基于脉搏波识别的电子血压计智能充气研究

【作 者】张旭，宋学东，顾家军，叶继伦，陈思平 深圳大学医学院生物医学工程系，深圳市，58060 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，58060

基于脉搏波识别的电子血压计智能充气研究

【作 者】张旭1,2，宋学东1，顾家军1，叶继伦1,2，陈思平1,2
1 深圳大学医学院生物医学工程系，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

通过对多款常用的国内外电子血压计的血压实验测试，发现对高血压或低血压情况进行测量时，存在着由于最大充气压力与本次血压测量不符，而带来反复充放气和充气压力过高的问题。为了解决这些问题，找到合适的最大充气压力，提出了两个基于脉搏波识别的智能充气方案，并进行了700组血压实验，对两个方案进行实验验证。实验证明所提出的两个方案具有很好的稳定性以及准确性，可以有效地解决血压计测量中的问题，同时得出了方案二即在充气过程中预估最大充气压力为最优方案。

电子血压计；智能充气；预充气压力值；实验验证

0 引言

血压作为人体的重要参数，可以有效地反映心脏排血后负荷情况，在临床麻醉、心血管疾病的诊断和预防中应用十分广泛，所以一个快速、舒适、准确的血压测量系统在临床应用中具有极其重要的意义[1]。文献[2]中调查研究表明，电子血压计可以有效代替传统水银血压计对人体血压参数进行监测。通过对几款电子血压计进行实验测试发现，国外的电子血压计测量方式与国内有很大的区别，其产品在测量中采用智能的充气和脉搏感知模式，一定程度地减少充气和脉搏识别等对被测者带来的不适感，而国内的血压计测量大都缺乏智能的应用模式。因此，为了让血压的整个测量舒适、准确，本文对于基于振荡法的血压测量中的充气模式和脉搏识别进行研究，旨在给出智能的应用模式，以消除电子血压计普遍存在的反复充气和充气过高等不足，以提高血压测量效率，增强血压测量的舒适性。

1 无创血压测量原理

电子血压计一般都是采用振荡法[3]，其测量原理是充气泵工作使捆绑在上手臂的袖带内压力高于收缩压SBP后，开始放气，完成测量，见图1所示。在充气或放气阶段检测脉搏波，找到最大脉搏波幅度对应的袖带压(平均压MAP)，通过经验公式(1) 和脉搏波幅度包络线[4]，找到特定幅度的脉搏波对应的袖带压，即收缩压SBP和舒张压DBP。其中系数k1、k2为临床实验得出的经验值，不同测量系统取值范围不同。

由基本原理可知，在血压测量过程中，需要将袖带压充气至能阻塞手臂血液流动，而袖带压和测量时间都会影响受试的舒适性。

图1 振荡法监测血压原理Fig.1 The oscillometric method principle of blood pressure monitoring

2 智能充气

通过多台国内外电子血压计测试实验，发现对高低压受试者的测量过程中，最大充气压力Fmaχ无法准确的与本次血压测量相匹配，会出现反复充气、充气压力过高和测量时间过长的问题。为了解决以上问题，通过对电子血压计充气方式的研究，设计了两个智能充气方案。

2.1 系统硬件平台

本次研究实现的硬件平台为深圳大学生物医学工程中心生命信息监测与创新实验室设计的血压模块，包括传感器的数据采集、信号放大滤波、CPU数据处理、硬件保护及上下位机数据传输，如图2所示。

图2 硬件平台实物图Fig.2 Physical figure of hardware platform

2.2 智能充气软件评价系统

智能充气软件评价系统是在PC机上运行，通过串口与血压模块协同工作的数据显示与控制窗口，可以直观的显示当前袖带压、脉搏波信号以及当前工作模式，同时下发控制命令，控制血压模块的工作状态，如图3所示。

2.3 两种智能充气方案的详细说明

在概述的基础上，进一步细化智能充气的方案。针对一般电子血压计，由于Fmaχ与实际病人不符而带来反复充气和充气压力过高的问题，提出了两个解决方案。其中方案一为阶段性充气过程中判断是否继续充气。方案二采用线性充气模式，在充气过程中检测MAP，从而预估Fmaχ。

图3 智能充气软件评价系统Fig.3 PC soft of intelligent inflatable

2.3.1 方案

阶段性充气间期判断是否要继续充气。脉搏波检测阶段为50、80、110、140、170、200、230、260 mmHg(Fmaχ不可超过280 mmHg)，1 mmHg=133.32 Pa。

