基于脈搏波的新型血壓與血管硬度測量儀的研制

1、基于脈搏波的新型血壓與血管硬度測量儀的研制全曉莉1,黃麗雯1,佘麗1,周南權(quán)2(1.重慶工學(xué)院電子信息與自動化學(xué)院,重慶400050;2.重慶大學(xué)數(shù)理學(xué)院,重慶400030摘要:目的:根據(jù)脈搏波理論研制出一種新型血壓與血管硬度測量儀。方法:利用示波法原理在波形特征法和幅度系數(shù)法的基礎(chǔ)上提出一種系數(shù)差分比值法來間接測量血壓的新方法,通過采集肱動脈和橈動脈兩處波形,獲得了脈搏波傳播速度(PWV 、動脈順應(yīng)性(C1、C2和動脈硬化指數(shù)(ASI 三個反映受試者動脈彈性的參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果:通過大量病例分析和臨床測試證實(shí)了算法的有效性和可靠性,而且此算法已經(jīng)應(yīng)用LabVIEW 開發(fā)成軟件并在醫(yī)院進(jìn)行臨床應(yīng)用

2、。結(jié)論:血壓與血管硬度檢測儀能判斷心血管病患者與正常人的差異性,對我國心血管病方面流行病學(xué)的調(diào)查、疾病預(yù)防、疾病早期發(fā)現(xiàn)都具有很大的意義。關(guān)鍵詞:脈搏波;血壓;PWV ;動脈順應(yīng)性;ASI 中圖分類號:R318.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1005-202X (200801-0515-05Designing a New Kind of Blood Pressure and Artery Stiffness Measuring Instrument Based on Pulse WaveQUAN Xiao-li 1,HUANG Li-wen 1,SHE Li 1,ZHOU Nan-quan 2,(

3、1.School of Electronics and Automation,Chongqing Institute of Technology,Chongqing 400050,China;2.College of Mathematics and Physics Chongqing University,Chongqing 400030,ChinaAbstract:Objective:A new kind of blood pressure and artery stiffness measuring instrument is designed on the basis of pulse

4、wave.Method:A new method of blood pressure measurement is presented by oscillometric based on feature point method and amplitude characteristic ratios method.PWV,C1,C2and ASI which can show artery elasticity state can be calculated by brachial pulse wave and radial pulse wave.Result:The algorithms p

5、rove effective and reliable through analyses of many cases and lots of clinical tests,which have been applied to the development of Lab-VIEW-based software for clinical use.Conclusion:Blood pressure and artery stiffness measuring instrument can detect difference between cardiovascular patients and n

6、ormal persons,it provides a convenient method for researching,preventing and epidemiological studies of cardiovascular diseases in our country.Key words:pulse wave;blood pressure;pulse wave velocity ;arterial compliance;arterial stiffness index前言高血壓和動脈硬化是引起各種心血管疾病的主要原因1。研究表明,高血壓和動脈硬化的初期階段,雖然還沒有自覺癥狀,

7、但血壓、血管彈性和血管阻力等一系列心血管參數(shù)實(shí)際上已開始發(fā)生變化。如果能及時檢查出這些參數(shù)的變化,并對其特征進(jìn)行分析,就可能在還沒有自覺癥狀的情況下及早診斷出高血壓和動脈硬化這兩個心血管病的潛在危險因素,為心血管病的預(yù)防和治療爭取到寶貴的時間。臨床上血壓測量技術(shù)可分為直接法和間接法兩種。直接測量法數(shù)據(jù)最為準(zhǔn)確,但其技術(shù)要求比較高,并且有一定的創(chuàng)傷性,所以僅適用于危重病人。間接測量法目前常用的有兩種,即聽診法(auscultatory method 和示波法(oscillometric method 。聽診法帶有主觀性,給判別帶來一定誤差。近年來許多血壓計和血壓監(jiān)護(hù)儀大多采用示波法間接測量血壓。

