穿戴式测血压法的新型校准方法研究

单位代码 10006 学 号 10101032 分类号 R318.6 毕业设计(论文)穿戴式测血压法的新型校准方法研究 学院名称生物与医学工程学院 专业名称生物医学工程 学生姓名周 蓉 指导教师王 玲2014年5月穿戴式测血压法的新型校准方法研究周蓉北京航空航天大学周蓉北京航空航天大学北京航空航天大学本科生毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目： 穿戴式测血压法的新型校准方法研究 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：技术要求：1）提出基于脉搏波测血压的新型校准方法，可以实现一个点的较为准确的血压校准。2）设计并完成校准平台的搭建，利用标准的无创血压测量设备和我们自行开发的软件平台进行血压校准。3）完成后期验证实验，至少采集10人以上的血压数据对校准方法的血压估测精度和校准平台的方便舒适程度进行初步检验。与血压标准无创测量设备相比较，我们开发的穿戴式平台血压估测精度要达到误差平均值小于5mmHg，误差标准差小于8mmHg。 、毕业设计（论文）工作内容：1. 2014年1月10日3月6日 在导师指导下进行文献调研和阅读，完成以下任务：1）了解脉搏波传输时间法测血压的机理；2）了解目前已有的血压校准方法和方案及其优缺点；3）提出本课题的血压校准方法、校准平台的设计方案以及实验验证方案。 2: 2014年3月7日3月17日 完成文献翻译、开题报告和开题答辩。 3: 2014年3月18日4月19日 购买无创血压测量的标准设备，整合标准无创血压测量设备和已开发的穿戴式信号采集与显示系统，完成全自动血压校准实验平台的搭建； 4: 2014年4月20日5月9日 设计实验，在至少10个实验对象进行血压估测实验，并处理和分析实验数据。 5: 2014年5月10日5月31日 整理数据与结果，撰写并提交本科学位论文和相关的学术论文。 6：2014年月1日月10日 准备本科毕业设计答辩，完成本科毕业答辩。 、主要参考资料：1 Chen M W, Kobayashi T, Ichikawa S, et al. Continuous estimation of systolic blood pressure using the pulse arrival time and intermittent calibrationJ. Medical and Biological Engineering and Computing, 2000, 38(5): 569-574. 2 Shaltis P, Reisner A, Asada H. A hydrostatic pressure approach to cuffless blood pressure monitoringC/Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS04. 26th Annual International Conference of the IEEE. IEEE, 2004, 1: 2173-2176. 3 McCombie D B, Shaltis P A, Reisner A T, et al. Adaptive hydrostatic blood pressure calibration: Development of a wearable, autonomous pulse wave velocity blood pressure monitorC/Engineering in Medicine and Biology Society, 2007. EMBS 2007. 29th Annual International Conference of the IEEE. IEEE, 2007: 370-373. 4 向海燕. 无创伤人体逐拍动脉血压测量技术D. 西安: 第四军医大学, 2005. 