穿戴式測血壓法的新型校準方法研究

1、穿戴式測血壓法的新型校準方法研究周蓉北京航空航天大學北京航空航天大學本科生畢業(yè)設計（）任務書、畢業(yè)設計（）題目： 穿戴式測血壓法的新型校準方法研究、畢業(yè)設計（）使用的原始資料（數(shù)據）及設計技術要求：技術要求：1）提出基于脈搏波測血壓的新型校準方法，可以對穿戴式測壓設備進行較為方便準確的血壓校準。2）設計并完成校準平臺的搭建，利用標準的無創(chuàng)血壓測量設備和我們自行開發(fā)的穿戴式信號與顯示系統(tǒng)進行血壓校準。3）完成后期驗證實驗，至少10 人以上的血壓數(shù)據對校準方法的血壓估測精度進行初步檢驗。與血壓標準無創(chuàng)測量設備相比較，我們開發(fā)的穿戴式平臺血壓估測精度要達到誤差平均值小于5mmHg，誤差標準差小于 8

2、mmHg。、畢業(yè)設計（）工作內容：1. 2014 年 1 月 10 日3 月 6 日 在導師指導下進行文獻調研和閱讀，完成以下任務：1）了解脈搏波傳輸時間法測血壓的機理；2）了解目前已有的血壓校準方法和方案及其優(yōu)缺點；3）提出本課題的血壓校準方法、校準平臺的設計方案以及實驗驗證方案。2. 2014 年 3 月 7 日3 月 17 日 完成文獻翻譯、開題報告和開題答辯。3. 2014 年 3 月 18 日4 月 19 日無創(chuàng)血壓測量的標準設備，整合標準無創(chuàng)血壓測量設備和已開發(fā)的穿戴式信號與顯示系統(tǒng)，完成血壓校準實驗平臺的搭建；4. 2014 年 4 月 20 日5 月 9 日 設計實驗，在至少

3、10 個實驗對象進行血壓估測實驗，并處理和分析實驗數(shù)據。5. 2014 年 5 月 10 日5 月 31 日 整理數(shù)據與結果，撰寫并提交本科和相關的學術。6. 2014 年 6 月 1 日6 月 10 日 準備本科畢業(yè)設計答辯 PPT，完成本科畢業(yè)答辯。、主要參考資料：1 Chen M W, Kobayashi T, Ichikawa S, et al. Continuous estimation ofsystolicbloodpressure using the pulse arrival time and intermittent calibrationJ. Medical and Bio

4、logicalEngineering and Computing, 2000, 38(5): 569-574.2 Shaltis P, Reisner A, Asada H. A hydrostatic pressure approach to cuffless blood pressuremonitoringC/Engineering in Medicine and Biology Society, 2004. IEMBS'04. 26th AnnualInternational Conference of the IEEE. IEEE, 2004, 1: 2173-2176.3bi

5、e D B, Shaltis P A, Reisner A T, et al. Adaptive hydrostatic blood pressurecalibration: Development of a wearable, autonomous pulse wave velocity blood pressuremonitorC/Engineering in Medicine and Biology Society, 2007. EMBS 2007. 29th AnnualInternational Conference of the IEEE. IEEE, 2007: 370-373.

6、4 向海燕. 無創(chuàng)傷逐拍動脈血壓測量技術D. 西安: 第四, 2005. 生物與醫(yī)學工程 學院生物醫(yī)學工程 專業(yè)類101012班學生周 蓉）時間： 2014 年 3 月 2 日至 2014 年 6 月 10畢業(yè)設計（日答辯時間：2014年 6 月 10 日績： 成指導教師： 教師或答疑教師（并指出所負責部分）： 系（教研室）（簽字）： 本人我，本及其研究工作是由本人在導師指導下完成的，在完成時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。作者： 周蓉簽字：時間：2014 年 6 月穿戴式測血壓法的新型校準方法研究學生：周蓉指導教師：王玲摘要血壓是反映循環(huán)系統(tǒng)機能的重要參數(shù)，持續(xù)的血壓檢測對于高血壓的預

7、防、診斷和控制非常重要。穿戴式是實現(xiàn)血壓持續(xù)檢測的重要，而校準是其中必不可少的環(huán)節(jié)，直接決定了穿戴式測壓的準確性。目前的校準方法主要分為群體校準法和校準法兩類，兩者各有利弊，校準法精確度更高，操作也更加繁瑣。為了更好地滿足穿戴式測壓法的校準要求，本提出了一種操作簡易的校準方法。該方法首先利用平躺時的抬手動作制造局部的血壓改變，從而計算壓局部校準參數(shù)，然后創(chuàng)新性地結合從主動脈到手指動脈處的彈性模量、脈搏波傳輸速度和長度的回顧性數(shù)據，換算得到全身校準參數(shù)，完成個性化的血壓校準。為了驗證該方法的準確性，我們搭建了相關的實驗平臺，設計并完成了改變和運動恢復兩項實驗，了 13 名健康被試的數(shù)據。結果顯示

