宋義林,張彤，高樹(shù)枚

(黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

1 引 言

高血壓是心腦血管疾病的首要危險(xiǎn)因素[1]?；诟哐獕喊Y早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療的現(xiàn)代疾病防治理念，對(duì)普通人群日常生活中的血壓檢查和監(jiān)控是十分必要的。當(dāng)前，適用于家庭血壓日常檢測(cè)簡(jiǎn)單易行的方法主要包括柯氏音法、示波法和容積振動(dòng)法，及其水銀式血壓計(jì)、電子血壓計(jì)及基于容積振動(dòng)法的血壓檢測(cè)裝置等。水銀式血壓計(jì)無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量的“金標(biāo)準(zhǔn)”，被業(yè)界廣泛認(rèn)可。然而，水銀式血壓計(jì)的使用要求較高，對(duì)非醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)人員尤其是高齡者等群體操作使用時(shí)會(huì)帶來(lái)一定困難[2]。目前市場(chǎng)上出售的電子血壓計(jì)在家庭中的普及較好，電子血壓計(jì)大都采用了示波法的原理[3-6]。但電子血壓計(jì)檢測(cè)原理上也存有缺陷，其血壓檢測(cè)精度問(wèn)題無(wú)法從根本上解決[7]?；诿}搏波傳導(dǎo)時(shí)間(PTT)的連續(xù)血壓檢測(cè)法近年來(lái)研究成果較多[8-9]，但由于影響因素多，個(gè)體差異性大，測(cè)量精度有待提高。容積振動(dòng)法是通過(guò)袖帶加壓中容積脈搏波(PGac)的變化而確定血管內(nèi)部壓力的一種測(cè)量方法。該方法依據(jù)充分，原理明晰，易于實(shí)現(xiàn)電子測(cè)量，且測(cè)量精度較高。但是，該方法只能直接檢測(cè)出收縮壓，舒張壓需通過(guò)間接計(jì)算[10]，而間接計(jì)算誤差最高可達(dá)到10%。

本研究針對(duì)上述幾種血壓間接測(cè)量法的問(wèn)題，提出了基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測(cè)方法，并開(kāi)發(fā)了基于該檢測(cè)原理的血壓檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了以橈動(dòng)脈為檢測(cè)對(duì)象的實(shí)驗(yàn)研究和效果分析。研究結(jié)果表明，該方法能夠直接測(cè)出收縮壓和舒張壓，檢測(cè)精度較高，易于實(shí)現(xiàn)電子測(cè)量。

2 檢測(cè)技術(shù)及其原理

2.1 血管壁力學(xué)特性

2.2 檢測(cè)原理

人體由心臟泵出的血流呈波動(dòng)狀態(tài)，在動(dòng)脈血管中呈現(xiàn)出由舒張壓到收縮壓再由收縮壓到舒張壓的變化過(guò)程。這種過(guò)程連續(xù)不斷，如果不給人體施加大的生理或心理負(fù)荷，這種過(guò)程是相對(duì)穩(wěn)定的。當(dāng)采用袖帶從外部給血管加壓時(shí)，袖帶的壓力從零到超過(guò)收縮壓。如果袖帶的加壓速率適當(dāng)，袖帶加壓過(guò)程中袖帶壓力與血管內(nèi)的舒張壓和收縮壓分別有一次瞬時(shí)相等或最為接近，見(jiàn)圖2中的A點(diǎn)和B點(diǎn)?；谇懊嫠鲅鼙诘姆蔷€(xiàn)性力學(xué)特性，A點(diǎn)處的袖帶壓力值與動(dòng)脈血壓波形波谷處的壓力值瞬時(shí)相等，此處血管壁的瞬時(shí)變形比其它的波谷處要大；同理，B點(diǎn)處的袖帶壓力值與動(dòng)脈血壓波形波峰處的壓力值瞬時(shí)相等，此處血管壁的瞬時(shí)變形比其它的波峰處要大。這樣，以動(dòng)脈血管內(nèi)平均血壓M點(diǎn)(容積脈搏波出現(xiàn)最大振幅處)為參照點(diǎn)，在M點(diǎn)之前考慮容積脈搏波波谷的振幅梯度，在M點(diǎn)之后考慮容積脈搏波波峰的振幅梯度，理論上就可得到圖3和圖4的容積脈搏波振幅梯度變化圖。找到振幅梯度變化圖中的兩個(gè)最大點(diǎn)，就可找出袖帶壓力的對(duì)應(yīng)值，進(jìn)而得到動(dòng)脈血管內(nèi)的舒張壓和收縮壓。

