基于脉搏波的新型血压与血管硬度测量仪的研制

1、基于脉搏波的新型血压与血管硬度测量仪的研制全晓莉1,黄丽雯1,佘丽1,周南权2(1.重庆工学院电子信息与自动化学院,重庆400050;2.重庆大学数理学院,重庆400030摘要:目的:根据脉搏波理论研制出一种新型血压与血管硬度测量仪。方法:利用示波法原理在波形特征法和幅度系数法的基础上提出一种系数差分比值法来间接测量血压的新方法,通过采集肱动脉和桡动脉两处波形,获得了脉搏波传播速度(PWV 、动脉顺应性(C1、C2和动脉硬化指数(ASI 三个反映受试者动脉弹性的参数指标。结果:通过大量病例分析和临床测试证实了算法的有效性和可靠性,而且此算法已经应用LabVIEW 开发成软件并在医院进行临床应用

2、。结论:血压与血管硬度检测仪能判断心血管病患者与正常人的差异性,对我国心血管病方面流行病学的调查、疾病预防、疾病早期发现都具有很大的意义。关键词:脉搏波;血压;PWV ;动脉顺应性;ASI 中图分类号:R318.6文献标识码:A文章编号: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前言高血压和动脉硬化是引起各种心血管疾病的主要原因1。研究表明,高血压和动脉硬化的初期阶段,虽然还没有自觉症状,

7、但血压、血管弹性和血管阻力等一系列心血管参数实际上已开始发生变化。如果能及时检查出这些参数的变化,并对其特征进行分析,就可能在还没有自觉症状的情况下及早诊断出高血压和动脉硬化这两个心血管病的潜在危险因素,为心血管病的预防和治疗争取到宝贵的时间。临床上血压测量技术可分为直接法和间接法两种。直接测量法数据最为准确,但其技术要求比较高,并且有一定的创伤性,所以仅适用于危重病人。间接测量法目前常用的有两种,即听诊法(auscultatory method 和示波法(oscillometric method 。听诊法带有主观性,给判别带来一定误差。近年来许多血压计和血压监护仪大多采用示波法间接测量血压。

8、示波法测血压是通过建立收缩压、舒张压与袖套压力波的关系来判别血压。因为脉压波与血压有较为稳定的相关性,因此利用示波原理测量的血压值比较准确。而且收稿日期:2007-05-29作者简介:全晓莉(1975-,女,硕士研究生,重庆工学院电子信息与自动化学院讲师,研究方向:生物医学电子学和虚拟仪器软件开发,Tel E-mail :znq55555 。2008年1月中国医学物理学杂志Jan .,2008第25卷第1期Chinese Journal of Medical Physics515-示波法测血压时,袖套内无拾音器件,操作简单,抗外界噪声干扰能力强。本文利用示波法原理在

9、波形特征法和幅度系数法的基础上提出了在一定幅值范围内依据差分比值法判定血压的一种新方法即系数差分比值法。1参数算法实现原理动脉硬化指数ASI 的算法4,5早已有研究,在这不再赘述。1.1血压参数算法的实现系数差分比值法对于收缩压、舒张压的判定,由于程序较为复杂,我们这里采用流程图(如图1所示的形式给予阐述。设peaki表示第i 个波峰所对应的峰值;d=peaki-peaki-1表示幅度差值;rd=(peaki-peaki-1/peaki-1表示相对比值。本文提出的系数差分比值法克服了平均压附近突变点的误判和收缩压以前及舒张压以后脉搏波幅值较小而引起的突变点的误判。因此采用系数差分比值法寻找突变

10、点的方法判断收缩压和舒张压是可行的。1.2动脉顺应性算法的实现大小动脉弹性指数C1和C2评价动脉弹性的优势已被国内外很多临床研究和实验证明6-8。计算大小动脉弹性指数的理论依据是如图2所示的动脉双弹性腔模型:从这个模型可以得到计算大动脉弹性指数(C1和小动脉弹性指数(C2的理论方程:P !"t =A 1exp -A 2!"t +A 3exp -A 4!"t cos A 5t+A 6!"就是将动脉舒张期压力波形分解为指数幂衰减曲线和反射波震荡曲线。P (t 是时间t 时的舒张压,A 1exp -A 2!"t 是呈指数幂衰减的压力,A 3exp -

11、A 4!"t cos A 5t+A 6!"是动脉系统反射波压力。这样,动脉舒张期任一时间点的压力与大动脉和小动脉弹性建立一种函数关系。从系数A 2、A 4、A 5可以分别计算大动脉弹性指数C1和小动脉弹性指数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!"图1收缩压和舒张压判定流程图Fig.1Flow chart of determining systolic bloodpressure and diastolic blood pressure图2动

12、脉系统双弹性腔模型及其等值回路Fig.2Double elasticity module of artery system and its equal loop中国医学物理学杂志第25卷第1期2008年1月516-图3求t的原理图Fig.3The schematic figure of calculatingt图4硬件系统总体框图Fig.4The block diagram of hardware system图5软件系统的结构框图Fig.5The block diagram of software system中国医学物理学杂志第25卷第1期2008年1月本文在软件算法中对采集到的桡动脉舒张

13、期脉搏波形进行L-M曲线拟合,得到对应参数A i。从而计算C1和C2。1.3PWV动脉顺应性算法的实现如图3所示,选中其中一个波进行分析,假设脉搏波经过臂动脉到达指尖这段距离所需要的时间为t,为了求得t,需要先求得脉搏波的起跳点D点,因为干扰因素的存在,不可能得到理想的脉搏波,即脉搏波的起跳点不一定就在波谷的位置A(x1,y1,因此通过波谷的位置A点和波峰的位置B点建立一条线段AB,它的方程为:(y1-y2x+(x2-x1y+(x1y2-x2y1=0而D点的位置就是脉搏波到AB线段最大距离的那个点。然后根据距离公式:l=ax+by+ca2+b2!求出D点的坐标(x,y。横坐标x即为D点所对应的

