穿戴式測(cè)血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究

1、<p>　　單位代碼 10006 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 10101032 </p><p>　　分類(lèi)號(hào) R318.6 </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　穿戴式測(cè)血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究<

2、/p><p><b>　　2014年5月</b></p><p><b>　　北京航空航天大學(xué)</b></p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：</p><p>　　穿戴式測(cè)血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究

3、 </p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：</p><p>　　技術(shù)要求：1）提出基于脈搏波測(cè)血壓的新型校準(zhǔn)方法，可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)的較為準(zhǔn)確的血壓校準(zhǔn)。2）設(shè)計(jì)并完成校準(zhǔn)平臺(tái)的搭建，利用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量設(shè)備和我們自行開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)進(jìn)行血壓校準(zhǔn)。3）完成后期驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，至少采集10人以上的血壓數(shù)據(jù)對(duì)校準(zhǔn)方法的血壓估測(cè)精度和校準(zhǔn)平臺(tái)的方便舒適

4、程度進(jìn)行初步檢驗(yàn)。與血壓標(biāo)準(zhǔn)無(wú)創(chuàng)測(cè)量設(shè)備相比較，我們開(kāi)發(fā)的穿戴式平臺(tái)血壓估測(cè)精度要達(dá)到誤差平均值小于5mmHg，誤差標(biāo)準(zhǔn)差小于8mmHg。 </p><p>　　Ⅲ、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容：</p><p>　　1. 2014年1月10日—3月6日 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研和閱讀，完成以

5、下任務(wù)：1）了解脈搏波傳輸時(shí)間法測(cè)血壓的機(jī)理；2）了解目前已有的血壓校準(zhǔn)方法和方案及其優(yōu)缺點(diǎn)；3）提出本課題的血壓校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案。 </p><p>　　2: 2014年3月7日—3月17日 完成文獻(xiàn)翻譯、開(kāi)題報(bào)告和開(kāi)題答辯。 <

6、/p><p>　　3: 2014年3月18日—4月19日 購(gòu)買(mǎi)無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，整合標(biāo)準(zhǔn)無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量設(shè)備和已開(kāi)發(fā)的穿戴式信號(hào)采集與顯示系統(tǒng)，完成全自動(dòng)血壓校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建； </p><p>　　4: 2014年4月20日—5月9日 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在至少10個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行血壓估測(cè)

7、實(shí)驗(yàn)，并處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 </p><p>　　5: 2014年5月10日—5月31日 整理數(shù)據(jù)與結(jié)果，撰寫(xiě)并提交本科學(xué)位論文和相關(guān)的學(xué)術(shù)論文。 </p><p&g

8、t;　　6：2014年６月1日—６月10日 準(zhǔn)備本科畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯ＰＰＴ，完成本科畢業(yè)答辯。 </p><p><b>　?、?、主要參考資料：</b></p><p>　　[1] Chen M W, Kobayashi T, Ichikawa S, et al.

9、 Continuous estimation of systolic blood pressure using the pulse arrival time and intermittent calibration[J]. Medical and Biological Engineering and Computing, 2000, 38(5): 569-574.

10、 </p><p>　　[2] Shaltis P, Reisner A, Asada H. A hydrostatic pressure approach to cuffless blood pressure monitoring[C]//Engineering in Medicine and Biology Society, 2

11、004. IEMBS'04. 26th Annual International Conference of the IEEE. IEEE, 2004, 1: 2173-2176.

12、 </p><p>　　[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 monit

13、or[C]//Engineering in Medicine and Biology Society, 2007. EMBS 2007. 29th Annual International Conference of the IEEE. IEEE, 2007: 370-373. </p&g

14、t;<p>　　[4] 向海燕. 無(wú)創(chuàng)傷人體逐拍動(dòng)脈血壓測(cè)量技術(shù)[D]. 西安: 第四軍醫(yī)大學(xué), 2005. </p><p>　　生物與醫(yī)學(xué)工程 學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程 專(zhuān)業(yè)類(lèi) 101012 班</p><p>　　學(xué)生 周 蓉 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（

15、論文）時(shí)間： 年 月 日至 年 月 日</p><p>　　答辯時(shí)間： 年 月 日 </p><p>　　成 績(jī)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　兼職教師或答疑教師（

16、并指出所負(fù)責(zé)部分）：</p><p>　　系（教研室） 主任（簽字）： </p><p><b>　　本人聲明</b></p><p>　　我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p><b>　　

17、作者： 周 蓉</b></p><p><b>　　簽字：</b></p><p>　　時(shí)間：2014年 6月</p><p>　　穿戴式測(cè)血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究</p><p>　　學(xué) 生：周 蓉</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：王 玲</b&g

18、t;</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　血壓（BP）是反映人體循環(huán)系統(tǒng)機(jī)能的重要參數(shù)，持續(xù)的血壓測(cè)量對(duì)于高血壓的預(yù)防、診斷和控制非常重要。利用穿戴式設(shè)備實(shí)現(xiàn)持續(xù)的血壓測(cè)量是目前的研究熱點(diǎn)而校準(zhǔn)是穿戴式血壓設(shè)備必不可少的環(huán)節(jié)。校準(zhǔn)對(duì)于穿戴式血壓測(cè)量非常重要，直接決定了血壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前的校準(zhǔn)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確方便的血壓校準(zhǔn)，我們?cè)?/p>

19、此基礎(chǔ)上，提出了基于脈搏波傳輸時(shí)間（PTT）測(cè)血壓的新型校準(zhǔn)方法。新型校準(zhǔn)法利用平躺時(shí)抬手造成的局部血壓改變，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)準(zhǔn)確方便的校準(zhǔn)。為了驗(yàn)證新方法的準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)和搭建了平臺(tái)，完成了姿勢(shì)改變和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)兩項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，采集了13名健康被試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，新型校準(zhǔn)法在兩項(xiàng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于收縮壓的估測(cè)誤差分別為-2.89±3.49mmHg和-1.72±1.49mmHg ，皆滿足AAMI標(biāo)準(zhǔn)（誤差平均值不大于5mm

20、Hg，標(biāo)準(zhǔn)差不大于8mmHg）。這個(gè)結(jié)果表明，我們的新型校準(zhǔn)方案雖然有些細(xì)節(jié)尚未完善，但整體思路是完全可行的，在未來(lái)穿戴式血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究方面具有重大潛力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：血壓，持續(xù)測(cè)量，校準(zhǔn)，穿戴式，脈搏波傳輸時(shí)間 </p><p>　　A Study on a Novel Calibration Method for Noninvasive Measurement of

21、 Arterial Blood Pressure Based on Wearable Medical Devices</p><p>　　Author: ZHOU Rong</p><p>　　Tutor: WANG Ling</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Blood pres

22、sure (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 t

23、he 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 a

24、ccuracy of later continuous measurement. However, </p><p>　　Key words：Blood Pressure, Continuous Measurement, Calibration, Wearable Medical Device, Pulse Transit Time</p><p><b>　　目 錄

25、</b></p><p>　　1 緒論………………………………………………………………………………………………………………………………………1</p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.1.1連續(xù)測(cè)量血壓的意義1</p><p>　　1.1.2穿戴式血壓測(cè)量的優(yōu)勢(shì)2&

26、lt;/p><p>　　1.1.3校準(zhǔn)的必要性2</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況3</p><p>　　1.2.1穿戴式血壓測(cè)量方法3</p><p>　　1.2.2校準(zhǔn)的分類(lèi)及方法4</p><p>　　1.3課題研究目標(biāo)及方法6</p><p>　　1.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容

