張　媛，吳書裕，周凌宏

（南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515）

基于PTT的連續(xù)無創(chuàng)血壓測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

張媛，吳書裕，周凌宏

（南方醫(yī)科大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州510515）

針對傳統(tǒng)袖帶血壓測量的不連續(xù)性和不舒適性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于脈搏波傳播時(shí)間（Pulse Transmit Time，PTT）的連續(xù)無創(chuàng)測量血壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32嵌入式單元為核心，集心電（Electrocardiograph，ECG）、光電容積脈搏波（Photoplenthysmogram，PPG）采集模塊和藍(lán)牙于一體，以心電電極夾和指套取代了充氣式袖帶，可進(jìn)行連續(xù)無創(chuàng)血壓測量，并實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)傳輸，裝置小巧，操作簡單。

連續(xù)無創(chuàng)血壓；脈搏波傳播時(shí)間；心電；光電容積脈搏波；藍(lán)牙

0　引言

連續(xù)式無創(chuàng)測量法是在某一時(shí)段內(nèi)無創(chuàng)連續(xù)地測量血壓，能夠檢測每搏血壓及連續(xù)的動脈壓波形，為臨床診斷與治療提供更充分的依據(jù)，特別是在臨床監(jiān)護(hù)及特殊情況下觀察血壓連續(xù)變化方面，對有創(chuàng)血壓和傳統(tǒng)袖帶血壓測量等均具有無法比擬的優(yōu)勢。目前較為成熟的無創(chuàng)連續(xù)血壓測量方法是動脈張力法[1]和容積補(bǔ)償法[2]，但上述方法并沒有解決在血壓測量過程中氣囊對人體束縛帶來的不適感，設(shè)備及測量過程亦相對復(fù)雜，無法對被測者在運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行連續(xù)檢測，測量精度也有待進(jìn)一步提高[3]。

綜合考慮測量的可行性，本文提出一種基于PTT的連續(xù)無創(chuàng)血壓測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)以嵌入式技術(shù)和醫(yī)療電子技術(shù)為基礎(chǔ)，無創(chuàng)采集心電和脈搏波，利用特征值計(jì)算PPT并擬合出與之對應(yīng)的每搏血壓值，以實(shí)現(xiàn)血壓的連續(xù)無創(chuàng)監(jiān)測。

1　系統(tǒng)原理

其中，△T為脈搏波傳播時(shí)間變化值；△P為動脈血壓變化值；γ為動脈血管的特征值[4]。

1957年，Lansdown提出對于某一個(gè)體，PTT與血壓BP之間呈線性相關(guān)[5]，這一關(guān)系，在一段時(shí)間內(nèi)相對穩(wěn)定[6]。在忽略一些不可測得的動脈血管參數(shù)的情況下，建立動脈血壓與脈搏波傳播時(shí)間更直觀的模型[5]如下：

1878年，Moens和 Korteweg提出了能夠證明脈搏波傳時(shí)間與血壓之間存在準(zhǔn)線性關(guān)系的數(shù)學(xué)模型：式中，BP為動脈血壓，PTT為脈搏波傳播時(shí)間，a與b為待定的線性擬合系數(shù)。

2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于PTT的無創(chuàng)血壓連續(xù)測量，主要涉及心電和脈搏波兩種生理信號的采集,其硬件框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件框圖

2.1心電采集模塊

圖2為基于ADS1291的ECG采集電路原理圖，該芯片利用SPI通信方式進(jìn)行采集控制和數(shù)據(jù)讀取相關(guān)操作。

圖2　ECG采集電路原理圖

2.2脈搏波采集模塊

本采集模塊電路如圖3所示，其中，LED電流調(diào)節(jié)電路為電壓控制型恒流源，通過調(diào)整單片機(jī)的DAC控制探頭LED的電流，即可調(diào)節(jié)其發(fā)光強(qiáng)度。探頭的光電二極管接收的容積變化信號通過I-V轉(zhuǎn)換電路后，經(jīng)過低通濾波及DAC基線控制電路，所得SPO2_OUT模擬電壓信號輸入至STM32進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖3　脈搏波采集電路原理圖

