，血压的过高或过低都对人体健康有害。高血压是当今最为常见的疾病之一，血压过高，会产生头疼、恶心、耳鸣、失眠等症状，并且会引起冠心病、心力衰竭、中风等并发症。低血压会导致血液循环缓慢，影响组织细胞氧气和营养的供应，会产生头晕头痛、食欲不振等症状，严重者会出现昏厥、听力下降、呼吸困难等症状。高血压和低血压的早期患者没有明显症状，测量血压有助于清楚自身血压情况，对诊断疾病、饮食起居、用药、保健等都有着重要的作用。

血压的测量有直接测量和间接测量两种方式。直接测量是有创连续测量血压的方式，需要进行血管穿刺。这种方法虽然检测结果相对精确，但操作繁杂、使用不方便,且易引起局部血肿、感染等并发症；间接测量通过动脉血管壁波动、血液容积变化等参数间接测得血压[3]，传统医院测量血压采用听诊法[4]或示波法[5]测量血压，技术较为成熟，但由于需要通过充气袖压迫动脉血管来进行测量，不能用于连续监测血压。现有的连续测量血压方法主要有动脉张力测定法[6]、容积补偿法[7]等技术，虽然可以连续测量，但是由于测量的设备较为复杂，不适用于便携式测量。本文基于先进医疗保健系统开发技术研究，根据光电容积描记[8]技术采集人体脉搏波，通过连续测量PPG信号，分析正常情况和运动后、吃降血压药后脉搏波波形特征参数与血压之间的关系[9,10]，为实现真正的便携式监护提供可行性。

1 脉搏波与血压相关性分析

脉搏波是人体重要的生命体征之一，是由心脏周期性跳动产生波动并沿动脉血管传播而产生的。脉搏波不仅受心脏跳动的影响，同时还受到血液浓度、血管壁阻力、血管弹性等生理因素的影响，心脏收缩时，靠近心脏的主动脉的血管压力升高，在心脏停止收缩时，主动脉血管内的血液压力降低。当血液压力升高时，由于动脉管壁具有弹性，动脉管壁因受血液挤压作用而向外扩张；当血液压力降低时，动脉管壁受弹性影响回缩。因此，由于心脏周期性地收缩与舒张，导致主动脉靠近心脏部位附近血液段内压力产生周期性的升高与降低，同时导致这部分血管壁周期性地扩张与回缩。动脉受到的压力从主动脉传播到小血管的过程就形成了动脉脉搏波，它的搏动周期和心脏跳动的周期一样。因此，通过脉搏波的传播速度、搏动周期、幅值变化、波形形态等变化可以反映出人体许多生理疾病特征。

心脏收缩时，血液从心脏射出，此时血液对动脉的压力最高，称为收缩压；心脏舒张时，动脉血管弹性回缩，血液流动速度减慢，血压下降，此时动脉受到的压力最低，称为舒张压。通过血压的推动，才能保证能向全身各个部位提供血液，保证血管系统中血液充盈是血压形成的前提，心脏搏动产生的作用力一部分产生侧压，一部分影响血液的流动速度。在外周阻力作用下，血液不能向四周流动，这时心脏搏动导致血液流动才会影响血压大小。而动脉的血压从主动脉和大动脉传播到小血管和微血管的过程形成了动脉脉搏波，它随心中跳动的周期成周期性变化，当人体心血管发生异常时，动脉系统会发生变化，从而导致脉搏波的波形发生相应的改变。

2 实验方法

外周微血管的血液容积会随着心脏的跳动产生变化，通过光电容积描记法采集到脉搏波信号，光电容积脉搏波（PPG）的变化和红细胞在外周小血管和微血管所占比例有关，通过PPG信号的波动可以观察到一些心血管系统的相应参数。PPG信号可以给主动脉的节拍、血管系统的特征、周围血管的性质、血液流动的状态提供有用信息，用于动脉血压无创估测。

