采用示波原理间接测量血压方法的进展
作者：许怀湘 房兴业 许志
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：血压测量；示波法；测量方法；幅度系数法
航天医学与医学工程000319摘要：血压判别方法是提高血压测量准确度的关键。本文综述了采用示波原理间接测量血压方法的研究进展，并介绍了波形特征法和幅度系数法两类血压判别方法的基本原理，对影响其测量精度的因素进行了分析。最后提出了改进血压判别方法的基本思路。
中图分类号：R318.6 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)-0231-04
The Present Status and Development of Oscillometric Blood Pressure Measurement
, http://www.100md.com
XU Huai-xiang, FANG Xing-ye, XU Zhi
Abstract:With the wide use of electronic sphygmomanometers, more attention is paid to the study of the method for determining systolic and diastolic blood pressure from oscillometric pulse waves. The paper expatiated it on the basis of different algorithms in this field by dividing them into two categories named as feature point method and amplitude characteristic ratios method. Factors affecting the accuracy of pressure measurement was discussed and the prospect of further development of measuring algorithms was also proposed.
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Key Words:blood pressure measurement;oscillometric method;measurement methods;amplitude characteristic ratios method
血压是反映心血管系统状态的重要的生理参数。特别是近年来，高血压在中老年人群中的发病率不断上升(据统计已达15%～20%)，而且常常是引起心血管系统一些疾病的重要因素，因此血压的准确检测在临床和保健工作中变得越来越重要。尤其在载人航天飞行期间，为随时了解和掌握航天员的生理变化，血压也是被检测的重要指标之一。
临床上血压测量技术可分为直接法和间接法两种。间接法测量血压不需要剖切的外科手术，测量简便，因此在临床上得到广泛的应用。载人航天期间，需要动态监测航天员24 h的血压变化。在短时间失重和超重等的特殊环境下，无创性连续测量血压的方法具有无法比拟的优越性，但由於其技术上难度较大，使其发展大大滞后于间接测量方法[1]。美国和前苏联多采用间接血压测量的方法[2]，通过可设定时间间隔的自动无创电子血压仪来实现动态监测。因此无论是临床还是在载人飞行中，血压判别方法的优劣都将直接影响测量结果的可靠性。
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血压间接测量方法中，目前常用的有两种，即听诊法(Auscultatory method)和示波法(Oscillometric method)。听诊法由俄国医生Kopotkoc在1905年提出，迄今仍在临床中广泛应用。但听诊法存在其固有的缺点：一是在舒张压对应于第四相还是第五相问题上一直存在争论[3]，由此引起的判别误差很大。二是通过听柯氏声来判别收缩压、舒张压，其读数受使用者听力影响，易引入主观误差，难以标准化。以听诊法原理制成的电子血压计，虽然实现了自动检测，但仍未彻底解决其固有缺点,即误差大、重复性差、易受噪音干扰。近年来许多血压监护仪和自动电子血压计大都采用了示波法间接测量血压。示波法测血压通过建立收缩压、舒张压、平均压与袖套压力波的关系来判别血压。因为脉压波与血压有较为稳定的相关性，因此利用示波原理测量的血压结果比听诊法较为准确[4]。而且示波法测血压时袖套内无拾音器件，操作简单，抗外界噪声干扰能力强，还可同时测得平均压。
本文将对现有的利用示波原理判别血压的方法以及影响血压测量精度的各种因素进行分析，最后提出改进血压判别方法的基本思路。
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现有血压判别的主要方法
