蔣皆恢 ，徐俊，周虎成，嚴(yán)壯志，

1 上海大學(xué)先進(jìn)通信與數(shù)據(jù)科學(xué)研究院，上海市，200444

2 上海大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究所，上海市，200444

0 引言

隨著人口老齡化的日益加劇，高血壓患者持續(xù)增加，據(jù)2015年《中國(guó)居民營(yíng)養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告（2015年）》發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)18歲及以上居民的高血壓患病率高達(dá)25.2%，高于世界平均水平，且近年來(lái)患病率呈逐年上升趨勢(shì)[1]。高血壓不僅嚴(yán)重影響大腦交感神經(jīng)，對(duì)患者的健康與生活帶來(lái)一定的威脅，甚至引發(fā)心臟病、腦溢血等嚴(yán)重心血管疾病，使其發(fā)病率顯著上升[2-3]。作為反映患者心血管功能的重要生理指標(biāo)，連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)對(duì)患者心血管狀況的評(píng)估以及醫(yī)生臨床診斷心臟疾病有重要的幫助[4]。

無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量設(shè)備研制一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的熱門(mén)研究課題。例如，THOMAS等[5]提出了一款BioWatch，它是一種基于脈搏波傳播時(shí)間（Pulse Transmit Time, PTT）模型進(jìn)行血壓估算的無(wú)創(chuàng)腕式血壓監(jiān)測(cè)器，研究了人處于不同狀態(tài)下穿戴式設(shè)備的準(zhǔn)確性。ZHENG等[6]提出了一種基于PTT模型的臂帶式可穿戴設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是可以用于過(guò)夜血壓測(cè)量。JUNIOR等[7]提出使用智能手機(jī)以現(xiàn)有傳感器獲得可靠的PTT值。IMANI等[8]提出了一種實(shí)時(shí)健康和健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并可以通過(guò)藍(lán)牙獲取信號(hào)和傳輸數(shù)據(jù)。FRANCESCO等[9]提出了一種使用新型的智能手機(jī)進(jìn)行PPG信號(hào)采集的方法，并對(duì)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)估算連續(xù)血壓值方法加以改進(jìn)，使智能手機(jī)能夠處理PPG信號(hào)以及估算血壓。

國(guó)內(nèi)對(duì)于無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量設(shè)備相關(guān)技術(shù)的研究雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)不斷努力，相關(guān)的研究成果也不斷出現(xiàn)。郭維[10]提出了一種穿戴式人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)無(wú)袖帶血壓連續(xù)測(cè)量功能，并使用自適應(yīng)濾波器處理脈搏波信號(hào)，提高血氧飽和度測(cè)量的準(zhǔn)確度。李頂立[11]開(kāi)發(fā)一套無(wú)創(chuàng)心功能監(jiān)測(cè)儀，對(duì)航天員血壓、血氧飽和度、每搏心輸出量等生理參數(shù)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)連續(xù)測(cè)量，并改進(jìn)了基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間和歸一化脈搏波理論的收縮壓和舒張壓計(jì)算方法。陳少吉[12]對(duì)多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試，根據(jù)模型的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，得出最適合人體血壓序列的預(yù)測(cè)模型和算法流程。

總體來(lái)說(shuō)，受測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法不完善的限制，穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還處于研究階段。對(duì)于穿戴式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，改善生理信號(hào)提取方法，縮小儀器體積，提高信號(hào)處理以及估算模型的準(zhǔn)確性是主要的技術(shù)研究重點(diǎn)。

本文研究開(kāi)發(fā)了基于穿戴式設(shè)備的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以同步測(cè)量、記錄心電與脈搏波信號(hào)，并在此基礎(chǔ)上分析心電與脈搏波的波形信息，可以計(jì)算得到動(dòng)脈血壓。測(cè)量由下位機(jī)穿戴式設(shè)備系統(tǒng)完成，主要實(shí)現(xiàn)心電與脈搏波信號(hào)的采集，將采集所得數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙上傳至上位機(jī)。上位機(jī)為計(jì)算機(jī)端，通過(guò)運(yùn)行算法程序，實(shí)現(xiàn)心電以及脈搏波原始波形的存儲(chǔ)與顯示功能以及動(dòng)脈血壓估算。本系統(tǒng)設(shè)備小巧，成本低廉，能夠準(zhǔn)確采集心電信號(hào)以及脈搏波信號(hào)，計(jì)算出準(zhǔn)確的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間以及提取脈搏波特征點(diǎn)，估算模型準(zhǔn)確性高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

