赵德康，张永建，路开放
（河北工程大学 信息与电气工程学院，河北 邯郸 056038）
0 引 言
随着社会发展，人口老龄化加重，心血管健康成了人们越来越注重的问题，血压值的高低一直是诊断心血管疾病的一项重要标准[1]，但是在检测血压值得过程中，人们存在着很多问题，如可测量血压地点距离远、测量血压程序复杂[2⁃3]、测量结果误差大等问题[4]。对此，本研究提出一种新的多特征参数的血压提取方法，利用生物电采集技术，在人体手腕部位同步采集心电信号（Electrocardiograph，ECG）和脉搏信号（Photoplethysmo⁃graph，PPG），并通过多特征参数的回归分析，建立不同于以往单一参数模型的多特征参数的血压计算模型，实现了更准确便捷的人体血压的提取[5⁃7]。
1 基本原理
1.1 光电脉搏波信号概述
在心脏周期性的搏动产生压力使血液在人体的循环过程中，血管中流动的血液也以波的形式传递着这种压力，通常把这种可以反应脉搏压力的波就叫作脉搏波。当用一束光源的光照射人体血管时，由于血管周期性的扩张和收缩，透射光的强度呈现同周期性变化，即光强的变化可以反映血管中压力的变化。此时把所得到的光强度的变化转化为电信号，就可以得到脉搏波信号[8]。
1.2 脉搏波传导时间理论基础
由1878 年Moens⁃Korteweg 实验研究提出的流体波传导速度公式可知，人的长度为L的血管中脉搏波传导时间计算公式为：
式中：D为血管内径；h为弹性血管壁厚度；E为杨氏弹性模量；ρ为流体密度。这些值在一定时间内可以视为常量。
Hughes 等人证明了血管弹性模量E和血管跨壁压之间有以下关系：
式中：E0是血液管壁内压强达到平衡时的弹性模量；∝为一个系数，表征了血液管壁特征；BP 为血压值。结合式（1）和式（2），则有：
对式（3）两边同时求导可得：
可见，血压与PWTT（Pulse Wave Translation Time）的关系在一定范围为线性关系，那么在得到脉搏波传导时间后，便可计算动脉血压值[9⁃10]。本研究通过心电波峰值点和脉搏波峰值点时间差来计算PWTT。
1.3 年龄与血压关系
随着年龄的增长，人体的多个器官都会衰退，血管壁也会变得越来越脆弱，血管就容易出现异常，从而引起血液的不流通，最后容易引起血压变化。青年人，血管弹性好，当血管收缩时血管的总阻力增高时，血压随之升高，所以年轻人血压以舒张压高为主[11]。中年人和年轻人相比，缺乏运动，和老年人相比，工作应酬多，生活压力大，容易导致神经和体液水平变化，中年人容易表现舒张压增高，其原因和血管内功能紊乱有关。老年人动脉硬化明显，血管弹性差，多有心脏射血增加，因此就表现为收缩压高，而舒张压较低的现状[12⁃13]。
2 算法实现
2.1 算法概述
为了实现人体血压提取，本文算法首先对硬件系统采集到的心电波和脉搏波原始数据进行处理，使用巴特沃斯来消除信号中夹杂的噪声并获取信号的特征参数。之后通过获取的特征参数来计算脉搏波传导时间，并运用回归分析法分别建立收缩压和舒张压与脉搏波传导时间和年龄的数学模型，最终通过模型计算提取血压，其流程如图1 所示。
图1 算法流程
2.2 实验信号采集
本实验信号采集设备主要由1 颗YK1801 脉搏传感器芯片和1 颗MN8802 脉搏芯片组成，脉搏传感器芯片采用光电式容积脉搏波描记的方式感应人体的心电和脉搏信息，通过模拟前端芯片MN8802 向电脑输出波形信号。
2.3 信号预处理以及特征点提取
噪声和干扰会影响特征信息的提取，通过传感器获取的原始信号会夹杂着毛刺和基线漂移等噪声，在对脉搏波信号进行特征点提取以前，需要对它们进行预处理。因为血压采集设备中微处理器的计算能力有限，所以选用巴特沃斯滤波法，设置通带截止频率参数Wp1与Wp2 为0.5 Hz 和30 Hz，阻带截止频率参数Wc1 与Wc2 为0.1 Hz 和40 Hz，来对原始信号进行去噪处理。图2 为脉搏波原始信号与利用巴特沃斯去噪后信号的对比图。图3 为心电原始信号与利用巴特沃斯去噪后信号的对比图。可见基于巴特沃斯的去噪预处理方法有效地去除了信号的基线漂移和噪声毛刺，获得了较好的信号，为后面脉搏波信号的特征点提取奠定基础。
