王軍昂，張立新，吳凱楓，王賽, 凌云

（南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京，210044）

0 引言

隨著社會(huì)的的進(jìn)步,人們的生活方式得到了巨大的提升，高油高脂高糖類食品占比越來越高，同時(shí)生活節(jié)奏也隨之變快，降低了人們運(yùn)動(dòng)時(shí)間，提高了生活壓力，越來越多的疾病影響著人們的身體健康。其中高血壓已經(jīng)成為危害人們的重大疾病之一，尤其是高血壓的年輕化，更是應(yīng)該需要成為人們重視的問題[1]。根據(jù)2018年中國(guó)衛(wèi)生健康調(diào)查報(bào)告，自2015年以來，高血壓在中國(guó)成人總數(shù)的占比越來越高，其中30-50歲的中老年人患病數(shù)逐年提高，形勢(shì)不容樂觀[2]。同時(shí)高血壓是心腦血管疾病最主要的風(fēng)險(xiǎn)因素，并且目前還沒有完全治愈高血壓的方法，只能通過藥物和自身管理控制。由于血壓需要不定期的檢測(cè)，使用電子血壓計(jì)進(jìn)行日常檢測(cè)來降低高血壓的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)，監(jiān)控自身健康變得重中之重。

1 測(cè)量原理

在血壓測(cè)量的發(fā)展過程中，根據(jù)測(cè)量血壓的方式分為兩種測(cè)量方式：直接測(cè)量血壓法和間接測(cè)量血壓法[3]。直接測(cè)量法又稱為有創(chuàng)法，測(cè)試人員需要將測(cè)量工具放入被測(cè)人員動(dòng)脈血管中，盡管對(duì)人體有一定的傷害性，適用于重病患者和手術(shù)過程的患者，不適用于家庭血壓測(cè)試監(jiān)護(hù)。間接測(cè)量法又被稱為無創(chuàng)法，盡管測(cè)量精度沒有直接測(cè)量法高但是基本對(duì)人體無害。間接測(cè)量法主要以柯氏音法（聽診法）和示波法為主。人工柯氏音法和電子柯氏音法[4]是柯氏音法的兩大類。人工柯氏音法是測(cè)量人員通過聽診器傳來的柯氏音同時(shí)查看水銀對(duì)應(yīng)的值來判斷血壓，雖然精確但是測(cè)量方式是由測(cè)量人員的主觀判斷而定且對(duì)測(cè)量人員的技術(shù)要求比較高，不適合家庭自用。電子柯氏音法容易受外界影響，準(zhǔn)確性不高，總體來講低于示波法測(cè)量血壓。因此市面上最常用的電子血壓計(jì)測(cè)試方法為示波法。

示波法是根據(jù)脈搏波隨著袖套壓力的變化而隨之變化這一特點(diǎn)測(cè)量血壓的方法?；谛涮追艢猥@得血壓值的原理是[5]：首先帶上袖套進(jìn)行快速充氣，直到袖套壓力大于收縮壓20-30mmhg時(shí)或檢測(cè)不到脈搏波的變化時(shí)，再進(jìn)行緩慢放氣；此時(shí)袖套內(nèi)的靜壓力是要大于收縮壓（SP）的，因此動(dòng)脈血管會(huì)受到外部強(qiáng)大的壓力從而閉合，脈搏波會(huì)顯現(xiàn)出微小的振幅，隨著袖套的放氣其內(nèi)部的靜壓力慢慢變小，動(dòng)脈血管結(jié)束閉合狀態(tài)慢慢開啟，此時(shí)脈搏波的振幅由小變大。當(dāng)袖套內(nèi)的靜壓力等于脈搏平均壓（MP）時(shí)，脈搏波的振幅達(dá)到了最大值；當(dāng)袖套內(nèi)的靜壓力小于脈搏平均壓（MP）時(shí)，脈搏波的振幅開始變??；最后當(dāng)袖套內(nèi)的靜壓力小于脈搏舒張壓（DP）后，動(dòng)脈血管完全打開，脈搏波的振幅越來越小。如圖1所示。

目前基于示波法來判定人體血壓有很多種方法，目前可以歸納為兩種：波形特征法幅度系法。

(1)幅度系數(shù)法根據(jù)脈搏波的最大振幅確定平均壓，通過平均壓采用固定的幅度系數(shù)比來確定舒張壓和收縮壓，本文采用采用計(jì)算模型為：SP/MP=0.5，DP/MP=0.78。（MP:平均壓、SP：舒張壓、DP：收縮壓）

(2)波形特征法利用脈搏波包絡(luò)線的點(diǎn)位變化判斷血壓，包絡(luò)線有明顯上升的點(diǎn)認(rèn)定為收縮壓的點(diǎn)位，包絡(luò)線有明顯下降的點(diǎn)位認(rèn)定為舒張壓的點(diǎn)位。相對(duì)于幅度系數(shù)法，波形特征法比較復(fù)雜[7]，所以當(dāng)前市面上電子血壓計(jì)基本上采用幅度系數(shù)法設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的基本流程如圖2所示。