生物与医学工程 学院 生物医学工程 专业类 101012 班学生 周 蓉 毕业设计（论文）时间： 年 月 日至 年 月 日答辩时间： 年 月 日 成 绩： 指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）： 系（教研室） 主任（签字）： 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第 36 页本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 作者： 周 蓉签字：时间：2014年 6月穿戴式测血压法的新型校准方法研究学 生：周 蓉指导教师：王 玲摘 要血压（BP）是反映人体循环系统机能的重要参数，持续的血压测量对于高血压的预防、诊断和控制非常重要。利用穿戴式设备实现持续的血压测量是目前的研究热点而校准是穿戴式血压设备必不可少的环节。校准对于穿戴式血压测量非常重要，直接决定了血压测量的准确性。目前的校准方法无法实现准确方便的血压校准，我们在此基础上，提出了基于脉搏波传输时间（PTT）测血压的新型校准方法。新型校准法利用平躺时抬手造成的局部血压改变，实现单点准确方便的校准。为了验证新方法的准确性，我们设计和搭建了平台，完成了姿势改变和运动恢复两项验证实验，采集了13名健康被试实验数据。实验结果显示，新型校准法在两项验证实验中，对于收缩压的估测误差分别为-2.893.49mmHg和-1.721.49mmHg ，皆满足AAMI标准（误差平均值不大于5mmHg，标准差不大于8mmHg）。这个结果表明，我们的新型校准方案虽然有些细节尚未完善，但整体思路是完全可行的，在未来穿戴式血压监测设备的研究方面具有重大潜力。关键词：血压，持续测量，校准，穿戴式，脉搏波传输时间 A Study on a Novel Calibration Method for Noninvasive Measurement of Arterial Blood Pressure Based on Wearable Medical DevicesAuthor: ZHOU RongTutor: WANG LingAbstractBlood pressure (BP) is a very important parameter of human circulatory System. Continuous BP measurement is important for prevention, diagnosis and treatment of hypertension. In recent years, more and more attentions are paid on the development of continuous BP measurement methods using wearable medical devices. For the BP measurement in a wearable device, initial calibration with a reference BP device is an essential step, which determines the accuracy of later continuous measurement. However, current calibration methods fail either in the calibration accuracy or the convenience for operation. Therefore in this study, we proposed a novel calibration method which aims at calibrating BP both accurately and conveniently. And our BP estimation method is based on the pulse transit time (PTT) approach. In order to test the performance of the proposed method, a calibration platform was also built by integrating the hardware and software part of an in house designed wearable signal acquisition system. Next, 13 healthy subjects were totally enrolled and a posture change