8、，本文提出的新型校準法在改變和運動恢復兩種情況下對于收縮壓的估測誤差分別為-2.89±3.49mmHg 和-1.72±1.49mmHg，其精度皆滿足 AAMI標準（美國血壓計行業(yè)標準，誤差平均值不大于 5mmHg，誤差標準差不大于 8mmHg）。該結果表明，我們提出的血壓校準方法在收縮壓估測方面基本可行，在穿戴式血壓檢測領域應具有良好的應用前景。：血壓，穿戴式檢測，校準，流體靜壓法，脈搏波傳輸時間A Study on a Novel Calibration Method for Noninvasive Measurementof Arterial Blood Pressur

9、e Using Wearable Medical DevicesAuthor: ZHOU RongTutor: WANG LingAbstractBlood pressure (BP) is an important parameter of human circulatory system and its continuous measurement provides critical information for the prevention, diagnosis andcontrol of hypertension. Wearable device is an important ap

10、plication of continuous BP measurement where calibration is a critical step determining the accuracy. Nowadays, there are mainly group and individual calibration methods where the latter is more accurate but with more complicated operations. In order to satisfy the requirements of wearable BP calibr

11、ation, a more convenient and accurate calibration method was proposed in this study. Local calibration parameters were firstly calculated from the local BP changes induced byrising the arm and then transformed into global calibration parameters using vesselretrospective data (from aorta to the finge

12、r artery) including elastic modulus, pulse wavevelocity and arterial length. Next, we built a calibration platform and a validation experimentincluding a posture change part and a running exercise part was conducted on 13 healthysubjects. The novel calibration method showed a high systolic BP (SBP)

13、estimation accuracy(total means and standard deviations (SD) of SBP estimation errors were -2.89±3.49 mmHg and -1.72±1.49 mmHg in the posture change and exercise experiments, respectively) which satisfied the AAMI standard (mean±SD 5±8 mmHg). The experimental results showed the e

14、ffectiveness of the proposed calibration method and indicated that it is promising to be usefulfor the wearable BP measurement in the future.Key words：Blood pressure, Wearable measurement, Calibration, Hydrostatic method,Pulse transit time目錄11緒論1.1 課題背景11.1.1 連續(xù)測量血壓的意義11.1.2 穿戴式血壓測量的優(yōu)勢21.1.3 校準的重要性3

15、1.2 國內外研究狀況31.2.1 穿戴式血壓測量方法31.2.2 校準的分類及方法41.3 課題研究目標及方法61.4構成及研究內容72新型校準方法82.1 脈搏波傳輸時間測壓法原理82.2 本方法的創(chuàng)新點102.2.1 全身校準參數(shù)的換算102.2.2 左右手參照132.3 技術方案152.3.1 校準方案152.3.2 校準平臺的搭建152.3.3 驗證實驗182.3.4 無創(chuàng)血壓測量評價標準18319驗證實驗3.1 預實驗193.1.1 抬手方式193.1.2 抬手高度193.1.3 血壓驗證項目203.23.3正式實驗21數(shù)據處理223.3.1 心電信號檢點算法223.3.2 容積脈

16、搏波信號檢點算法23實驗結果243.44討論274.14.24.3收縮壓的校準27舒張壓的校準29校準誤差來源294.3.1 模型本身294.3.2 測量304.3.3 其他因素304.4展望30結論32致謝33參考文獻341 緒論1.1 課題背景1.1.1 連續(xù)測量血壓的意義血壓（blood pressure, BP）是血液在內時，作用于面積壁的側壓力，即壓強。臨的血壓指的是動脈血壓，它和心臟的功能以及外周狀況密切。心室收縮時，主動脈壓急劇升高，在收縮中期達到最高，此時的動脈血壓為稱收縮壓（systolic blood pressure, SBP）；心室舒張時，主動脈壓下降，在心舒末期動脈血

17、壓的最低值稱為舒張壓（diastolic blood pressure, DBP）。收縮壓和舒張壓之間的差值稱為脈搏壓，簡稱脈壓（pulse pressure, PP）。一個心動周期中每一瞬間動脈血壓的平均值，稱為平均動脈壓（mean arterial pressure, MAP）。平均動脈壓大約等于舒張壓加上三分之一的脈壓。血壓是循環(huán)系統(tǒng)機能的重要參數(shù)，也是臨疾病診斷和治療的重要依據，而連續(xù)的血壓測量更是意義：首先，連續(xù)的血壓測量是預防、診斷、治療和控制高血壓的重要。2002 年人群高血壓三率（知曉率、治療率、控制率）結果顯示，我國與發(fā)達相差巨大。美國分別是 70.5%、59%、34%，而中

18、國則是 30.2%，24.7%，6.1%1，情況堪憂。連續(xù)的血壓檢測將會減少高血壓患者的漏診率，及時篩查出早期高血壓患者，充分實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早治療，降低高血壓的危害。連續(xù)的血壓檢測對于高血壓的治療更是意義，可以反映出很多生理病理信息，給醫(yī)生的診斷和治療提供寶貴的資料。連續(xù)的血壓監(jiān)測還可以給高血壓患者提供實時的血壓信息，特別是服藥前后的血壓變化，對于自身的血壓控制非常重要。其次，連續(xù)的血壓測量可以減少高血壓的誤診率。診室血壓有時并不能反映出患者的真實血壓水平。對于有些，特別是老年人和孕婦，會出現(xiàn)白大衣高血壓癥狀，即在診室測量血壓偏高，但在家中自測血壓正常的狀況。據，白大衣效應可在高達 40%以上2