圖1 動(dòng)脈血管的非線(xiàn)性力學(xué)特性

圖2 勻速加壓過(guò)程中的動(dòng)脈血壓波形和袖帶壓直線(xiàn)

Fig2Arterialbloodpressurewaveformandcuffpressurelineduringtheuniformpressurization

3 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測(cè)法的有效性，開(kāi)發(fā)了檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以橈動(dòng)脈為檢測(cè)對(duì)象，通過(guò)由微型氣泵、電空變換器和壓力傳感器等組成的加壓系統(tǒng)，以5 mmHg/s的速率給袖帶勻速加壓。在加壓過(guò)程中，分別記錄袖帶的壓力和代表血管壁變化的容積脈搏波，并將檢測(cè)的結(jié)果送入PIC單片機(jī)控制單元，進(jìn)行系統(tǒng)控制并計(jì)算容積脈搏波的振幅梯度，最終檢測(cè)出動(dòng)脈血流的收縮壓和舒張壓。

圖3 容積脈搏波的波谷梯度變化

圖4 容積脈搏波的波峰梯度變化

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。加壓袖帶置于手腕處橈動(dòng)脈的上方給動(dòng)脈加壓，由壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)其內(nèi)部壓力；光電傳感裝置置于袖帶的下方和橈動(dòng)脈的正上方，實(shí)時(shí)檢測(cè)加壓過(guò)程中橈動(dòng)脈的血管容積變化。加壓系統(tǒng)的作用是對(duì)袖帶加壓并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的壓力調(diào)節(jié)，電空變換器的作用是按照袖帶勻速加壓的要求通過(guò)調(diào)整電磁閥閥口的大小控制微型氣泵進(jìn)入袖帶的氣量。為保證袖帶內(nèi)的壓力以5 mmHg/s的速率線(xiàn)性上升，由壓力傳感器檢測(cè)的袖帶壓力在控制單元計(jì)算誤差量并采用PID控制算法計(jì)算控制量，通過(guò)PWM控制電空變換器電磁閥的開(kāi)口大小，控制袖帶進(jìn)氣量進(jìn)而保證其壓力按規(guī)定的速率上升。

系統(tǒng)中有兩路模擬信號(hào)，一路是袖帶壓力信號(hào)，另一路是血管的光電容積信號(hào)。袖帶壓力信號(hào)由壓力傳感器采集，光電容積信號(hào)由近紅外發(fā)光二極管和光電二極管共同組成的光電傳感裝置采集。兩路模擬信號(hào)送至控制單元，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行計(jì)算處理。處理的結(jié)果實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是確定電空變換器的控制量、保證袖帶壓力的勻速上升；二是計(jì)算出容積脈搏波的振幅梯度進(jìn)而確定血管內(nèi)血流的收縮壓和舒張壓。