27、6</p><p>　　2 新型校準(zhǔn)方法………………………………………………………………………………………………………………………8</p><p>　　2.1脈搏波傳輸時(shí)間測(cè)血壓8</p><p>　　2.2改進(jìn)的流體靜壓法10</p><p>　　2.2.1 b的換算10</p><p>　　2.2.2流體靜

28、壓改進(jìn)13</p><p>　　2.3技術(shù)方案14</p><p>　　2.3.1校準(zhǔn)方案14</p><p>　　2.3.2校準(zhǔn)平臺(tái)的搭建15</p><p>　　2.3.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)18</p><p>　　2.3.4無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)18</p><p>　　3 實(shí)驗(yàn) …………

29、…………………………………………………………………………………………………………………………19</p><p><b>　　3.1預(yù)實(shí)驗(yàn)19</b></p><p>　　3.1.1抬手方式19</p><p>　　3.1.2抬手高度19</p><p>　　3.1.3血壓驗(yàn)證項(xiàng)目20</p>&l

30、t;p>　　3.2正式實(shí)驗(yàn)21</p><p>　　3.3數(shù)據(jù)處理22</p><p>　　3.3.1心電檢點(diǎn)算法22</p><p>　　3.3.2 PPG檢點(diǎn)算法23</p><p>　　3.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果23</p><p>　　4 討論……………………………………………………………………………………

31、………………………………………………27</p><p>　　4.1收縮壓的校準(zhǔn)27</p><p>　　4.2舒張壓的校準(zhǔn)29</p><p>　　4.3校準(zhǔn)誤差來(lái)源29</p><p>　　4.3.1模型本身29</p><p>　　4.3.2測(cè)量30</p><p>　　4.3.

32、3其他因素30</p><p><b>　　4.4展望30</b></p><p>　　結(jié)論………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………32</p><p>　　致謝……………………………………………………………………………………………………………

33、…………………………………………………………………………33</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………34</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b>&

34、lt;/p><p>　　1.1.1連續(xù)測(cè)量血壓的意義</p><p>　　血壓（BP）是血液在血管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，作用于單位面積血管壁的側(cè)壓力，即壓強(qiáng)。臨床上的血壓指得是動(dòng)脈血壓，它和外周血管狀況以及心臟的功能有著密切聯(lián)系。心室收縮時(shí)，主動(dòng)脈壓急劇升高，在收縮中期達(dá)到最高，此時(shí)的動(dòng)脈血壓為稱(chēng)收縮壓（SBP）；心室舒張時(shí)，主動(dòng)脈壓下降，在心舒末期動(dòng)脈血壓的最低值稱(chēng)為舒張壓（DBP）。收縮壓和舒張壓之間

35、的差值稱(chēng)為脈搏壓，簡(jiǎn)稱(chēng)脈壓（PP）。一個(gè)心動(dòng)周期中每一瞬間動(dòng)脈血壓的平均值，稱(chēng)為平均動(dòng)脈壓（MAP）。平均動(dòng)脈壓大約等于舒張壓加上三分之一的脈壓。</p><p>　　血壓是反映人體循環(huán)系統(tǒng)機(jī)能的重要參數(shù)，也是臨床上疾病診斷和治療的重要依據(jù)，而連續(xù)的血壓測(cè)量更是意義重大：</p><p>　　首先，連續(xù)的血壓測(cè)量是預(yù)防、診斷、治療和控制高血壓的需要。2002年人群高血壓三率調(diào)查（知曉率、治

36、療率、控制率），我國(guó)仍與發(fā)達(dá)國(guó)家相差巨大。美國(guó)分別是70.5%、59%、34%，而中國(guó)則是30.2%，24.7%，6.1%[1]，令人堪憂。連續(xù)的血壓監(jiān)測(cè)將會(huì)減少高血壓患者的漏診率，及時(shí)篩查出早期高血壓患者，充分實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早治療，降低高血壓的危害。連續(xù)的血壓監(jiān)測(cè)對(duì)于高血壓的治療更是意義重大，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(cè)還可以給高血壓患者提供實(shí)時(shí)的血壓信息，特別是服藥前后的血壓變化，對(duì)于自

37、身的血壓控制非常重要。</p><p>　　其次，連續(xù)的血壓測(cè)量可以減少高血壓的誤診率。診室血壓有時(shí)并不能反映出患者的真實(shí)血壓水平。對(duì)于有些病人，特別是老年人和孕婦，會(huì)出現(xiàn)白大衣高血壓癥狀，即在診室測(cè)量血壓偏高，但在家中自測(cè)血壓正常的狀況。據(jù)報(bào)道，白大衣效應(yīng)可在高達(dá)40%的病人中導(dǎo)致血壓升高20/10mmHg以上[2]。不準(zhǔn)確的血壓測(cè)量會(huì)對(duì)醫(yī)生的診斷帶來(lái)誤導(dǎo)，也會(huì)對(duì)患者帶來(lái)極大的心理負(fù)擔(dān)。</p>

38、<p>　　第三，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(dòng)具有很明顯的晝夜特征和周期性：清晨（醒時(shí)）陡然升高，達(dá)到平臺(tái)值至約11時(shí)，之后下降，到約24時(shí)最低。這種晝夜規(guī)律對(duì)于高血壓患者也適用，但曲線會(huì)上移。病理生理和流行病學(xué)研究顯示心性猝死、腦血管病和心肌梗死等疾病發(fā)生在造成的幾率增加[3]。因此，持續(xù)血壓監(jiān)測(cè)，可以測(cè)量到清晨高壓，為病人和醫(yī)生對(duì)病情的預(yù)測(cè)和診斷贏得寶貴的時(shí)間。</p>&

39、lt;p>　　1.1.2穿戴式血壓測(cè)量的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　穿戴式生物醫(yī)療儀器是基于遠(yuǎn)程醫(yī)療的理念，利用微型生物傳感器、生物微電子機(jī)械系統(tǒng)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘?duì)人體進(jìn)行全天候信息采集的診斷監(jiān)護(hù)終端。一件衣服、一串項(xiàng)鏈、一枚戒指加上一個(gè)手持單元就能構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，能隨時(shí)、實(shí)時(shí)地得到想要的生命參數(shù)并被院方的醫(yī)療機(jī)構(gòu)檢測(cè)，同時(shí)使穿戴有生物傳感系統(tǒng)的受測(cè)對(duì)象感到方便舒適[4]。它具有使用方便、長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、智能顯

40、示診斷結(jié)果、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸、異常生理狀況報(bào)警等特點(diǎn)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的穿戴式生物醫(yī)療儀器主要包括無(wú)損血糖監(jiān)測(cè)儀、脈沖式血氧飽和儀和穿戴式心電儀等。</p><p>　　雖然穿戴式設(shè)備對(duì)于心電、血氧監(jiān)測(cè)已經(jīng)趨于完善，但是穿戴式血壓測(cè)量仍然是一個(gè)尚未徹底解決的問(wèn)題。對(duì)于血壓測(cè)量而言，穿戴式設(shè)備優(yōu)勢(shì)明顯。首先，穿戴式測(cè)量設(shè)備使用舒適，不會(huì)對(duì)使用者的日常生活造成不便，可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的血壓測(cè)量。其次，穿戴式設(shè)備擁有記錄和傳輸?shù)裙δ?/p>