19、。的中導致血壓升高 20/10mmHg確的血壓測量會對醫(yī)生的診斷帶來誤導，也會對患者帶來極大的心理負擔。最后，血壓的晝夜變化規(guī)律，可以提供很多重要的生理信息。正常人的血壓波動具有很明顯的晝夜特征和周期性：清晨（醒時）陡然升高，達到平臺值至約 11 時，之后下降，到約 24 時最低。這種晝夜規(guī)律對于高血壓患者也適用，但曲線會上移。病理生理和流行病學研究顯示心性猝死、腦病和心肌梗死等疾病發(fā)生在清晨的幾率增加3。因此，持續(xù)血壓監(jiān)測，可以測量到清晨高壓，為和醫(yī)生對病情的和診斷贏得寶貴的時間。1.1.2 穿戴式血壓測量的優(yōu)勢穿戴式生物醫(yī)療儀器是基于醫(yī)療的理念，利用微型生物傳感器、生物微電子機械系統(tǒng)、無線

20、數(shù)據傳輸?shù)葘M行全天候信息的診斷監(jiān)護終端。一串項鏈、一件衣服、一枚戒指，再加上一個手持部分就能構成一個系統(tǒng)，能隨時、實時地得到想要的生命參數(shù)并被院方的醫(yī)療機構檢測，同時使穿戴有生物傳感系統(tǒng)的受測對象感到方便舒適4。穿戴式設備具有使用方便、長時間持續(xù)工作、智能顯示診斷結果、無線數(shù)據傳輸、異常生理狀況等等憂點。目前已經實現(xiàn)的穿戴式生物醫(yī)療儀器主要包括脈沖式血氧飽和儀、無損血糖監(jiān)測儀和穿戴式心電儀等。雖然穿戴式設備對于心電、血氧的監(jiān)測技術已經逐漸成熟，但是穿戴式連續(xù)血壓測量仍然是一個尚未徹底解決的問題。對于血壓測量而言，穿戴式設備優(yōu)勢明顯。首先，穿戴式測量設備使用舒適，對使用者的日常生活造成不便，有

21、利于實現(xiàn)持續(xù)的血壓測量。其次，穿戴式設備擁有和傳輸?shù)裙δ?，可以使得高血壓患者足不出戶就可以接收到醫(yī)生反饋回來的信息，可以精確控制用量，及時調整治療方案。第三，穿戴式測血壓會針對異常的血壓值進行，對于清晨高發(fā)的急性心肌梗死、腦病和腦卒中等緊急狀況，能夠及時通知急救中心，在心疾病的急救方面可以發(fā)揮出巨大的作用。穿戴式無創(chuàng)血壓無法直接獲取，只能通過測量與血壓相關的體表參數(shù)間接得到。體表參數(shù)和血壓之間關系的校準，是影響穿戴式血壓設備精度的重要因素。因此，校準是保障穿戴式血壓設備精度必不可少的環(huán)節(jié)。1.1.3 校準的重要性血壓校準是指實現(xiàn)體表測量參數(shù)與血壓之間描述方程參數(shù)化的過程。是一個非常復雜的系統(tǒng)，

22、不同人群，不同之間差異非常巨大。影響血壓的因素有很多，即使是選取同樣的指標，針對不同，系數(shù)和權重也不盡相同。對于生物醫(yī)學設備而言，測量精度是一個非常重要的指標，如果不能針對使用者進行個性化的參數(shù)設定，測量精度便無法保證。而穿戴式這種載體使得儀器個性化成為可能，經過校準后，測量的精度和準確性會大幅提高，這也是穿戴式生物醫(yī)學儀器繼便攜、舒適和連續(xù)測量之外的另一大優(yōu)點。1.2 國內外研究狀況1.2.1 穿戴式血壓測量方法目前穿戴式無創(chuàng)動脈血壓監(jiān)測技術主要包括以下四種實現(xiàn)方式：第一種是根據獲取的橈動脈脈搏波的幅值來確定動脈血壓。當一個具有內在的和外相等5。對安被外在物體部分壓平時，的周應力會發(fā)生變動，

23、內置于橈動脈上方皮膚的特制的換能器施加一定的外力，當外壓達到某一數(shù)值時，血管內壓等于外壓，因此通過測量外壓即可獲得動脈血壓。根據這個原理，美國 Medwave公司開發(fā)了一款腕式血壓測量儀6,7。該款腕式血壓儀每隔 15 秒鐘給出一個血壓示數(shù)，但是不能實現(xiàn)逐拍的持續(xù)監(jiān)測，而且使用時需要由專業(yè)來標定傳感器的位置。這種技術擺脫了袖帶的，測量精度較高，但是仍然需要在手腕處施加一定的外界。因為運動偽差以及受壓的粘彈性變化會改變傳感器-動脈的接觸結構，隨之改變其校準關系，因此必須周期性地重復校準。甚至于前一次校準后，如果手腕和心臟之間的流體靜壓（手腕位置）發(fā)生改變，在短期內該設備仍然需要進行重復校準。第二