Marey在1876年最早发现了在液袋加压过程中存在的压力波动现象，并且发现压力波动的幅度在液袋压力由舒张压上升到收缩压的过程中由小变大，达到最大值后又开始下降。随后很多研究人员通过建立物理模型[5]、数学模型[6]以及动物[7]、人体[8]实验来分析压力波幅度最大值所代表的意义并证实幅度最大值与平均压有很好的对应关系。现在通常用最大波幅法来判别平均压。
利用示波原理判定收缩压和舒张压的具体方法很多，主要可归为两大类：一类称为波形特征法，通过识别压力波在收缩压和舒张压处的波形特征来判别血压；另一类称为幅度系数法，通过确定并辨识收缩压幅度、舒张压幅度与最大幅度之间的关系来判别血压。
波形特征法 比较典型的判别方法有以下几种：(1)定性法。在袖套放气过程中，将压力波中的第一个突然跳变所对应的袖套压力判为收缩压。压力波幅度不再降低前的那个波动判为舒张压。这种方法由Ramesy III提出[8]，并应用于“Dinamap”型自动血压测量仪，这是较早投入商业生产的无创自动血压测量装置。(2)压力波包络线拐点判别法。江国泰与斋藤正男[9]从力学原理出发，提出了一个理想化的上臂活组织力传递模型，并由此证明收缩压、舒张压与袖套压力波包络线的拐点相对应。在此基础上，江国泰和蒋大宗[10]提出利用二阶AR模型辨识压力波包络拐点判别血压的方法。(3)利用动脉弹性特征判别血压。首都医科大学的赵富强等[11]人由动脉管壁的传输压—容积模型，提出了一种新的测量收缩压的方法。他们根据动脉在零跨壁压条件下弹性最大的特性，证明在测量过程中，当动脉内压力波的峰值等于袖套压力时，该峰值处袖套波动信号的微分
有最大斜率。利用这一方法判别收缩压，只需对提取的波动信号进行求导运算得到，再对每一跳峰值点处的微分信号求斜率，斜率最大的那一跳所对应的袖套压力Pc即为收缩压。
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幅度系数法 比较典型的判别方法有以下两种：(1)利用与压力波最大幅值的比例关系进行判别。Geddes等[12]对袖套压力等于收缩压或舒张压时对应的压力波幅度与幅度最大值之间的比例关系进行了研究。发现收缩压对应的压力波幅度近似为最大幅度的一半，而舒张压时的压力波幅度为最大幅度的75%～80%。Mauro[13]建立了一个数学模型来模拟示波法测血压，研究结果与Geddes的实验结果相近：收缩压处的特征系数为0.46～0.64;舒张压处的特征系数为0.43～0.73。王鹏巨等[14]利用该方法研制了一种新的自动血压测量仪，初步试用表明，它在准确性和抗干扰性方面优于传统的听诊法。(2)S判别法。Sapinski[15]提出了示波法测血压的标准算法，称为S方法。判别血压时首先确定压力波幅度的最大值，然后对最大值所在的脉搏波进行积分再除以波动周期得到A(SP)，波动幅度为A(SP)时的袖套压力被判为收缩压。舒张压对应的波动幅度A(DP)则由最大幅度与A(SP)的差值得到。
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影响示波法测量精度的因素
影响波形特征法血压测量精度的因素 波形特征法由压力波波形入手，寻找收缩压、舒张压处波形的特异性，并由此判别血压。影响其测量精度的原因，一是所确定的波形特征能否适应个体的差异性，二是能否准确有效的提取波形特征。以定性法为例，压力波的第一跳与受压闭合动脉重新开启这一状态相对应，而最后一跳则对应于动脉的完全打开状态。将第一跳判为收缩压，最后一跳判为舒张压，有一定的理论基础。但在实际应用中,即使袖套压力高于收缩压仍能检测到微小的波动，第一跳的出现并不总是非常明显，因而影响收缩压的识别[4]；同时袖套压力波的波形因人而异，有时会出现二次峰值，或压力波在消失前近似相等等现象，给舒张压的判别也带来很多困难。因此这种方法的测量精度不稳定[16]，已逐渐为其它的方法所替代。
压力波包络线拐点判别法和利用动脉弹性特性判别血压的方法都是由一定的模型推导得出的，有其生物力学基础。但其实际应用状况如何，能否真正提高测量精度还需进一步的检验。
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影响幅度系数法测量精度的因素 用固定系数法判定收缩压和舒张压，关键在于特征系数的选取。Geddes[12]的实验结果表明特征系数受压力波幅度的影响。Forster[6]通过建立数学模型得出了相同的结论，并且发现特征系数还受脉搏波波形和动脉弹性特性的影响。Ng和Small[17]的实验及理论分析表明袖套大小和袖套-上臂组织系统的弹性也会影响特征系数。Mauro[13]建立了一个血压测量的数学模型来分析动脉粘弹性特性、动脉内压力幅度、袖套弹性等因素对特征系数的影响。结果表明动脉粘弹性和动脉内压力波幅度的变化对特征系数的影响最大，在收缩压和舒张压的测量中可引起15%～20%的误差。
示波法无创血压测量方法的精度评价
Riegelman 和 Hirsch[18]定义生物医学仪器的精度为仪器测量结果接近解剖、生理或生物化学现象真实值的能力。但“真实值”往往不可知，所以常以一种已知的比较精确的方法为标准，将其读数看作“真实值”。