图2 原始脉搏信号与去除噪声后信号对比图
基于脉搏波的血压提取算法中，需要提取心电信号和脉搏信号的主波峰值点作为脉搏波传导时间的计算依据。在运用Matlab 软件的峰值获取函数findpeaks 提取特征值时，经常会提取到大量不需要的干扰点。所以采取增加时间阈值的方法，以0.65 倍的信号周期为时间阈值，若在时间阈值内只有一个极大值，则认为这个点为信号波峰值点，若时间阈值内有多个极大值，则认为幅值最大的点为信号峰值点，以此类推找出所有峰值点。
图3 原始心电信号与去除噪声后信号对比图
2.4 血压提取
人体存在正常的衰老过程，随着年龄增长，人体的各项生理机能也在退化，当动脉血管硬化时，血管的管壁会变厚，管腔会变小，弹性变小，血液流动阻力变大，血压升高，那么人的年龄就会对人体血压测量造成影响。在采集分析数据时也发现不同年龄段的尤其是老年和青少年的脉搏波和血压的关系有所不同，所以在此提出一种以年龄和脉搏波传导时间为参数的血压测量模型。
本文选取20 名不同年龄的测试者，通过两组实验仪器进行同步采集数据，左臂用生物电采集技术仪器采集测试者的心电和脉搏数据，右臂同时用医用水银血压仪采集测试者的收缩压和舒张压数据，并统计测试者的年龄信息。最后得到每一位测试者的血压和脉搏波传导时间以及年龄的对应数据。实验数据如表1 所示。
以计算得到的脉搏波传导时间和年龄为自变量，以医用水银血压计同步测得的血压值作为因变量，对收缩压进行线性回归分析并对舒张压进行二次多形式回归得到回归系数和常数项，得出血压计算模型如下：
式中：SBP 为收缩压；DBP 为舒张压；AGE 表示年龄；PWTT 代表脉搏波传导时间。
表1 20 名志愿者测试数据
3 实验结果与分析
下面根据建立模型进行血压准确性测试，选取不同年龄段的10 位志愿者，利用本设备采集人体血压值与利用鱼跃（YUYUE）牌医用水银血压计测量的血压值进行对比，计算其误差。测试数据如表2 所示，同时在手臂处采用鱼跃臂式电子血压仪（YE680B）测量血压进行参照对比。其中鱼跃（YUYUE）牌医用电子血压计的测量数值具体参数为：测量血压精度误差小于5 mmHg，测量范围为0～280 mmHg（0～37.3 kPa），实验数据如表3 所示。
经计算可知，通过模型计算所得收缩压平均绝对误差为3.0 mmHg，标准差为3.62 mmHg；舒张压平均绝对误差为4.5 mmHg，标准差为4.87 mmHg。可知，由模型计算出的收缩压和舒张压都达到了AAMI 美国医疗仪器促进协会制定的标准[14]（平均偏差不大于5 mmHg，标准偏差不大于8 mmHg）。
表2 模型计算血压与医用水银血压仪测量血压对比数据 mmHg
表3 电子血压仪与医用水银血压仪测量血压对比数据 mmHg
经计算可得，电子血压仪测得的收缩压平均绝对误差为3.80 mmHg，标准差为4.71 mmHg；舒张压平均绝对误差为5.06 mmHg，标准差为4.66 mmHg。经过本实验模型计算所得收缩压平均绝对误差为3.0 mmHg，标准差为3.62 mmHg；舒张压平均绝对误差为4.5 mmHg，标准差为4.87 mmHg。比较可知，由本实验模型计算出的收缩压和舒张压准确性相比传统袖带式电子血压仪准确性都有所提高。
4 结 语
本文对连续血压监测方法进行研究，提出一种基于心电和脉搏波信号并以年龄和脉搏波传导时间为参数的多参数血压检测方法。根据脉搏波噪声特性，提出巴特沃斯去噪方法对心电信号和脉搏波信号进行去噪处理并提取特征值，然后通过回归分析得到血压模型并计算提取血压。经实验验证，本文方法误差在国际医疗设备要求范围内，且适用于低功耗的可穿戴式设备，为家庭穿戴式人体血压检测提供了有效的实施路径。