24、種技術利用光電傳感器測量每搏的血容積變化量，并利用流體靜力學原理以及血容積變化量與經皮之間的關系，來確定平均血壓值。這種技術仍然處在研究階段，在實際操作中還有很多問題尚待解決。首先，與血容積變化量之間的關系并不是靜態(tài)的，它可能會隨時間和生理狀態(tài)的不同而改變；其次，血壓只是引起每搏血容積變化的其中一個方面；最后，血容積變化曲線存在嚴重的滯后現(xiàn)象。目前，采用該方法進行血壓監(jiān)測時，每隔 20 分鐘就需要重新校準8。第三種技術利用紅外傳感器測量手指容積變化，并在手指的中部或基部上放置一個充滿空氣或者充滿液體的袖帶，通過控制袖帶的壓力使得手指動脈保持一個無載荷、無伸展的狀態(tài)。此時，袖帶壓力等于手指動脈壓

25、力。指套壓力值通過電動振蕩器不斷調整且由壓力傳感器測得，并反饋至氣體系統(tǒng)，使指套壓力始終等于動脈壓9。這種方法有望與血氧模塊相結合，研制出微型化的測量儀。但是，該方法需要一個初始的校準，以確定無載荷動脈尺寸和其相應的時間加權的平均動脈壓，隨后還需要周期性地校準來校正無載荷動脈尺寸的改變。第四種技術是通過生物電極和光電傳感器來測量脈搏波傳輸時間（速度），并利用標準血壓計測量的血壓值對傳輸時間與動脈血壓之間的關系進行校準，來獲取持續(xù)血壓值。脈搏波傳輸時間（pulse transit time, PTT）是指從心電圖（electrocardiogram, ECG）R 點到對應的光電容積描記信號（ph

26、otoplethysmogram, PPG）特征點之間的時間間隔，表征了脈搏波從心臟傳輸?shù)侥┥覄用}的時長。脈搏波中含有非常豐富的生理病理信息，脈搏波的波形幅度和形態(tài)可以反映血壓和其他心血管系統(tǒng)的生理病理狀態(tài)。這種方法的基本原理是源于對生理學的直觀認識，當血壓升高時，動脈管壁擴張，動脈的彈性和順應性降低，脈搏波傳播速度加快，脈搏波沿動脈傳播的速度會隨動脈壓力的升高而增加。因此，通過測量脈搏波速度的變化即可推知動脈內壓力的變化，再經聽診法或者示波法校準，便可以得到逐拍連續(xù)的血壓值。這種方法所使用的傳感器設計簡單而且成本低廉，可以在諸多載體上實現(xiàn)。但是，該方法需要一個標準的血壓測量設備來進行標定。而

27、且，不同個體之間血壓和脈搏波速度之間的參數(shù)差異很大，需要在測量之前進行個體校準。1.2.2 校準的分類及方法穿戴式測血壓法雖然有多種實現(xiàn)方式，但是無論采取哪一種實現(xiàn)方式，都需要進行校準。校準是對基于生理學、血流動力學模型描述的血壓特征方程進行參數(shù)化的過程。對于穿戴式血壓測量設備而言，校準大體上可以分為兩類，分別是群體校準法和個體校準法。群體校準法是指利用大樣本人群的生理數(shù)據，通過統(tǒng)計學方法實現(xiàn)特征方程參數(shù)化的過程。群體校準法首先要進行大范圍的人群采樣，然后針對生理信息篩選出與血壓相關的指標，最后通過參數(shù)擬合10或者取經驗值11的方式獲得每個指標的系數(shù)與權重，得壓特征方程。群體校準法的優(yōu)點是所有

28、人群使用一個血壓特征方程描述，設備實現(xiàn)簡單，有利于大規(guī)模的市場化。但是目前群體校準法有很多問題尚待解決：1）不同種族，不同、不同的人生活習慣、生理結構等存在差異，針對某個人群建立的血壓特征方程能否直接應用于其他人群，很難定論。即使是窮盡一個地域的大樣本，對于整個人口而言仍然是一個小樣本。2）血壓與諸多因素有關，一些為了提高估測精度而利用回歸分析等統(tǒng)計學的方法引入的血壓相關指標，其生理意義很難解釋。3）大樣本人群的生理數(shù)據會耗費大量人力物力，而且過程中會出現(xiàn)很多不可控因素，這也會給特征方程的建立帶來誤差。校準法是指針對使用者進行個性化校準的過程。通過對使用者進行血壓追蹤，得出滿足生理特性的血壓特

29、征方程。個性化的校準方法測量精度高，但是如何針對進行快速方便的校準仍是目前的研究熱點。校準分為兩個步驟，第一是選取合適的血壓跟蹤變量，第二是選擇合適的血壓變化激勵。血壓跟蹤變量即與血壓具有相關關系的可測量體表參數(shù)，包括動脈容積變化、脈搏波幅值和脈搏波傳輸時間等。血壓跟蹤變量的選取直接決定了血壓描述方程的形式，對最終的硬件實現(xiàn)，測量精度等都有影響。有研究者12利用容積和血壓的關系來估測血壓，這種方法需要首先獲得一條針對的順應性曲線，曲線的描述方程為：b1V =(1.1)1 + A exp-b2 ()Phydro，其中 b1，b2，A 為參數(shù)，Phyro 為流體靜壓。還有研究者2,13基于 Moe