2.3STM32單元

本設(shè)計(jì)采用STM32F103RBT6作為采集控制和數(shù)據(jù)預(yù)處理的嵌入式處理單元。該芯片兼?zhèn)渖硇盘柛咚俨杉蛿?shù)據(jù)快速預(yù)處理的功能；其還集成豐富片上資源，滿足ECG和PPG信號采集和藍(lán)牙串口傳輸電路設(shè)計(jì)需求。

2.4藍(lán)牙傳輸模塊

采用HC_05型藍(lán)牙模塊作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊協(xié)議為藍(lán)牙 V2.0+EDR協(xié)議，模塊原理圖如圖4所示。

圖4　藍(lán)牙傳輸電路原理圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主流程如圖5所示，初始化包括：(1)系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，設(shè)定時(shí)鐘頻率為72 MHz；(2)基于ADS1291的ECG模塊初始化，配置 SPI端口通信模式為 CPOL=0，CPHA=1，其DRDY配置為輸入引腳，發(fā)送RESET命令重置寄存器；(3)脈搏波采集模塊初始化，配置LED控制引腳PA1～PA5，對ADC和DAC相關(guān)通道進(jìn)行初始化和配置等；(4)定時(shí)器初始化，設(shè)定STM32的TIMER2定時(shí)周期為500 μs，以此中斷信號作為任務(wù)分時(shí)調(diào)度的控制器。

圖5　系統(tǒng)流程圖

本設(shè)計(jì)任務(wù)0為非定時(shí)任務(wù)，在系統(tǒng)空閑時(shí)間進(jìn)行編碼數(shù)據(jù)的發(fā)送及外部命令的響應(yīng)；定時(shí)任務(wù)如表1所示。

表1　定時(shí)任務(wù)

LED控制脈沖和采集處理時(shí)序如圖6所示，系統(tǒng)時(shí)間片基本單位為500 s，采集處理周期為2 ms。

圖6　信號采集處理時(shí)序圖

4　算法設(shè)計(jì)

4.1特征點(diǎn)識別與PTT計(jì)算

本文計(jì)算PTT關(guān)鍵是要識別起始特征點(diǎn)(即心電波形R波峰值點(diǎn)SECG)和結(jié)束特征點(diǎn)(即脈搏波上升最快點(diǎn)SSPO2)，如圖7“*”標(biāo)記所示。

特征點(diǎn)的檢測步驟描述如下：

圖7　特征點(diǎn)識別

(1)取前10 s心電數(shù)據(jù)進(jìn)行自學(xué)習(xí)，分成相等的5段（每段至少有一個(gè)QRS波群），在每段內(nèi)求差分最大值△ECGmax，將各段 △ECGmax排序，去掉最大值和最小值，對剩下的3個(gè)最大值求算數(shù)平均△m0，確定出初始檢測閾值為：

利用固定初始閾值的方式，采用差分閾值法檢測每段中R波的位置及個(gè)數(shù)，確定R波的平均幅值及初始的RR間期（即心電周期T）。

(2)用初始閾值檢測到3個(gè)R波后，開始采用滑動平均濾波器修改檢測閾值：設(shè)△mi是包括當(dāng)前R波在內(nèi)的前 3個(gè) QRS波的△ECGmax的平均值，則相應(yīng)的新的檢測閾值為：

其中：i=4，5，…；C1、C2、C3均為常數(shù)，是為了保證 δ1i、δ2i、δ3i在合理范圍內(nèi)。

(3)對每個(gè)心電數(shù)據(jù)做前向差分，利用ECG差分DiffECG的3個(gè)閾值檢測R波。如果連續(xù)兩個(gè)差分分別大于 δ1i，δ2i，且之后存在一個(gè)負(fù)值差分，其絕對值大于 δ3i，即可判定當(dāng)前點(diǎn)為 R波，標(biāo)記為SECG，如圖7所示。按式(4)、(5)修正閾值，以新的閾值 δ1i、δ2i、δ3i繼續(xù)檢測下一 R波，在相鄰兩個(gè)R波之間求PPG差分的最大值，即 SSPO2，每檢測到新的 SECG和SSPO2，就按上述方法動態(tài)修正檢測閾值，并繼續(xù)進(jìn)行檢測和特征識別。