胡章和通过时域分析方法分析脉搏波和血压监测孕妇血压[11]；罗志昌提出一个新的脉搏波特征量K值[12]，将脉搏波面积变化做为基础。并且证实, 脉搏波幅度、脉搏波延迟和K值都能较好地反映人体血管动脉的顺应性、口径改变和血液粘稠度等生理因素。本文结合前人的经验，将脉搏波起点、主波波峰[9]、重搏波起点、重搏波波峰作为特征参数，通过回归分析，研究这些特征与血压之间的相关性。

图1是一个通过光电传感器[14]采集并滤波[15]后得到的光电容积脉搏波波形，其中A为一个脉搏波的起始点，也是主动脉瓣的开放点，B为主波波峰，是收缩期最大压力点，C为重搏波起点，D为重搏波最大压力点，E为脉搏波结束点，也是下一个脉搏波的起始点。h1、h2、h3分别为主波波峰、重搏波起点、重搏波波峰与脉搏波下包络线的高度。采集到PPG信号后能够通过算法求到各个波形特征点的位置和对应的值。

图1光电容积脉搏波特征参数Fig.1Characteristic parameters of photoplethysmography

本实验中，如图1图2所示，将脉搏波的h1、h2、h3以及收缩期面积（h1左边部分面积）、舒张期面积（h1右边部分面积）、K值分别作为特征参数，将不同状态下的血压和脉搏波特征参数作对比，并进行归一化处理。其中K值计算公式为：

其中f1为平均幅度，f2为起始点幅度，f3为主波波峰幅度。

在采集到光电容积脉搏波信号后对信号进行滤波处理，得到干净的脉搏波信号data。将脉搏波信号进行差分：

data(i)和data(i-1)分别为第i和第i-1个数据点的数值，y(i)为差分后第i个点的数值，差分后信号的前后两个数据过零点处对应着极值点的位置，根据前后数值的不同判断出极大值点和极小值点，若y(i-1)＞0而y(i)＜0表示原数据的第i个点为极大值点，若y(i-1)＜0而y(i)＞0表示原数据的第i个点为极小值点。根据各个点的数值判断特征点，其中每组脉搏波的最大值点为B点，最小值点为A点和E点，由于有多个极值点，可以根据阈值法找到最大值点、最小值点以及重搏波起始点（C点）和重搏波波峰（D点），将最大值和最小值点引入三次样条插值得到脉搏波的上下包络线，通过下包络线、脉搏波和B点可计算S1、S2和K值。

图2光电容积脉搏波的各个特征点Fig.2Characteristic points recognition of photoplethysmography

3 实验过程和结果

为了提高实验的准确性，分别对5名22～30岁范围内的受试者做连续光电脉搏波采集实验，采集时受试者处于平躺状态。实验的硬件为自己研制的光电容积脉搏波采集器和OMRON公司的HEM-6050血压计，该仪器在人体手腕上采用示波测定法进行测量，精度在5%以内。实验时，将脉搏波采集装置采样频率设置为100HZ，利用剧烈运动对受试者血压进行升压作用，利用降血压药物对受试者进行降压作用，在接收数据前观察受试者脉搏波波形，待波形稳定之后开始采集，每次采集时间一分钟，每人采集10次，每次间隔时间一分钟。采集时血压计和光电容积脉搏波的捕获器同时工作，分别记录下不同状态下受试者血压值和光电容积脉搏波捕获器的计数值，并对光电容积脉搏波进行分析。在服降血压药或运动前后[15]分别对受试者血压和光电容积脉搏波进行测量。由于不同人的脉搏波幅度不一定相同，将脉搏波的上下包络线相减作为标准单位，对相应脉搏波的各个参数做相关性分析。表1至表4是5位受试者的脉搏波各个特征点幅度值与血压的相关性结果。

图3求脉搏波特征参数步骤Fig.2The step of characteristicparameters of pulse wave

表1归一化处理降压后脉搏波特征参数与血压收缩压相关性分析Tab.1Analysis of the normalized cross correlation between pulse wave characteristic parameters and systolic pressure after lower blood pressure

