0 引言

    目前，心腦血管疾病已經成為威脅人類健康的頭號殺手，積極防控心腦血管疾病變得刻不容緩^[1]。血壓等人體生理參數的實時監控既可以為高血壓的預防、診斷和治療提供有力的依據，又能有效地預防突發性心腦血管疾病^[2-3]。但是，傳統的血壓測量方法基于充氣袖帶，測量時會給被測試者帶來較大不適，而且無法實現連續測量。因此，無袖帶的無創連續測量技術受到越來越多研究者的重視^[4]。

    血壓的無創連續測量分為直接測量和間接測量。直接測量即在體表采集動脈處的壓力信號，經過一定的處理和標定后直接計算出人體的舒張壓和收縮壓。部分學者嘗試探究橈動脈處的壓力與中心動脈處的壓力之間的關系^[5-6]，有的學者利用橈動脈容積補償法來測量血壓^[7]。間接測量即采集人體的各種脈搏波信號，尋找這些信號與血壓的關系，并利用這些關系測量血壓。有的學者利用脈搏波到達時間的高頻分量和低頻分量來估計收縮壓^[8]；有的學者利用處理后的脈搏波延時來估計血壓^[9]；更多的學者是利用脈搏波傳播時間（PPT）來測量血壓^[10-12]。目前PTT(Pulse Transmit Time)無創連續測量血壓是研究的主流。不同的研究者選取不同的特征點來計算PTT，并選用相應的模型計算血壓，測量結果可以達到美國醫療儀器促進協會（AAMI）的要求。但是，基于PTT的血壓測量方法存在一些缺陷。為了確定PTT，需要同時采集人體的脈搏波信號和心電信號，從而需要在人體不同部位安放傳感器和心電電極。這樣做成的設備不方便佩戴，不適合實時監控人體血壓。

    為了解決這一問題，本文從實驗的角度研究PPG、MMSB和PPW之間的相位差與血壓的關系，發現PPG與MMSB之間的相位差與血壓的相關性最高，可以利用它實現血壓的無創連續測量。與PTT法測量血壓相比，脈搏波相位差法的優勢在于：它僅需要測量脈搏波，從而只需在人體同一位置安放多個傳感器。不同傳感器又可以集成到一塊電路板上，這樣做成的測量設備具有便攜的優點，適合隨身攜帶，并實時監控人體血壓。

1 脈搏波概述

    在血液循環過程中，心臟周期性的收縮和舒張使血液周期性地由主動脈向外周動脈流動，同時引起血液壓強、血液流速和血管直徑等許多人體生理參數周期性變化。這些變化具有波動的性質，所以稱為脈搏波。在人體固定的位置，可以用不同的傳感器采集不同的脈搏波。表1列出了MMSB、PPW、PPG、直徑脈搏波（DPW）和速度脈搏波（VPW）的測量方式、測量原理以及測量位置。

    圖1是在橈動脈處同時采集的MMSB、PPW和PPG波形(為使波形之間互不重疊，已添加偏置并利用MATLAB濾波)。如圖1所示，這些脈搏波的周期相同，不同脈搏波的主波峰之間存在時間差，這個時間差稱為這兩種脈搏波之間的相位差。本文通過運動恢復試驗，探究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關系。

2 實驗方案

    為了探究MMSB、PPW和PPG之間的相位差與血壓的關系，需要在左手橈動脈處同時采集3路脈搏波信號，并同時使用歐姆龍電子血壓計在右臂肱動脈處測量人體血壓。分別利用巨磁阻傳感器、壓力傳感器和光電傳感器采集MMSB、PPW和PPG信號。采集的信號經過放大、20 Hz低通濾波和50 Hz工頻濾波后，使用基于ARM Cortex-M4的飛思卡爾 K60單片機實現模數轉換。之后，通過異步收發傳輸器系列端口把這些有用的數據發送給計算機，提取信號峰值并計算相位差。模數轉換的采樣率為500 Hz，串行傳輸的波特率為115 200 Bd，最終利用MATLAB在電腦上實時顯示這些從人體采集到的信號。人體血壓無法連續測量，所以每半分鐘測量一次血壓，再把測得的SBP和DBP與不同脈搏波之間的相位差進行比較。為了更明顯地發現相位差與血壓的關系，需要在較大范圍內改變人體血壓，本文采用運動恢復法來改變血壓。