, 百拇医药
示波法血压精度评价，通常是以插管法或听诊法的结果作为“真实值”，将被测方法的读数与之相比较，用平均差±标准差(Mark等[19])，或相关分析(Neal等[20])来表征被测方法的准确度。为了统一管理，美国颁布了ANSI/AAMI SP-1992《电子或自动血压计》[21]，这种方法也是我国进行血压计精度标定时采用的手段。用统计方法进行计量受到很多限制。插管法测量精度较高，是最为理想的标定标准。但插管法必须通过手术将导管插入血管内，需要一定的设备和专门的医务人员，而且测量时患者要承受很大的痛苦。听诊法测量简单，但存在固有误差，很多研究人员认为听诊法不适合作为一种计量标准[22] 。
近几年出现了一种新的专门用于血压标定的仪器，即血压仿真器。它可以根据收缩压、舒张压、平均压、心率、压力幅度等参数的不同而产生不同的压力波形[23]。在参数不变的情况下，血压仿真器产生的压力波形是稳定的,可以弥补用统计比较方法判定精度时，由于血压读数的离散性所带来的局限，特别是应用在几种被测方法的比较上比统计方法更有说服力。而且血压仿真器调整范围大，可以模拟很多极限情况，在传统的统计方法中这往往要搜集大量数据才能实现。血压仿真器一般由两部分组成：人造上臂，通常包含仿真动脉和仿真肌肉组织用于模拟压力在动脉和袖套之间的传递；人造心脏，通常包含控制电路和压力系统用于模拟心脏有节律的跳动以产生满足一定要求的标准压力波动。血压仿真器在国外已投入商业生产，成为血压仪计量的辅助设备。
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示波法测血压算法的发展方向
从以上的分析可以看出，现有的示波原理血压判别算法仍比较粗糙，还需要进一步的完善。为提高其测量精度，可以从以下两个方面改进现有的判别方法：
⑴ 深入分析压力波产生及表现形态的机理，寻找收缩压、舒张压处波形的典型特征。并采用新的信号处理方法比如频谱分析、小波变换等来提取特征点；
⑵ 提高幅度系数法测血压适应个体差异性的能力。利用幅度的系数关系来判别血压，算法简单，易于实现，现存的以示波原理为基础的无创自动血压测量仪大多采用了这种方法。但由统计方法得到的特征系数个体差异性大，造成血压测量的个体误差也较大。为提高其测量精度，特征系数应因人而异，可以选择一些生理参数如心率，年龄，压力波波形特征等来修正特征系数。
此外，应尽快为电子血压计的计量建立特定的标准，这也是提高血压测量精度的必备条件。
, 百拇医药
Address reprint requests to:XU Huai-xiang.Institute of Space Medico-Engineering,Beijing 100094，China
[参考文献]
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收稿日期：1999-08-23, 百拇医药
单位：航天医学工程研究所，北京 100094
关键词：血压测量；示波法；测量方法；幅度系数法
航天医学与医学工程000319摘要：血压判别方法是提高血压测量准确度的关键。本文综述了采用示波原理间接测量血压方法的研究进展，并介绍了波形特征法和幅度系数法两类血压判别方法的基本原理，对影响其测量精度的因素进行了分析。最后提出了改进血压判别方法的基本思路。
中图分类号：R318.6 文献标识码：A
文章编号：1002-0837(2000)-0231-04
The Present Status and Development of Oscillometric Blood Pressure Measurement
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XU Huai-xiang, FANG Xing-ye, XU Zhi
Abstract:With the wide use of electronic sphygmomanometers, more attention is paid to the study of the method for determining systolic and diastolic blood pressure from oscillometric pulse waves. The paper expatiated it on the basis of different algorithms in this field by dividing them into two categories named as feature point method and amplitude characteristic ratios method. Factors affecting the accuracy of pressure measurement was discussed and the prospect of further development of measuring algorithms was also proposed.