表2归一化处理降压后脉搏波特征参数与舒张压相关性分析Tab.2Analysis of the normalized cross correlation between pulse wave characteristic parameters and diastolic pressure after lower blood pressure

表3归一化处理运动后脉搏波形态特征和收缩压相关性分析Tab.3Analysis of the normalized cross correlation between pulse wave characteristic parameters and systolic pressure after taking exercises

表4归一化处理运动后脉搏波形态特征和舒张压相关性分析Tab.4Analysis of the normalized cross correlation between pulse wave characteristic parameters and diastolic pressure after taking exercises

通过上述实验，观察表1到表4的实验结果，可以看出，低血压下舒张压与脉搏波的形态特征相关性较好，可能与服用的降血压药是降低舒张压的药物有关；而高血压下收缩压与脉搏波的形态特征相关性较好。

4 总结

检测血压是获知心血管功能的重要方式，它对饮食起居、诊断疾病、用药具有重要意义。本文通过求脉搏波形态特征的方法对脉搏波与血压的相关性做分析，实验结果表明，不同条件下脉搏波的形态特征与舒张压或收缩压之间具有一定的相关性，通过他们之间的相关性可以得到脉搏波形态特征与血压之间的关系，可以为后续的便携式监测血压提供一种实验解决方案。但是，由于受实验仪器精度以及实验条件的影响，或许有一定的误差。同时，由于本次实验对象选取的是24～30岁范围内的人，没有对不同年龄段人群做分析，使得本实验尚有不足，若要做具体应用应该针对不同年龄段人群做大量的相关性分析之后才可作为理论依据。

[1] 王晓民, 周卫东, 理查德.司考特. 应用于远程医疗的远程家庭监护设备的发展. 医疗卫生装备, 2003, 24(8): 19-21.

[2] 李顶立. 基于脉搏波的无创连续血压测量方法研究.浙江大学,2008: 1-10.

[3] Foo J Y A, Wilson S J. Development of a non-intrusive system to monitor radial pulse wave velocity: proceedings of the 2005 IEEE,Engineering in medicine and biology 27th annual conference.Shanghai, 2005: 7505-7508.

[4] Kain A R, Bahr D E, Allen K W. Methed and apparatus for detec ting blood pressure by blood pressure sounds in the presence of signi fi cant noise. United States Patent: 5680868.

[5] 黄建新, 刘怀. 基于示波法的无创血压监护仪的设计.南京师范大学学报(工程技术版), 2005, 5(1):25-27.

[6] Ng K G, Small C F. Survey of automated noninvasive blood pressure monitors. J Clin Engin, 1994, 19: 452-457.

[7] 汤池, 杨国胜, 席涛, 等. 无创连续血压测量方法的研究进展. 医疗卫生装备, 2004(10): 26-28.

[8] 石萍, 喻洪流. 光电容积描记技术原理及其应用. 生物医学工程学杂志, 2013,30: 899-905.

[9] 徐可欣, 王继寸, 余辉, 等. 脉搏波时域特征与血压相关性的研究.中国医疗设备, 2009, 08(24): 42-46.

[10] Chu C T, Shing H L, Jan Y C. A Novel Noninvasive Measurement Technique for Analyzing the Pressure Pulse Waveform of the Radial Artery. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2008: 288-296.

[11] 胡章和, 李震, 田孝坤. 孕妇血压与其脉搏波的相关性研究与应用. 生物医学工程学杂志, 1995, 12(2): 162.

[12] 罗志昌, 张松, 杨文鸣, 等. 脉搏波波形特征信息的研究. 北京工业大学学报, 1996, 22(1): 71.

[13] 杨琳, 张松, 杨益民, 等. 基于重搏波谷点的脉搏波波形特征量分析. 北京生物医学工程, 2008, 27(3): 229-233.

[14] 龚渝顺, 吴宝明, 高丹丹, 等. 一种抗干扰穿戴式血氧饱和度监测仪的研制. 传感技术学报, 2012, 25(1): 6-10.

[15] 李广周. 高住高练低训对心血管功能的影响. 北京体育大学,2007: 1-6.