8、示波法測血壓是通過建立收縮壓、舒張壓與袖套壓力波的關(guān)系來判別血壓。因?yàn)槊}壓波與血壓有較為穩(wěn)定的相關(guān)性,因此利用示波原理測量的血壓值比較準(zhǔn)確。而且收稿日期:2007-05-29作者簡介:全曉莉(1975-,女,碩士研究生,重慶工學(xué)院電子信息與自動化學(xué)院講師,研究方向:生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)和虛擬儀器軟件開發(fā),Tel E-mail :znq55555 。2008年1月中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志Jan .,2008第25卷第1期Chinese Journal of Medical Physics515-示波法測血壓時,袖套內(nèi)無拾音器件,操作簡單,抗外界噪聲干擾能力強(qiáng)。本文利用示波法原理在

9、波形特征法和幅度系數(shù)法的基礎(chǔ)上提出了在一定幅值范圍內(nèi)依據(jù)差分比值法判定血壓的一種新方法即系數(shù)差分比值法。1參數(shù)算法實(shí)現(xiàn)原理動脈硬化指數(shù)ASI 的算法4,5早已有研究,在這不再贅述。1.1血壓參數(shù)算法的實(shí)現(xiàn)系數(shù)差分比值法對于收縮壓、舒張壓的判定,由于程序較為復(fù)雜,我們這里采用流程圖(如圖1所示的形式給予闡述。設(shè)peaki表示第i 個波峰所對應(yīng)的峰值;d=peaki-peaki-1表示幅度差值;rd=(peaki-peaki-1/peaki-1表示相對比值。本文提出的系數(shù)差分比值法克服了平均壓附近突變點(diǎn)的誤判和收縮壓以前及舒張壓以后脈搏波幅值較小而引起的突變點(diǎn)的誤判。因此采用系數(shù)差分比值法尋找突變

10、點(diǎn)的方法判斷收縮壓和舒張壓是可行的。1.2動脈順應(yīng)性算法的實(shí)現(xiàn)大小動脈彈性指數(shù)C1和C2評價動脈彈性的優(yōu)勢已被國內(nèi)外很多臨床研究和實(shí)驗(yàn)證明6-8。計算大小動脈彈性指數(shù)的理論依據(jù)是如圖2所示的動脈雙彈性腔模型:從這個模型可以得到計算大動脈彈性指數(shù)(C1和小動脈彈性指數(shù)(C2的理論方程:P !"t =A 1exp -A 2!"t +A 3exp -A 4!"t cos A 5t+A 6!"就是將動脈舒張期壓力波形分解為指數(shù)冪衰減曲線和反射波震蕩曲線。P (t 是時間t 時的舒張壓,A 1exp -A 2!"t 是呈指數(shù)冪衰減的壓力,A 3exp -

11、A 4!"t cos A 5t+A 6!"是動脈系統(tǒng)反射波壓力。這樣,動脈舒張期任一時間點(diǎn)的壓力與大動脈和小動脈彈性建立一種函數(shù)關(guān)系。從系數(shù)A 2、A 4、A 5可以分別計算大動脈彈性指數(shù)C1和小動脈彈性指數(shù)C2:C1=2A 4A 2+A 4!"2+A 5#$/RA 22A 4+A 2!"+A 42+A 52%&C2=1/2A 4+A 2!"圖1收縮壓和舒張壓判定流程圖Fig.1Flow chart of determining systolic bloodpressure and diastolic blood pressure圖2動

12、脈系統(tǒng)雙彈性腔模型及其等值回路Fig.2Double elasticity module of artery system and its equal loop中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志第25卷第1期2008年1月516-圖3求t的原理圖Fig.3The schematic figure of calculatingt圖4硬件系統(tǒng)總體框圖Fig.4The block diagram of hardware system圖5軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.5The block diagram of software system中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志第25卷第1期2008年1月本文在軟件算法中對采集到的橈動脈舒張