experiment and a running exercise experiment were conducted on these subjects to evaluate the performance of the proposed method. Experiments results showed that the new calibration method had a high SBP estimation accuracy (total means and standard deviations of SBP estimation errors were -2.89 3.49mmHg and -1.721.49mmHg in the posture change and exercise experiments, respectively) according to the AAMI standard (mean and standard deviation of estimation errors below 58mmHg are regarded as acceptable). The experimental results showed that the proposed calibration method is accurate and easy to operate, and thus are promising to be used in the wearable BPmeasurement in the future.Key words：Blood Pressure, Continuous Measurement, Calibration, Wearable Medical Device, Pulse Transit Time目 录1 绪论11.1课题背景11.1.1连续测量血压的意义11.1.2穿戴式血压测量的优势21.1.3校准的必要性21.2国内外研究状况31.2.1穿戴式血压测量方法31.2.2校准的分类及方法41.3课题研究目标及方法61.4论文构成及研究内容62 新型校准方法82.1脉搏波传输时间测血压82.2改进的流体静压法102.2.1 b的换算102.2.2流体静压改进132.3技术方案142.3.1校准方案142.3.2校准平台的搭建152.3.3验证实验182.3.4无创血压测量评价标准183 实验 193.1预实验193.1.1抬手方式193.1.2抬手高度193.1.3血压验证项目203.2正式实验213.3数据处理223.3.1心电检点算法223.3.2 PPG检点算法233.4实验结果234 讨论274.1收缩压的校准274.2舒张压的校准294.3校准误差来源294.3.1模型本身294.3.2测量304.3.3其他因素304.4展望30结论32致谢33参考文献341 绪论1.1课题背景1.1.1连续测量血压的意义血压（BP）是血液在血管内流动时，作用于单位面积血管壁的侧压力，即压强。临床上的血压指得是动脉血压，它和外周血管状况以及心脏的功能有着密切联系。心室收缩时，主动脉压急剧升高，在收缩中期达到最高，此时的动脉血压为称收缩压（SBP）；心室舒张时，主动脉压下降，在心舒末期动脉血压的最低值称为舒张压（DBP）。收缩压和舒张压之间的差值称为脉搏压，简称脉压（PP）。一个心动周期中每一瞬间动脉血压的平均值，称为平均动脉压（MAP）。平均动脉压大约等于舒张压加上三分之一的脉压。血压是反映人体循环系统机能的重要参数，也是临床上疾病诊断和治疗的重要依据，而连续的血压测量更是意义重大：首先，连续的血压测量是预防、诊断、治疗和控制高血压的需要。2002年人群高血压三率调查（知晓率、治疗率、控制率），我国仍与发达国家相差巨大。美国分别是70.5%、59%、34%，而中国则是30.2%，24.7%，6.1%1，令人堪忧。连续的血压监测将会减少高血压患者的漏诊率，及时筛查出早期高血压患者，充分实现早发现、早治疗，降低高血压的危害。连续的血压监测对于高血压的治疗更是意义重大，可以反映出很多生理病理信息，给医生的诊断和治疗提供宝贵的资料。连续的血压监测还可以给高血压患者提供实时的血压信息，特别是服药前后的血压变化，对于自身的血压控制非常重要。其次，连续的血压测量可以减少高血压的误诊率。诊室血压有时并不能反映出患者的真实血压水平。