《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種頭戴式血壓測量改進(jìn)方法的研究
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
龐 宇,,黃俊驍,林金朝,,李章勇,,王 偉,李國權(quán),,周前能
重慶郵電大學(xué),,重慶400065
摘要: 為了提高無創(chuàng)血壓連續(xù)測量的便捷性和準(zhǔn)確度,提出了一種基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(PTT)的頭戴式血壓測量方法,,該方法將光電容積脈搏波(PPG)信號(hào)和心電(ECG)信號(hào)的采集集中在頭部,,將PPG信號(hào)一階微分最大點(diǎn)與ECG信號(hào)R波峰的時(shí)間差值作為脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間,并在血壓的計(jì)算中加入了卡爾曼濾波器,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,,利用改進(jìn)方法計(jì)算出的血壓值平均誤差率在5%以內(nèi),數(shù)據(jù)誤差均在10 mmHg以內(nèi),,能夠滿足連續(xù)血壓測量誤差的要求,;與傳統(tǒng)方法相比,穩(wěn)定性更好,,誤差率更小,,最大誤差更小。
中圖分類號(hào): R318.6
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.013
中文引用格式: 龐宇,,黃俊驍,,林金朝,等. 一種頭戴式血壓測量改進(jìn)方法的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2016,,42(11):52-55.
英文引用格式: Pang Yu,Huang Junxiao,,Lin Jinzhao,,et al. Research on an improved headband blood pressure measurement method[J].Application of Electronic Technique,2016,,42(11):52-55.
Research on an improved headband blood pressure measurement method
Pang Yu,,Huang Junxiao,,Lin Jinzhao,Li Zhangyong,,Wang Wei,,Li Guoquan,Zhou Qianneng
Chongqing University of Posts and Telecommunications,,Chongqing 400065,,China
Abstract: To improve continuous non-invasive blood pressure measurement convenience and accuracy, a method of headband blood pressure measurement based on pulse transit time(PTT) was proposed. The headband can simultaneously acquire electrocardiogram(ECG) signal and photoplethysmography(PPG) signal from head. PTT was the delay between the R-peak of ECG signal and the first order differential maximum point of the PPG signal, blood pressure was dealt with by the Kalman filter. The results show, the average error rate of blood pressure is within 5%, and the data error is less than 10 mmHg, so the method can meet the error requirements of continuous blood pressure measurement. Compared with traditional method, the proposed method has the better stability, the lower error rate and the smaller maximum error.
Key words : headband blood pressure measurement;pulse transit time,;first order differential maximum point,;Kalman filter

0 引言

    血壓是人體的重要生理參數(shù)之一,,能夠反應(yīng)出人體心臟和血管的功能狀況,,是臨床上判斷疾病、觀察醫(yī)療效果等的重要依據(jù),。目前,,測量人體血壓主要用無創(chuàng)測量的方式,包括柯氏音法,、示波法,、超聲法、動(dòng)脈張力法和脈搏波速法等方法[1-4],。

    近年來,,基于脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的無創(chuàng)血壓測量方法成為研究熱門。2006年,,Xiang Haiyan[5]等人提出了一次函數(shù)線性模型,,并且動(dòng)脈血壓與脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間(Pulse Transit Time,PTT)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),。2013年,,He Xiaochuan[6]等人通過計(jì)算光電容積脈搏波(photoplethysmography,PPG)信號(hào)的最大值點(diǎn)與心電(electrocardiogram,,ECG)信號(hào)R波峰的時(shí)間差值得到PTT,,并計(jì)算出血壓。2015年,,許林和高鯤鵬[7]提出了基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合方法,,提高了連續(xù)血壓檢測的測量精度。

    本文將兩種生理信號(hào)的采集集中在頭部,,提出了一種改進(jìn)的血壓計(jì)算方法,,提取PPG信號(hào)的一階微分最大點(diǎn)計(jì)算PTT,并加入卡爾曼濾波器消除隨機(jī)干擾,,以提高血壓檢測的準(zhǔn)確性,。

1 血壓測量方法

1.1 脈搏波速法

    脈搏波速法利用脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間與血壓之間的關(guān)系進(jìn)行血壓的計(jì)算,,其關(guān)系如下[8]:

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1.2 脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的計(jì)算

    PTT的計(jì)算與PPG信號(hào)特征點(diǎn)的選取有關(guān),因此,,不同特征點(diǎn)的選取將會(huì)直接影響血壓測量的準(zhǔn)確程度,。PTT計(jì)算的示意圖如圖1。在PPG信號(hào)上定位的兩個(gè)特征點(diǎn)分別是:一階微分最大點(diǎn)(圖1中點(diǎn)1)和最大值點(diǎn)(圖1中點(diǎn)2),。文中將一階微分最大值點(diǎn)作為特征點(diǎn)來計(jì)算PTT(圖1中PTT1),。

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    PTT的計(jì)算公式為:

