盧瑞祥（通信作者），張曉慶，王文丹

深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院 （廣東 深圳 518072）

臨床中常用的血壓測(cè)量方法主要是聽診法（柯氏音法）、示波法等無(wú)創(chuàng)方法。聽診法是公認(rèn)的血壓診斷金標(biāo)準(zhǔn)，而大量使用的電子血壓計(jì)，一般采用示波法。連續(xù)血壓測(cè)量對(duì)于重癥監(jiān)護(hù)患者具有重要的臨床價(jià)值[1]。在臨床應(yīng)用中，基于示波法的無(wú)創(chuàng)血壓（non-invasive blood pressure，NIBP）測(cè)量技術(shù)因需要周期性充放氣，難以滿足連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的要求，故一般使用有創(chuàng)血壓（invasive blood pressure，IBP）測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的24 h 連續(xù)血壓測(cè)量，但有創(chuàng)法需要進(jìn)行動(dòng)脈穿刺，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，且不便于普及應(yīng)用。伴隨著可穿戴生理測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間（pulse wave transmit time，PTT）的無(wú)袖帶血壓測(cè)量技術(shù)逐步成為行業(yè)熱點(diǎn)[2-4]。但由于PTT 血壓[特別是舒張壓（diastolic blood pressure，DBP）]測(cè)量方法存在準(zhǔn)確性差的問題，各國(guó)監(jiān)管部門對(duì)于批準(zhǔn)此類產(chǎn)品的市場(chǎng)準(zhǔn)入均極為謹(jǐn)慎。2017年，廣東省藥監(jiān)局批準(zhǔn)了國(guó)內(nèi)第一張基于PTT 法的無(wú)袖帶血壓計(jì)的醫(yī)療器械注冊(cè)證，但這張注冊(cè)證中對(duì)于該產(chǎn)品的預(yù)期用途做了明確的限定，即“適用于使用聽診法標(biāo)定之后的血壓測(cè)量”。在這種情況下，PTT 血壓測(cè)量?jī)H被用于測(cè)量特定患者的血壓變化趨勢(shì)，大幅降低了產(chǎn)品對(duì)血壓測(cè)量的準(zhǔn)確性的要求，也規(guī)避了此類產(chǎn)品直接對(duì)患者進(jìn)行血壓測(cè)量導(dǎo)致的臨床風(fēng)險(xiǎn)。同樣的，在臨床應(yīng)用中，基于PTT 方法的血壓測(cè)量，在定期使用聽診法標(biāo)定的前提下，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量。但由于基于PTT 技術(shù)的血壓測(cè)量技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是通過PTT確定患者血壓值（blood pressure，BP），與常規(guī)的壓力測(cè)量無(wú)直接關(guān)系。故現(xiàn)有的血壓模擬器（一般為氣體壓力發(fā)生器和校準(zhǔn)設(shè)備）等無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)此類產(chǎn)品的性能測(cè)試。

1 PTT 無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量方法的基本原理

臨床研究結(jié)果顯示，患者動(dòng)脈血壓[特別是收縮壓（systolic blood pressure，SBP）]與動(dòng)脈血管壁的緊張程度直接相關(guān)，而PTT 與動(dòng)脈血管壁彈性具有較強(qiáng)的相關(guān)性[5]。

根據(jù)莫恩斯-柯特威公式[6]，動(dòng)脈中脈搏波的傳導(dǎo)速度與動(dòng)脈管壁的彈性模量呈負(fù)相關(guān)，彈性模量越小，則脈搏波傳導(dǎo)速度越快，反之則越慢。由于彈性模量是壓力的函數(shù)，故脈搏波傳導(dǎo)速度可進(jìn)一步表達(dá)為患者BP 的函數(shù)。

PTT 為脈搏波在體內(nèi)動(dòng)脈樹中從心室傳導(dǎo)至遠(yuǎn)心端所用的時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，一般用心電信號(hào)的R 波峰值點(diǎn)與光電容積脈搏波描記法信號(hào)（photo plethysmo graphy，PPG）的峰值點(diǎn)之間的時(shí)間差作為PTT[7]，見圖1。