14、时间,同理求出指尖波起跳点位置的横坐标,然后两个值相减即为时间t。由此可得出脉搏波的传播速度PWV=L/t (m/s。2系统硬件设计该测量系统的硬件主要由三部分构成:一是模拟信号的检测;二是数字电路的设计;三是电机的充放气回路的构成。硬件系统设计框图如图4。单片机采用C8051F020,AD卡是8通道12位的,转换电压为-3.4V+3.4V,充气泵采用电子自动充气。腕部和臂部脉搏波所用传感器均为M5050DP 压力传感器,该传感器具有精度好,灵敏度高,抗干扰能力强等优点,这就保证了提取的脉搏波信号失真小。运放使用的均为TLC2254。通信通道有2个。测量时将一条袖带(袖带规格14.5×

15、;51套在人体上臂,靠肘关节一侧,另一条(规格8×27.5套在桡动脉处。先由单片机控制气泵向两袖带同时充气,通过压力传感器采集压力脉搏信号,当肱动脉血管受压迫停止脉动,此时单片机利用事先编好的程序控制放气阀进行缓慢放气,使两袖带压力逐步减小。当袖带压力降到肱动脉收缩压以下时,肱动脉开始搏动,并随着袖带压的下降不断加强。袖带压力、肱动脉和桡动脉的信号经压力传感器转换为电压信号,对此电压信号进行放大与两次滤波(高通滤波与低通滤波处理,可以得到幅值适当的三路信号,将其经过A/D转换,转换后的数字信号送入单片机进行分析处理,计算结果用液晶进行显示。另外,送入单片机的数字信号也可以通过RS23

16、2串口通信方式送入上位机,在上位机进行更全面地分析处理。整个系统由开关电源统一供电。3系统软件设计本研究以虚拟仪器labVIEW7.0为软件操作平台。该系统采用全中文操作界面。软件系统主要完成了数据信号的采集、预处理、血流参数的分析计算、测试结果的存储、回放和打印等功能。软件系统的总体设计如图5所示。517-主界面(见图6波形显示用LabVIEW 中的chart 控件,使得显示能够在测量过程中实时进行,因此实际上它是与数据通信同时进行的。图中波形分别为:袖带压力,臂动脉脉搏波,桡动脉脉搏波。左侧测量结果栏分别显示了PWV ,ASI ,SBP ,DBP ,MAP ,HR ,和C1,C2。从参数可

17、以看出这位测试者身体状况良好,心血管功能相对年龄是很好的,但是,ASI 值116表明血管已经有一定程度的硬化。C1、C2值较小,尤其是C2值下降,反映了该男性有潜在的动脉血管病变趋势,需引起重视。右侧的功能按钮,分别实现了测量,分析,保存,打印,刷新等功能。4临床研究4.1血压与心率测试结果的对照分析我们采用的标准模拟仪是美国生产的无创血压模拟仪BP Pump 2,它能够模拟出正常人和病人的脉搏袖带波以及相应的收缩压、平均压、舒张压和心率值。这里我们主要选择了五组典型类型与本课题研究的测量仪进行血压与心率的分析比较。这五组按(收缩压-平均压-舒张压-心率格式表示分别是:(120-93-80-8

18、0、(60-40-30-80、(120-80-60-45、(255-215-195-80、(140-106-90-162。我们用研制的测量仪每组测量150组,然后对测量结果进行统计。其统计结果见表1。从表中我们可以看出血压和心率测量的准确性和稳定性都比较高。本仪器血压与心率的算法已经通过标准模拟仪质检验证其血压精度为±5%、心率精度为±2%。4.2PP 、C1、C2、ASI 、PWV 统计分析超声检测颈动脉内中膜厚度(CIMT 能够比较准确地反映动脉硬化情况,而且现在也没有仪器能够同时检查PWV ,C1,C2,ASI ,因此,我们采用超声检测结果与这些参数的相关关系来验证本

19、仪器测量参数的准确程度。所用超声为北京东方惠儿公司生产的Terason 便携式彩超。为了验证PP 、C 2、ASI 、PWV 和CIMT 等的关系,我们在表2中给出了被测者的资料,一组为血压正常组,一组为高血压组。ASI 、PWV 、PP 、C 2同CIMT 显著相关。它们的相关性分析分别如图7(a (b (c (d 所示。4.3该测量仪不适人群经过大量的试验,发现该测量仪不适合心率不齐的人群。因为心率不齐者脉搏波周期没有规律,应用该软件的算法不能够准确计算相关参数。5结论本研究所设计的新型测量仪不仅可以同时测量图6动脉功能测量仪的测试界面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血压、心率的平均误差和最大误差统计报表Tab.1Average error and max error of BP and HRSBP-MAP-DBP-HR表2两组患者的基本资料Tab.2Basic information of two groups血压正常组高血压组例数80100年龄50.11±10.2353.26±10.49BMI (kg/m 2注:Eaverage 表示平均误差;Emax 表示最大误差中国医学物理学杂志第25卷第1期2008年1月518-PWV 、C1、C2和动脉硬化指数ASI ,而且可以测量血压参数。该仪器通过了YY/T 0287-2003和GB/T19001-2000认证并在医院进行临床应用。该产品已经获得国家食品药品监督管理局颁发的生产许可证由生产企业批量上市。该仪器能判断心血管患者与正常人的差异性,而且这些研究结果对我国心血管病方面流行病学的调查、疾病预防和疾病的早期发现都具有很大的意义。参考文献:1Jay