    本實驗的5名實驗者是年齡位于23～30歲的健康成年人，他們均無高血壓和心血管疾病病史。所有實驗者在實驗前一天均未飲酒，并且在實驗前均處于靜息狀態。

    整個實驗分為兩個階段：靜止階段和運動恢復階段。在靜止階段，實驗者坐在椅子上靜止不動，以避免運動所帶來的干擾。用不同的傳感器在其左手橈動脈處采集3種脈搏波信號，并同時用歐姆龍電子血壓計在其右臂肱動脈處測量血壓，每位實驗者采集30組數據。在運動恢復階段，實驗者先在橢圓機上快速跑動，半小時后坐到椅子上靜止不動。此時，再分別用不同傳感器和歐姆龍電子血壓計在相應位置處采集脈搏波和血壓值。每位實驗者采集70組數據，以便與靜止階段相比較。

3 實驗結果及分析

    5名實驗者運動過后，血壓升高，脈搏波之間的相位差也有較大變化。不同實驗者的血壓和脈搏波相位差變化略有不同，但其整體趨勢以及反映問題的本質是一致的，因此選擇了其中一位實驗者的數據做詳細的分析。

    圖2為某位實驗者的3種脈搏波之間的相位差變化圖，圖3為該實驗者的血壓變化圖。其中前30組數據為靜止階段，后70組數據為運動恢復階段。

    如圖2所示，運動之后的恢復階段脈搏波之間的相位差表現出不同的變化趨勢。為了進一步探究相位差與血壓的關系，把恢復階段細分為前期、中期和后期。從實驗者停止運動到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的110%（分界點1）稱為恢復階段前期，從分界點1到人體血壓首次降至靜止階段平均血壓的90%（分界點2）稱為恢復階段中期，從分界點2到實驗結束稱為運動恢復階段末期。這是一種為了研究問題方便而采用的劃分方式，實驗結束并不意味著恢復階段的結束。雖然對于不同的個體，恢復階段前期、中期和后期的起止時間并不相同，但其揭示問題的本質是一致的。

    從圖3中可以看出，該實驗者靜止時，血壓在一個很小的范圍內波動。相應地，不同脈搏波之間的相位差也保持穩定。激烈運動過后，血壓升高。恢復階段前期，血壓迅速下降，相應地，脈搏波之間的相位差也迅速減小。恢復階段中期，血壓基本穩定，而脈搏波之間的相位差緩慢增大。恢復階段后期，血壓在一定范圍內波動，相應地，脈搏波之間的相位差也在一定范圍內波動。其他的實驗者的數據也都呈現出相同的趨勢。

    從實驗結果來看，在恢復階段前期，血壓對相位差起主導作用，并且血壓和相位差都有較大變化。分別計算靜止階段和恢復階段前期各實驗者不同脈搏波相位差與SBP、DBP的線性相關系數，并把數據分別列在表2、表3中。如兩表所示，恢復階段前期的相位差與血壓的相關性高于靜止階段。對于不同階段，3種脈搏波的相位差與SBP的相關性均略高于與DBP的相關性。其中，PPG與MMSB之間的相位差與血壓的相關性最高，而MMSB與PPW之間的相位差與血壓的相關性最低。因此可以利用PPG與MMSB之間的相位差測量靜止階段和恢復階段前期的人體血壓，能夠達到相當高的精度。

4 結論

    本文通過運動恢復實驗在較大范圍內改變人體血壓，研究不同脈搏波之間的相位差與血壓的關系，并提出利用PPG與MMSB之間的相位差實現血壓無創測量的新方法。結果表明，PPG與MMSB之間的相位差與SBP和DBP均具有較高的相關性，用它來測量血壓能夠達到相當高的精度。與利用脈搏波和ECG獲得PTT實現血壓無創測量相比，用該方法做成的設備便于隨身攜帶和實時監控，具有更廣闊的發展前景。在今后的研究中，會進一步改進實驗條件，并把重點放在血壓的運動檢測上。

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