圖1 PTT 信號(hào)示意圖

在距離一定時(shí)，脈搏波傳導(dǎo)速度與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間成反比，可用以下公式表示：

式中V為脈搏波傳導(dǎo)速度，S為脈搏波傳導(dǎo)距離，T為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間

由脈搏波傳導(dǎo)速度與壓力及血管楊氏彈性模量的關(guān)系可得到：

式中P為壓力，ρ為流體密度，d為血管內(nèi)徑，S為脈搏波傳導(dǎo)距離，a為血管壁厚度，E0為壓力為零時(shí)的楊氏彈性模量，T為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，γ為表征血管特征的常量

若忽略血壓改變時(shí)動(dòng)脈內(nèi)徑大小和動(dòng)脈壁厚度的改變，上式右邊第1項(xiàng)可看作一個(gè)常量，求導(dǎo)可得到：

式中?P為壓力變化量，?T為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的變化量，T為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，γ為表征血管特征的常量

如果血管的彈性保持不變，那么血壓的變化和PTT 成正比。由此可建立血壓與PTT 的映射關(guān)系，即：

式中a，b用于表征血壓和PTT 關(guān)系的特征參數(shù)，對(duì)于特定患者，其特征參數(shù)可能存在較大差異；BP 為血壓值，PTT 為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間

大量臨床數(shù)據(jù)表明，SBP 與PTT 的線性相關(guān)程度較高，而DBP 與PTT 的線性相關(guān)程度相對(duì)較低[8-10]。為了簡(jiǎn)化，本研究將DBP 也按照線性相關(guān)處理，由此得到PTT、SBP、DBP 等參數(shù)的關(guān)系方程組：

式中SBP 為收縮壓，DBP 為舒張壓，PTT 為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間

對(duì)于特定患者，（a1，b1；a2，b2）是表征患者特征的一組PTT 特征參數(shù)。在使用聽診法標(biāo)定時(shí)，可以通過兩次標(biāo)定的方法，獲取特定患者的特征參數(shù)。例如：（a1=115.5，b1=-0.242；a2=70.8，b2=-0.124）就是通過臨床數(shù)據(jù)得到的一組典型特征值。

2 PTT 血壓模擬器的基本原理與數(shù)學(xué)模型

基于PTT 無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量的基本原理，研制可用于無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量系統(tǒng)血壓準(zhǔn)確性與重復(fù)性測(cè)試的檢測(cè)試驗(yàn)裝置，需要通過建立PTT-BP 逆映射模型，得到表征血壓標(biāo)準(zhǔn)值的PTT 函數(shù)。

由公式（4），BP 與PTT 是線性關(guān)系，可直接得到以下函數(shù)：

式中PTT 為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，BP為血壓值，SBP為收縮壓，DBP為舒張壓，a，b和a1，b1及a2，b2均為用于表征血壓和PTT 的關(guān)系的特征參數(shù)

由于BP 與PTT 的逆映射關(guān)系實(shí)質(zhì)上由一維變量（PTT）映射到二維變量（SBP，DBP），在約束條件（a1，b1；a2，b2）均為常量的情況下，PTT映射得到的序列（SBP，DBP）也受到相應(yīng)的約束，無(wú)法自由調(diào)節(jié)。當(dāng)對(duì)于特定患者使用聽診法標(biāo)定后，PTT 建立與BP 的函數(shù)關(guān)系，此時(shí)（a1，b1；a2，b2）為常量。針對(duì)不同患者，（a1，b1；a2，b2）作為特征參量可能存在較大差異，需要每次使用前根據(jù)聽診法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行重新標(biāo)定。因此，在建立PTT-BP 逆映射模型時(shí)，將（a1，b1；a2，b2）列為特征參數(shù)。