13、期脈搏波形進(jìn)行L-M曲線擬合,得到對應(yīng)參數(shù)A i。從而計算C1和C2。1.3PWV動脈順應(yīng)性算法的實(shí)現(xiàn)如圖3所示,選中其中一個波進(jìn)行分析,假設(shè)脈搏波經(jīng)過臂動脈到達(dá)指尖這段距離所需要的時間為t,為了求得t,需要先求得脈搏波的起跳點(diǎn)D點(diǎn),因?yàn)楦蓴_因素的存在,不可能得到理想的脈搏波,即脈搏波的起跳點(diǎn)不一定就在波谷的位置A(x1,y1,因此通過波谷的位置A點(diǎn)和波峰的位置B點(diǎn)建立一條線段AB,它的方程為:(y1-y2x+(x2-x1y+(x1y2-x2y1=0而D點(diǎn)的位置就是脈搏波到AB線段最大距離的那個點(diǎn)。然后根據(jù)距離公式:l=ax+by+ca2+b2!求出D點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y。橫坐標(biāo)x即為D點(diǎn)所對應(yīng)的

14、時間,同理求出指尖波起跳點(diǎn)位置的橫坐標(biāo),然后兩個值相減即為時間t。由此可得出脈搏波的傳播速度PWV=L/t (m/s。2系統(tǒng)硬件設(shè)計該測量系統(tǒng)的硬件主要由三部分構(gòu)成:一是模擬信號的檢測;二是數(shù)字電路的設(shè)計;三是電機(jī)的充放氣回路的構(gòu)成。硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖4。單片機(jī)采用C8051F020,AD卡是8通道12位的,轉(zhuǎn)換電壓為-3.4V+3.4V,充氣泵采用電子自動充氣。腕部和臂部脈搏波所用傳感器均為M5050DP 壓力傳感器,該傳感器具有精度好,靈敏度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),這就保證了提取的脈搏波信號失真小。運(yùn)放使用的均為TLC2254。通信通道有2個。測量時將一條袖帶(袖帶規(guī)格14.5×

15、;51套在人體上臂,靠肘關(guān)節(jié)一側(cè),另一條(規(guī)格8×27.5套在橈動脈處。先由單片機(jī)控制氣泵向兩袖帶同時充氣,通過壓力傳感器采集壓力脈搏信號,當(dāng)肱動脈血管受壓迫停止脈動,此時單片機(jī)利用事先編好的程序控制放氣閥進(jìn)行緩慢放氣,使兩袖帶壓力逐步減小。當(dāng)袖帶壓力降到肱動脈收縮壓以下時,肱動脈開始搏動,并隨著袖帶壓的下降不斷加強(qiáng)。袖帶壓力、肱動脈和橈動脈的信號經(jīng)壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號,對此電壓信號進(jìn)行放大與兩次濾波(高通濾波與低通濾波處理,可以得到幅值適當(dāng)?shù)娜沸盘?將其經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行分析處理,計算結(jié)果用液晶進(jìn)行顯示。另外,送入單片機(jī)的數(shù)字信號也可以通過RS23

16、2串口通信方式送入上位機(jī),在上位機(jī)進(jìn)行更全面地分析處理。整個系統(tǒng)由開關(guān)電源統(tǒng)一供電。3系統(tǒng)軟件設(shè)計本研究以虛擬儀器labVIEW7.0為軟件操作平臺。該系統(tǒng)采用全中文操作界面。軟件系統(tǒng)主要完成了數(shù)據(jù)信號的采集、預(yù)處理、血流參數(shù)的分析計算、測試結(jié)果的存儲、回放和打印等功能。軟件系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖5所示。517-主界面(見圖6波形顯示用LabVIEW 中的chart 控件,使得顯示能夠在測量過程中實(shí)時進(jìn)行,因此實(shí)際上它是與數(shù)據(jù)通信同時進(jìn)行的。圖中波形分別為:袖帶壓力,臂動脈脈搏波,橈動脈脈搏波。左側(cè)測量結(jié)果欄分別顯示了PWV ,ASI ,SBP ,DBP ,MAP ,HR ,和C1,C2。從參數(shù)可

17、以看出這位測試者身體狀況良好,心血管功能相對年齡是很好的,但是,ASI 值116表明血管已經(jīng)有一定程度的硬化。C1、C2值較小,尤其是C2值下降,反映了該男性有潛在的動脈血管病變趨勢,需引起重視。右側(cè)的功能按鈕,分別實(shí)現(xiàn)了測量,分析,保存,打印,刷新等功能。4臨床研究4.1血壓與心率測試結(jié)果的對照分析我們采用的標(biāo)準(zhǔn)模擬儀是美國生產(chǎn)的無創(chuàng)血壓模擬儀BP Pump 2,它能夠模擬出正常人和病人的脈搏袖帶波以及相應(yīng)的收縮壓、平均壓、舒張壓和心率值。這里我們主要選擇了五組典型類型與本課題研究的測量儀進(jìn)行血壓與心率的分析比較。這五組按(收縮壓-平均壓-舒張壓-心率格式表示分別是:(120-93-80-8