41、，可以使得高血壓患者足不出戶(hù)就可以接收到醫(yī)生反饋回來(lái)的信息，可以精確控制藥物用量，及時(shí)調(diào)整治療方案。第三，穿戴式測(cè)血壓會(huì)針對(duì)異常血壓進(jìn)行報(bào)警，對(duì)于清晨高發(fā)的急性心肌梗死、腦血管病和腦卒中等緊急狀況，能夠及時(shí)通知急救中心，在心血管疾病的急救方面可以發(fā)揮出巨大的作用。</p><p>　　穿戴式無(wú)創(chuàng)血壓無(wú)法直獲取，只能通過(guò)測(cè)量與血壓相關(guān)的體表參數(shù)間接得到。體表參數(shù)和血壓之間關(guān)系的校準(zhǔn)，是影響穿戴式血壓設(shè)備精度的重要因

42、素。因此，校準(zhǔn)是保障穿戴式血壓設(shè)備精度必不可少的環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.1.3校準(zhǔn)的必要性</p><p>　　血壓校準(zhǔn)是指實(shí)現(xiàn)測(cè)量參數(shù)與血壓之間描述方程參數(shù)化的過(guò)程。人體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，不同人群，不同個(gè)體之間差異非常巨大。影響血壓的因素有很多，即使是選取同樣的指標(biāo)，針對(duì)不同個(gè)體，系數(shù)和權(quán)重也不盡相同。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備而言，測(cè)量精度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，如果不能針對(duì)使用者進(jìn)行

43、個(gè)性化的參數(shù)設(shè)定，測(cè)量精度便無(wú)法保證。而穿戴式這種載體使得儀器個(gè)性化成為可能，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，測(cè)量的精度和準(zhǔn)確性會(huì)大幅提高，這也是穿戴式生物醫(yī)學(xué)儀器繼便攜、舒適和連續(xù)測(cè)量之外的另一大優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況</p><p>　　1.2.1穿戴式血壓測(cè)量方法 </p><p>　　目前穿戴式無(wú)創(chuàng)動(dòng)脈血壓監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括以下四種實(shí)現(xiàn)方式：</p

44、><p>　　第一種是根據(jù)獲取的橈動(dòng)脈脈搏波的幅值來(lái)確定動(dòng)脈血壓。當(dāng)一個(gè)具有內(nèi)在壓力的血管被外在物體部分壓扁時(shí)，血管的周應(yīng)力會(huì)發(fā)生變動(dòng)，內(nèi)壓力和外壓力相等[5]。對(duì)安置于橈動(dòng)脈的特制的壓力換能器施加一定的外力，當(dāng)外壓達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，血管內(nèi)壓等于外壓，因此通過(guò)測(cè)量外力即可獲得動(dòng)脈血壓。根據(jù)這個(gè)原理，美國(guó)Medwave公司開(kāi)發(fā)了一款腕式血壓測(cè)量?jī)x[6,7]。該腕式血壓儀每15秒鐘給出一個(gè)血壓讀數(shù)，但是不能實(shí)現(xiàn)每搏的持續(xù)測(cè)

45、量，而且使用時(shí)需要專(zhuān)業(yè)人員來(lái)確定傳感器的位置。這種技術(shù)測(cè)量精度較高，不需要使用充放氣的袖帶，但是仍然需要在手腕處施加一定的外界壓力。而且必須周期性的重復(fù)校準(zhǔn)，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)偽差以及受壓血管的粘彈性變化會(huì)改變傳感器--動(dòng)脈的接觸結(jié)構(gòu)，隨之改變其校準(zhǔn)關(guān)系。如果最后一次校準(zhǔn)后，手腕和心臟之間的流體靜壓（手腕位置）發(fā)生改變，仍然需要進(jìn)行重復(fù)校準(zhǔn)。</p><p>　　第二種技術(shù)利用光電傳感器測(cè)量每搏的血容積變化量，并利用流體靜

46、力學(xué)原理以及血容積變化量與經(jīng)皮壓力之間的關(guān)系，來(lái)確定平均血壓值。這種技術(shù)仍然處在研究階段，在實(shí)際操作中還有很多問(wèn)題尚待解決。首先，壓力與血容積變化量之間的關(guān)系并不是靜態(tài)的，它可能會(huì)隨時(shí)間和生理狀態(tài)的改變而改變；其次，每搏血容積變化量不完全是由血壓變化引起的；最后，壓力——血容積變化曲線不是靜態(tài)的，而且存在滯后現(xiàn)象。目前，采用該方法測(cè)量血壓時(shí)，每20分鐘就需要進(jìn)行一次校準(zhǔn)[8]。</p><p>　　第三種技術(shù)利用

47、紅外傳感器測(cè)量手指容積變化，并在手指的中部或基部上放置一個(gè)充滿空氣或者充滿液體的袖帶，通過(guò)控制袖帶的壓力使得手指動(dòng)脈保持一個(gè)無(wú)載荷、無(wú)伸展的狀態(tài)。此時(shí)，袖帶壓力等于手指動(dòng)脈壓力。指套壓力值通過(guò)電動(dòng)振蕩器不斷調(diào)整且由壓力傳感器而測(cè)得，并反饋至氣體系統(tǒng)，使指套壓力始終等于動(dòng)脈壓[9]。這種方法有望于血氧模塊相結(jié)合，研制出微型化的測(cè)量?jī)x。但是，本方法需要一個(gè)初始的校準(zhǔn)，以確定無(wú)載荷動(dòng)脈尺寸和其相應(yīng)的時(shí)間加權(quán)的平均動(dòng)脈壓，隨后需要周期性校準(zhǔn)來(lái)校

48、正無(wú)載荷動(dòng)脈尺寸的改變。</p><p>　　第四種技術(shù)是通過(guò)生物電極和光電傳感器來(lái)測(cè)量脈搏波傳輸時(shí)間（速度），并利用血壓測(cè)量金標(biāo)準(zhǔn)對(duì)傳輸時(shí)間與動(dòng)脈血壓之間的關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)，來(lái)確定血壓值。脈搏波傳輸時(shí)間（PTT）是指心電圖（ECG）R點(diǎn)到對(duì)應(yīng)的光電體積描記信號(hào)（PPG）特征點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，表征了脈搏波從心臟傳輸?shù)侥┥覄?dòng)脈的時(shí)長(zhǎng)。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)

49、的生理病理狀態(tài)。這種方法的基本原理是源于對(duì)生理學(xué)的直觀認(rèn)識(shí)，當(dāng)血壓升高時(shí)，動(dòng)脈管壁擴(kuò)張，動(dòng)脈的彈性和順應(yīng)性降低，脈搏波傳播速度加快，脈搏波沿動(dòng)脈傳播的速度會(huì)隨動(dòng)脈壓力的升高而增加。因此，通過(guò)測(cè)量脈搏波速度的變化即可推知?jiǎng)用}內(nèi)壓力的變化，再經(jīng)聽(tīng)診法或者示波法校準(zhǔn)，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(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而且成本低廉，可以在諸多載體上實(shí)現(xiàn)。但是，本方法需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的血壓測(cè)量設(shè)備來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。而且，不同個(gè)體之間血壓和脈搏波速度

50、之間的參數(shù)差異很大，需要在測(cè)量之前進(jìn)行個(gè)體校準(zhǔn)。</p><p>　　1.2.2校準(zhǔn)的分類(lèi)及方法</p><p>　　穿戴式測(cè)血壓法雖然有多種實(shí)現(xiàn)方式，但是無(wú)一例外需要校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是對(duì)基于生理學(xué)、血流動(dòng)力學(xué)模型描述的血壓特征方程進(jìn)行參數(shù)化的過(guò)程。對(duì)于穿戴式血壓測(cè)量設(shè)備而言，校準(zhǔn)大體上可以分為兩類(lèi)，分別是群體校準(zhǔn)法和個(gè)體校準(zhǔn)法。</p><p>　　群體校準(zhǔn)法是指利用大