該基于穿戴式設(shè)備的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由中央控制模塊、信號(hào)采集模塊、電源模塊、顯示模塊和上位機(jī)模塊組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 穿戴式設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of wearable device system

系統(tǒng)的工作流程為：電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電源；BMD101與MSP430F5529通過(guò)串口通信，MSP430F5529讀取串口緩存將心電數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)。PulseSensor光電模塊與MSP430F5529的A/D轉(zhuǎn)換引腳相連接，MSP430F5529單片機(jī)控制紅光、紅外光通道的切換，脈搏信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化后暫時(shí)存儲(chǔ)，最終由固定通信協(xié)議打包并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至計(jì)算機(jī)端進(jìn)行信號(hào)處理及分析，實(shí)現(xiàn)血壓的無(wú)創(chuàng)連續(xù)估算。硬件電路實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 穿戴式設(shè)備硬件實(shí)物圖Fig.2 Physical diagram of wearable device

1.1 中央控制模塊設(shè)計(jì)

中央控制模塊是穿戴式設(shè)備的核心處理模塊，用于控制信號(hào)采集模塊采集信號(hào)并與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其主要包括MSP430F5529處理器設(shè)計(jì)、藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)。

1.1.1 MSP430F5539處理器

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó) Texas Instruments(TI)的一種16位RISC結(jié)構(gòu)，超低功耗的混合信號(hào)處理器，是中央控制模塊的核心單元，該處理器具有64個(gè)針腳，具有 128 kB 閃存、8 kB RAM、2 個(gè) USCI、12位 ADC，滿(mǎn)足穿戴式設(shè)備的AD采集、串口通信和低功耗的要求。

1.1.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊[13]實(shí)現(xiàn)了下位機(jī)MSP430F5529處理器與上位機(jī)計(jì)算機(jī)端之間的數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)選用TI公司的CC2541芯片藍(lán)牙模塊，其具有寬泛的電源電壓范圍 (2 V～3.6 V)，非常適合應(yīng)用于需要超低能耗的系統(tǒng)。模塊使用串口波特率為115 200 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位校驗(yàn)位，通過(guò)AT指令對(duì)串口波特率、藍(lán)牙配對(duì)碼等參數(shù)調(diào)用。

1.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊用來(lái)為穿戴式設(shè)備系統(tǒng)供電，也可以對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。該模塊由電源管理模塊、直流隔離模塊和穩(wěn)壓模塊組成。在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中MSP430F5529處理器和藍(lán)牙模塊采用了3.3 V供電，其余電路均采用了5 V供電。

電源管理模塊采用集成芯片TP4056，最大輸入電壓為8 V，充電電壓和輸出電壓固定于4.2 V±0.063 V。充電電流可以通過(guò)與腳PIN2(PROG)連接的電阻控制，計(jì)算如下：

式中IBAT為該款芯片BAT引腳輸出的最大電流，單位為mA，電壓為 1 200 mV。

本文中Rprog=1.2 kΩ，正常充電電流為1 A，充電速度快，充電完成后LED指示燈自動(dòng)媳滅。

此外我們還選用了B0303作為直流隔離模塊以防止穿戴式設(shè)備對(duì)人體造成電擊傷害，SGM2019作為穩(wěn)壓模塊用于穩(wěn)定供電電壓。

1.3 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

1.3.1 心電信號(hào)采集模塊

本文中心電信號(hào)采集模塊采用BMD101心電傳感器，其模擬前端主要由低噪聲放大器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及一個(gè)檢測(cè)感應(yīng)器脫落的檢測(cè)電路組成，具有極佳的消噪功能?？刹杉瘡摩蘓到mV的生物信號(hào)，采樣頻率為512 Hz，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器采用16位精度，實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)截止頻率為100 Hz的低頻濾波器濾波后，通過(guò)UART輸出。

其中，BMD101芯片的SEP引腳和SEN引腳經(jīng)過(guò)雙向防靜電二極管分別與圓形不銹鋼干電極片相連接，雙向二極管可以對(duì)人體進(jìn)行靜電防護(hù)。采集的心電信號(hào)經(jīng)由BMD101芯片處理，從TX引腳以串口異步通信方式與MSP430F5529處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