在兩次聽診法標(biāo)定的過程中，將標(biāo)定參數(shù)代入公式（5），分別得到每次標(biāo)定的參數(shù)（SBP1，DBP1，PTT1） （SBP2，DBP2，PTT2），并可得到下面的方程組：

式中SBP1、SBP2為兩次聽診法標(biāo)定時(shí)的收縮壓，DBP1、DBP2為兩次聽診法標(biāo)定時(shí)的舒張壓，（a1，b1；a2，b2）是表征患者特征的一組PTT 特征參數(shù)，PTT1、PTT2為兩次聽診法標(biāo)定的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，解此四元一次方程組，可以得到：

式中SBP1、SBP2為兩次聽診法標(biāo)定時(shí)的收縮壓，DBP1、DBP2為兩次聽診法標(biāo)定時(shí)的舒張壓，（a1，b1；a2，b2）是表征患者特征的一組PTT 特征參數(shù)，PTT1、PTT2為兩次聽診法標(biāo)定的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間，由公式（8）即可得到基于兩次聽診法標(biāo)定的患者的特征參數(shù)（a1，b1；a2，b2）。

PTT 血壓模擬器的實(shí)質(zhì)就是1個(gè)信號(hào)發(fā)生器，模擬輸出特定患者的PTT 特征信號(hào)，該患者特征用（a1，b1；a2，b2，SBP1，DBP1，PTT1）和（a1，b1；a2，b2，SBP2，DBP2，PTT2）兩組特征參數(shù)表達(dá)，并滿足公式（7）及（8）的條件。PTT 血壓模擬器首先用這兩組特征參數(shù)輸出PTT 特征信號(hào)（光電信號(hào)）和此時(shí)的SBP、DBP（示值輸出），模擬實(shí)際的聽診法標(biāo)定過程。

完成標(biāo)定后，在實(shí)際測(cè)試過程中，可依據(jù)該患者的特性參數(shù)（a1，b1；a2，b2），調(diào)整PTT（在一定范圍內(nèi)增加或減少?PTT），輸出此時(shí)的PTT特征信號(hào)（光電信號(hào)），并依據(jù)公式（5），輸出SBP 和DBP 的血壓參考值SBPref、DBPref。 在實(shí)際操作中，為符合血壓計(jì)的使用習(xí)慣，更加常用的做法是先確定預(yù)設(shè)的血壓參考值（一般取整數(shù)值），再代入公式（6）推導(dǎo)出需設(shè)置的PTT。

被測(cè)樣品完成標(biāo)定后，采集PTT 血壓模擬器輸出的PTT 特征信號(hào)（光電信號(hào)），計(jì)算此時(shí)的SBP和DBP 實(shí)測(cè)值SBPtest、DBPtest，并與參考值進(jìn)行比對(duì)，從而確定被測(cè)樣品的測(cè)量誤差。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

基于PTT 的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓模擬器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，功能結(jié)構(gòu)包括心電信號(hào)（electrocardiosignal，ECG）發(fā)生器、PPG 發(fā)生器、同步控制器、通信模塊及上位機(jī)控制軟件。

圖2 基于PTT 的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓模擬器的電路結(jié)構(gòu)框圖

ECG 信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的電脈沖信號(hào)，可采用常規(guī)電脈沖發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)。

PPG 信號(hào)發(fā)生器由光信號(hào)接收器、光信號(hào)檢測(cè)電路、紅光/紅外光直流分量電平設(shè)置、脈搏波信號(hào)發(fā)生及調(diào)制電路、脈動(dòng)幅度放大器、輸出放大器及發(fā)光二極管陣列組成。光信號(hào)接收器包含寬帶光敏二極管及紅色濾光光敏二極管，分別接收測(cè)試樣品PPG 探頭所發(fā)出的紅光/紅外光信號(hào)。光信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)所接收光信號(hào)的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、調(diào)制頻率等，進(jìn)而使得輸出端的光信號(hào)與輸入端嚴(yán)格同步。擬輸出的脈搏波信號(hào)經(jīng)調(diào)制后疊加紅光和紅外光直流分量電平，并經(jīng)脈動(dòng)幅度放大器、輸出放大器驅(qū)動(dòng)后，最終由發(fā)光二極管陣列發(fā)生PPG 輸出信號(hào)。