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Key Words:blood pressure measurement;oscillometric method;measurement methods;amplitude characteristic ratios method
血压是反映心血管系统状态的重要的生理参数。特别是近年来，高血压在中老年人群中的发病率不断上升(据统计已达15%～20%)，而且常常是引起心血管系统一些疾病的重要因素，因此血压的准确检测在临床和保健工作中变得越来越重要。尤其在载人航天飞行期间，为随时了解和掌握航天员的生理变化，血压也是被检测的重要指标之一。
临床上血压测量技术可分为直接法和间接法两种。间接法测量血压不需要剖切的外科手术，测量简便，因此在临床上得到广泛的应用。载人航天期间，需要动态监测航天员24 h的血压变化。在短时间失重和超重等的特殊环境下，无创性连续测量血压的方法具有无法比拟的优越性，但由於其技术上难度较大，使其发展大大滞后于间接测量方法[1]。美国和前苏联多采用间接血压测量的方法[2]，通过可设定时间间隔的自动无创电子血压仪来实现动态监测。因此无论是临床还是在载人飞行中，血压判别方法的优劣都将直接影响测量结果的可靠性。
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血压间接测量方法中，目前常用的有两种，即听诊法(Auscultatory method)和示波法(Oscillometric method)。听诊法由俄国医生Kopotkoc在1905年提出，迄今仍在临床中广泛应用。但听诊法存在其固有的缺点：一是在舒张压对应于第四相还是第五相问题上一直存在争论[3]，由此引起的判别误差很大。二是通过听柯氏声来判别收缩压、舒张压，其读数受使用者听力影响，易引入主观误差，难以标准化。以听诊法原理制成的电子血压计，虽然实现了自动检测，但仍未彻底解决其固有缺点,即误差大、重复性差、易受噪音干扰。近年来许多血压监护仪和自动电子血压计大都采用了示波法间接测量血压。示波法测血压通过建立收缩压、舒张压、平均压与袖套压力波的关系来判别血压。因为脉压波与血压有较为稳定的相关性，因此利用示波原理测量的血压结果比听诊法较为准确[4]。而且示波法测血压时袖套内无拾音器件，操作简单，抗外界噪声干扰能力强，还可同时测得平均压。
本文将对现有的利用示波原理判别血压的方法以及影响血压测量精度的各种因素进行分析，最后提出改进血压判别方法的基本思路。
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现有血压判别的主要方法
Marey在1876年最早发现了在液袋加压过程中存在的压力波动现象，并且发现压力波动的幅度在液袋压力由舒张压上升到收缩压的过程中由小变大，达到最大值后又开始下降。随后很多研究人员通过建立物理模型[5]、数学模型[6]以及动物[7]、人体[8]实验来分析压力波幅度最大值所代表的意义并证实幅度最大值与平均压有很好的对应关系。现在通常用最大波幅法来判别平均压。
利用示波原理判定收缩压和舒张压的具体方法很多，主要可归为两大类：一类称为波形特征法，通过识别压力波在收缩压和舒张压处的波形特征来判别血压；另一类称为幅度系数法，通过确定并辨识收缩压幅度、舒张压幅度与最大幅度之间的关系来判别血压。