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式中,P為PPG信號(hào)特征點(diǎn),,R為ECG信號(hào)特征點(diǎn),,fs為采樣頻率。

1.3 基于卡爾曼濾波的血壓計(jì)算

    卡爾曼濾波[9]是一個(gè)最優(yōu)化自回歸數(shù)據(jù)處理算法,,通過系統(tǒng)輸入輸出觀測數(shù)據(jù),,對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)的估計(jì),以消除隨機(jī)干擾,。其標(biāo)準(zhǔn)公式為式(4)~式(10),。一個(gè)線性離散系統(tǒng)的信號(hào)模型為:

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    式(4)和式(5)中,X(k)是系統(tǒng)狀態(tài),,U(k)是對系統(tǒng)的控制量,,Z(k)是測量值,W(k),、V(k)為過程和測量噪聲,,其協(xié)方差分別為Q和R。

    根據(jù)信號(hào)模型進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)測和協(xié)方差更新:

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式中,,X(k|k-1)是利用上一狀態(tài)預(yù)測的結(jié)果,,X(k-1|k-1)是上一狀態(tài)最優(yōu)的結(jié)果,U(k)為現(xiàn)在狀態(tài)的控制量,,P(k|k-1)為相應(yīng)狀態(tài)對應(yīng)的協(xié)方差,。

    根據(jù)現(xiàn)有狀態(tài)作最優(yōu)化估計(jì):

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式中,X(k|k)為最優(yōu)化估算值,,Kg(k)為卡爾曼增益,,P(k|k)為更新的協(xié)方差。

    人體血壓值的測量可以看作是一個(gè)線性離散系統(tǒng),,由于在一段時(shí)間內(nèi)血壓保持相對穩(wěn)定,,因此,在式(4)~式(10)中,,A為1,、B為0、Q為0、H為1,、W(K)=0,。

    將計(jì)算得到的血壓值作為X(k)進(jìn)行卡爾曼濾波,可得到去除隨機(jī)干擾的血壓值,,其顯著效果是降低最大誤差和平均誤差率,。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

    傳統(tǒng)的心電信號(hào)采集通過胸前導(dǎo)聯(lián)測得,脈搏波信號(hào)通過指尖光電傳感器測得,,由于兩部位較為分散,,導(dǎo)致設(shè)備應(yīng)用體驗(yàn)較差。本裝置將信號(hào)采集集中在頭部,,更為輕便快捷,。如圖2所示,心電信號(hào)的采集位于臉頰處(圖2中點(diǎn)1,、點(diǎn)2),,脈搏波信號(hào)的采集位于額頭,具有體積小,、易攜帶,、易測量、低功耗,、可穿戴的特點(diǎn)。

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    本裝置主要包括電源模塊,、微處理器,、心電采集模塊、脈搏波采集模塊,、藍(lán)牙模塊,,其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

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    其中,,電源模塊搭載鋰電池向整個(gè)系統(tǒng)供電,;微處理器為MSP4302418,控制信號(hào)的采集,、處理和傳輸,;心電采集模塊通過ADS1292R采集臉頰的心電信號(hào),并通過SPI與主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,;脈搏波采集模塊通過反射式探頭采集額頭的PPG信號(hào),,探頭內(nèi)部搭載的光頻轉(zhuǎn)換器將光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成頻率,主芯片利用定時(shí)器的捕獲功能獲取信號(hào),;藍(lán)牙模塊將處理后的數(shù)據(jù)以及測出的各參數(shù)發(fā)送到終端,。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)軟件主要由微處理器完成,主要工作包括信號(hào)的采集和處理、特征點(diǎn)的定位,、生理參數(shù)的計(jì)算和卡爾曼濾波,,其工作流程如圖4。由于原始生理信號(hào)微弱且干擾大,,需對ECG信號(hào)和PPG信號(hào)進(jìn)行一系列預(yù)處理,,得到干凈、穩(wěn)定的波形,;通過差分閾值法可快速定位ECG信號(hào)的R波,,通過差分異號(hào)法可定位PPG信號(hào)的最大值點(diǎn),通過二階差分平方法可定位PPG信號(hào)的一階微分最大點(diǎn),;計(jì)算PTT后代入線性血壓模型得到血壓值,,將動(dòng)態(tài)窗內(nèi)的血壓通過卡爾曼濾波器,去除隨機(jī)干擾,;最后將血壓值等參數(shù)通過UART發(fā)送,。

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3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    利用文中設(shè)計(jì)的頭戴式血壓測量裝置進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn),對比改進(jìn)的血壓測量方法與傳統(tǒng)方式,。在實(shí)驗(yàn)中,,方案1為基于PPG信號(hào)最大值點(diǎn)計(jì)算血壓,方案2為基于PPG信號(hào)一階微分最大點(diǎn)計(jì)算血壓,,方案3在方案2的基礎(chǔ)上加入卡爾曼濾波器,。

