医学数字信号处理实验教程-基于MATLAB - 讲义 - 第11章 - 血压控制与脉搏波袖带压信号处理实验

1第11章：血压控制与脉搏波袖带压信号处理实验卓越工程师培养系列2目录《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义1.实验内容2.实验原理3.实验步骤4.本章任务5.本章习题31.实验内容

了解血压测量原理、血压测量硬件系统，以及充放气控制原理和血压算法设计过程，学习血压数据包的PCT协议和MATLAB中的部分函数和命令。然后，通过MATLAB语言实现血压算法模块，如基于IIR滤波器的滤波模块（IIRFilterPulseWave）、基于FIR滤波器的滤波模块（FIRFilterPulseWave），以及在脉搏波中寻找波峰对应的索引模块（FindPulsePeakIndex）、在脉搏波中寻找波谷对应的索引模块（FindPulseValleyIndex）、查找脉搏波峰峰值拟合序列模块（FindPulseFitSeq）、查找袖带压拟合序列模块（FindCuffFitSeq）、根据袖带压对脉搏波进行聚类处理模块（ClusterPulseWave）、计算脉率模块（CalcPulseRate）和计算收缩压、平均压、舒张压和脉率模块（CalcNIBPRslt），通过NIBPMain.m文件静态验证血压算法；最后基于医学信号采集平台，完善血压信号处理MATLAB软件系统，动态验证血压算法。《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义42.实验原理2.1血压测量原理2.2血压测量硬件系统2.3充放气控制原理2.4血压算法设计2.5血压数据包的PCT协议2.6本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义52.1血压测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）压力传感器MPX2053

在血压模拟电路中，选用了MPX2053作为压力传感器。MPX2053可提供高精度及高线性度的电压输出，电压输出与被测压力成正比。该传感器在单片式硅膜片上集成了应变片和薄膜电阻网络。通过激光修调实现精确的量程和偏移量校准以及温度补偿。压力传感器MPX2053电压输出特性如图11‑1所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义62.1血压测量原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）示波法

示波法又称为测振法，利用充气袖带阻断动脉血流，在放气过程中，袖带内气压跟随动脉内压力波动而出现脉搏波，这种脉搏波随袖带气压的减小而呈现由弱变强后，再逐渐减弱的趋势，示波法原理图如图11‑2所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义72.2血压测量硬件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

血压测量硬件系统如图11‑3所示，按照功能可以分为四个部分，分别是仪器仪表放大电路、脉搏波放大电路、驱动电路，以及单片机和计算机组成。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义82.3充放气控制原理《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

在血压信号处理MATLAB软件系统中，有两个定时器，分别是文件数据回放演示定时器和串口数据实时绘制定时器。串口数据实时绘制定时器除了绘制动态的波形，如袖带压波形、脉搏波波形、滤波后脉搏波波形和拟合曲线，还控制着充放气逻辑。实时定时器充放气流程图如图11‑4所示《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义92.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）计算校准系数coef1和coef2

压力传感器检测到的压力值与血压测量硬件系统读取到的AD值成正比例关系，公式如下所示：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

其中，cuffPres是压力值，adVal是AD值，coef1和coef2是系数。校准方法是选取两个压力值，然后，将读取到的两个对应AD值代入关系式，即可得到以下两个公式：

102.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）计算校准系数coef1和coef2

联合两个公式可以计算出coef1和coef2，如下所示：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

建议在计算系数coef1和coef2时，两个压力值分别选取0mmHg和100mmHg，然后通过气泵和气阀分别将血压硬件测量系统的压力值调至0mmHg和100mmHg，读取这两个压力值对应的AD值。112.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（1）计算校准系数coef1和coef2

例如，0mmHg时读取的AD值为460，100mmHg读取的AD值为1232，将这四个值代入公式，计算出系数coef1和coef2分别为460和0.1295，因此，AD值与压力值的计算公式为：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

根据公式，绘制出AD值与压力值的特性曲线如图11‑5所示。122.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（2）拟合曲线

如图11‑6所示，拟合曲线的顶点对应的横坐标为平均压，收缩压位于拟合曲线顶点左侧，舒张压位于拟合曲线顶点右侧。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义132.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）处理伪波峰和伪波谷

在开阀放气过程中，不需要采样袖带压和脉搏波数据，因此，在每个压力阶梯的起点和终点，即采样的间断处有可能导致伪波峰或伪波谷的出现，如图11‑10所示。这样就有可能让获取的袖带压拟合序列和脉搏波峰峰值拟合序列出现偏差，会造成计算收缩压、平均压和舒张压时也出现偏差，同样，计算脉率也会有偏差。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义142.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）处理伪波峰和伪波谷

解决偏差问题首先要通过波峰索引（包含真波峰索引和伪波峰索引）获取伪波峰索引，伪波峰索引与阶梯终点位置相关。在动态工程中，通常每接收一个无创血压原始波形数据包（包含一个袖带压数据和脉搏波数据），计数器进行一次加1操作，这个计数器即为串口接收到的数据的编号，将该计数器的变量名定义为gRecDataCnt。在阶梯终点，记录通过串口接收到的数据的编号，最终组成阶梯终点索引序列，将该序列的变量名定义为gStepEndSeq，如图11‑10所示，这是理想状态。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义152.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）处理伪波峰和伪波谷

在实际测量中，记录阶梯终点索引通常在关阀延时之后，压力阶梯开始采样之前，由于MATLAB实时性并不理想，会导致记录的阶梯终点索引出现偏移，这样就不容易获取准确的伪波峰索引，所以在完成所有的脉搏波和袖带压数据采样之后，还需要调整阶梯终点序列gStepEndSeq。