对于有些病人，特别是老年人和孕妇，会出现白大衣高血压症状，即在诊室测量血压偏高，但在家中自测血压正常的状况。据报道，白大衣效应可在高达40%的病人中导致血压升高20/10mmHg以上2。不准确的血压测量会对医生的诊断带来误导，也会对患者带来极大的心理负担。第三，血压的昼夜变化规律，可以提供很多重要的生理信息。正常人的血压波动具有很明显的昼夜特征和周期性：清晨（醒时）陡然升高，达到平台值至约11时，之后下降，到约24时最低。这种昼夜规律对于高血压患者也适用，但曲线会上移。病理生理和流行病学研究显示心性猝死、脑血管病和心肌梗死等疾病发生在造成的几率增加3。因此，持续血压监测，可以测量到清晨高压，为病人和医生对病情的预测和诊断赢得宝贵的时间。1.1.2穿戴式血压测量的优势穿戴式生物医疗仪器是基于远程医疗的理念，利用微型生物传感器、生物微电子机械系统、无线数据传输等对人体进行全天候信息采集的诊断监护终端。一件衣服、一串项链、一枚戒指加上一个手持单元就能构成一个系统，能随时、实时地得到想要的生命参数并被院方的医疗机构检测，同时使穿戴有生物传感系统的受测对象感到方便舒适4。它具有使用方便、长时间持续工作、智能显示诊断结果、无线数据传输、异常生理状况报警等特点。目前已经实现的穿戴式生物医疗仪器主要包括无损血糖监测仪、脉冲式血氧饱和仪和穿戴式心电仪等。虽然穿戴式设备对于心电、血氧监测已经趋于完善，但是穿戴式血压测量仍然是一个尚未彻底解决的问题。对于血压测量而言，穿戴式设备优势明显。首先，穿戴式测量设备使用舒适，不会对使用者的日常生活造成不便，可以实现持续的血压测量。其次，穿戴式设备拥有记录和传输等功能，可以使得高血压患者足不出户就可以接收到医生反馈回来的信息，可以精确控制药物用量，及时调整治疗方案。第三，穿戴式测血压会针对异常血压进行报警，对于清晨高发的急性心肌梗死、脑血管病和脑卒中等紧急状况，能够及时通知急救中心，在心血管疾病的急救方面可以发挥出巨大的作用。穿戴式无创血压无法直获取，只能通过测量与血压相关的体表参数间接得到。体表参数和血压之间关系的校准，是影响穿戴式血压设备精度的重要因素。因此，校准是保障穿戴式血压设备精度必不可少的环节。1.1.3校准的必要性血压校准是指实现测量参数与血压之间描述方程参数化的过程。人体是一个非常复杂的系统，不同人群，不同个体之间差异非常巨大。影响血压的因素有很多，即使是选取同样的指标，针对不同个体，系数和权重也不尽相同。对于生物医学设备而言，测量精度是一个非常重要的指标，如果不能针对使用者进行个性化的参数设定，测量精度便无法保证。而穿戴式这种载体使得仪器个性化成为可能，经过校准后，测量的精度和准确性会大幅提高，这也是穿戴式生物医学仪器继便携、舒适和连续测量之外的另一大优点。1.2国内外研究状况1.2.1穿戴式血压测量方法 目前穿戴式无创动脉血压监测技术主要包括以下四种实现方式：第一种是根据获取的桡动脉脉搏波的幅值来确定动脉血压。当一个具有内在压力的血管被外在物体部分压扁时，血管的周应力会发生变动，内压力和外压力相等5。对安置于桡动脉的特制的压力换能器施加一定的外力，当外压达到某一数值时，血管内压等于外压，因此通过测量外力即可获得动脉血压。根据这个原理，美国Medwave公司开发了一款腕式血压测量仪6,7。该腕式血压仪每15秒钟给出一个血压读数，但是不能实现每搏的持续测量，而且使用时需要专业人员来确定传感器的位置。这种技术测量精度较高，不需要使用充放气的袖带，但是仍然需要在手腕处施加一定的外界压力。而且必须周期性的重复校准，因为运动伪差以及受压血管的粘弹性变化会改变传感器-动脉的接触结构，随之改变其校准关系。如果最后一次校准后，手腕和心脏之间的流体静压（手腕位置）发生改变，仍然需要进行重复校准。第二种技术利用光电传感器测量每搏的血容积变化量，并利用流体静力学原理以及血容积变化量与经皮压力之间的关系，来确定平均血压值。这种技术仍然处在研究阶段，在实际操作中还有很多问题尚待解决。首先，压力与血容积变化量之间的关系并不是静态的，它可能会随时间和生理状态的改变而改变；其次，每搏血容积变化量不完全是由血压变化引起的；最后，压力血容积变化曲线不是静态的，而且存在滞后现象。目前，采用该方法测量血压时，每20分钟就需要进行一次校准8。第三种技术利用红外传感器测量手指容积变化，并在手指的中部或基部上放置一个充满空气或者充满液体的袖带，通过控制袖带的压力使得手指动脉保持一个无载荷、无伸展的状态。