3.1 穩(wěn)定性對比

    因?yàn)檠獕涸谕粻顟B(tài)一定時(shí)間內(nèi)會(huì)維持相對穩(wěn)定的值,所以PTT值的穩(wěn)定性直接影響到血壓測量的穩(wěn)定性,。利用血壓檢測裝置對5名實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行檢測,,提取10個(gè)周期的PTT值,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行對比,,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,。

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    從表1可以看出,方案1和方案2的PTT標(biāo)準(zhǔn)差較小,,穩(wěn)定性好,,適用于血壓檢測。對比發(fā)現(xiàn),,在5名實(shí)驗(yàn)者中,,4人方案2所測的PTT標(biāo)準(zhǔn)差低于方案1,表明實(shí)驗(yàn)方案2測得的數(shù)據(jù)更穩(wěn)定,。

3.2 準(zhǔn)確性對比

    實(shí)驗(yàn)選取10名志愿者,,首先進(jìn)行個(gè)體參數(shù)的標(biāo)定,確定每位實(shí)驗(yàn)者的血壓模型后,,在3種實(shí)驗(yàn)方案下,,用標(biāo)準(zhǔn)血壓計(jì)和頭戴式血壓測量裝置同時(shí)測試靜止?fàn)顟B(tài)下6組血壓值,將實(shí)測血壓與標(biāo)準(zhǔn)血壓進(jìn)行對比,計(jì)算平均誤差率,、最大誤差和均方根誤差(表征測量值與標(biāo)準(zhǔn)值偏差的具體數(shù)值),。由于收縮壓與PTT的關(guān)聯(lián)程度較高,因此根據(jù)收縮壓的測量結(jié)果評判3種實(shí)驗(yàn)方案的準(zhǔn)確性,。實(shí)驗(yàn)方案的準(zhǔn)確性參數(shù)對比如表2所示,。分析表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):

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    (1)方案2與方案1對比:8人方案2的平均誤差率和均方根誤差較低,7人方案2的最大誤差較低,,方案2中3種準(zhǔn)確性參數(shù)的均值都低于方案1,。結(jié)果表明,基于PPG信號(hào)一階微分最大點(diǎn)計(jì)算血壓的方法能夠提高準(zhǔn)確性,。

    (2)方案3與方案2對比:10人方案3的平均誤差率較低,,7人方案3的最大誤差較低,9人方案3的均方根誤差較低,,方案3中3種準(zhǔn)確性參數(shù)的均值都低于方案2,。結(jié)果表明,將方案2中所測血壓通過卡爾曼濾波能有效提高準(zhǔn)確性,,并能夠顯著降低最大誤差和誤差擺動(dòng),。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

    本次實(shí)驗(yàn)對3種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的詳細(xì)對比。在穩(wěn)定性對比中,,方案2的PTT數(shù)據(jù)波動(dòng)小,,適于血壓的測量,同時(shí)穩(wěn)定性要優(yōu)于方案1,。在準(zhǔn)確性對比中,,方案2優(yōu)于方案1,證明改進(jìn)方法中基于PPG信號(hào)一階微分最大點(diǎn)計(jì)算PTT的有效性,;方案3優(yōu)于方案1和方案2,證明改進(jìn)方法中利用卡爾曼濾波消除血壓隨機(jī)干擾的有效性,。

    在準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)中與標(biāo)準(zhǔn)血壓計(jì)對比,,方案3每次測量的誤差都在10 mmHg以內(nèi),且誤差率均在5%以內(nèi),,能夠達(dá)到AAMI國際標(biāo)準(zhǔn)對無創(chuàng)血壓監(jiān)測誤差的要求,。

    通過一系列實(shí)驗(yàn)證明,相較于傳統(tǒng)測量方法,,本文提出的頭戴式血壓測量改進(jìn)方法能夠在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性上有所提高,。

4 總結(jié)

    傳統(tǒng)的心電信號(hào)采集和脈搏波信號(hào)采集需在胸前和指尖,操作復(fù)雜,。本文設(shè)計(jì)的頭戴式血壓測量裝置將兩種信號(hào)的采集集中在頭部,,很大程度上提高了信號(hào)采集的方便性和舒適度。

    傳統(tǒng)的脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間是基于PPG信號(hào)的最大值點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,本文提出基于PPG信號(hào)一階微分最大點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,,并通過卡爾曼濾波器對所測血壓進(jìn)行處理,。實(shí)驗(yàn)表明,采用改進(jìn)方法測量血壓的方案在穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性上都較好,,能夠滿足國際標(biāo)準(zhǔn)對無創(chuàng)血壓測量的要求,。

    頭部所采集的ECG信號(hào)和PPG信號(hào)與傳統(tǒng)部位采集的信號(hào)相比更加微弱,若在硬件采集,、軟件處理和算法處理上更精確,,則會(huì)使血壓測量更靈敏和準(zhǔn)確。今后將會(huì)在這些方向上進(jìn)行更深入的探究,。

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