基于容积脉搏波振幅梯度的血压检测法的研究*

宋义林,张彤，高树枚

(黑龙江大学 机电工程学院，哈尔滨 150080)

1 引 言

高血压是心脑血管疾病的首要危险因素[1]。基于高血压症早发现、早诊断、早治疗的现代疾病防治理念，对普通人群日常生活中的血压检查和监控是十分必要的。当前，适用于家庭血压日常检测简单易行的方法主要包括柯氏音法、示波法和容积振动法，及其水银式血压计、电子血压计及基于容积振动法的血压检测装置等。水银式血压计无创血压测量的“金标准”，被业界广泛认可。然而，水银式血压计的使用要求较高，对非医学专业人员尤其是高龄者等群体操作使用时会带来一定困难[2]。目前市场上出售的电子血压计在家庭中的普及较好，电子血压计大都采用了示波法的原理[3-6]。但电子血压计检测原理上也存有缺陷，其血压检测精度问题无法从根本上解决[7]。基于脉搏波传导时间(PTT)的连续血压检测法近年来研究成果较多[8-9]，但由于影响因素多，个体差异性大，测量精度有待提高。容积振动法是通过袖带加压中容积脉搏波(PGac)的变化而确定血管内部压力的一种测量方法。该方法依据充分，原理明晰，易于实现电子测量，且测量精度较高。但是，该方法只能直接检测出收缩压，舒张压需通过间接计算[10]，而间接计算误差最高可达到10%。

本研究针对上述几种血压间接测量法的问题，提出了基于容积脉搏波振幅梯度的血压检测方法，并开发了基于该检测原理的血压检测系统，进行了以桡动脉为检测对象的实验研究和效果分析。研究结果表明，该方法能够直接测出收缩压和舒张压，检测精度较高，易于实现电子测量。

2 检测技术及其原理

2.1 血管壁力学特性

2.2 检测原理

人体由心脏泵出的血流呈波动状态，在动脉血管中呈现出由舒张压到收缩压再由收缩压到舒张压的变化过程。这种过程连续不断，如果不给人体施加大的生理或心理负荷，这种过程是相对稳定的。当采用袖带从外部给血管加压时，袖带的压力从零到超过收缩压。如果袖带的加压速率适当，袖带加压过程中袖带压力与血管内的舒张压和收缩压分别有一次瞬时相等或最为接近，见图2中的A点和B点。基于前面所述血管壁的非线性力学特性，A点处的袖带压力值与动脉血压波形波谷处的压力值瞬时相等，此处血管壁的瞬时变形比其它的波谷处要大；同理，B点处的袖带压力值与动脉血压波形波峰处的压力值瞬时相等，此处血管壁的瞬时变形比其它的波峰处要大。这样，以动脉血管内平均血压M点(容积脉搏波出现最大振幅处)为参照点，在M点之前考虑容积脉搏波波谷的振幅梯度，在M点之后考虑容积脉搏波波峰的振幅梯度，理论上就可得到图3和图4的容积脉搏波振幅梯度变化图。找到振幅梯度变化图中的两个最大点，就可找出袖带压力的对应值，进而得到动脉血管内的舒张压和收缩压。

图1 动脉血管的非线性力学特性

图2 匀速加压过程中的动脉血压波形和袖带压直线

Fig2Arterialbloodpressurewaveformandcuffpressurelineduringtheuniformpressurization

3 检测系统设计

为了验证基于容积脉搏波振幅梯度的血压检测法的有效性，开发了检测系统。该系统以桡动脉为检测对象，通过由微型气泵、电空变换器和压力传感器等组成的加压系统，以5 mmHg/s的速率给袖带匀速加压。在加压过程中，分别记录袖带的压力和代表血管壁变化的容积脉搏波，并将检测的结果送入PIC单片机控制单元，进行系统控制并计算容积脉搏波的振幅梯度，最终检测出动脉血流的收缩压和舒张压。

图3 容积脉搏波的波谷梯度变化

图4 容积脉搏波的波峰梯度变化

3.1 系统结构

系统结构见图5。加压袖带置于手腕处桡动脉的上方给动脉加压，由压力传感器实时检测其内部压力；光电传感装置置于袖带的下方和桡动脉的正上方，实时检测加压过程中桡动脉的血管容积变化。加压系统的作用是对袖带加压并实现系统的压力调节，电空变换器的作用是按照袖带匀速加压的要求通过调整电磁阀阀口的大小控制微型气泵进入袖带的气量。为保证袖带内的压力以5 mmHg/s的速率线性上升，由压力传感器检测的袖带压力在控制单元计算误差量并采用PID控制算法计算控制量，通过PWM控制电空变换器电磁阀的开口大小，控制袖带进气量进而保证其压力按规定的速率上升。

系统中有两路模拟信号，一路是袖带压力信号，另一路是血管的光电容积信号。袖带压力信号由压力传感器采集，光电容积信号由近红外发光二极管和光电二极管共同组成的光电传感装置采集。两路模拟信号送至控制单元，经A/D转换模块转换为数字信号后进行计算处理。处理的结果实现两个功能，一是确定电空变换器的控制量、保证袖带压力的匀速上升；二是计算出容积脉搏波的振幅梯度进而确定血管内血流的收缩压和舒张压。