此时，袖带压力等于手指动脉压力。指套压力值通过电动振荡器不断调整且由压力传感器而测得，并反馈至气体系统，使指套压力始终等于动脉压9。这种方法有望于血氧模块相结合，研制出微型化的测量仪。但是，本方法需要一个初始的校准，以确定无载荷动脉尺寸和其相应的时间加权的平均动脉压，随后需要周期性校准来校正无载荷动脉尺寸的改变。第四种技术是通过生物电极和光电传感器来测量脉搏波传输时间（速度），并利用血压测量金标准对传输时间与动脉血压之间的关系进行校准，来确定血压值。脉搏波传输时间（PTT）是指心电图（ECG）R点到对应的光电体积描记信号（PPG）特征点之间的时间间隔，表征了脉搏波从心脏传输到末梢动脉的时长。脉搏波中含有非常丰富的生理病理信息，脉搏波的波形幅度和形态可以反映血压和其他心血管系统的生理病理状态。这种方法的基本原理是源于对生理学的直观认识，当血压升高时，动脉管壁扩张，动脉的弹性和顺应性降低，脉搏波传播速度加快，脉搏波沿动脉传播的速度会随动脉压力的升高而增加。因此，通过测量脉搏波速度的变化即可推知动脉内压力的变化，再经听诊法或者示波法校准，便可以得到逐拍连续的血压值。这种方法所使用的传感器设计简单而且成本低廉，可以在诸多载体上实现。但是，本方法需要一个标准的血压测量设备来进行标定。而且，不同个体之间血压和脉搏波速度之间的参数差异很大，需要在测量之前进行个体校准。1.2.2校准的分类及方法穿戴式测血压法虽然有多种实现方式，但是无一例外需要校准。校准是对基于生理学、血流动力学模型描述的血压特征方程进行参数化的过程。对于穿戴式血压测量设备而言，校准大体上可以分为两类，分别是群体校准法和个体校准法。群体校准法是指利用大样本人群的生理数据，通过统计学方法实现特征方程参数化的过程。群体校准法首先要进行大范围的人群采样，然后针对生理信息筛选出与血压相关的指标，最后通过参数拟合10或者取经验值11的方式获得每个指标的系数与权重，得出血压特征方程。群体校准法的优点是所有人群使用一个血压特征方程描述，设备实现简单，有利于大规模的市场化。但是目前群体校准法有很多问题尚待解决：1）不同种族，不同年龄、不同性别的人生活习惯、生理结构等存在差异，针对某个人群建立的血压特征方程能否直接应用于其他人群，很难定论。即使是穷尽一个地域的大样本，对于整个人口而言仍然是一个小样本。2）血压与诸多因素有关，一些为了提高估测精度而利用回归分析等统计学的方法引入出的血压相关指标，其生理意义很难解释。3）采集大样本人群的生理数据会耗费大量人力物力，而且采集过程中会出现很多不可控因素，这也会给特征方程的建立带来误差。个体校准法是指针对使用者进行个性化校准的过程。通过对使用者进行血压追踪，得出满足个体生理特性的血压特征方程。个性化的校准方法测量精度高，但是如何针对个体进行快速方便的校准仍是目前的研究热点。校准分为两个步骤，第一是选取合适的血压跟踪变量，第二是选择合适的血压变化激励。血压跟踪变量即与血压具有相关关系的可测量体表参数，包括动脉容积变化、脉搏波幅值和脉搏波传输时间等。血压跟踪变量的选取直接决定了血压描述方程的形式，对最终的硬件实现，测量精度等都有重大影响。有研究者12利用血管容积和血压的关系来估测血压，这种方法需要首先获得一条针对个体的血管顺应性曲线，曲线的描述方程为：V=b11+Aexp-b2(Phydro) (1.1)其中b1，b2，A为参数，Phyro为流体静压。还有研究者2,13基于Moens-Kortweg方程：v=gEad (1.2)以及血管壁弹性模量公式：E=E0ep (1.3)推导出脉搏波传输时间（PTT）与血压之间的线性关系：BP=PTTb+a (1.4)其中a，b为参数。这些血压描述方程的变量只有一个，待确定的系数只有两到三个，非常便于实现个性化的校准。确定血压描述方程中的参数通常需要用到不同的血压水平，选择怎样的血压变化激励直接影响到校准方案的最终实现形式。有研究者2,12,14利用流体静压的原理改变血压，通过抬手或者抬脚造成流体静压的改变，从而制造局部的血压变化，将这种变化换算到全身，便可构建不同的血压水平。这种方法实现简单，但是局部血压需要换算到全身，而且折算方法种类繁多，尚未统一。流体静压法假设在抬手中血压不变，与实际情况不完全符合，这也会给校准带来误差。有研究者15利用袖带加压，局部血压升高的特点，构建不同的血压水平。自动袖带血压计测量血压时，会压迫手臂，造成测量位置以下的部位血压升高。