波形特征法 比较典型的判别方法有以下几种：(1)定性法。在袖套放气过程中，将压力波中的第一个突然跳变所对应的袖套压力判为收缩压。压力波幅度不再降低前的那个波动判为舒张压。这种方法由Ramesy III提出[8]，并应用于“Dinamap”型自动血压测量仪，这是较早投入商业生产的无创自动血压测量装置。(2)压力波包络线拐点判别法。江国泰与斋藤正男[9]从力学原理出发，提出了一个理想化的上臂活组织力传递模型，并由此证明收缩压、舒张压与袖套压力波包络线的拐点相对应。在此基础上，江国泰和蒋大宗[10]提出利用二阶AR模型辨识压力波包络拐点判别血压的方法。(3)利用动脉弹性特征判别血压。首都医科大学的赵富强等[11]人由动脉管壁的传输压—容积模型，提出了一种新的测量收缩压的方法。他们根据动脉在零跨壁压条件下弹性最大的特性，证明在测量过程中，当动脉内压力波的峰值等于袖套压力时，该峰值处袖套波动信号的微分
有最大斜率。利用这一方法判别收缩压，只需对提取的波动信号进行求导运算得到，再对每一跳峰值点处的微分信号求斜率，斜率最大的那一跳所对应的袖套压力Pc即为收缩压。, 百拇医药
幅度系数法 比较典型的判别方法有以下两种：(1)利用与压力波最大幅值的比例关系进行判别。Geddes等[12]对袖套压力等于收缩压或舒张压时对应的压力波幅度与幅度最大值之间的比例关系进行了研究。发现收缩压对应的压力波幅度近似为最大幅度的一半，而舒张压时的压力波幅度为最大幅度的75%～80%。Mauro[13]建立了一个数学模型来模拟示波法测血压，研究结果与Geddes的实验结果相近：收缩压处的特征系数为0.46～0.64;舒张压处的特征系数为0.43～0.73。王鹏巨等[14]利用该方法研制了一种新的自动血压测量仪，初步试用表明，它在准确性和抗干扰性方面优于传统的听诊法。(2)S判别法。Sapinski[15]提出了示波法测血压的标准算法，称为S方法。判别血压时首先确定压力波幅度的最大值，然后对最大值所在的脉搏波进行积分再除以波动周期得到A(SP)，波动幅度为A(SP)时的袖套压力被判为收缩压。舒张压对应的波动幅度A(DP)则由最大幅度与A(SP)的差值得到。
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影响示波法测量精度的因素
影响波形特征法血压测量精度的因素 波形特征法由压力波波形入手，寻找收缩压、舒张压处波形的特异性，并由此判别血压。影响其测量精度的原因，一是所确定的波形特征能否适应个体的差异性，二是能否准确有效的提取波形特征。以定性法为例，压力波的第一跳与受压闭合动脉重新开启这一状态相对应，而最后一跳则对应于动脉的完全打开状态。将第一跳判为收缩压，最后一跳判为舒张压，有一定的理论基础。但在实际应用中,即使袖套压力高于收缩压仍能检测到微小的波动，第一跳的出现并不总是非常明显，因而影响收缩压的识别[4]；同时袖套压力波的波形因人而异，有时会出现二次峰值，或压力波在消失前近似相等等现象，给舒张压的判别也带来很多困难。因此这种方法的测量精度不稳定[16]，已逐渐为其它的方法所替代。
压力波包络线拐点判别法和利用动脉弹性特性判别血压的方法都是由一定的模型推导得出的，有其生物力学基础。但其实际应用状况如何，能否真正提高测量精度还需进一步的检验。
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影响幅度系数法测量精度的因素 用固定系数法判定收缩压和舒张压，关键在于特征系数的选取。Geddes[12]的实验结果表明特征系数受压力波幅度的影响。Forster[6]通过建立数学模型得出了相同的结论，并且发现特征系数还受脉搏波波形和动脉弹性特性的影响。Ng和Small[17]的实验及理论分析表明袖套大小和袖套-上臂组织系统的弹性也会影响特征系数。Mauro[13]建立了一个血压测量的数学模型来分析动脉粘弹性特性、动脉内压力幅度、袖套弹性等因素对特征系数的影响。结果表明动脉粘弹性和动脉内压力波幅度的变化对特征系数的影响最大，在收缩压和舒张压的测量中可引起15%～20%的误差。