51、樣本人群的生理數(shù)據(jù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)特征方程參數(shù)化的過(guò)程。群體校準(zhǔn)法首先要進(jìn)行大范圍的人群采樣，然后針對(duì)生理信息篩選出與血壓相關(guān)的指標(biāo)，最后通過(guò)參數(shù)擬合[10]或者取經(jīng)驗(yàn)值[11]的方式獲得每個(gè)指標(biāo)的系數(shù)與權(quán)重，得出血壓特征方程。</p><p>　　群體校準(zhǔn)法的優(yōu)點(diǎn)是所有人群使用一個(gè)血壓特征方程描述，設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有利于大規(guī)模的市場(chǎng)化。但是目前群體校準(zhǔn)法有很多問(wèn)題尚待解決：1）不同種族，不同年齡、不同性別的人

52、生活習(xí)慣、生理結(jié)構(gòu)等存在差異，針對(duì)某個(gè)人群建立的血壓特征方程能否直接應(yīng)用于其他人群，很難定論。即使是窮盡一個(gè)地域的大樣本，對(duì)于整個(gè)人口而言仍然是一個(gè)小樣本。2）血壓與諸多因素有關(guān)，一些為了提高估測(cè)精度而利用回歸分析等統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法引入出的血壓相關(guān)指標(biāo)，其生理意義很難解釋。3）采集大樣本人群的生理數(shù)據(jù)會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，而且采集過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多不可控因素，這也會(huì)給特征方程的建立帶來(lái)誤差。</p><p>　　個(gè)體校準(zhǔn)

53、法是指針對(duì)使用者進(jìn)行個(gè)性化校準(zhǔn)的過(guò)程。通過(guò)對(duì)使用者進(jìn)行血壓追蹤，得出滿足個(gè)體生理特性的血壓特征方程。個(gè)性化的校準(zhǔn)方法測(cè)量精度高，但是如何針對(duì)個(gè)體進(jìn)行快速方便的校準(zhǔn)仍是目前的研究熱點(diǎn)。</p><p>　　校準(zhǔn)分為兩個(gè)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(lì)。</p><p>　　血壓跟蹤變量即與血壓具有相關(guān)關(guān)系的可測(cè)量體表參數(shù)，包括動(dòng)脈容積變化、脈搏波幅值和脈搏波傳

54、輸時(shí)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(duì)最終的硬件實(shí)現(xiàn)，測(cè)量精度等都有重大影響。有研究者[12]利用血管容積和血壓的關(guān)系來(lái)估測(cè)血壓，這種方法需要首先獲得一條針對(duì)個(gè)體的血管順應(yīng)性曲線，曲線的描述方程為：</p><p><b>　　(1.1)</b></p><p>　　其中b1，b2，A為參數(shù)，Phyro為流體靜壓。</p><

55、p>　　還有研究者[2,13]基于Moens-Kortweg方程：</p><p><b>　　(1.2)</b></p><p>　　以及血管壁彈性模量公式：</p><p><b>　　(1.3)</b></p><p>　　推導(dǎo)出脈搏波傳輸時(shí)間（PTT）與血壓之間的線性關(guān)系：</p

56、><p><b>　　(1.4)</b></p><p><b>　　其中a，b為參數(shù)。</b></p><p>　　這些血壓描述方程的變量只有一個(gè)，待確定的系數(shù)只有兩到三個(gè)，非常便于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的校準(zhǔn)。</p><p>　　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(lì)直接影

57、響到校準(zhǔn)方案的最終實(shí)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(guò)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(gòu)建不同的血壓水平。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是局部血壓需要換算到全身，而且折算方法種類(lèi)繁多，尚未統(tǒng)一。流體靜壓法假設(shè)在抬手中血壓不變，與實(shí)際情況不完全符合，這也會(huì)給校準(zhǔn)帶來(lái)誤差。有研究者[15]利用袖帶加壓，局部血壓升高的特點(diǎn)，構(gòu)建不同的血壓水平。自動(dòng)袖帶血壓計(jì)測(cè)量血壓時(shí)，會(huì)

58、壓迫手臂，造成測(cè)量位置以下的部位血壓升高。利用這個(gè)特點(diǎn)，再加上手指的袖帶和指端脈搏波信號(hào)，便可以計(jì)算出加壓時(shí)袖帶下的動(dòng)脈壓力。然后配合上自動(dòng)袖帶血壓計(jì)測(cè)量的血壓，便有兩個(gè)不同水平的血壓值。袖帶加壓法可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)血壓校準(zhǔn)，但是需要在袖帶內(nèi)部附加一個(gè)同步的壓力傳感器，指端脈搏波信號(hào)也要求嚴(yán)格同步。而且手指袖帶的內(nèi)壓力需要利用緩慢抬手過(guò)程中的高度——脈搏波幅值曲線來(lái)獲取，對(duì)傳感器的要求很高。同樣，袖帶加壓法造成的也僅僅是局部血壓改變。<

59、/p><p>　　1.3課題研究目標(biāo)及方法</p><p>　　本課題的研究目標(biāo)是探究出一種新型單點(diǎn)校準(zhǔn)方案，提高血壓測(cè)量的舒適度和方便度，為以后穿戴式血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　本課題將以穿戴式設(shè)備為研究基礎(chǔ)，以血壓校準(zhǔn)為創(chuàng)新突破口，以血壓校準(zhǔn)平臺(tái)為主要驗(yàn)證手段，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的研究方式。為了完成這個(gè)目的，我們首先通過(guò)多篇文獻(xiàn)閱讀，綜

60、合考慮了各種校準(zhǔn)方案的利弊，鎖定了脈搏波傳輸時(shí)間作為血壓跟蹤指標(biāo)，流體靜壓法作為改進(jìn)藍(lán)本，根據(jù)現(xiàn)有硬件條件提出了血壓校準(zhǔn)新方案。然后，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和實(shí)地考察等方式，我們購(gòu)買(mǎi)了市場(chǎng)上現(xiàn)有精度最高的無(wú)創(chuàng)袖帶血壓儀作為參考標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有的穿戴式血壓測(cè)量設(shè)備和軟件平臺(tái)搭建了血壓校準(zhǔn)平臺(tái)。最后，我們通過(guò)13人的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了血壓校準(zhǔn)新方案的準(zhǔn)確性。</p><p>　　1.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容</p>&l

61、t;p>　　本論文主要由4個(gè)部分構(gòu)成，分別是緒論、新型校準(zhǔn)方案、實(shí)驗(yàn)和討論。在緒論部分，我詳細(xì)介紹了課題的背景、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及研究目標(biāo)和研究方法。在新型校準(zhǔn)方案部分，我闡述了所提出的新型校準(zhǔn)方案的原理推導(dǎo)，設(shè)計(jì)依據(jù)，具體改進(jìn)和技術(shù)方案。實(shí)驗(yàn)部分，我從預(yù)實(shí)驗(yàn)、正式實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果四個(gè)方面進(jìn)行了說(shuō)明：在正式實(shí)驗(yàn)之前，我們進(jìn)行了充分的預(yù)實(shí)驗(yàn)，并對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)所暴露的問(wèn)題進(jìn)行了解決；正式實(shí)驗(yàn)部分是最終的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟；數(shù)據(jù)處理主