泵快速充气到预定压力值，停止充气，在停止间期检测是否有脉搏波。如果有：继续充气30 mmHg进入下一个检测阶段，检测是否有脉搏波，重复以上工作，直至停止充气间期没有检测到有效的脉搏波，完成充气。如果没有：继续充气30 mmHg，重复以上工作，直至在间期检测到脉搏波，继续进行判断有脉搏波的处理过程。整个过程必须经历脉搏波从有到无的过程。图4为方案一的软件流程图。

图4 方案一的软件流程图Fig.4 Software flow pattern of plan one

2.3.2 方案二

线性充气过程中预估Fmaχ在充气阶段提取脉搏波，进而预估Fmaχ。血压的硬件电路中，脉搏波信号是袖带压信号经过电容滤波后放大得到的交流信号。由式(2)可知，如果袖带压为线性变化，通过电容滤波后的信号为定值，而压力传感器为线性元器件，所以只需袖带内压力线性增加，可以实现充气阶段中脉搏波信号在一个固定的基线上波动，图5为方案二的软件流程图。

图5 方案二的软件流程图Fig.5 Software flow pattern of plan two

为了使泵的充气速率可控，采用PWM方式控制泵工作，同时采用PWM与袖带压相关联的反馈控制方式，避免充气速率突变带来的噪声影响。通过一段时间的实验，在成人袖带下可以控制其以10 mmHg/s的速率充气。在脉搏波的检测中，MAP对应的脉搏波幅度是最大的，即MAP值检测是最为容易的。同时分析血压实验数据分析发现，一次成功的血压测量，开始放气测量时，Fmaχ与MAP有式（3）的等量关系。

基于以上原因，在线性充气过程中找到MAP值，预估Fmaχ值，快速充气至Fmaχ完成充气过程。

3 实验验证以及数据分析

本节首先验证两个方案的稳定性与准确性，验证结果满足要求后，就反复充气、充气压力过高及测量时间三个方面具体分析两个智能充气方案的优势[5]。并分析各自优缺点，确定最优的智能充气模式。进行验证时，实验采用FLUKE BP Pump2血压模拟器在成人标准模式下产生的血压信号。成人标准血压组有：60/40/30、80/60/50、100/76/65、120/93/80、150/116/100、200/166/150、255/215/195，参数意义为SBP/MAP/DBP。

3.1 稳定性与准确性的验证

通过分析实验数据的方差S2、平均偏差δ、准确A%度来评估方案的稳定性和准确性[6-7]。

方差S2是衡量样本数据与样本均值之间的偏离程度，其中χ样本值，χ为样本均值，n为样本总量。

平均偏差δ是衡量实验结果与真实结果的整体偏差程度，其中χ为实验数据，μi为χ对应的理论值。

准确度A%是衡量实验值与理论值之间的一致程度。其中χi为实验数据样本。值越大，准确度越差。

3.1.1 方案一的初步验证

采集模拟器所有标准血压组的数据，每组20次，记录实验Fmaχ值。实验得到的Fmaχ与的理论推导的Fmaχ之间的变化趋势如图6。本方案Fmaχ决定于SBP，袖带压高于SBP时，检测到的波形无效，可由图4的算法流程知道模拟器各个SBP值对应的Fmaχ。Fmaχ及实验数据方差如表1所示。

图6 方案一实验Fmaχ与参考值变化趋势Fig.6 Curve of Fmaχvalue of experiment with the reference value

表1 与SBP对应的Fmaχ及其实验方差Tab. 1 TheFmaχand the variance of experimental data corresponding to SBP

根据实验数据得平均偏差δ=1.16，A%=5.47。其误差来源为200/165/150组的数据整体偏高6 mmHg。

3.1.2 方案二的初步验证

采集模拟器所有标准血压组的数据，每组20次实验，记录实验Fmaχ。一般成人在0～30 mmHg无脉搏信号，为减少充气时间，在30 mmHg以下快速充气，30 mmHg以上调节PWM值。采用图7中PWM曲线可以控制泵以10 mmHg/s的速率线性充气。血压模拟器设置参数为120/93/80，未调节PWM与调节PWM的脉搏波采样数据如图8所示，通过图9两条曲线对比，可以发现控制泵的充气速率可以采集到脉搏波数据。

图7 PWM值随袖带压变化曲线Fig.7 PWM value with the cuff pressure curve

图8 未调节PWM时脉搏波信号采集Fig.8 Pulse wave signal acquisition after adjusting and unadjusting PWM

图9 方案二的Fmax与参考值变化趋势图Fig.9 Curve of Fmax value of experiment with the reference value