利用这个特点，再加上手指的袖带和指端脉搏波信号，便可以计算出加压时袖带下的动脉压力。然后配合上自动袖带血压计测量的血压，便有两个不同水平的血压值。袖带加压法可以实现单点血压校准，但是需要在袖带内部附加一个同步的压力传感器，指端脉搏波信号也要求严格同步。而且手指袖带的内压力需要利用缓慢抬手过程中的高度脉搏波幅值曲线来获取，对传感器的要求很高。同样，袖带加压法造成的也仅仅是局部血压改变。1.3课题研究目标及方法本课题的研究目标是探究出一种新型单点校准方案，提高血压测量的舒适度和方便度，为以后穿戴式血压监测设备的设计和发展奠定基础。本课题将以穿戴式设备为研究基础，以血压校准为创新突破口，以血压校准平台为主要验证手段，采用理论与实践相结合的研究方式。为了完成这个目的，我们首先通过多篇文献阅读，综合考虑了各种校准方案的利弊，锁定了脉搏波传输时间作为血压跟踪指标，流体静压法作为改进蓝本，根据现有硬件条件提出了血压校准新方案。然后，通过市场调研和实地考察等方式，我们购买了市场上现有精度最高的无创袖带血压仪作为参考标准，利用现有的穿戴式血压测量设备和软件平台搭建了血压校准平台。最后，我们通过13人的验证实验，验证了血压校准新方案的准确性。1.4论文构成及研究内容本论文主要由4个部分构成，分别是绪论、新型校准方案、实验和讨论。在绪论部分，我详细介绍了课题的背景、国内外研究现状以及研究目标和研究方法。在新型校准方案部分，我阐述了所提出的新型校准方案的原理推导，设计依据，具体改进和技术方案。实验部分，我从预实验、正式实验、数据处理和实验结果四个方面进行了说明：在正式实验之前，我们进行了充分的预实验，并对预实验所暴露的问题进行了解决；正式实验部分是最终的实验方案和实验步骤；数据处理主要介绍了心电和脉搏波容积波的检点算法；实验结果则是正式实验的所有结果展示。讨论部分，我针对实验结果进行了充分的分析，包括对收缩压、舒张压校准分析，误差来源分析以及展望等。本课题的研究内容主要包括：1）基于已有校准方法，研究出一种较为准确并能够简单实现的单点血压校准方法；2）设计并完成血压校准平台的搭建，并利用标准的无创血压测量设备和我们自行开发的软件平台进行血压校准。3）完成后期的验证实验，至少采集10人以上的血压数据对校准方法的血压估测精度和校准平台的方便舒适程度进行初步检验。2 新型校准方法校准分为两个步骤，第一是选取合适的血压跟踪变量，第二是选择恰当的血压变化激励。考虑到目前的硬件条件和实验环境，我们选择脉搏波传输时间作为跟踪血压的变量，利用流体静压法造成血压变化，通过对原有流体静压法的改进，设计出了基于穿戴式的新型单点校准方法。2.1脉搏波传输时间测血压在众多穿戴式测血压方法的实现形式中，我们选择脉搏波传输时间（PTT）测血压作为我们的测量方法。脉搏波传输时间是指从每一拍心跳中，心电图（ECG）R点到对应的光电体积描记信号（PPG）起始点之间的时间间隔，表征了脉搏波从心脏传输到末梢动脉的时长。以一个心动周期为例：左心室收缩时，主动脉瓣打开，心脏开始射血，由于血管的外周阻力，主动脉附近血管段内的血液压力上升，血管壁向外扩张；左心室舒张时，心脏停止射血，主动脉附近血管内压力下降，血管壁弹性回缩。随着心脏周期性的收缩和舒张，主动脉根部的血管壁也发生相应的扩张和回缩，同时，也将血压、血流量和血管壁周期性波动迅速扩散到相邻的血管段，使该血管段中的血压、血流量和血管壁弹性同样也产生周期性的波动。这些周期性的波动再以同样的方式向下游的邻近血管段扩散，如此继续沿着动脉树的分支已知扩散到整个动脉系统，从而形成整个动脉系统中血压时高时低，血流量时快时慢，血管壁时张时缩的波动。这些波动在动脉系统扩散的过程，称为动脉脉搏波的传播。而由血压、血流量、血管壁的脉动形成的扩散波动，则可分别称之为脉搏波、流量脉搏波、管壁脉搏波，这三类脉搏波时相伴而生的，因此可以统称为动脉脉搏波2。当脉搏波在血液中传播时，脉搏波的波速、形状和振幅的大小将因血液粘度、血管的力学特性（粘弹性），以及血管的几何特性（尺寸和形状）所决定。Moens-Kortweg方程16刻画了脉搏波速度与血管特性之间的关系：v=gEad (2.1)其中，v为脉搏波速度，g为重力常量，E为血管弹性模量，为血液密度，a和d分别为血管壁的厚度和直径。将血管壁弹性模量公式E=E0ep（E0是血压为0时的血管弹性模量，P为血压，为血管壁系数）代入(2.1)式，同时代入脉搏波传输速度与时间的反比关系v=K/T，经过左右两边取对数运算，可以获得以下血压计算公式：P=1lndK2gaE0-2lnT (2.2)其中，P为血压，T为脉搏波传输时间。