调整方法是将序列中的每个编号加上索引偏移，索引偏移的常量名定义为INDEX_OFFSET，该偏移的具体数值可以通过原始的gStepEndSeq与原始的袖带压或脉搏波数据进行对比获取。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义162.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（3）处理伪波峰和伪波谷

基于调整之后的阶梯终点序列gStepEndSeq和波峰索引，就可以比较容易获取伪波峰索引。首先，以阶梯终点为中心，将查找范围分别向前后延伸，这个延伸点数的常量定义为EXP_NUM，然后，查找伪波峰索引。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义172.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）计算平均压、收缩压和舒张压

①波形特征法

波形特征法的原理是基于由Corall和Strunin于1975年提出的突变点准则。准则认为：在检测到的脉搏波峰值与静态袖带压力值的关系图中，在脉搏波峰值上升段，幅值突然增大的点对应的静态袖带压力值被认为是收缩压值，在脉搏波峰值下降段，幅值突然减小的点对应的静态袖带压力值被认为是舒张压值。这种判定方法个体适应性较差，测量精度不稳定，已逐渐被其他判定方法所代替。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义182.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）计算平均压、收缩压和舒张压

②幅度系数法

幅度系数法，也称归一法，其基本原理是利用脉搏波的振幅信号与最大脉搏波振幅信号相比，进行归一化处理，通过收缩压和舒张压对应的归一化系数来判定收缩压和舒张压。

③改进的幅度系数法

幅度系数法采用固定的比例系数计算血压参数，但在个体差异上有其局限性，会导致某些时候测量结果不准确，稳定性不高。在大量实验数据的基础上，将使用固定比例系数改为根据不同的平均压使用不同的比例系数，这种方法称为改进的幅度系数法。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义192.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）计算平均压、收缩压和舒张压

③改进的幅度系数法

拟合曲线的横坐标为压力值，纵坐标为脉搏波峰峰值的AD值。拟合曲线如图11‑13所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义202.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（4）计算平均压、收缩压和舒张压

③改进的幅度系数法

收缩压比例系数ksys和舒张压比例系数kdia并不是一个固定常数，而是随着平均压的变化而变化。通过大量的实验数据，总结出不同平均压对应的收缩压与舒张压比例系数，如表11‑1所示。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义平均压还可以通过收缩压和舒张压计算得出，公式如下：

212.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（5）计算脉率

计算脉率所需的波峰可以选取在连续两个阶梯终点序列之间，但每次测量读取到的gStepEndSeq即使经过调整也可能会有偏差，所以通过掐头去尾的方法，截去原始数据的首尾一部分数据，这里将截去点数常量定义为CUT_NUM，然后再基于剩余的数据计算脉率。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义222.4血压算法设计《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义（5）计算脉率

基于剩余的数据，计算两个峰值之间的采样次数，然后根据采样次数和采样率，计算每个压力阶梯上的脉搏波频率。若采样率为Fs，连续两个脉搏波峰值的采样位置为A和B，可以根据以下公式计算脉率：《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义

最后，将每个压力阶梯所得脉率进行排序，去除首尾的脉率值，然后对剩余的脉率值求平均，即可得到最终的脉率值。232.5血压数据包的PCT协议《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义

完整的血压数据包和命令包参见附录III。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义242.6本章使用到的函数及命令《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-配套讲义 pause(a)表示程序暂停a秒后继续执行，若程序中只有pause而没有参数，则表示程序暂停，按任意键程序继续执行。《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义253.实验步骤3.1步骤1：打开MATLAB软件3.2步骤2：创建并完善IIRFilterPulseWave.m文件3.3步骤3：创建并完善FIRFilterPulseWave.m文件3.4步骤4：创建并完善FindPulsePeakIndex.m文件3.5步骤5：创建并完善FindPulseValleyIndex.m文件3.6步骤6：创建并完善FindPulseFitSeq.m文件3.7步骤7：创建并完善FindCuffFitSeq.m文件3.8步骤8：创建并完善ClusterPulseWave.m文件3.9步骤9：创建并完善CalcPulseRate.m文件3.10步骤10：创建并完善CalcNIBPRslt.m文件3.11步骤11：创建并完善NIBPMain.m文件3.12步骤12：打开血压信号处理MATLAB软件系统3.13步骤13：添力加NIBPCtrlSys.m文件及其主函数调用3.14步骤14：添加CalcNIBPRslt.m文件及其主函数调用3.15步骤15：验证血压信号处理MATLAB软件系统《现代医学电子仪器原理与设计实验教程》-套讲义《医学数字信号处理实验教程—基于MATLAB》-配套讲义264.本章任务 1.通过血压信号处理MATLAB软件系统右下方的“压力校准”按钮，对LY-A501型医学信号采集平台进行校准，并记录0mmHg对应的AD值，以及100mmHg对应的AD值，然后根据这四个值计算校准系数coef1和coef2。 2.在血压信号处理MATLAB软件系统中，根据实测结果调整NIBPCtrlSys函数中不同压力值对应的动态放气时间releaseTime，确保按照步长5~10mmHg放气。 3.在开始血压测量前，通过血压信号处理MATLAB软件系统菜单栏的“数据存储”按钮，打开“数据存储”对话框，勾选“演示数据”保存血压原始数据，测量结束后，记录收缩压、平均压、舒张压和脉率，然后使用Excel软件打开“血压0x34演示数据-xxx.csv”，并生成袖带压和脉搏波数据