1.3.2 脈搏波信號(hào)采集模塊

本文中心電信號(hào)采集模塊采用PulseSensor光電反射式模擬傳感器，由光源和光電變換器兩部分組成。本文選擇紅光和紅外光兩個(gè)光源。選擇某一通道只需要使相應(yīng)通道的電源連接即可，每一通道的信號(hào)由同一引腳輸出，能保證每通道信號(hào)的直流分量一致。通過(guò)MSP430F5529控制光源輸出和A/D轉(zhuǎn)換獲得基于光電容積的脈搏波信號(hào)。

1.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

本文采用0.96 英寸的 OLED顯示屏模塊進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)的顯示，顯示模塊通過(guò)IIC/SPI接口與MSP430F5529處理器相連接。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)是基于MSP430F5529處理器的嵌入式開(kāi)發(fā)，MSP430F5529在系統(tǒng)初始化后，協(xié)調(diào)BMD101心電傳感器和PulseSensor光電容積脈搏傳感器正常工作。為實(shí)現(xiàn)心電、紅光脈搏、紅外光脈搏三路信號(hào)都能夠?qū)崟r(shí)采集，其中心電信號(hào)采樣頻率固定為512 Hz，需通過(guò)串口讀取。本文對(duì)紅光通道和紅外光通道兩路脈搏信號(hào)均采用512 Hz頻率進(jìn)行采樣，以保證三路信號(hào)協(xié)調(diào)一致。為使程序高效、減少功耗，下位機(jī)程序多采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)。由于對(duì)微處理器的時(shí)鐘要求較高，本文采用25 MHz作為主時(shí)鐘頻率，對(duì)兩路脈搏信號(hào)的采集由定時(shí)器TA0中斷進(jìn)行控制，設(shè)置定時(shí)器每1/1 024 s后切換一次采樣通道，反復(fù)循環(huán)，可保證兩路脈搏信號(hào)采樣頻率均為512 Hz。同時(shí)，通過(guò)串口中斷讀取BMD101心電數(shù)據(jù)，保證三路信號(hào)的時(shí)序一致。最后將三路信號(hào)的數(shù)據(jù)通過(guò)固定的打包協(xié)議經(jīng)串口發(fā)送給藍(lán)牙模塊。

圖3 系統(tǒng)下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)流程Fig.3 System computer software development process

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)是基于Matlab開(kāi)發(fā)。下位機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至上位機(jī)，首先要對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)和解析。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包為21字節(jié)，通過(guò)判斷包頭、包尾和數(shù)據(jù)包中心字節(jié)是否和預(yù)設(shè)字節(jié)信息相等，完成對(duì)數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)。之后將校驗(yàn)好的數(shù)據(jù)分別儲(chǔ)存到三個(gè)數(shù)組：心電信號(hào)數(shù)組、紅光脈搏信號(hào)數(shù)組和紅外光脈搏信號(hào)數(shù)組，之后對(duì)各通道數(shù)據(jù)分別做處理。數(shù)據(jù)信息包的通信協(xié)議功能如表1所示。

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)流程Fig.4 System upper computer software development process

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議說(shuō)明Tab.1 Data communication protocol description

為保證信號(hào)分析的有效性，信號(hào)提取后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)上限截止頻率為90 Hz，下限截止頻率為0.5 Hz的IIR二階巴特沃斯濾波器和中值濾波器對(duì)心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)進(jìn)行濾波，去除基線漂移和毛刺噪聲。

本文使用的血壓估算模型結(jié)合了脈搏波傳播時(shí)間模型[5]以及誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[9]。

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試分為三個(gè)部分，首先是對(duì)硬件的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，即通過(guò)對(duì)靜息狀態(tài)下短時(shí)間內(nèi)信號(hào)穩(wěn)定性分析，評(píng)估硬件的穩(wěn)定性。之后對(duì)硬件的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，即通過(guò)同時(shí)用多導(dǎo)生理記錄儀BIOPAC MP36和穿戴式設(shè)備采集心電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估硬件的準(zhǔn)確性。最后對(duì)血壓估算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，即通過(guò)同時(shí)使用醫(yī)用床邊監(jiān)護(hù)儀NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備進(jìn)行血壓估算對(duì)比，評(píng)估血壓估算的準(zhǔn)確性。如圖5所示，實(shí)驗(yàn)者同時(shí)使用醫(yī)用床邊監(jiān)護(hù)儀NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備進(jìn)行血壓測(cè)量。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖5 同時(shí)使用NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備測(cè)量血壓Fig.5 BP collected with NIHON KOHDEN monitor and wearable device simultaneously