如果忽略a和d的改变，并且假设血管壁弹性模量E0的变化足够缓慢，则(2.2)式右边第一项可以看作一个常数。对P求导：dPdT=-2T (2.3)由此，便可推出BP与PTT之间的线性关系：Pe=Pb-2TbT (2.4)其中，Pe为血压估算值，Pb为血压测量值，为系数，在0.016到0.018（mmHg-1）的范围内变化，Tb为血压Pb时的PTT值，T为脉搏波传输时间改变量。(2.4)式表明血压与脉搏波传输时间PTT之间存在线性关系，可以通过测量PTT的变化来估测出血压的变化。事实上，血压BP和PTT之间存在如下近似关系2：BP=a+bPTT (2.5)其中，a，b为待定系数，a，b的大小因人而异，同一个体在短时间内的a，b值是确定的。因此，通过校准获得a，b值后，便可以估测逐拍连续血压。与其他穿戴式测血压方法相比，利用PTT测血压具有如下优势：1） PTT与血压之间的关系方程为线性，BP=a+bPTT，形式简单，校准方便。2） 脉搏波特征参数有明确的生理意义。脉搏波中含有非常丰富的生理病理信息，脉搏波的波形幅度和形态可以反映血压和其他心血管系统的生理病理状态。当血压升高时，动脉管壁扩张，动脉的弹性和顺应性降低，脉搏波传播速度加快，脉搏波沿动脉传播的速度会随动脉压力的升高而增加。3） PTT能够实现对血压的逐拍连续测量。利用脉搏波传输时间估测血压，每一个心动周期都能对应估测出一个血压值。4） PTT的测量实现简单。PTT可以通过测量心电和脉搏波获得，也可以通过不同位置的脉搏波相减得到。而心电和脉搏波的测量，技术非常成熟，设备实现简单，易于穿戴式实现。2.2改进的流体静压法为了获得系数b，我们需要构造不同的血压水平。在众多改变血压的方法中，流体静压法以其原理简单、实现方便成为我们校准方案的首选。流体静压法造成的仅仅是局部血压改变，而且测量时，默认受试者血压保持恒定。针对原有流体静压法的局限和不足之处，受向海燕工作向海燕的启发，我们进行了如下改进：1）将局部血压变化系数b折算到全身血压；2）使用两路PPG信号相减抵消掉受试者校准期间血压波动对校准结果的影响。2.2.1 b的换算图2.1 脉搏波传播示意图图2.1是脉搏波从心脏传播到手指指端的路径示意图，虚线是传播路径。其中，L1为心脏到肩关节部位的血管段长度，L2为肩关节到手指指端的血管段长度。根据Moens-Kortweg方程可以推出P=-2TT，其中，为系数，P为血压变化，T为脉搏波传输时间PTT，T为PTT的改变量。通过抬高右手改变血压后，L1，L2段的脉搏波传输时间分别变化为：T1=T1+T1 (2.6)T2=T2+T2 (2.7)而T1=Pb1=-1T12P (2.8)T2=Pb2=-2T22P (2.9)所以总的脉搏波传输时间变为：T=T1+T2 (2.10)总的脉搏波传播时间变化为：T=T-T=T1+T2=-1T1+2T22P (2.11)b=PT=-21T1+2T2 (2.12)而b2=-22T2 (2.13)所以b=-b2b2b1+1=b21T12T2+1 (2.14)因此，只要知道L1、L2两段血管的弹性模量和各自的脉搏波传输时间，便可以将局部系数b2推算到全身系数b。（a）躯干部位主要动脉分布图（b）上肢动脉分布图图2.2 抬手时脉搏波途经的动脉图如图2.2所示，图（a）为躯干部位主要动脉分布图，图（b）为上肢动脉分布图。由图可知，脉搏波从心脏传输到右手手指末梢，依次经过了升主动脉，主动脉弓，头臂干，锁骨下动脉和腋动脉，肱动脉以及桡动脉。抬高右手时，肱动脉和桡动脉的血压发生改变。因此，升主动脉，主动脉弓，头臂干，锁骨下动脉和腋动脉对应图2.1中的L1段，肱动脉和桡动脉对应L2段。表2.1是脉搏波从心脏传输到手指指端途经的主要动脉的长度值，表2.2是脉搏波在这些动脉中的传播速度。表2.1 动脉不同位置长度17 cm动脉升主动脉主动脉弓头臂干锁骨下动脉和腋动脉肱动脉桡动脉长度42-43.46.86.311.7 表2.2 动脉不同位置脉搏波传输速度(PWV)18 m/s动脉升主动脉主动脉弓头臂干锁骨下动脉和腋动脉肱动脉和桡动脉PWV55-667-89-10根据表2.1和表2.2，可以计算出途经动脉的脉搏波传输时间：表2.3 动脉不同位置PTT计算值 ms动脉升主动脉主动脉弓头臂干锁骨下动脉和腋动脉肱动脉桡动脉PTT86.35.79.16.612.3T1=升主动脉+主动脉弓+头臂干+锁骨下动脉和腋动脉=29.1msT2=肱动脉+桡动脉=18.9ms表2.4为途经动脉的弹性模量。