图5 系统结构原理图

3.2 系统控制流程

为保证系统硬件的正常工作，针对图5所示的系统结构设计了控制软件，其控制流程见图6。系统启动后首先对单片机进行初始化，然后以5 mmHg/s的速率给袖带加压。当压力达到30 mmHg时，系统保压10 s，以观测到明显的脉搏波或得到脉搏波周期为依据，判断检测位置的正确性。若检测位置正确，则系统自动继续匀速加压。在此过程中，系统自动采集容积脉搏波和袖带压力等信号，并通过容积脉搏波的波峰波谷差值判断血管是否压闭。如果判断血管尚未压闭，系统将持续匀速加压直至血管压闭。然后，系统放气，进入数据分析处理模式，找到容积脉搏波中的最大脉搏波点并作为参考点，利用容积脉搏波的振幅梯度，得到动脉血管内的舒张压和收缩压，并显示在显示装置上。如果达到系统设定的最高压力200 mmHg仍无法判断血管是否压闭，则加压系统停止工作，系统放气，显示检测失败信息。本系统可根据不同的使用者设定不同的最高压力。

图6 系统控制流程图

4 实验结果与分析

4.1 实验方法

年龄为22～56岁的25名大学健康师生(其中有血压偏高者)作为实验者，实验者在自然的状态下进行实验。首先，实验者坐在舒适的椅子上，两腿自然下垂、两足落地，两肘部及前臂放松地放于桌面上；其次，在实验者的右臂上绑好加压袖带，采用水银式血压计(水银血压计家庭装A型，鱼跃医疗)待测；同时，将本系统置于实验者左手腕桡动脉处，左手腕抬高与心脏平齐，准备工作就绪。然后，按下启动键，本系统按照预定的控制流程自动检测血压。同时，采用手动方式用水银式血压计人工测量血压。每个实验者测量两次，若前后两次的测量值变化不大，则视为有效值；若前后两次的测量值变化显著，则补测一次。每次测量完成后需间隔至少一分钟再进行下一次测量，测量间歇期袖带应成无充气状态。检测结束后，整理数据，将这两种方法得到的检测结果进行分析、对比。

4.2 血压检测验证

为验证检测原理的合理性和本系统的稳定性，血压对比实验前进行了预备实验。选择三位实验者，将本系统的检测袖带固定在实验者左手腕桡动脉处，获得加压袖带的压力曲线Pc和桡动脉的容积脉搏波曲线PGac，而后计算容积脉搏波波谷和波峰的振幅梯度确定桡动脉的舒张压和收缩压。作为检测例，图7为实际检测到的袖带压力曲线和容积脉搏波曲线，图8、图9为数据处理后的容积脉搏波振幅梯度曲线。

三位实验者的实验结果证明，本系统可以得到清晰的袖带压力曲线和容积脉搏波曲线。而且，无论是容积脉搏波的波谷还是波峰的振幅梯度都明显存在一个最大值，而此最大值分别对应的袖带压力正是动脉血管内的舒张压和收缩压。因此，基于容积脉搏波振幅变化梯度的血压检测法是可行的。

4.3 血压对比试验与结果分析

对25名实验者进行检测试验，每一位实验者采用本系统与水银式血压计同时检测2次，并记录下全部的实验数据，图10、图11是本系统与水银式血压计同时测得的实验数据的对比分析结果。其中，图10为收缩压(SBP)、图11为舒张压(DBP)的对比分析结果。图中(a)为两种方法检测结果的相关性分析图，图中(b)为两种方法检测结果的Bland-Altman分析图[12]。

图7 袖带压力曲线和容积脉搏波曲线

图8 容积脉搏波波谷的振幅梯度

从图10(a)和图11(a)中可以看出，两种方法测得的SBP的相关系数为r =0.945，DBP的相关系数为r=0.877。可见，两者均具有良好的直线相关性。图10(b)和图11(b)是检测结果的Bland-Altman分析图，图中所应用的三个主要参数为差值的均数、标准差和95%的置信区间范围。在图10(b)中，本系统与水银式血压计两种测量法测得的50个SBP值的平均差值为0.64 mmHg，数据差值的标准差为4.57 mmHg，95%的置信区间范围为(-7.73 mmHg，9.02 mmHg)。从图中可以看出，差值的均数与0线接近，标准差为4.57 mmHg，显示了较好的一致性和较小的离散性。另外， 96%的点位于95%的置信区间范围之内，说明两种测量方法所得到的实测结果一致性高。同样，在图11(b)中，测得的50个DBP值的平均差值为-0.12 mmHg，数据差值的标准差为3.79 mmHg，95%的置信区间范围(-7.54 mmHg，7.30 mmHg)，94%的点均位于95%的置信区间范围之内。说明本系统开发的基于容积脉搏波振幅梯度的血压检测方法在收缩压和舒张压的测量上具有相同的精度。

图9 容积脉搏波波峰的振幅梯度

图10本系统与水银血压计检测的SBP结果及其Bland-Altman图

Fig10SBPresultsobtainedbythepresentsystemandbythemercurysphygmomanometerandtheirBland-Altmanplot

图11本系统与水银血压计检测的DBP结果及其Bland-Altman图

Fig11DBPresultsobtainedbythepresentsystemandbythemercurysphygmomanometerandtheirBland-Altmanplot

5 结论

本研究提出了基于容积脉搏波振幅梯度的血压检测方法，开发了相应的检测系统，进行了原理测试和对比试验。首先，对三名实验者进行的预备实验，验证了系统的稳定性；其次，以水银式血压计的测量结果为金标准，开展的基于容积脉搏波振幅梯度的血压检测法的对比实验，表明了两种血压检测法具有良好的直线相关性；最后，用Bland-Altman图进行的结果分析，表明两种检测方法具有较高的一致性，收缩压和舒张压分别有96%和94%的实验结果分布在95%的置信区间范围之内。同时，两种检测方法的相关性和一致性分析也表明，在利用容积脉搏波振幅梯度法进行血压检测时，收缩压的检测精度稍高于舒张压，但二者的差异不大，检测方法是有效性。