3.1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采集了3名實(shí)驗(yàn)者（年齡：23～24歲，MEAN=23.67 歲, STD=0.58 歲）共390個(gè)樣本數(shù)據(jù)，具體統(tǒng)計(jì)信息如表2所示，其中1 mmHg=133.32 Pa。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的血壓（mmHg）Tab.2 BP ranges in the database

3.1.2 硬件穩(wěn)定性測(cè)試

通過(guò)對(duì)靜息狀態(tài)下3名實(shí)驗(yàn)者短時(shí)間兩次ECG信號(hào)和PPG信號(hào)采集，每次采集30 s數(shù)據(jù)，做t檢驗(yàn)，P值大于0.05時(shí)認(rèn)為無(wú)統(tǒng)計(jì)性差異，信號(hào)穩(wěn)定。

3.1.3 硬件準(zhǔn)確性測(cè)試

通過(guò)對(duì)靜息狀態(tài)下實(shí)驗(yàn)者同時(shí)使用多導(dǎo)生理記錄儀BIOPAC MP36和穿戴式設(shè)備采集心電信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

3.1.4 血壓估算準(zhǔn)確性測(cè)試

通過(guò)同時(shí)使用醫(yī)用床邊監(jiān)護(hù)儀NIHON KOHDEN和穿戴式設(shè)備進(jìn)行血壓估算對(duì)比。以NIHON KOHDEN的血壓值作為比較的檢測(cè)系統(tǒng)，以穿戴式設(shè)備的血壓數(shù)值作為待評(píng)價(jià)系統(tǒng)，進(jìn)行Bland-Altman檢驗(yàn)（B-A檢驗(yàn)）分析。使用兩種系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果差值的均數(shù)進(jìn)行偏差估計(jì)，以95%為置信區(qū)間。其中，中間的實(shí)線代表實(shí)際血壓值，虛線表示置信區(qū)間的大小。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 硬件穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

如表3所示，3名實(shí)驗(yàn)者短時(shí)間內(nèi)30 s ECG和PPG信號(hào)的P值均大于0.05，我們認(rèn)為信號(hào)無(wú)統(tǒng)計(jì)性差異，硬件采集到的信號(hào)穩(wěn)定。

表3 硬件穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.3 The result of stability test

3.2.2 硬件準(zhǔn)確性測(cè)試結(jié)果

如圖6所示，硬件采集的心電信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)的心電信號(hào)R波位置相同，可以用來(lái)計(jì)算PTT，結(jié)合脈搏波計(jì)算血壓值。

圖6 BIOPAC MP36和穿戴式設(shè)備同時(shí)采集心電信號(hào)對(duì)比Fig.6 Comparison of ECG collected with BIOPAC MP36 monitor and wearable device simultaneously

3.2.3 血壓估算準(zhǔn)確性測(cè)試

穿戴式設(shè)備進(jìn)行血壓估算結(jié)果如圖7所示，在上位機(jī)可以顯示采集信號(hào)的波形，并通過(guò)模型計(jì)算血壓值。

圖7 穿戴式設(shè)備血壓估算結(jié)果Fig.7 Result of blood pressure and SPO2 estimation by wearable

B-A檢驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，可以看出大部分DBP(375/390，96.15%) 和SBP (377/390，96.67%) 在95%置信區(qū)間內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖8 DBP和SBP的B-A檢驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Bland-Altman plot for DBP and SBP by NIHON KOHDEN blood pressure monitor and our system

本文設(shè)計(jì)的一款基于穿戴式設(shè)備的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以MSP430F5529為處理器，采集了心電信號(hào)和脈搏波信號(hào)；通過(guò)藍(lán)牙通信和上位機(jī)數(shù)據(jù)分析，獲得動(dòng)脈血壓值。在家庭或者社區(qū)監(jiān)護(hù)中，可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)使用者血壓狀況。其設(shè)備小巧，僅為4 cm×4 cm，成本低廉，能夠準(zhǔn)確采集心電信號(hào)以及脈搏波信號(hào)，并計(jì)算出準(zhǔn)確的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間以及提取脈搏波特征點(diǎn)，估算模型準(zhǔn)確性高。