62、要介紹了心電和脈搏波容積波的檢點(diǎn)算法；實(shí)驗(yàn)結(jié)果則是正式實(shí)驗(yàn)的所有結(jié)果展示。討論部分，我針對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了充分的分析，包括對(duì)收縮壓、舒張壓校準(zhǔn)分析，誤差來(lái)源分析以及展望等。</p><p>　　本課題的研究?jī)?nèi)容主要包括：1）基于已有校準(zhǔn)方法，研究出一種較為準(zhǔn)確并能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的單點(diǎn)血壓校準(zhǔn)方法；2）設(shè)計(jì)并完成血壓校準(zhǔn)平臺(tái)的搭建，并利用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量設(shè)備和我們自行開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)進(jìn)行血壓校準(zhǔn)。3）完成后期的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，

63、至少采集10人以上的血壓數(shù)據(jù)對(duì)校準(zhǔn)方法的血壓估測(cè)精度和校準(zhǔn)平臺(tái)的方便舒適程度進(jìn)行初步檢驗(yàn)。</p><p><b>　　2 新型校準(zhǔn)方法</b></p><p>　　校準(zhǔn)分為兩個(gè)步驟，第一是選取合適的血壓跟蹤變量，第二是選擇恰當(dāng)?shù)难獕鹤兓?lì)?？紤]到目前的硬件條件和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，我們選擇脈搏波傳輸時(shí)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(guò)對(duì)原有流體靜壓法的改

64、進(jìn)，設(shè)計(jì)出了基于穿戴式的新型單點(diǎn)校準(zhǔn)方法。</p><p>　　2.1脈搏波傳輸時(shí)間測(cè)血壓</p><p>　　在眾多穿戴式測(cè)血壓方法的實(shí)現(xiàn)形式中，我們選擇脈搏波傳輸時(shí)間（PTT）測(cè)血壓作為我們的測(cè)量方法。脈搏波傳輸時(shí)間是指從每一拍心跳中，心電圖（ECG）R點(diǎn)到對(duì)應(yīng)的光電體積描記信號(hào)（PPG）起始點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，表征了脈搏波從心臟傳輸?shù)侥┥覄?dòng)脈的時(shí)長(zhǎng)。</p><p&

65、gt;　　以一個(gè)心動(dòng)周期為例：左心室收縮時(shí)，主動(dòng)脈瓣打開(kāi)，心臟開(kāi)始射血，由于血管的外周阻力，主動(dòng)脈附近血管段內(nèi)的血液壓力上升，血管壁向外擴(kuò)張；左心室舒張時(shí)，心臟停止射血，主動(dòng)脈附近血管內(nèi)壓力下降，血管壁彈性回縮。隨著心臟周期性的收縮和舒張，主動(dòng)脈根部的血管壁也發(fā)生相應(yīng)的擴(kuò)張和回縮，同時(shí)，也將血壓、血流量和血管壁周期性波動(dòng)迅速擴(kuò)散到相鄰的血管段，使該血管段中的血壓、血流量和血管壁彈性同樣也產(chǎn)生周期性的波動(dòng)。這些周期性的波動(dòng)再以同樣的方式向

66、下游的鄰近血管段擴(kuò)散，如此繼續(xù)沿著動(dòng)脈樹(shù)的分支已知擴(kuò)散到整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)，從而形成整個(gè)動(dòng)脈系統(tǒng)中血壓時(shí)高時(shí)低，血流量時(shí)快時(shí)慢，血管壁時(shí)張時(shí)縮的波動(dòng)。這些波動(dòng)在動(dòng)脈系統(tǒng)擴(kuò)散的過(guò)程，稱(chēng)為動(dòng)脈脈搏波的傳播。而由血壓、血流量、血管壁的脈動(dòng)形成的擴(kuò)散波動(dòng)，則可分別稱(chēng)之為脈搏波、流量脈搏波、管壁脈搏波，這三類(lèi)脈搏波時(shí)相伴而生的，因此可以統(tǒng)稱(chēng)為動(dòng)脈脈搏波[2]。</p><p>　　當(dāng)脈搏波在血液中傳播時(shí)，脈搏波的波速、形狀和振幅

67、的大小將因血液粘度、血管的力學(xué)特性（粘彈性），以及血管的幾何特性（尺寸和形狀）所決定。</p><p>　　Moens-Kortweg方程[16]刻畫(huà)了脈搏波速度與血管特性之間的關(guān)系：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　其中，v為脈搏波速度，g為重力常量，E為血管彈性模量，ρ為血液密度，a和d分別為血管壁的厚度

68、和直徑。</p><p>　　將血管壁彈性模量公式（E0是血壓為0時(shí)的血管彈性模量，P為血壓，γ為血管壁系數(shù)）代入(2.1)式，同時(shí)代入脈搏波傳輸速度與時(shí)間的反比關(guān)系，經(jīng)過(guò)左右兩邊取對(duì)數(shù)運(yùn)算，可以獲得以下血壓計(jì)算公式：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　其中，P為血壓，T為脈搏波傳輸時(shí)間。如果忽略a和d的改變，

69、并且假設(shè)血管壁彈性模量E0的變化足夠緩慢，則(2.2)式右邊第一項(xiàng)可以看作一個(gè)常數(shù)。對(duì)P求導(dǎo)：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　由此，便可推出BP與PTT之間的線性關(guān)系：</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　其中，Pe為血壓估算值，

70、Pb為血壓測(cè)量值，γ為系數(shù)，在0.016到0.018（mmHg-1）的范圍內(nèi)變化，Tb為血壓Pb時(shí)的PTT值，△T為脈搏波傳輸時(shí)間改變量。</p><p>　　(2.4)式表明血壓與脈搏波傳輸時(shí)間PTT之間存在線性關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)量PTT的變化來(lái)估測(cè)出血壓的變化。事實(shí)上，血壓BP和PTT之間存在如下近似關(guān)系[2]：</p><p><b>　　(2.5)</b><

71、;/p><p>　　其中，a，b為待定系數(shù)，a，b的大小因人而異，同一個(gè)體在短時(shí)間內(nèi)的a，b值是確定的。因此，通過(guò)校準(zhǔn)獲得a，b值后，便可以估測(cè)逐拍連續(xù)血壓。</p><p>　　與其他穿戴式測(cè)血壓方法相比，利用PTT測(cè)血壓具有如下優(yōu)勢(shì)：</p><p>　　PTT與血壓之間的關(guān)系方程為線性，，形式簡(jiǎn)單，校準(zhǔn)方便。</p><p>　　脈搏波特征

72、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血管系統(tǒng)的生理病理狀態(tài)。當(dāng)血壓升高時(shí)，動(dòng)脈管壁擴(kuò)張，動(dòng)脈的彈性和順應(yīng)性降低，脈搏波傳播速度加快，脈搏波沿動(dòng)脈傳播的速度會(huì)隨動(dòng)脈壓力的升高而增加。</p><p>　　PTT能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)血壓的逐拍連續(xù)測(cè)量。利用脈搏波傳輸時(shí)間估測(cè)血壓，每一個(gè)心動(dòng)周期都能對(duì)應(yīng)估測(cè)出一個(gè)血壓值。</p><p>　　

73、PTT的測(cè)量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。PTT可以通過(guò)測(cè)量心電和脈搏波獲得，也可以通過(guò)不同位置的脈搏波相減得到。而心電和脈搏波的測(cè)量，技術(shù)非常成熟，設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于穿戴式實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2.2改進(jìn)的流體靜壓法</p><p>　　為了獲得系數(shù)b，我們需要構(gòu)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(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便成為我們校準(zhǔn)方案的首選。</p><p>