本方案Fmaχ决定于MAP值，当线性充气过程中检测到MAP值后，快速充气至Fmaχ，放气开始测量血压参数。对应各个血压组的Fmaχ及实验方差如表2所示。

得平均偏差 δ = 0.46，A% = 4.9。

共进行了280组实验，没有出现异常情况，由上述方差、平均偏差、准确度以及由于篇幅原因在本文以的Bland-Altman一致性分析，得出两个方案具有很好的稳定性和准确性，确定可以满足血压监测的。

表2 血压组平均压对应的Fmax及其实验方差Tab. 2 The Fmax and the variance of experimental data corresponding to MAP

3.2 方案的验证

反复充气与充气过高现象是由于Fmaχ与此次血压测量不符所造成的，增加了测量时间与测量的不适感。在初步验证满足要求的基础上，就反复充气、充气过高及测量时间三个方面分析智能充气模式的优势[8]。

3.2.1 反复充气与充气压力过高现象

对于方案一与方案二，当Fmaχ大于SBP 20 mmHg以上，可以保证放气测量的成功性，并且Fmaχ决定于本次测量的血压参数，所以不会出现反复充气现象和充气过高的现象。

3.2.2 测量时间

对于方案一与方案二的测量时间，采用式(7)的公式计算得到。

T为测量时间，Ti为充气时间，Tm为算法测量时间，Ts为完成充气时稳定停缓时间。其中Tm的实验数据为对比组的电子血压计放气测量时，经过方案一和方案二中的Fmaχ时开始计时到完成测量所用时间，时间Tm的确定以及电子血压计测量时间采用模拟器所有标准血压组，每组20次，共420组实验测试后均值得到。Ts为2 s。表3为实验采集的方案一、方案二和电子血压计的Fmaχ/mmHg与测量时间T/s的数据。

表3 方案一、二和电子血压计的Fmaχ/ T 的实验数据统计(mmHg)Table.3 The experimental data about Fmaχand T of plan one, plan two and Electronic Sphygmomanometer

3.3 小结

由实验验证可知，方案一和方案二是准确和稳定的。两个方案都可以解决反复充气以及充气过高的问题。由方案一和方案二测量时间的实验数据看出，高压或低压测量时，可以大大的减少整个测量时间上，但是方案一由于受试者不同，其脉搏信号强度不同，所以对脉搏波识别过程中的阈值设置比较困难。对于方案二，寻找MAP值需经历脉搏波幅值变化的过程，相比于方案一，实现起来相对容易可靠，并且其最大充气压力设置更为合理。所以确定方案二为目前的最优智能充气模式。

4 结论

本文设计了两个基于脉搏波识别的电子血压计智能充气模式，其稳定性和准确性可以保证的前提下，通过实验对其进行验证，证明两个方案可以消除电子血压计在测量中存在的反复充气和充气压力过高的问题，提高了血压测量效率，减少了血压测量的时间，增强了血压测量的舒适性。但是目前验证只是通过模拟器来验证，后续将会加上血压参数计算的算法部分，对人体直接进行验证。未来的主要工作是优化方案二软件，实现工程化应用，争取更大程度地提高血压测量效率，以提高国产无创血压测量水平。

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Research of Electronic Sphygmomanometer lntelligent Aeration Based on Pulse Wave ldentification

【Writers】ZHANG Xu1,2，SONG Xuedong1, GU Jiajun1, YE Jilun1,2, CHEN Siping1,2
1 Institute of Biomedical Engineering, School of Medicine, Shenzhen University, Shenzhen, 518060
2 Guangdong Key Laboratory of Biomedical Signal Detection and Ultrasound Imaging, Shenzhen, 518060

Through various common domestic and foreign electronic sphygmomanometers to test blood pressure, we find that when measuring high blood pressure or low blood pressure, there is a mismatch between the maximum inflation pressure and the blood pressure measurement, which often results in repeatedly inflating and deflating as well as the problem of high inflation pressure. In order to solve these problems and find a suitable maximum inflation pressure, two intelligent pneumatic solutions based on identifying of pulse wave are suggested and 700 groups of blood pressure experiments are done, then the two solutions are verified by experiments. The experiment proved that these solutions proposed have good stability and accuracy, they can solve the problems appeared in measuring blood pressure effectively, at the same time, the second solution that estimate the maximum inflation pressure during inflation is considered as the best one.

electronic sphygmomanometer, intelligent aeration, maximal pressure value of aeration, experimental verification

R318.6

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2015.02.004

1671-7104(2015)02-0090-05

2014-10-31

深圳市科创委项目(SW201110039，SDSY20120612094855904)；广东省科技厅项目（2012A032200025)

张旭，E-mail: xuzhang@szu.edu.cn

叶继伦，教授，E-mail: yejilun@126.com