30、ns-Kortweg 方程：gEardv =(1.2)以及壁彈性模量公式：egP ，E = E(1.3)0推導出脈搏波傳輸時間與血壓之間的線性關系：BP = PTT ´ b + a ，(1.4)其中 a，b 為參數(shù)。這些血壓描述方程的變量只有一個，待確定的系數(shù)只有兩到三個，非常便于實現(xiàn)個性化的校準。確定血壓描述方程中的參數(shù)通常需要用到不同的血壓水平，選擇怎樣的血壓變化激勵直接影響到校準方案的最終實現(xiàn)形式。有研究者2,12,14利用流體靜壓的原理改變血壓，通過抬手或者抬腳造成流體靜壓的改變，從而制造局部的血壓變化，將這種變化換算到全身，便可構建不同的血壓水平。這種方法實現(xiàn)簡單，但是局部

31、血壓需要換算到全身，而且折算方法種類繁多，尚未統(tǒng)一。流體靜壓法假設在抬手中血壓不變，與實際情況不完全符合，這也會給校準帶來誤差。有研究者15利用袖帶加壓，局部血壓升高的特點，構建不同的血壓水平。自動袖帶血壓計測量血壓時，會手臂，造成測量位置以下的部位血壓升高。利用這個特點，再加上手指的袖帶和指端脈搏波信號，便可以計算出加壓時袖帶下的動脈。然后配合上自動袖帶血壓計測量的血壓，便有兩個不同水平的血壓值。袖帶加壓法可以實現(xiàn)單點血壓校準，但是需要在袖帶內部附加一個同步的傳感器，指端脈搏波信號也要求嚴格同步。而且手指袖帶的內需要利用緩慢抬手過程中的高度脈搏波幅值曲線來獲取，對傳感器的要求很高。同樣，袖帶

32、加壓法造成的也僅僅是局部血壓改變。1.3 課題研究目標及方法本課題的研究目標是探究出一種新型血壓校準方法，提高血壓測量的舒適度和方便度，為以后穿戴式血壓監(jiān)測設備的設計和發(fā)展奠定基礎。本課題以當前的個性化校準方法為研究基礎，以改變校準的實現(xiàn)方案和血壓波動的補償方案為創(chuàng)新口，以健康人改變和運動恢復實驗中的血壓估測為主要驗證手段，采用理論與實踐相結合的研究方式，實現(xiàn)本課題的研究目標。為了完成這個目的，我們首先通過大量的文獻閱讀，綜合考慮了各種校準方法的利弊，鎖定了脈搏波傳輸時間作為血壓跟蹤指標，以流體靜壓法作為改進藍本，根據現(xiàn)有硬件條件提出了血壓校準新方法。然后，通過市場調研和實地等方式，我們了市場

33、上現(xiàn)有精度最高的無創(chuàng)袖帶血壓計作為參考標準，結合現(xiàn)有的穿戴式血壓測量設備和軟件平臺搭建了血壓校準平臺。最后，我們通過 13 人的驗證實驗，驗證了血壓校準新方法的準確性。1.4構成及研究內容本主要由 4 個部分構成，分別是緒論、新型校準方法、驗證實驗和討論。緒論部分詳細介紹了課題的背景、國內外研究現(xiàn)狀以及研究目標和研究方法。新型校準方法部分闡述了所提出的新型校準方法的基本原理、設計依據、創(chuàng)新點和具體的技術方案。驗證實驗分為預實驗、正式實驗、數(shù)據處理和實驗結果四個部分：在正式實驗之前，我們進行了充分的預實驗，并對預實驗中的問題進行了解決；正式實驗部分描述了最終確定的實驗方法和實驗步驟；數(shù)據處理主要

34、介紹了心電信號和容積脈搏波信號的檢點算法；實驗結果則是正式實驗的所有結果展示。討論部分，我們針對實驗結果進行了充分的分析，包括對收縮壓、舒張壓的校準分析，誤差來源分析以及展望。本課題的研究內容主要包括：1）基于已有校準方法，研究出一種較為準確并能夠簡單實現(xiàn)的穿戴式血壓校準方法；2）設計并完成血壓校準平臺的搭建，利用標準的無創(chuàng)血壓測量設備和我們自行開發(fā)的穿戴式信號與顯示系統(tǒng)進行血壓校準。3）完成后期的驗證實驗，至少10 人以上的血壓數(shù)據對校準方法的血壓估測精度和校準平臺的方便舒適程度進行初步檢驗。2 新型校準方法校準分為兩個步驟，第一是選取合適的血壓跟蹤變量，第二是選擇恰當?shù)难獕鹤兓?。考慮到

35、目前的硬件條件和實驗環(huán)境，我們選擇脈搏波傳輸時間作為跟蹤血壓的變量，利用流體靜壓法造成血壓變化，通過對原有流體靜壓法的改進，設計出了基于穿戴式的新型單點校準方法。2.1 脈搏波傳輸時間測壓法原理在眾多穿戴式測血壓方法的實現(xiàn)形式中，我們選擇脈搏波傳輸時間測血壓作為我們的測量方法。脈搏波傳輸時間是指從每一拍心跳中，心電圖 R 點到對應的光電體積描記信號起始點之間的時間間隔，表征了脈搏波從心臟傳輸?shù)侥┥覄用}的時長。以一個心動周期為例：左心室收縮時，主動脈瓣打開，心臟開始射血，由于的外周阻動脈附近段內的血力上升，壁向外擴張；左心室舒張時，心臟停止射血，主動脈附近內下降，壁彈性回縮。隨著心臟周期性的收縮