圖5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 系統(tǒng)控制流程

為保證系統(tǒng)硬件的正常工作，針對(duì)圖5所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了控制軟件，其控制流程見(jiàn)圖6。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后以5 mmHg/s的速率給袖帶加壓。當(dāng)壓力達(dá)到30 mmHg時(shí)，系統(tǒng)保壓10 s，以觀(guān)測(cè)到明顯的脈搏波或得到脈搏波周期為依據(jù)，判斷檢測(cè)位置的正確性。若檢測(cè)位置正確，則系統(tǒng)自動(dòng)繼續(xù)勻速加壓。在此過(guò)程中，系統(tǒng)自動(dòng)采集容積脈搏波和袖帶壓力等信號(hào)，并通過(guò)容積脈搏波的波峰波谷差值判斷血管是否壓閉。如果判斷血管尚未壓閉，系統(tǒng)將持續(xù)勻速加壓直至血管壓閉。然后，系統(tǒng)放氣，進(jìn)入數(shù)據(jù)分析處理模式，找到容積脈搏波中的最大脈搏波點(diǎn)并作為參考點(diǎn)，利用容積脈搏波的振幅梯度，得到動(dòng)脈血管內(nèi)的舒張壓和收縮壓，并顯示在顯示裝置上。如果達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最高壓力200 mmHg仍無(wú)法判斷血管是否壓閉，則加壓系統(tǒng)停止工作，系統(tǒng)放氣，顯示檢測(cè)失敗信息。本系統(tǒng)可根據(jù)不同的使用者設(shè)定不同的最高壓力。

圖6 系統(tǒng)控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

年齡為22～56歲的25名大學(xué)健康師生(其中有血壓偏高者)作為實(shí)驗(yàn)者，實(shí)驗(yàn)者在自然的狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，實(shí)驗(yàn)者坐在舒適的椅子上，兩腿自然下垂、兩足落地，兩肘部及前臂放松地放于桌面上；其次，在實(shí)驗(yàn)者的右臂上綁好加壓袖帶，采用水銀式血壓計(jì)(水銀血壓計(jì)家庭裝A型，魚(yú)躍醫(yī)療)待測(cè)；同時(shí)，將本系統(tǒng)置于實(shí)驗(yàn)者左手腕橈動(dòng)脈處，左手腕抬高與心臟平齊，準(zhǔn)備工作就緒。然后，按下啟動(dòng)鍵，本系統(tǒng)按照預(yù)定的控制流程自動(dòng)檢測(cè)血壓。同時(shí)，采用手動(dòng)方式用水銀式血壓計(jì)人工測(cè)量血壓。每個(gè)實(shí)驗(yàn)者測(cè)量?jī)纱?，若前后兩次的測(cè)量值變化不大，則視為有效值；若前后兩次的測(cè)量值變化顯著，則補(bǔ)測(cè)一次。每次測(cè)量完成后需間隔至少一分鐘再進(jìn)行下一次測(cè)量，測(cè)量間歇期袖帶應(yīng)成無(wú)充氣狀態(tài)。檢測(cè)結(jié)束后，整理數(shù)據(jù)，將這兩種方法得到的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、對(duì)比。

4.2 血壓檢測(cè)驗(yàn)證

為驗(yàn)證檢測(cè)原理的合理性和本系統(tǒng)的穩(wěn)定性，血壓對(duì)比實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了預(yù)備實(shí)驗(yàn)。選擇三位實(shí)驗(yàn)者，將本系統(tǒng)的檢測(cè)袖帶固定在實(shí)驗(yàn)者左手腕橈動(dòng)脈處，獲得加壓袖帶的壓力曲線(xiàn)Pc和橈動(dòng)脈的容積脈搏波曲線(xiàn)PGac，而后計(jì)算容積脈搏波波谷和波峰的振幅梯度確定橈動(dòng)脈的舒張壓和收縮壓。作為檢測(cè)例，圖7為實(shí)際檢測(cè)到的袖帶壓力曲線(xiàn)和容積脈搏波曲線(xiàn)，圖8、圖9為數(shù)據(jù)處理后的容積脈搏波振幅梯度曲線(xiàn)。

三位實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本系統(tǒng)可以得到清晰的袖帶壓力曲線(xiàn)和容積脈搏波曲線(xiàn)。而且，無(wú)論是容積脈搏波的波谷還是波峰的振幅梯度都明顯存在一個(gè)最大值，而此最大值分別對(duì)應(yīng)的袖帶壓力正是動(dòng)脈血管內(nèi)的舒張壓和收縮壓。因此，基于容積脈搏波振幅變化梯度的血壓檢測(cè)法是可行的。