74、　　流體靜壓法造成的僅僅是局部血壓改變，而且測(cè)量時(shí)，默認(rèn)受試者血壓保持恒定。針對(duì)原有流體靜壓法的局限和不足之處，受向海燕工作[向海燕]的啟發(fā)，我們進(jìn)行了如下改進(jìn)：1）將局部血壓變化系數(shù)b折算到全身血壓；2）使用兩路PPG信號(hào)相減抵消掉受試者校準(zhǔn)期間血壓波動(dòng)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。</p><p>　　2.2.1 b的換算</p><p>　　圖2.1 脈搏波傳播示意圖</p>&l

75、t;p>　　圖2.1是脈搏波從心臟傳播到手指指端的路徑示意圖，虛線是傳播路徑。其中，L1為心臟到肩關(guān)節(jié)部位的血管段長(zhǎng)度，L2為肩關(guān)節(jié)到手指指端的血管段長(zhǎng)度。</p><p>　　根據(jù)Moens-Kortweg方程可以推出，其中，γ為系數(shù)，△P為血壓變化，T為脈搏波傳輸時(shí)間PTT，△T為PTT的改變量。通過(guò)抬高右手改變血壓后，L1，L2段的脈搏波傳輸時(shí)間分別變化為：</p><p>&

76、lt;b>　　(2.6)</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　(2.8)</b></p><p><b>　　(2.9)</b></p>

77、<p>　　所以總的脈搏波傳輸時(shí)間變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　總的脈搏波傳播時(shí)間變化為：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p><b>　　(2.12)</b></p>&l

78、t;p><b>　　而</b></p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　b= (2.14)</p><p>　　因此，只要知道L1、

79、L2兩段血管的彈性模量和各自的脈搏波傳輸時(shí)間，便可以將局部系數(shù)b2推算到全身系數(shù)b。</p><p>　　（a）軀干部位主要?jiǎng)用}分布圖</p><p>　?。╞）上肢動(dòng)脈分布圖</p><p>　　圖2.2 抬手時(shí)脈搏波途經(jīng)的動(dòng)脈圖</p><p>　　如圖2.2所示，圖（a）為軀干部位主要?jiǎng)用}分布圖，圖（b）為上肢動(dòng)脈分布圖。由圖可知，脈搏

80、波從心臟傳輸?shù)接沂质种改┥?，依次?jīng)過(guò)了升主動(dòng)脈，主動(dòng)脈弓，頭臂干，鎖骨下動(dòng)脈和腋動(dòng)脈，肱動(dòng)脈以及橈動(dòng)脈。抬高右手時(shí)，肱動(dòng)脈和橈動(dòng)脈的血壓發(fā)生改變。因此，升主動(dòng)脈，主動(dòng)脈弓，頭臂干，鎖骨下動(dòng)脈和腋動(dòng)脈對(duì)應(yīng)圖2.1中的L1段，肱動(dòng)脈和橈動(dòng)脈對(duì)應(yīng)L2段。</p><p>　　表2.1是脈搏波從心臟傳輸?shù)绞种钢付送窘?jīng)的主要?jiǎng)用}的長(zhǎng)度值，表2.2是脈搏波在這些動(dòng)脈中的傳播速度。</p><p>　　

81、表2.1 動(dòng)脈不同位置長(zhǎng)度[17] cm</p><p>　　表2.2 動(dòng)脈不同位置脈搏波傳輸速度(PWV)[18] m/s</p><p>　　根據(jù)表2.1和表2.2，可以計(jì)算出途經(jīng)動(dòng)脈的脈搏波傳輸時(shí)間：</p><p>　　表2.3 動(dòng)脈不同位置PTT計(jì)算值 ms</p><p>　　T1=升主動(dòng)脈+主動(dòng)脈弓+頭臂

82、干+鎖骨下動(dòng)脈和腋動(dòng)脈=29.1ms</p><p>　　T2=肱動(dòng)脈+橈動(dòng)脈=18.9ms</p><p>　　表2.4為途經(jīng)動(dòng)脈的彈性模量。</p><p>　　表2.4 動(dòng)脈不同位置的彈性模量[17] N/m2</p><p>　　由表2.4可以得出，</p><p><b>　　所以，</

83、b></p><p>　　b的換算充分考慮到了不同位置血管長(zhǎng)度，不同級(jí)血管脈搏波傳輸速度以及不同血管彈性模量的影響，依據(jù)充分，科學(xué)合理。</p><p>　　2.2.2流體靜壓改進(jìn)</p><p>　　在計(jì)算抬手引起的PTT變化時(shí)，我們選用另一只手的脈搏波傳輸時(shí)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(guò)程中，除了手的高度變化以外，其他影響血壓的基

84、本參數(shù)保持不變。但是，兩種姿勢(shì)下，總體血壓以及脈搏波傳播所經(jīng)過(guò)的各部分血管的特性都會(huì)有不同程度的變化。如果不排除這些因素引起的干擾，便無(wú)法準(zhǔn)確判斷哪一部分血壓改變是因?yàn)樘忠鸬模囊徊糠质且驗(yàn)樽陨硌獕翰▌?dòng)及其他原因引起的。考慮到這個(gè)原因，我們?cè)诹硪恢皇郑ㄎ刺Ц叩氖郑┑南嗤恢梅胖蒙狭硪粋€(gè)PPG傳感器，作為抬手后脈搏波傳輸時(shí)間變化的參考。</p><p>　　設(shè)雙手平放時(shí)，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂值臅r(shí)間為T(mén)R1，從

85、心臟傳輸?shù)阶笫值臅r(shí)間為T(mén)L1；當(dāng)右手抬高后，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂值臅r(shí)間為T(mén)R2，從心臟傳輸?shù)阶笫值臅r(shí)間為T(mén)L2。雙手平放時(shí)，</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p><b>　　抬高右手時(shí)，</b></p><p><b>　　(2.16)</b></p>&

86、lt;p>　　其中，△T1和△T2分別是兩種情況下右手PTT和左手PTT的差值。</p><p>　　當(dāng)抬手前后其他因素引起人體自身血壓變化，并且引起脈搏波傳輸時(shí)間變化時(shí)，這種作用會(huì)同時(shí)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，</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p><b

87、>　　(2.18)</b></p><p>　　其中，△TTrue為僅僅因?yàn)樘衷斐傻难獕焊淖?，從而帶?lái)的脈搏波傳輸時(shí)間變化。由于人體動(dòng)脈分布的對(duì)稱(chēng)性，TL1和TR1大小基本相等，由于總體血壓改變引起的傳輸時(shí)間變化也大體相當(dāng)。即：</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　如果只考慮右手抬高前后的脈

88、搏波時(shí)間差，那么</p><p><b>　　(2.20)</b></p><p>　　如果將左手作為參考，則因?yàn)樘忠鸬拿}搏波傳輸時(shí)間變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2.21)</b></p><p>　　因此，如果將左手作為參考，計(jì)算得出的脈搏波傳輸時(shí)間變化就是僅由抬手高度變化造成的時(shí)間

89、改變，可以有效排除其他因素的影響。</p><p><b>　　2.3技術(shù)方案</b></p><p><b>　　2.3.1校準(zhǔn)方案</b></p><p>　　受試者在整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中保持平躺姿勢(shì)。充分休息后測(cè)量一次血壓，作為血壓基準(zhǔn)，記作BP0。同時(shí)采集ECG和左右手兩路PPG信號(hào)，左手PPG信號(hào)記為PPG1，右手PP