18、0、(60-40-30-80、(120-80-60-45、(255-215-195-80、(140-106-90-162。我們用研制的測量儀每組測量150組,然后對測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計。其統(tǒng)計結(jié)果見表1。從表中我們可以看出血壓和心率測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都比較高。本儀器血壓與心率的算法已經(jīng)通過標(biāo)準(zhǔn)模擬儀質(zhì)檢驗(yàn)證其血壓精度為±5%、心率精度為±2%。4.2PP 、C1、C2、ASI 、PWV 統(tǒng)計分析超聲檢測頸動脈內(nèi)中膜厚度(CIMT 能夠比較準(zhǔn)確地反映動脈硬化情況,而且現(xiàn)在也沒有儀器能夠同時檢查PWV ,C1,C2,ASI ,因此,我們采用超聲檢測結(jié)果與這些參數(shù)的相關(guān)關(guān)系來驗(yàn)證本

19、儀器測量參數(shù)的準(zhǔn)確程度。所用超聲為北京東方惠兒公司生產(chǎn)的Terason 便攜式彩超。為了驗(yàn)證PP 、C 2、ASI 、PWV 和CIMT 等的關(guān)系,我們在表2中給出了被測者的資料,一組為血壓正常組,一組為高血壓組。ASI 、PWV 、PP 、C 2同CIMT 顯著相關(guān)。它們的相關(guān)性分析分別如圖7(a (b (c (d 所示。4.3該測量儀不適人群經(jīng)過大量的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該測量儀不適合心率不齊的人群。因?yàn)樾穆什积R者脈搏波周期沒有規(guī)律,應(yīng)用該軟件的算法不能夠準(zhǔn)確計算相關(guān)參數(shù)。5結(jié)論本研究所設(shè)計的新型測量儀不僅可以同時測量圖6動脈功能測量儀的測試界面Fig.6Testing interface of a

20、rtery function parameters measuring instrumentSBP (mmHg MAP (mmHg DBP (mmHg HR (beats /min EaverageEmax Eaverage Emax Eaverage Emax Eaverage Emax60-40-30-800.5%4.3%2.7%4.6%1.3%4.8%0.5%1.8%120-80-60-451.7%5%1.6%4.8%2%3.3%0%0%120-93-80-800.8%5%0.8%4.2%1.3%5%0.25%1.9%140-106-90-1621.1%4.4%1.1%3.5%1.4%4

21、.7%1.4%2%255-215-195-800.2%5%0.7%4.7%0.7%4.9%0.3%1.8%表1血壓、心率的平均誤差和最大誤差統(tǒng)計報表Tab.1Average error and max error of BP and HRSBP-MAP-DBP-HR表2兩組患者的基本資料Tab.2Basic information of two groups血壓正常組高血壓組例數(shù)80100年齡50.11±10.2353.26±10.49BMI (kg/m 2注:Eaverage 表示平均誤差;Emax 表示最大誤差中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志第25卷第1期2008年1月518-PWV 、C1、C2和動脈硬化指數(shù)ASI ,而且可以測量血壓參數(shù)。該儀器通過了YY/T 0287-2003和GB/T19001-2000認(rèn)證并在醫(yī)院進(jìn)行臨床應(yīng)用。該產(chǎn)品已經(jīng)獲得國家食品藥品監(jiān)督管理局頒發(fā)的生產(chǎn)許可證由生產(chǎn)企業(yè)批量上市。該儀器能判斷心血管患者與正常人的差異性,而且這些研究結(jié)果對我國心血管病方面流行病學(xué)的調(diào)查、疾病預(yù)防和疾病的早期發(fā)現(xiàn)都具有很大的意義。參考文獻(xiàn):1Jay