(4)計(jì)算每個(gè)周期內(nèi) SSPO2與 SECG的時(shí)間差作為 PPT。

4.2血壓擬合和計(jì)算

本實(shí)驗(yàn)共選取了9名健康志愿者作為訓(xùn)練組，每名志愿者采集 5組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括 PTT、收縮壓（Systolic Blood Pressure，SBP）、舒張壓（Diastolic Blood Pressure，DBP），以此進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合建立血壓與脈搏波傳播時(shí)間的方程如下：

5　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)另選8名健康志愿者作為驗(yàn)證組，將本系統(tǒng)所測血壓與歐姆龍HEM-7051型血壓計(jì)所測血壓進(jìn)行對比，見表2，可得收縮壓的最大誤差為-11.0 mmHg，計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差為5.5 mmHg，舒張壓的最大誤差為6 mmHg，計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)差為3.3 mmHg，均滿足AAMI推薦的標(biāo)準(zhǔn)差低于8 mmHg的要求。

6　結(jié)論

本文以脈搏波傳播時(shí)間作為連續(xù)無創(chuàng)血壓測量的基本原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款基于STM32的嵌入式測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過波形自學(xué)習(xí)與動態(tài)閾值算法識別特征點(diǎn)并計(jì)算PTT，最后通過擬合關(guān)系式實(shí)時(shí)得到動態(tài)血壓值，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測人體血壓變化。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)得到的動態(tài)血壓值基本滿足AAMI要求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)小巧，測量簡便，克服了傳統(tǒng)袖帶測量和有創(chuàng)血壓測量的缺點(diǎn)，對目前的連續(xù)無創(chuàng)血壓測量研究和推廣具有很好的研究意義和參考價(jià)值。

表2　對比結(jié)果

[1]JURGENS C，ANTAL S，HEYDENREICH F，et al.Digital patient record for remote monitoring of intraocular pressure, blood pressure and serum glucose[J].Klin Monbl Augenheilkd，2006，223(9)：757-764.

[2]FORTIN J，WELLISCH A，MAIER K.CNAP-evolution of continuous non-invasive arterial blood pressure monitoring[J]. Biomed Tech(Berl)，2013：2013-4179.

[3]朱鼎良.血壓和血壓測量[M].北京：人民軍醫(yī)出版社，2010.

[4]張珣.基于脈搏波速法的動態(tài)血壓測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子科技，2014，27(1)：63-67.

[5]LANSDOWN M.A method using induced waves to study pressure propagation in human arteries[J].Circ.Res.，1957，2 (1)：594-601.

[6]梁永波，殷世民，陳真誠，等.基于容積脈搏波的無創(chuàng)連續(xù)血壓測量系統(tǒng)[J].航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2013，26(1)：47-50.

Design of continuous non-invasive blood pressure measurement system based on PTT

Zhang Yuan，Wu Shuyu，Zhou Linghong
(School of Biomedical Engineering,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China)

For the discontinuities and discomfort of the traditional cuff blood pressure measurement system,a continuous noninvasive blood pressure measurement system based on Pulse Transmit Time(PTT)is designed and implemented.The system is consisted of STM32 as its core,Bluetooth,Electrocardiograph(ECG)and Photoplenthysmogram(PPG).The traditional cuff is replaced by two ECG electrode holders and a finger-cot.An apparatus for the continuous and non-invasive measurement is developed with simple construction,small size and easy operation.Additionally,physiological data can be wirelessly transmitted by the integrated Bluetooth module.

continuous non-invasive blood pressure；pulse transmit time；electrocardiograph；photoplenthysmogram；Bluetooth

R318.6

A

0258-7998(2015)01-0039-03

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014090303227

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A032200014)

（2014-09-03）

張媛（1989-），女，碩士，碩士研究生，主要研究方向：智能醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)。

吳書裕（1986-），男，博士，博士研究生，主要研究方向：智能醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)。

周凌宏（1965-），通信作者，男，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計(jì)、腫瘤放射物理學(xué)，E-mail：smart@smu.edu.cn。