90、G信號(hào)記為PPG2。通過(guò)對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的PPG2起始點(diǎn)的時(shí)間減去ECGR點(diǎn)的時(shí)間得出BP0對(duì)應(yīng)的PTT0。</p><p>　　然后，左手平放，抬高右手，采集ECG和左右手兩路PPG信號(hào)。通過(guò)[(PPG2-PPG1)-（PPG20-PPG10）]得到僅由抬手高度變化引起的血壓改變?cè)斐傻拿}搏波傳輸時(shí)間變化△PTT。通過(guò)測(cè)量抬手高度△h，利用流體靜壓改變公式計(jì)算出抬手過(guò)程中的血壓改變，由此可以計(jì)算出。此時(shí)的barm是局

91、部血壓系數(shù)，再通過(guò)b的換算，將barm折算成全身的血壓系數(shù)。此時(shí)，血壓方程的b已求出。</p><p>　　最后，將(PTT0，BP0)帶入血壓方程中，即可求出a，由此完成了血壓校準(zhǔn)。</p><p>　　2.3.2校準(zhǔn)平臺(tái)的搭建</p><p>　　為了校準(zhǔn)a，b，以及驗(yàn)證所提出的校準(zhǔn)方案的準(zhǔn)確性，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)校準(zhǔn)平臺(tái)。校準(zhǔn)平臺(tái)包括一個(gè)可調(diào)節(jié)高度的抬手支架，一個(gè)

92、無(wú)創(chuàng)自動(dòng)袖帶血壓計(jì)，我們自行研制的穿戴式心電、脈搏波采集設(shè)備以及自行開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)。</p><p>　　抬手支架用于被試抬手時(shí)構(gòu)造不同的高度，因此，必須具備可調(diào)節(jié)高度的功能，以滿足不同人群的抬手高度需求。在進(jìn)行血壓校準(zhǔn)時(shí)，必須保證抬高的手臂處于放松狀態(tài)，因此，抬手支架的長(zhǎng)度必須大于成年人手臂的長(zhǎng)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(guò)于光滑，必須具備一定

93、的防滑性，以免被試抬手時(shí)手臂肌肉呈緊張狀態(tài)。列出所有的需求以后，我們調(diào)研了市面上所有可調(diào)節(jié)高度的桌子，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有完全符合要求的支架?；诖耍覀兲暨x出了一款滿足可調(diào)節(jié)高度功能的床旁電腦桌，通過(guò)改裝，使之滿足校準(zhǔn)平臺(tái)的要求。改裝后的抬手支架如圖2.3所示。</p><p>　　原抬手支架具有兩個(gè)一大一小可調(diào)節(jié)高度的桌面，大桌面還可以調(diào)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(diào)節(jié)范圍只有30cm（65-9

94、5cm），不能充分滿足我們的校準(zhǔn)需求，對(duì)此，我們通過(guò)添加桌角（25cm）對(duì)其進(jìn)行了加高。原有支架的桌面過(guò)于光滑，長(zhǎng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成年人手臂長(zhǎng)度，對(duì)此，我們?cè)谠凶烂嫔霞由狭艘粋€(gè)黑色靠墊，大大增加了桌面的面積和摩擦系數(shù)?？繅|上還固定有防滑欄，阻止了手臂抬高時(shí)出現(xiàn)的下滑現(xiàn)象。</p><p>　　圖2.3 改進(jìn)后的抬手支架</p><p>　　針對(duì)市面上種類(lèi)繁多的血壓計(jì)品牌，我利用文獻(xiàn)調(diào)研的方式

95、確定了歐姆龍血壓計(jì)。歐姆龍血壓計(jì)根據(jù)使用范圍可以分為醫(yī)用式和家用式；根據(jù)測(cè)量部位可分為手臂式和手腕式；根據(jù)袖帶加壓方式可以分為手動(dòng)加壓和自動(dòng)加壓。除此之外，每一個(gè)不同型號(hào)的血壓計(jì)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(cè)，高血壓示警等等。在眾多的型號(hào)中，我們首先根據(jù)精度進(jìn)行篩選，將同時(shí)滿足AMMI標(biāo)準(zhǔn)和EHS標(biāo)準(zhǔn)的血壓計(jì)篩選出來(lái)。然后我們根據(jù)校準(zhǔn)條件，能否實(shí)際購(gòu)買(mǎi)到，選擇了HEM-7300作為我們校準(zhǔn)使用的血壓

96、計(jì)。HEM-7300上臂式電子血壓計(jì)是我們目前唯一能購(gòu)買(mǎi)到的同時(shí)滿足AAMI(美國(guó)醫(yī)療器械促進(jìn)協(xié)會(huì))和EHS（歐洲高血壓協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)的血壓測(cè)量設(shè)備。而且它的外觀尺寸為寬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(zhǔn)平臺(tái)的要求。</p><p>　　圖2.4是我們自行研制的ECG、PPG測(cè)量設(shè)備。該設(shè)備具有三個(gè)信號(hào)接口，分別是兩路PPG信號(hào)和一路ECG信號(hào)。ECG測(cè)量采用第I導(dǎo)

97、聯(lián)，電極連接左右手和右腿。設(shè)備采樣率為1000Hz。</p><p>　　圖2.4自行開(kāi)發(fā)的測(cè)量設(shè)備</p><p>　　圖2.5 自行開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)</p><p>　　圖2.5是我們自行開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)。測(cè)量設(shè)備和軟件平臺(tái)通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)行校準(zhǔn)之前，我們對(duì)測(cè)量設(shè)備和軟件平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試。首先，軟件平臺(tái)觸發(fā)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)采集；然后，設(shè)備將采集到的信號(hào)傳輸?shù)杰浖?/p>

98、臺(tái)上進(jìn)行顯示；最后，軟件平臺(tái)根據(jù)我們?cè)O(shè)置的路徑進(jìn)行自動(dòng)保存。測(cè)試者只需設(shè)置路徑和點(diǎn)擊按鈕便可獲得PPG、ECG的原始波形，完全滿足實(shí)際校準(zhǔn)的需求。</p><p><b>　　2.3.3驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　為了驗(yàn)證校準(zhǔn)方案的準(zhǔn)確性以及校準(zhǔn)平臺(tái)的舒適方便程度，我們?cè)O(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)一共包含兩個(gè)部分，分別是姿勢(shì)改變以及運(yùn)動(dòng)恢復(fù)。</p>

99、<p>　　姿勢(shì)改變實(shí)驗(yàn)中，被試被要求完成一組從平躺到坐立再到站立的姿勢(shì)改變。姿勢(shì)改變過(guò)程中持續(xù)測(cè)量ECG和PPG信號(hào)，用于計(jì)算PTT。通過(guò)測(cè)量姿勢(shì)改變瞬間的血壓變化值和對(duì)應(yīng)的PTT，來(lái)評(píng)估系數(shù)a，b的準(zhǔn)確性。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)中，被試被要求首先以標(biāo)準(zhǔn)血壓測(cè)量姿勢(shì)進(jìn)行血壓測(cè)量，然后以6km/h的速度跑步5min。在完成跑步后的3min內(nèi)，測(cè)量4次血壓，每次間隔1min，持續(xù)測(cè)量ECG