ECG 信號(hào)發(fā)生模塊與PPG 信號(hào)發(fā)生模塊的信號(hào)輸出的相位差（時(shí)間差）即為PTT，這需要通過基于STM32微控制器的同步控制器在同一時(shí)鐘時(shí)序下，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步控制。

模擬器的流程控制、功能選擇以及SBP、DBP參考值的顯示，均在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)，并通過RS232接口與模擬器下位機(jī)通信并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。

模擬器具體的工作流程見圖3。

圖3 PTT 血壓模擬器測(cè)試流程圖

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究首先采用控制變量法對(duì)模擬器的性能及功能進(jìn)行驗(yàn)證，如：將脈搏幅值作為變量，其他脈搏頻率、心電幅值及心電頻率固定為一種驗(yàn)證方案，以測(cè)試在各情況下脈搏幅值的準(zhǔn)確性。以此類推，分別驗(yàn)證脈搏頻率準(zhǔn)確性、心電幅值準(zhǔn)確性及心電頻率準(zhǔn)確性。

基于各模擬信號(hào)驗(yàn)證的可靠性，對(duì)本研究所設(shè)計(jì)的模擬器進(jìn)行功能驗(yàn)證。通過設(shè)置脈搏波及心電波形不同的頻率，進(jìn)而改變心電R 波與脈搏波的峰值的時(shí)間差，通過與計(jì)算出理論的SBP 和DBP 對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證模擬器輸出的準(zhǔn)確性。

基于PTT 的設(shè)置精度，血壓動(dòng)態(tài)壓的設(shè)置范圍可覆蓋SBP 60～245 mmHg（1 mmHg=0.133 kPa），DBP 40～200 mmHg；重復(fù)性（對(duì)應(yīng)于PTT 信號(hào)發(fā)生的穩(wěn)定性）小于3 mmHg。

性能驗(yàn)證結(jié)果如表1所示。

表1 性能驗(yàn)證結(jié)果

由表1可知，本研究設(shè)計(jì)的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓模擬器得到的模擬BP 與無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量系統(tǒng)得到的BP 的絕對(duì)誤差均小于3 mmHg，準(zhǔn)確性（重復(fù)性）可滿足產(chǎn)品性能測(cè)試的要求。

5 討論

與傳統(tǒng)的聽診法、示波法相比，基于PTT 的無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量方法在無(wú)創(chuàng)連續(xù)血壓測(cè)量方面具有較好的適用性，特別是在基于聽診法標(biāo)定的前提下，解決了現(xiàn)有技術(shù)在臨床應(yīng)用時(shí)針對(duì)不同患者算法的適應(yīng)性差導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性差的關(guān)鍵問題。為配合此類產(chǎn)品的產(chǎn)品檢驗(yàn)要求，本研究研制的基于PTT 的血壓模擬器，可以有效解決此類產(chǎn)品無(wú)檢測(cè)裝備的問題。需要說(shuō)明的是，在基于聽診法標(biāo)定的前提下，樣品的準(zhǔn)確性測(cè)試其實(shí)更接近一種重復(fù)性的測(cè)試。同時(shí)，在建立BP-PTT 函數(shù)關(guān)系時(shí)，本研究將DBP 參數(shù)與SBP 參數(shù)一并按照線性關(guān)系進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，但在較為復(fù)雜的算法模型中，僅SBP 參數(shù)與PTT 呈較強(qiáng)的線性相關(guān)性，而DBP 參數(shù)與PTT 的函數(shù)關(guān)系需要用一個(gè)高階的多項(xiàng)式函數(shù)或指數(shù)函數(shù)表達(dá)。此時(shí)，無(wú)論是聽診法標(biāo)定過程，還是后續(xù)的測(cè)試過程，模擬器均應(yīng)與被測(cè)樣品在算法上保持一致性。