基于示波法的血压测量方法设计

王军昂，张立新，吴凯枫，王赛, 凌云

（南京信息工程大学自动化学院，江苏南京，210044）

0 引言

随着社会的的进步,人们的生活方式得到了巨大的提升，高油高脂高糖类食品占比越来越高，同时生活节奏也随之变快，降低了人们运动时间，提高了生活压力，越来越多的疾病影响着人们的身体健康。其中高血压已经成为危害人们的重大疾病之一，尤其是高血压的年轻化，更是应该需要成为人们重视的问题[1]。根据2018年中国卫生健康调查报告，自2015年以来，高血压在中国成人总数的占比越来越高，其中30-50岁的中老年人患病数逐年提高，形势不容乐观[2]。同时高血压是心脑血管疾病最主要的风险因素，并且目前还没有完全治愈高血压的方法，只能通过药物和自身管理控制。由于血压需要不定期的检测，使用电子血压计进行日常检测来降低高血压的发病风险，监控自身健康变得重中之重。

1 测量原理

在血压测量的发展过程中，根据测量血压的方式分为两种测量方式：直接测量血压法和间接测量血压法[3]。直接测量法又称为有创法，测试人员需要将测量工具放入被测人员动脉血管中，尽管对人体有一定的伤害性，适用于重病患者和手术过程的患者，不适用于家庭血压测试监护。间接测量法又被称为无创法，尽管测量精度没有直接测量法高但是基本对人体无害。间接测量法主要以柯氏音法（听诊法）和示波法为主。人工柯氏音法和电子柯氏音法[4]是柯氏音法的两大类。人工柯氏音法是测量人员通过听诊器传来的柯氏音同时查看水银对应的值来判断血压，虽然精确但是测量方式是由测量人员的主观判断而定且对测量人员的技术要求比较高，不适合家庭自用。电子柯氏音法容易受外界影响，准确性不高，总体来讲低于示波法测量血压。因此市面上最常用的电子血压计测试方法为示波法。

示波法是根据脉搏波随着袖套压力的变化而随之变化这一特点测量血压的方法。基于袖套放气获得血压值的原理是[5]：首先带上袖套进行快速充气，直到袖套压力大于收缩压20-30mmhg时或检测不到脉搏波的变化时，再进行缓慢放气；此时袖套内的静压力是要大于收缩压（SP）的，因此动脉血管会受到外部强大的压力从而闭合，脉搏波会显现出微小的振幅，随着袖套的放气其内部的静压力慢慢变小，动脉血管结束闭合状态慢慢开启，此时脉搏波的振幅由小变大。当袖套内的静压力等于脉搏平均压（MP）时，脉搏波的振幅达到了最大值；当袖套内的静压力小于脉搏平均压（MP）时，脉搏波的振幅开始变小；最后当袖套内的静压力小于脉搏舒张压（DP）后，动脉血管完全打开，脉搏波的振幅越来越小。如图1所示。

目前基于示波法来判定人体血压有很多种方法，目前可以归纳为两种：波形特征法幅度系法。

(1)幅度系数法根据脉搏波的最大振幅确定平均压，通过平均压采用固定的幅度系数比来确定舒张压和收缩压，本文采用采用计算模型为：SP/MP=0.5，DP/MP=0.78。（MP:平均压、SP：舒张压、DP：收缩压）

(2)波形特征法利用脉搏波包络线的点位变化判断血压，包络线有明显上升的点认定为收缩压的点位，包络线有明显下降的点位认定为舒张压的点位。相对于幅度系数法，波形特征法比较复杂[7]，所以当前市面上电子血压计基本上采用幅度系数法设计。

2 系统设计

本设计的基本流程如图2所示。

图2 本设计基本流程图

先进行袖套快速充气同时进行信号采集，当检测到脉搏波消失，然后进行慢速放气，在放气过程中确定血压值。

血压信号确定流程如图3所示：

图3 信号处理流程

(1)采集信号：将压力传感器采集的信号经过模数转换后得到脉搏波信号和袖套压力信号的叠加信号。

(2)分离信号：将模数转换后的叠加信号通过IIR数字滤波器分离出脉搏波信号。

(3)拟合信号峰值点：对数字滤波器分离后的脉搏波信号进行峰值点确定处理，处理好的峰值点进行曲线拟合获取峰值点包络线。

(4)计算血压：寻找峰值点包络线的最大值，其最大值即平均压，根据幅度系数法通过平均压确定收缩压和舒张压的位置。

3 信号处理

3.1 信号滤波处理

IIR数字滤波器差分方程为：

IIR数字滤波器的系统函数为：

双线性变换主要是指数字滤波器频率响应H(z)和对应模拟滤波器的频率响应Ha(s)是线性映射关系。进而将模拟滤波器变换成数字滤波器。首先设计模拟滤波器方程为

方程两边拉氏变换得到模拟滤波器的系统函数：

根据S平面与Z平面的映射关系：

数字滤波器的系统函数为：

本文采用截至频率为5Hz的IIR低通滤波器和0.5Hz的IIR高通滤波器，信号经过0.5Hz的高通滤波器后得到大致的脉搏波信号，在经过低通滤波去除其它噪声信号，IIR数字滤波器仿真图如图4和图5。

图4 5Hz 低通滤波

图5 0.5Hz 高通滤波

在整个血压测量过程中，主要分为2个阶段，一阶段是将压力传感器采集的信号经过差分放大然后进行模数转换；二阶段是将数字信号进行数字滤波分离得到脉搏波，然后对脉搏波进行信号处理，因此选择合适的滤波器变得极为重要，直接关系到脉搏波的波形是否正确与标准，影响后续的结果。

利用IIR滤波器对压力传感器采集的信号经过A/D转换后进行数字滤波处理后得到脉搏信号如图6所示，从图中可以看出脉搏波的波形比较规则，各个波峰比较明显，可以进行下一步的信号处理。

图6 信号波形分离图

3.2 脉搏波拟合处理

高斯拟合的原理如下：

设一组实验数据（xj， yj）（j=1,2,3,…,N）,用高斯函数描述为

式（8）中参数ymax、xmax和S分别为高斯曲线的峰高、峰高位置和半宽度信息。将式（8）两边取自然对数，化为

将（10）化为二次多项式拟合函数

考虑全部数据并且以矩阵的形式表示如下：

简记为：Z=XB+E(13)

在不考虑误差E的情况下，根据最小二乘原理，构成矩阵B的广义最小二乘解为

根据式（10）求出参数ymax、xmax和S得到（8）式高斯函数的特征参数。

将所得ymax、xmax和S带入（8）就得到有实验数据（xj， yj）（j=1,2,3,…,N）拟合的高斯函数。

经过各种拟合仿真实验对比采用双高斯拟合，将分离出的脉搏波进行峰值检测方法可以精确的检测到脉搏信号峰谷特征点。在已经检测到峰谷值的基础上进行双高斯曲线拟合构造包络线，如图7所示。

3.3 确定血压值

通过双高斯曲线拟合脉搏波包络线，确定高斯曲线的最大点为平均压(MP)，通过幅度系数法计算出收缩压(SP)和舒张压（DP），幅度系数法采用计算模型为[9]：SP/MP=0.5，DP/MP=0.78。

图7 高斯拟合包络线

4 结论

本设计方法采用IIR数字滤波提取脉搏波信号，采用双高斯拟合的方法，提高了拟合精度，经过仿真确定该方法计算量更小，通用性更强，使用该方法制作的血压计适用于家庭中血压的日常监护。