100、和PPG信號(hào)，用于計(jì)算PTT。運(yùn)動(dòng)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)用于測(cè)試通過(guò)靜息狀態(tài)校準(zhǔn)的血壓方程能否用于血壓變化較大的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，以及對(duì)于運(yùn)動(dòng)恢復(fù)后血壓估算的準(zhǔn)確性。</p><p>　　2.3.4無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　目前常用的無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量設(shè)備共有三個(gè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分別是美國(guó)醫(yī)療器械發(fā)展委員會(huì)（AAMI）、歐洲高壓學(xué)會(huì)（EHS）以及英國(guó)高壓學(xué)會(huì)（BHS）頒布的標(biāo)準(zhǔn)。AAMI標(biāo)準(zhǔn)由于其測(cè)試簡(jiǎn)單

101、，使用方便，應(yīng)用更為廣泛。</p><p>　　AMMI標(biāo)準(zhǔn)既可以采用柯氏音法作為標(biāo)準(zhǔn)，也可以使用動(dòng)脈插管獲得的有創(chuàng)血壓作為標(biāo)準(zhǔn)。AAMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)量血壓，和參考血壓（柯氏音法或者有創(chuàng)血壓）之間差值的平均值不大于5mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差不大于8mmHg即為合格。在本實(shí)驗(yàn)中，我們采用AAMI標(biāo)準(zhǔn)作為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)校準(zhǔn)。</p><p><b>　　3 實(shí)驗(yàn)</b

102、></p><p><b>　　3.1預(yù)實(shí)驗(yàn)</b></p><p>　　在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)之前，我們針對(duì)所搭建的校準(zhǔn)平臺(tái)進(jìn)行了預(yù)實(shí)驗(yàn)。預(yù)實(shí)驗(yàn)可以幫助我們熟悉實(shí)驗(yàn)流程，準(zhǔn)確控制無(wú)關(guān)變量，合理設(shè)計(jì)正式實(shí)驗(yàn)，避免了盲目實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的資源浪費(fèi)。通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，我們測(cè)試了實(shí)驗(yàn)設(shè)備，熟悉了實(shí)驗(yàn)流程，確定了抬手高度以及選擇了驗(yàn)證項(xiàng)目。</p><p><b

103、>　　3.1.1抬手方式</b></p><p>　　在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，被試抬手時(shí)為坐立姿勢(shì)，左右手平放在抬手支架上，右手隨支架抬高，抬手高度依次為水平（0），10cm，20cm，30cm和40cm。</p><p>　　根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中被試反饋的情況來(lái)看，坐姿抬手高度達(dá)20cm后極為不舒適，背部肌肉，手部肌肉都會(huì)出現(xiàn)不同程度的緊張。肌肉緊張會(huì)引起局部血壓變化，而且這些變化通常

104、是不可獲知的，極大地影響了校準(zhǔn)精度。因此，我們重新調(diào)研了文獻(xiàn)，將坐姿抬手改為平躺抬手。</p><p>　　平躺抬手后，被試的右臂可以完全安放在抬手支架上，背部肌肉，手臂肌肉都處于完全放松的狀態(tài)。根據(jù)被試的反饋，我們的改進(jìn)是有效的。</p><p><b>　　3.1.2抬手高度</b></p><p>　　為了使得校準(zhǔn)方便快捷，最終的校準(zhǔn)方案

105、中，被試只能進(jìn)行一次抬手。為了確定被試抬手的高度，我們進(jìn)行了不同高度的抬手實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，被試保持平躺姿勢(shì)，左手平放，右手依次抬高水平（0），10cm，20cm，30cm和40cm。</p><p>　　如圖3.1所示，是一名典型被試不同抬手高度所對(duì)應(yīng)的脈搏波傳輸時(shí)間圖，圖中的黑色實(shí)線為線性預(yù)測(cè)線。從圖3.1中可以看出，抬手高度與PTT大致呈線性關(guān)系，抬手高度越高，PTT的值越集中，線性度越好。抬手高度很低時(shí)，由血

106、壓改變?cè)斐傻腜TT變化很小，非常容易被其他因素所干擾，信噪比很低；抬手高度升高時(shí)，血壓變化增大，由血壓造成的PTT變化相應(yīng)變大，系統(tǒng)誤差變小，信噪比升高。理論上來(lái)說(shuō)，抬手高度越高，信噪比越高，但是，如果抬手高度太高，將明顯改變肩關(guān)節(jié)部位血管的解剖位置和角度，影響脈搏波的傳播，同時(shí)，也會(huì)降低校準(zhǔn)過(guò)程中的舒適性。因此，為了兼顧校準(zhǔn)方案的舒適性、方便性和準(zhǔn)確性，我們選擇了30-40cm的抬手范圍作為我們的校準(zhǔn)抬手高度。被試通過(guò)將右手抬高至30

107、-40cm范圍內(nèi)的任意高度，進(jìn)行校準(zhǔn)。</p><p>　　圖3.1 抬手高度vs. 脈搏波傳輸時(shí)間</p><p>　　3.1.3血壓驗(yàn)證項(xiàng)目</p><p>　　為了驗(yàn)證我們校準(zhǔn)方案的有效性，我們?cè)O(shè)計(jì)了多個(gè)改變血壓的驗(yàn)證項(xiàng)目。根據(jù)前期的文獻(xiàn)調(diào)研，在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)了深呼吸、姿勢(shì)改變和跑步三種改變血壓的方式。</p><p>　　圖 3.

108、2 同一姿勢(shì)血壓正常呼吸vs.深呼吸</p><p>　　圖3.2為其中一名被試在相同姿勢(shì)下正常呼吸和深呼吸下的血壓值。從圖中可以看出，此名被試深呼吸時(shí)血壓并沒(méi)有發(fā)生明顯改變。</p><p>　　匯總所有預(yù)實(shí)驗(yàn)的被試數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3.1。 </p><p>　　表3.1 預(yù)實(shí)驗(yàn)被試深呼吸血壓改變統(tǒng)計(jì)表 mmHg</p><p>　　由

109、3.2和表3.1可以看出，深呼吸確實(shí)可以使血壓發(fā)生改變，但是由于深呼吸的幅度、方式、快慢等因人而異，這些變量都無(wú)法控制，我們無(wú)法確保每一位被試在深呼吸的條件下血壓會(huì)發(fā)生改變。而且，就被試的反饋信息來(lái)看，持續(xù)深呼吸會(huì)造成腦部充血，頭暈等癥狀?？紤]到這些，在正式實(shí)驗(yàn)中我們廢除了深呼吸這一驗(yàn)證項(xiàng)。</p><p>　　對(duì)于姿勢(shì)改變，我們?cè)陬A(yù)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，被試在平躺姿勢(shì)下與坐立姿勢(shì)下血壓值并沒(méi)有明顯差異。通過(guò)進(jìn)一步文獻(xiàn)調(diào)研

110、得知，姿勢(shì)改變時(shí)，血容量會(huì)重新分布，頸動(dòng)脈和胸腔大動(dòng)脈的牽張感受器迅速感知到動(dòng)脈壓力和胸腔壓力的降低，協(xié)同增加交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，降低副交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，影響激素調(diào)節(jié)[19]。姿勢(shì)改變過(guò)程中，有部分人群會(huì)出現(xiàn)體位性低血壓，與之相反是體位性高血壓，而大部分正常人在姿勢(shì)改變后的短時(shí)間內(nèi)，血壓便可恢復(fù)正常。因此，由姿勢(shì)改變?cè)斐傻难獕焊淖兺怀霈F(xiàn)在改變后的短時(shí)間內(nèi)。為了捕捉到這一變化，我們將驗(yàn)證方案調(diào)整為由平躺到坐立，由坐立到站立，連貫進(jìn)行