4.3 血壓對(duì)比試驗(yàn)與結(jié)果分析

對(duì)25名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，每一位實(shí)驗(yàn)者采用本系統(tǒng)與水銀式血壓計(jì)同時(shí)檢測(cè)2次，并記錄下全部的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，圖10、圖11是本系統(tǒng)與水銀式血壓計(jì)同時(shí)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析結(jié)果。其中，圖10為收縮壓(SBP)、圖11為舒張壓(DBP)的對(duì)比分析結(jié)果。圖中(a)為兩種方法檢測(cè)結(jié)果的相關(guān)性分析圖，圖中(b)為兩種方法檢測(cè)結(jié)果的Bland-Altman分析圖[12]。

圖7 袖帶壓力曲線(xiàn)和容積脈搏波曲線(xiàn)

圖8 容積脈搏波波谷的振幅梯度

從圖10(a)和圖11(a)中可以看出，兩種方法測(cè)得的SBP的相關(guān)系數(shù)為r =0.945，DBP的相關(guān)系數(shù)為r=0.877?？梢?jiàn)，兩者均具有良好的直線(xiàn)相關(guān)性。圖10(b)和圖11(b)是檢測(cè)結(jié)果的Bland-Altman分析圖，圖中所應(yīng)用的三個(gè)主要參數(shù)為差值的均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和95%的置信區(qū)間范圍。在圖10(b)中，本系統(tǒng)與水銀式血壓計(jì)兩種測(cè)量法測(cè)得的50個(gè)SBP值的平均差值為0.64 mmHg，數(shù)據(jù)差值的標(biāo)準(zhǔn)差為4.57 mmHg，95%的置信區(qū)間范圍為(-7.73 mmHg，9.02 mmHg)。從圖中可以看出，差值的均數(shù)與0線(xiàn)接近，標(biāo)準(zhǔn)差為4.57 mmHg，顯示了較好的一致性和較小的離散性。另外， 96%的點(diǎn)位于95%的置信區(qū)間范圍之內(nèi)，說(shuō)明兩種測(cè)量方法所得到的實(shí)測(cè)結(jié)果一致性高。同樣，在圖11(b)中，測(cè)得的50個(gè)DBP值的平均差值為-0.12 mmHg，數(shù)據(jù)差值的標(biāo)準(zhǔn)差為3.79 mmHg，95%的置信區(qū)間范圍(-7.54 mmHg，7.30 mmHg)，94%的點(diǎn)均位于95%的置信區(qū)間范圍之內(nèi)。說(shuō)明本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測(cè)方法在收縮壓和舒張壓的測(cè)量上具有相同的精度。

圖9 容積脈搏波波峰的振幅梯度

圖10本系統(tǒng)與水銀血壓計(jì)檢測(cè)的SBP結(jié)果及其Bland-Altman圖

Fig10SBPresultsobtainedbythepresentsystemandbythemercurysphygmomanometerandtheirBland-Altmanplot

圖11本系統(tǒng)與水銀血壓計(jì)檢測(cè)的DBP結(jié)果及其Bland-Altman圖

Fig11DBPresultsobtainedbythepresentsystemandbythemercurysphygmomanometerandtheirBland-Altmanplot

5 結(jié)論

本研究提出了基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測(cè)方法，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了原理測(cè)試和對(duì)比試驗(yàn)。首先，對(duì)三名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；其次，以水銀式血壓計(jì)的測(cè)量結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展的基于容積脈搏波振幅梯度的血壓檢測(cè)法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明了兩種血壓檢測(cè)法具有良好的直線(xiàn)相關(guān)性；最后，用Bland-Altman圖進(jìn)行的結(jié)果分析，表明兩種檢測(cè)方法具有較高的一致性，收縮壓和舒張壓分別有96%和94%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分布在95%的置信區(qū)間范圍之內(nèi)。同時(shí)，兩種檢測(cè)方法的相關(guān)性和一致性分析也表明，在利用容積脈搏波振幅梯度法進(jìn)行血壓檢測(cè)時(shí)，收縮壓的檢測(cè)精度稍高于舒張壓，但二者的差異不大，檢測(cè)方法是有效性。