36、和舒張，主動脈根部的壁也發(fā)生相應的擴張和回縮，同時，也將血壓、血流量和壁周期性波動迅速擴散到相鄰的段，使該段中的血壓、血流量和壁彈性同樣也產生周期性的波動。這些周期性的波動再以同樣的方式向下游的鄰近段擴散，如此繼續(xù)沿著動脈樹的分支一直擴散到整個動脈系統(tǒng)，從而形成整個動脈系統(tǒng)中血壓時高時低，血流量時快時慢壁時張時縮的波動。這些波動在動脈系統(tǒng)中擴散的過程，稱為動脈脈搏波的。而由血壓、血流量、壁的脈動形成的擴散波動，則可分別稱之為脈搏波、流量脈搏波、管壁脈搏波，這三類脈搏波時相伴而生的，因此可以統(tǒng)稱為動脈脈搏波2。當脈搏波在血液中時，脈搏波的波速、形狀和振幅的大小將由血液粘度、的力學特性（粘彈性），

37、以及的幾何特性（和形狀）所決定。Moens-Kortweg 方程16刻畫了脈搏波速度與特性之間的關系：gEav =(2.1)rd，其中，v 為脈搏波速度，g 為重力度，E 為彈性模量， 為血液密度，a 和 d 分別為壁的厚度和直徑。g壁彈性模量公式E = E eP將（E是血壓為 0 時的彈性模量，P 為血壓，00為壁系數(shù)）代入(2.1)式，同入 v 與時間的反比關系v = K / T ，經過左右兩邊取對數(shù)運算，可以獲得如下的血壓計算公式：rdK 21P =ln() - 2 ln T gaE(2.2)g，0其中，P 為血壓，T 為脈搏波傳輸時間。如果忽略 a 和 d 的改變，并且假設壁彈性模量

38、E0 的變化足夠緩慢，則(2.2)式右邊第一項可以看作一個常數(shù)。對 P 求導可得：dP dT2gT= -(2.3)。由此，便可推出 BP 與 PTT 之間的線性關系：2P = P -DT(2.4)ebgT，b其中，Pe 為血壓估算值，Pb 為血壓測量值， 為系數(shù)，在 0.016 到 0.018（mmHg-1）的范圍內變化，Tb 為血壓 Pb 時的 PTT 值，T 為脈搏波傳輸時間改變量。(2.4)式表明血壓與脈搏波傳輸時間 PTT 之間存性關系，因此可以通過測量 PTT的變化來估測壓的變化。事實上，血壓 BP 和 PTT 之間存在如下近似關系2：BP = a + b ´ PTT(2.

39、5)，其中，a，b 為待定參數(shù)，其大小因人而異，而同一在短時間內的 a，b 值是確定的。因此，通過校準獲得 a，b 值后，便可以通過(2.5)式估測逐拍連續(xù)血壓。與其他穿戴式測血壓方法相比，利用 PTT 測血壓具有如下優(yōu)勢：1）PTT 與血壓之間的關系方程為線性，BP = a + b ´ PTT，形式簡單，校準方便。2）脈搏波特征參數(shù)有明確的生理意義。脈搏波中含有非常豐富的生理病理信息，脈搏波的波形幅度和形態(tài)可以反映血壓和其他心系統(tǒng)的生理病理狀態(tài)。當血壓升高時，動脈管壁擴張，動脈的彈性和順應性降低，脈搏波速度加快，脈搏波沿動脈的速度會隨動脈的升高而增加。3）PTT 能夠實現(xiàn)對血壓的逐

40、拍連續(xù)測量。利用脈搏波傳輸時間估測血壓，每一個心動周期都能對應估測出一個血壓值。4）PTT 的測量實現(xiàn)簡單。PTT 可以通過測量心電和脈搏波獲得，也可以通過不同位置的脈搏波相減得到。而心電和脈搏波的測量，技術非常成熟，設備實現(xiàn)簡單，易于穿戴式實現(xiàn)。2.2 本方法的創(chuàng)新點為了獲得系數(shù) b，我們需要構造不同的血壓水平。在眾多改變血壓的方法中，流體靜壓法以其原理簡單、實現(xiàn)方便成為我們校準方法的首選。流體靜壓法造成的僅僅是局部血壓改變，而且測量時，默認受試者其他部位血壓保持恒定。針對原有流體靜壓法的局限和不足之處，受向海燕工作2的啟發(fā)，我們進行了如下改進：1）將局部血壓變化系數(shù) b 折算到全身血壓；2

