基于脉搏-心电的便携式血压仪的研制*

韩国成，古旺，朱健铭，陈真诚

(桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

1 引 言

由相关文献可知，应用传统的PWTT求取血压的方法，结果显示收缩压(systolic blood pressure, SBP)和PWTT有很好的相关性，但舒张压(diastolic blood pressure, DBP)和PWTT相关性不大，结果导致DBP的测量结果误差较大[1]，本研究综合了心率、每搏输出量和外周阻力对血压的影响后，使DBP的测量误差减小。同时在系统硬件上也进行了优化，在心电的提取过程当中，摒弃的传统的导联线，只需要左右手的对称两个手指放在相应的电极上即可完成心电的检测，使得测量过程无任何束缚。

2 理论基础

在血压总量无较大变化的前提下，血压主要受动脉管壁的弹性、每搏输出量、心率、外周阻力的影响[2]。根据杨-莫恩斯公式[3]可知脉搏波传导时间主要受动脉管壁的弹性大小的影响，动脉管壁的弹性越大则PWTT越大，因此动脉管壁的弹性可以用PWTT表示，血压和PWTT也就有了一定的相关性。本研究以ECG的R波峰点和PPG的起点之间的时间差表示PWTT[4]，应用PPG的波峰值近似表示每搏出量[5]，手指采集PPG信号反映的是手指毛细血管中血液容量的变化，因此，通过PPG获得的PWTT能一定程度上反映出外周阻力对血压的影响。

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

系统样机需要同时采集PPG和ECG两种信号，对于PPG采集系统应用的是PulseSensor反射式光电容积脉搏波传感器，该传感器的光源采用了峰值波长为515nm的绿光LED，感受波峰长为565 nm的光接收器。应用该传感器的优点是只需要将手指放在LED光源前端，就能准确检测人体的脉搏波[6]。

对于ECG信号的采集系统应用的BMD101芯片，该芯片是专用于生物信号检测和处理的片上设备，体积小，功耗低，能检测到uv到mv级的ECG信号，对信号进行前期的放大、滤波，经过处理后的ECG数据由串口发送出去，便于处理器接收处理[7]，得益于BMD101芯片的上述优点，本系统对ECG采集摒弃了传统的导联线，只需要左右手的两个手指放在相应的电极上即可完成检测。

应用TFT显示屏显示测量结果，不仅能显示测量血压的结果，还能显示所测PPG和ECG的波形，给用户更加直观的感受，样机系统框图见图1，样机测试图见图2。

3.2 系统软件设计

本研究提出的血压测量方法本质在于找到血压与PWTT、PPG峰值、心率之间的关系，因此要准确的提取ECG波形中的R波峰点，PPG波形中的起点、波峰值。把ECG波形中R波峰点和PPG起点之间的时间差作为PWTT，通过PPG波形中两个波峰之间的时间差求取心率，PPG峰值就直接在PPG波形中进行提取。

图1便携式血压仪系统框图

Fig1Blockdiagramofportablebloodpressuremonitor

图2血压仪样机测试图

Fig2Bloodpressuremonitortestpicture

在准确提取ECG和PPG波形特征点之前，首先要确定获得的两种波形是否满足实际需求。对这两种信号进行频谱分析后发现，PPG信号中噪声较小，进行平滑滤波后即可进行特征点的提取，但ECG信号中含有的噪声较大，主要包括50 Hz及其谐波100 Hz工频的干扰和0～0.5 Hz的基线漂移[8]，通过matlab仿真后发现，加权递推平均滤波和小波阈值滤波相结合能很好的滤出ECG信号中的噪声。这种滤波方法对硬件的要求较低，容易实现。

对信号进行滤波处理后就能进行特征点提取了，本研究采用的算法是差分阈值法。对ECG波形中的R波峰值进行提取的时候发现，传统差分阈值不能剔除ECG波形中因手指运动产生的幅值较大的奇异点，需在相邻R波间的时间差上再一次设定阈值，对两种波形特征点的提取效果图见图3。

4 临床试验研究

4.1 血压模型建立实验

应用鱼跃牌水银血压仪对志愿者进行血压规范测量，然后应用样机对志愿者进行PPG和ECG数据采集，求取PWTT、心率和ECG峰值。对20名志愿者进行数据采集，以水银血压计SBP、DBP为因变量，以对应提取出的PWTT、心率和ECG峰值的为自变量，进行回归分析得到回归系数和常数，通过回归分析最后得到的血压方程为：

SBP=-0.315×PWTT×f+110.8976

DBP=-1.3443×PWTT×f+1.4315×HR+0.0056×PPV+21.2948

公式中f代表采样频率，样机的采样频率为200 Hz，HR代表心率，PPV代表脉搏波峰值。

图3 PPG、ECG特征点提取效果图

Fig3ECG、PPGextractfeaturepointseffectdiagram

4.2 血压模型验证实验

为了验证血压模型的准确性，本研究采用Bland-Altman法对血压模型测得的血压值和传统水银血压仪测得的血压值进行一致性分析。Bland-Altman法是数学界和工程界广泛认同的适合两种数据一致性分析的统计方法[9]。通过这种方法对20名志愿者测得的血压数据见表1，Bland-Altman分析图见图4。

从图4可以看出SBP和DBP的95%一致性界限分别为(-8.3，11.6)，(-9.9,12.7)，SBP和DBP的20个数据中均只有一个数据位于一致性界限以外。经计算SBP和DBP的Pearson相关系数分别为0.8676，0.8456。由以上两种分析可知应用样机血压仪所测的血压值和水银血压仪所测的血压值有较好的一致性。

表1两种方法所测血压值(mmHg)

Table 1 Blood pressure values measured by two methods

图4 两种方法所测血压值的一致性分析图

5 结论

本研究首先在理论上对血压的影响因素进行分析，血压是心脏泵血功能和血管状况的综合作用的结果，而PWTT只能反映动脉血管的弹性情况，因此，引进每搏输出量和心率来表征人体的心脏功能。然后通过血压数据采集建立血压测量模型，应用Bland-Altman法对血压仪样机和传统水银血压仪所测血压值的一致性进行了验证。此外本研究还在系统硬件上进行优化，对于ECG和PPG的采集都是通过手指进行，无任何束缚，系统体积小巧，携带方便。本系统的不足之处在于，样机对于PPG和ECG的采集都是通过手指采集得到，测量过程中，手指的轻微抖动，可能引起PPG和ECG奇异点的出现，影响测量结果。血压模型建立应用的数据量较小，测量误差并不能满足美国医疗仪器促进协会推荐标准，同时该血压模型只适应于本样机，不能通用，所以血压模型需继续优化。