圖2 本設(shè)計(jì)基本流程圖

先進(jìn)行袖套快速充氣同時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集，當(dāng)檢測(cè)到脈搏波消失，然后進(jìn)行慢速放氣，在放氣過程中確定血壓值。

血壓信號(hào)確定流程如圖3所示：

圖3 信號(hào)處理流程

(1)采集信號(hào)：將壓力傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到脈搏波信號(hào)和袖套壓力信號(hào)的疊加信號(hào)。

(2)分離信號(hào)：將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的疊加信號(hào)通過IIR數(shù)字濾波器分離出脈搏波信號(hào)。

(3)擬合信號(hào)峰值點(diǎn)：對(duì)數(shù)字濾波器分離后的脈搏波信號(hào)進(jìn)行峰值點(diǎn)確定處理，處理好的峰值點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合獲取峰值點(diǎn)包絡(luò)線。

(4)計(jì)算血壓：尋找峰值點(diǎn)包絡(luò)線的最大值，其最大值即平均壓，根據(jù)幅度系數(shù)法通過平均壓確定收縮壓和舒張壓的位置。

3 信號(hào)處理

3.1 信號(hào)濾波處理

IIR數(shù)字濾波器差分方程為：

IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

雙線性變換主要是指數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)H(z)和對(duì)應(yīng)模擬濾波器的頻率響應(yīng)Ha(s)是線性映射關(guān)系。進(jìn)而將模擬濾波器變換成數(shù)字濾波器。首先設(shè)計(jì)模擬濾波器方程為

方程兩邊拉氏變換得到模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：

根據(jù)S平面與Z平面的映射關(guān)系：

數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為：

本文采用截至頻率為5Hz的IIR低通濾波器和0.5Hz的IIR高通濾波器，信號(hào)經(jīng)過0.5Hz的高通濾波器后得到大致的脈搏波信號(hào)，在經(jīng)過低通濾波去除其它噪聲信號(hào)，IIR數(shù)字濾波器仿真圖如圖4和圖5。

圖4 5Hz 低通濾波

圖5 0.5Hz 高通濾波

在整個(gè)血壓測(cè)量過程中，主要分為2個(gè)階段，一階段是將壓力傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過差分放大然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；二階段是將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波分離得到脈搏波，然后對(duì)脈搏波進(jìn)行信號(hào)處理，因此選擇合適的濾波器變得極為重要，直接關(guān)系到脈搏波的波形是否正確與標(biāo)準(zhǔn)，影響后續(xù)的結(jié)果。

利用IIR濾波器對(duì)壓力傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行數(shù)字濾波處理后得到脈搏信號(hào)如圖6所示，從圖中可以看出脈搏波的波形比較規(guī)則，各個(gè)波峰比較明顯，可以進(jìn)行下一步的信號(hào)處理。

圖6 信號(hào)波形分離圖

3.2 脈搏波擬合處理

高斯擬合的原理如下：

設(shè)一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xj， yj）（j=1,2,3,…,N）,用高斯函數(shù)描述為

式（8）中參數(shù)ymax、xmax和S分別為高斯曲線的峰高、峰高位置和半寬度信息。將式（8）兩邊取自然對(duì)數(shù)，化為

將（10）化為二次多項(xiàng)式擬合函數(shù)

考慮全部數(shù)據(jù)并且以矩陣的形式表示如下：

簡(jiǎn)記為：Z=XB+E(13)

在不考慮誤差E的情況下，根據(jù)最小二乘原理，構(gòu)成矩陣B的廣義最小二乘解為

根據(jù)式（10）求出參數(shù)ymax、xmax和S得到（8）式高斯函數(shù)的特征參數(shù)。

將所得ymax、xmax和S帶入（8）就得到有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xj， yj）（j=1,2,3,…,N）擬合的高斯函數(shù)。

經(jīng)過各種擬合仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比采用雙高斯擬合，將分離出的脈搏波進(jìn)行峰值檢測(cè)方法可以精確的檢測(cè)到脈搏信號(hào)峰谷特征點(diǎn)。在已經(jīng)檢測(cè)到峰谷值的基礎(chǔ)上進(jìn)行雙高斯曲線擬合構(gòu)造包絡(luò)線，如圖7所示。

3.3 確定血壓值

通過雙高斯曲線擬合脈搏波包絡(luò)線，確定高斯曲線的最大點(diǎn)為平均壓(MP)，通過幅度系數(shù)法計(jì)算出收縮壓(SP)和舒張壓（DP），幅度系數(shù)法采用計(jì)算模型為[9]：SP/MP=0.5，DP/MP=0.78。

圖7 高斯擬合包絡(luò)線

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方法采用IIR數(shù)字濾波提取脈搏波信號(hào)，采用雙高斯擬合的方法，提高了擬合精度，經(jīng)過仿真確定該方法計(jì)算量更小，通用性更強(qiáng)，使用該方法制作的血壓計(jì)適用于家庭中血壓的日常監(jiān)護(hù)。