41、）使用消掉受試者校準期間血壓波動對校準結果的影響。PPG 信號相減抵2.2.1 全身校準參數(shù)的換算圖 2.1 脈搏波示意圖圖 2.1 是脈搏波從心臟到手指指端的路徑示意圖，虛線是路徑。其中，L1為心臟到肩關節(jié)部位的段長度，L2 為肩關節(jié)到手指指端的段長度。2根據 Moens-Kortweg 方程可以推出DP = -DT ，其中， 為系數(shù)，P 為血壓變gT化，T 為脈搏波傳輸時間 PTT，T 為 PTT 的改變量。通過抬高右手改變血壓后，L1，L2 段的脈搏波傳輸時間分別變化為：T ¢= T + DT，(2.6)111¢T2= T2 + DT2(2.7)，而DP- g 1T1

42、DT =DP(2.8)1b2，1DP- g 2T2DT =DP(2.9)2b2，2所以，總的脈搏波傳輸時間為：T ¢ = T1¢ + T2¢ ，(2.10)脈搏波傳輸時間的總體時間變化為：- g 1T1+ g 2T2DT = T ¢ - T = DT + DT =DP(2.11)122，DPDT2g 1T1 + g 2T2 ，b = -(2.12)而2b = -(2.13)2g T，2 2所以b2b2b = -=。(2.14)g 1T1b2 b1+ 1+ 1g 2T2因此，只要知道 L1、L2 兩段的彈性模量和各自的脈搏波傳輸時間，便可以將局部系數(shù) b2

43、 推算到全身系數(shù)。如圖 2.2 所示，圖（a）為軀位主要動脈分布圖，圖（b）為上肢動脈分布圖。由圖可知，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂质种改┥?，依次經過了升主動脈，主動脈弓，頭臂干，鎖骨下動脈和腋動脈，肱動脈以及橈動脈。抬高右手時，肱動脈和橈動脈的血壓發(fā)生改變。因此，升主動脈，主動脈弓，頭臂干，鎖骨下動脈和腋動脈對應圖 2.1 中的 L1段，肱動脈和橈動脈對應 L2 段。（a）軀位主要動脈分布圖（b）上肢動脈分布圖圖 2.2 抬手時脈搏波途經的動脈圖表 2.1 動脈不同位置長度17cm動脈升主動脈主動脈弓 頭臂干 鎖骨下動脈和腋動脈 肱動脈 橈動脈長度42-43.46.86.311.7動脈不同位置脈搏

44、波傳輸速度(PWV)18表 2.2m/s動脈升主動脈主動脈弓 頭臂干 鎖骨下動脈和腋動脈肱動脈和橈動脈PWV55-667-89-10表 2.3 動脈不同位置 PTT 計算值ms動脈升主動脈主動脈弓 頭臂干 鎖骨下動脈和腋動脈肱動脈 橈動脈PTT86.35.79.16.612.3表 2.4 動脈不同位置的彈性模量17N/m2動脈升主動脈 頭臂干 鎖骨下動脈和腋動脈 肱動脈 橈動脈彈性模量44448表 2.1 是脈搏波從心臟傳輸?shù)绞种钢付送窘浀闹饕獎用}的長度值，表 2.2 是脈搏波在這些動脈中的速度。根據表 2.1 和表 2.2，可以計算出途經動脈的脈搏波傳輸時間，如表 2.3 所示。利用表 2.

45、3 中的數(shù)值，我們可以得到：T1=升主動脈+主動脈弓+頭臂干+鎖骨下動脈和腋動脈=29.1ms，T2=肱動脈+橈動脈=18.9ms，再結合表 2.4 中途經動脈的彈性模量值，可以推知： g 1 =2g 23 。所以， b = 0.49b2 。上述 b 的換算充分考慮到了不同位置長度，不同級脈搏波傳輸速度以及不同彈性模量的影響，依據充分，科學合理。2.2.2 左右手參照在計算抬手引起的 PTT 變化時，我們選用另一只手的脈搏波傳輸時間作為參考。在現(xiàn)有的流體靜壓法中，都假定在手平放和抬手過程中，除了手的高度變化以外，其他影響血壓的基本參數(shù)保持不變。但是，兩種下，總體血壓以及脈搏波所經過的各部分的特

46、性都會有不同程度的變化。如果不排除這些因素引起的干擾，便無法準確判斷哪一部分血壓改變是因為抬手引起的，哪一部分是因為自身血壓波動及其他原因引起的?？紤]到這個原因，我們在另一只手（未抬高的手）的相同位置放置上另一個 PPG傳感器，作為抬手后脈搏波傳輸時間變化的參考。設雙手平放時，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂值臅r間為 TR1，從心臟傳輸?shù)阶笫值臅r間為 TL1；當右手抬高后，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂值臅r間為 TR2，從心臟傳輸?shù)阶笫值臅r間為 TL2。雙手平放時，DT1 =- TL1 ，TR 1(2.15)抬高右手時，DT2 =- TL 2 ，TR 2(2.16)其中，T1 和T2 分別是兩種情況下右手 PT

47、T 和左手 PTT 的差值。當抬手前后其他因素引起自身血壓變化，并且引起脈搏波傳輸時間變化時，這種作用會同時影響左右手的 PTT，記左右手 PTT 由此引起的改變分別為TL 和TR。那么：TR 2TR 1 + DTTrue=+ DTR ，(2.17)= TL1 + DTL ，TL 2(2.18)其中，TTrue 為僅僅因為抬手造成的血壓改變，從而帶來的脈搏波傳輸時間變化。由于動脈分布的對稱性，TL1 和 TR1 大小基本相等，由于總體血壓改變引起的傳輸時間變化也大體相當。即：DTL » DTR 。如果只考慮右手抬高前后的脈搏波時間差，那么(2.19)DT = DTR 2 - DTR