表2.4 动脉不同位置的弹性模量17 N/m2动脉升主动脉头臂干锁骨下动脉和腋动脉肱动脉桡动脉弹性模量44448由表2.4可以得出，12=23所以，b=0.49b2b的换算充分考虑到了不同位置血管长度，不同级血管脉搏波传输速度以及不同血管弹性模量的影响，依据充分，科学合理。2.2.2流体静压改进在计算抬手引起的PTT变化时，我们选用另一只手的脉搏波传输时间作为参考。在现有的流体静压法中，都假定在手平放和抬手过程中，除了手的高度变化以外，其他影响血压的基本参数保持不变。但是，两种姿势下，总体血压以及脉搏波传播所经过的各部分血管的特性都会有不同程度的变化。如果不排除这些因素引起的干扰，便无法准确判断哪一部分血压改变是因为抬手引起的，哪一部分是因为自身血压波动及其他原因引起的。考虑到这个原因，我们在另一只手（未抬高的手）的相同位置放置上另一个PPG传感器，作为抬手后脉搏波传输时间变化的参考。设双手平放时，脉搏波从心脏传输到右手的时间为TR1，从心脏传输到左手的时间为TL1；当右手抬高后，脉搏波从心脏传输到右手的时间为TR2，从心脏传输到左手的时间为TL2。双手平放时，T1=TR1-TL1 (2.15)抬高右手时，T2=TR2-TL2 (2.16)其中，T1和T2分别是两种情况下右手PTT和左手PTT的差值。当抬手前后其他因素引起人体自身血压变化，并且引起脉搏波传输时间变化时，这种作用会同时影响左右手的PTT，记左右手PTT由此引起的改变分别为TL和TR。那么，TR2=TR1+TTrue+TR (2.17) TL2=TL1+TL (2.18)其中，TTrue为仅仅因为抬手造成的血压改变，从而带来的脉搏波传输时间变化。由于人体动脉分布的对称性，TL1和TR1大小基本相等，由于总体血压改变引起的传输时间变化也大体相当。即：TLTR (2.19)如果只考虑右手抬高前后的脉搏波时间差，那么T=TR2-TR1=TTrue+TR (2.20)如果将左手作为参考，则因为抬手引起的脉搏波传输时间变为：T=T2-T1=TR2-TL2-TR1-TL1=TTrue (2.21)因此，如果将左手作为参考，计算得出的脉搏波传输时间变化就是仅由抬手高度变化造成的时间改变，可以有效排除其他因素的影响。2.3技术方案2.3.1校准方案受试者在整个校准过程中保持平躺姿势。充分休息后测量一次血压，作为血压基准，记作BP0。同时采集ECG和左右手两路PPG信号，左手PPG信号记为PPG1，右手PPG信号记为PPG2。通过对应时间段内的PPG2起始点的时间减去ECGR点的时间得出BP0对应的PTT0。然后，左手平放，抬高右手，采集ECG和左右手两路PPG信号。通过(PPG2-PPG1)-（PPG20-PPG10）得到仅由抬手高度变化引起的血压改变造成的脉搏波传输时间变化PTT。通过测量抬手高度h，利用流体静压改变公式计算出抬手过程中的血压改变BP=-gh2，由此可以计算出barm=BPPTT。此时的barm是局部血压系数，再通过b的换算，将barm折算成全身的血压系数。此时，血压方程的b已求出。最后，将(PTT0，BP0)带入血压方程BP=a+bPTT中，即可求出a，由此完成了血压校准。2.3.2校准平台的搭建为了校准a，b，以及验证所提出的校准方案的准确性，我们设计了一个校准平台。校准平台包括一个可调节高度的抬手支架，一个无创自动袖带血压计，我们自行研制的穿戴式心电、脉搏波采集设备以及自行开发的软件平台。抬手支架用于被试抬手时构造不同的高度，因此，必须具备可调节高度的功能，以满足不同人群的抬手高度需求。在进行血压校准时，必须保证抬高的手臂处于放松状态，因此，抬手支架的长度必须大于成年人手臂的长度，宽度必须大于手臂宽度，以保证手臂可以完全放在支架上，而不是悬空受力。此外，抬手支架的表面不能过于光滑，必须具备一定的防滑性，以免被试抬手时手臂肌肉呈紧张状态。列出所有的需求以后，我们调研了市面上所有可调节高度的桌子，发现并没有完全符合要求的支架。基于此，我们挑选出了一款满足可调节高度功能的床旁电脑桌，通过改装，使之满足校准平台的要求。改装后的抬手支架如图2.3所示。原抬手支架具有两个一大一小可调节高度的桌面，大桌面还可以调节倾角，可以满足不同角度的抬手需求。