示波法无创血压测量方法的精度评价
Riegelman 和 Hirsch[18]定义生物医学仪器的精度为仪器测量结果接近解剖、生理或生物化学现象真实值的能力。但“真实值”往往不可知，所以常以一种已知的比较精确的方法为标准，将其读数看作“真实值”。
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示波法血压精度评价，通常是以插管法或听诊法的结果作为“真实值”，将被测方法的读数与之相比较，用平均差±标准差(Mark等[19])，或相关分析(Neal等[20])来表征被测方法的准确度。为了统一管理，美国颁布了ANSI/AAMI SP-1992《电子或自动血压计》[21]，这种方法也是我国进行血压计精度标定时采用的手段。用统计方法进行计量受到很多限制。插管法测量精度较高，是最为理想的标定标准。但插管法必须通过手术将导管插入血管内，需要一定的设备和专门的医务人员，而且测量时患者要承受很大的痛苦。听诊法测量简单，但存在固有误差，很多研究人员认为听诊法不适合作为一种计量标准[22] 。
近几年出现了一种新的专门用于血压标定的仪器，即血压仿真器。它可以根据收缩压、舒张压、平均压、心率、压力幅度等参数的不同而产生不同的压力波形[23]。在参数不变的情况下，血压仿真器产生的压力波形是稳定的,可以弥补用统计比较方法判定精度时，由于血压读数的离散性所带来的局限，特别是应用在几种被测方法的比较上比统计方法更有说服力。而且血压仿真器调整范围大，可以模拟很多极限情况，在传统的统计方法中这往往要搜集大量数据才能实现。血压仿真器一般由两部分组成：人造上臂，通常包含仿真动脉和仿真肌肉组织用于模拟压力在动脉和袖套之间的传递；人造心脏，通常包含控制电路和压力系统用于模拟心脏有节律的跳动以产生满足一定要求的标准压力波动。血压仿真器在国外已投入商业生产，成为血压仪计量的辅助设备。
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示波法测血压算法的发展方向
从以上的分析可以看出，现有的示波原理血压判别算法仍比较粗糙，还需要进一步的完善。为提高其测量精度，可以从以下两个方面改进现有的判别方法：
⑴ 深入分析压力波产生及表现形态的机理，寻找收缩压、舒张压处波形的典型特征。并采用新的信号处理方法比如频谱分析、小波变换等来提取特征点；
⑵ 提高幅度系数法测血压适应个体差异性的能力。利用幅度的系数关系来判别血压，算法简单，易于实现，现存的以示波原理为基础的无创自动血压测量仪大多采用了这种方法。但由统计方法得到的特征系数个体差异性大，造成血压测量的个体误差也较大。为提高其测量精度，特征系数应因人而异，可以选择一些生理参数如心率，年龄，压力波波形特征等来修正特征系数。
此外，应尽快为电子血压计的计量建立特定的标准，这也是提高血压测量精度的必备条件。
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[1] JIAO Xue-jun,FANG Xing-ye.Research progress of methods of continuous measurement of blood pressure[J].Space Medicine & Medical Engineering,2000,13(2):148～151
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收稿日期：1999-08-23, 百拇医药