48、1 =DTTrue+ DTR 。(2.20)如果將左手作為參考，則因為抬手引起的脈搏波傳輸時間變?yōu)椋篋T = DT2 - DT1 = (TR 2 - TL 2 ) - (TR 1 - TL1 ) =DTTrue 。(2.21)因此，如果將左手作為參考，計算得出的脈搏波傳輸時間變化就是僅由抬手高度變化造成的時間改變，可以有效排除其他因素的影響。2.3 技術方案2.3.1 校準方案受試者在整個校準過程中保持平躺。充分休息后測量一次血壓，作為血壓基準，記作 BP0。同時ECG 和左右手PPG 信號，左手 PPG 信號記為 PPG1，右手 PPG信號記為 PPG2。通過對應時間段內的 PPG2 起始點

49、的時間減去ECG R 點的時間得出 BP0對應的 PTT0。然后， 左手平放， 抬高右手，ECG 和左右手PPG 信號。通過(PPG 2 - PPG1 ) - (PPG 20 - PPG 10 )得到僅由抬手高度變化引起的血壓改變造成的脈搏波傳輸時間變化PTT。通過測量抬手高度h，利用流體靜壓改變公式計算出抬手過程中的血壓改變DBP = - rgDh ，由此可以計算出b=DBP。此時的 barm 是局部血壓系armDPTT2數(shù)，再通過 b 的換算，將 barm 折算成全身的血壓系數(shù)。此時，血壓方程的 b 已求出。最后，將(PTT0，BP0)帶入血壓方程BP = a + b ´ PTT

50、了血壓校準。中，即可求出 a，由此完成2.3.2 校準平臺的搭建為了校準 a，b，以及驗證所提出的校準方案的準確性，我們設計了一個校準平臺。校準平臺包括一個可調節(jié)高度的抬手支架，一個無創(chuàng)自動袖帶血壓計，我們自行研制的穿戴式心電、脈搏波設備以及自行開發(fā)的軟件平臺。抬手支架用于被試抬手時構造不同的高度，因此，必須具備可調節(jié)高度的功能，以滿足不同人群的抬手高度需求。在進行血壓校準時，必須保證抬高的手臂處于放松狀態(tài)，因此，抬手支架的長度必須大于成年人手臂的長度，寬度必須大于手臂寬度，以保證手臂可以完全放在支架上，而不是懸空受力。此外，抬手支架的表面不能過于光滑，必須具備一定的防滑性，以免被試抬手時手臂

51、肌肉呈緊張狀態(tài)。列出所有的需求以后，我們調研了市面上所有可調節(jié)高度的桌子，發(fā)現(xiàn)并沒有完全符合要求的支架?；诖耍覀兲暨x出了一款滿足可調節(jié)高度功能的床旁電腦桌，通過改裝，使之滿足校準平臺的要求。改裝后的抬手支架如圖 2.3 所示。原抬手支架具有兩個一大一小可調節(jié)高度的桌面，大桌面還可以調節(jié)傾角，可以滿足不同角度的抬手需求。但是原有支架高度調節(jié)范圍只有 30cm（65-95cm），不能充分滿足我們的校準需求，對此，我們通過添加桌角（25cm）對其進行了加高。原有支架的桌面過于光滑，長度也遠遠小于成年人手臂長度，對此，我們在原有桌面上加上了一個黑色靠墊，大大增加了桌面的面積和摩擦系數(shù)。靠墊上還固定

52、有防滑欄，了手臂抬高時出現(xiàn)的下滑現(xiàn)象。圖 2.3 改進后的抬手支架針對市面上種類繁多的血壓計品牌，我們利用文獻調研的方式選擇了歐姆龍品牌血壓計。歐姆龍血壓計根據使用范圍可以分為醫(yī)用式和家用式；根據測量部位可分為手臂式和手腕式；根據袖帶加壓方式可以分為手動加壓和自動加壓。除此之外，每一個不同型號的血壓計還具有不同的功能，如清晨提醒，袖帶佩戴自檢，心率不齊/不規(guī)則脈搏監(jiān)測，高血壓示警等等。在眾多的型號中，我們首先根據精度進行篩選，將同時滿足AAMI(美國醫(yī)療器械促進)標準和 EHS（歐洲高血壓）標準的血壓計篩選出來。然后我們根據校準條件，能否實際到，選擇了 HEM-7300 作為我們校準使用的血壓計。HEM-7300 上臂式電子血壓計是我們目前唯一能到的同時滿足 AAMI 和 EHS標準的血壓測量設備。而且它的外觀為寬 74mm 高 157mm 厚 31mm，重量為 240g，非常輕便，易于攜帶，充分滿足了我們校準平臺的要求。圖 2.4自行開發(fā)的測量設備圖 2.5自行開發(fā)的軟件平臺圖 2.4 是我們自行研制的 ECG、PPG 測量設備。該設備具有三個信號接口，分別是PPG 信號和一路 ECG 信號。ECG 測量采用第 I 導聯(lián)，電極連接左右手和右腿。設備采樣率為 1000Hz。圖 2