示波法血压测量的实现与讨论
作者：甄 斌 周永进 王素品
单位：甄 斌 周永进 王素品 (西安交通大学 生物医学工程系，西安 710049)
关键词：示波法；血压
生物医学工程学杂志990111 内容摘要 分析了示波法中传感器、滤波器和血压算法对血压测量的影响，并给出其设计原则和较好的参数配置。将结果应用于便携式血压HOLTER中，得到满意的效果。
Blood Pressure Examination using Oscillometric Method
Zhen Bin Zhou Yongjin Wang Supin
(Department of Biomedical Engineering, Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049)
, http://www.100md.com
Abstract The effect of pressure sensor, filter and blood pressure algorithm upon oscillometric method is discussed in this paper. The design principle and parameters configuration used in portable blood pressure HOLTER are presented.
Key words Oscillometric method Blood pressure
1 引言
血压是反映心脏泵血功能、血管阻力、血液粘滞性和全身血容量等生理参数的重要指标，在临床和医疗保健工作中是十分重要的。血压测量常采用间接方法[1]，本文着重研究示波法[2～6]，通过对传感器、滤波和血压算法的讨论，分析影响血压测量的因素，并确定了示波法测量动脉血压的系统参数。
, 百拇医药
2 示波法原理
示波法需要用袖带阻断动脉血流，在放气过程中检测袖带内的气体压力振荡波。压力振荡波起源于血管壁的搏动，如图1所示。当袖带内静压大于收缩压时，动脉关闭，袖带内因近端脉搏的冲击而出现细小的振荡波；当静压小于收缩压时，波幅增大，静压等于平均动脉压时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到最大；静压小于平均动脉压时波幅逐渐减小；静压小于舒张压以后，动脉管壁在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，而波幅维持较小的水平。放气过程中连续记录的振荡波中的脉动成分呈现近似抛物线的包络，示波法的关键在于找到充放气脉动压力波的包络及其与动脉血压之间的关系。
图1 示波法原理图
Fig 1 Principle of oscillometric method
, http://www.100md.com
3 血压测量与讨论
示波法血压测量主要包括压力传感器、滤波和血压算法三个部分。由气泵向袖带内充气，到达一定压力值后慢速放气。在放气过程中，压力传感器将袖带内压力信号转换为电信号，电信号通过滤波器得到抛物线包络的脉动压力波，最后由血压算法计算收缩压、舒张压和平均血压。
3.1 压力传感器
对压力传感器的要求主要是线性度和方差。线性度高使得压力-电信号转换公式简单，节约软硬件设计。方差小则滤波后脉动压力信号噪声较小。理想情况下没有脉搏时，脉动压力波输出为零。压力-电信号转换原理如图2所示，电阻、电容式压力传感器和非门构成RC振荡电路，压力变化导致输出振荡频率的改变，由计数器通过压力转换公式即可得到袖带内静压。压力传感器为差动式电容传感器，具有高灵敏度和低非线性。压力-频率校正曲线如图3所示，具有良好的线性度和较小的方差，横坐标为40 Hz采样的计数值，相关系数在0.99以上。
, 百拇医药
图2 压力-电信号转换电路
Fig 2 Pressure sensor oscillator circuit
图3 压力-频率校正曲线
Fig 3 Pressure calibration curve
3.2 带通滤波器
滤波起到滤除低频充放气曲线和高频噪声，得到脉动压力波的作用。Chebychev滤波器频率选择性较好，但在同样参数要求下，其传递函数极点分布于椭圆上，较分布于圆周上的Butterworth滤波器传递函数极点更接近单位圆，因此稳定性较差，滤波器输出容易溢出。Butterworth滤波器则稳定性较好[7]。另外,Chebychev滤滤器的脉冲响应时间较长，且有振荡现象，不利于时域包络的提取。阶数与通带频率的问题较为复杂。阶数的变化将改变滤波器通带、阻带的带宽、增益和相位等特性。此外，由于计算舍入误差的原因，阶数高将影响滤波器的稳定性。通带频率的选择既要能够滤除噪声，又要能够容忍正常和异常的生理信号及其个体差异。
, 百拇医药
在大量实验的基础上，选用二阶Butterworth滤波器，通常频率为0.6～6.4Hz时，滤波器性能和稳定性都较好，而且能够涵盖正常和异常情况下的血压信号及其个体差异。图4和图5分别是Butterworth滤波器和Chebychev滤波器输出的脉动压力波，Chebychev滤波器输出的时域包络不明显，无法计算血压,Butterworth滤波器则能够得到较清晰的抛物线状包络。
图4 Chebychev滤波器输出的脉动压力波
Fig 4 Pulse wave as output of Chebychev filter
图5 Butterworth滤波器输出的脉动压力波
Fig 5 Pulse wave as output of Butterworth filter
, 百拇医药
3.3 血压算法
拟合法根据滤波器输出的袖带内脉动压力波，通过多项式拟合建立图1中脉动压力波包络的数学模型，计算峰值点m及峰值左右两个拐点s和d的位置，与之相应的静压Pm、Ps和Pd就是平均压、收缩压和舒张压。
在开始放气和结束放气阶段，滤波后的脉动压力波为细小的振荡波。由于放气速度的不均匀和压力传感器的非线性，其包络波形常常较不规则，使得拟合曲线受起点和终点的影响很大，导致不同拟合曲线包络的极值点和拐点位置差异较大(图略)。因此，拟合法存在数据起点和终点选择的困难，易受噪声干扰影响，对生理参数的普遍适应性较差。此外，还存在计算量大和所需内存较多的问题。
大量临床实验表明，图1中脉动压力波包络的最大值幅度Am与拐点幅度As、Ad之间有比例关系[2，6]：
As/Am=Cl
, 百拇医药
Ad/Am=C2
其中：C1、C2为常数。因此，只要知道滤波后压力脉动波脉幅Ai及相应的静压Pi，由上式即可计算收缩压和舒张压，这就是比例法测动脉血压的基本原理。为使Am测量准确，避免伪脉冲，取脉动压力波符合条件的连续三个最大脉冲的均值作为Am。并在检测过程中作条件判断[2,8]，排除测量过程中的异常情况。实践证明该算法是可行的，具有较强的抗干扰能力和不同生理参数的适应性。
4 结论
由以上讨论可知：压力传感器应尽量选择线性度好、离散性小和灵敏度高的传感器和压力-电信号转换电路；滤波器的设计在滤除充放气曲线和干扰的前提下，还需要考虑生理参数数的个体差异和输出的稳定性；示波法中拟合法计算量大，所需内存多，且拟合起点和终点选择困难。比例法具有较强的抗干扰能力，能适应不同的生理参数。将以上结论应用于作者研制的便携式血压HOLTER中[8]，取得了较好的效果。
, 百拇医药
除了上面讨论的因素，血压测量还受到如压力与组织的耦合和血压值位置的判断等因素的影响，需要作进一步的理论研究。
参考文献
[1] 齐颁扬.医学仪器(上).北京：高等教育出版社，1990
[2] Swearingen JD, Waston RC.Methods of and Apparatus for the measurement of blood pressr, United State Patent, 4263918
[3] Borow KM, Newburger JW. Noninvasive estimation of central aortic pessure using the oscillometric method for analysing systemic artery pulsatile blood flow:comparative study of indirect systolic, diastolic and mean brachial artery pressure with simulation direct ascending aortic pressure measurements. Am Heart J, 1982; 103
, 百拇医药
[4] Yamakoshi K, Shimazu H, Shibata M et al.New oscillometric method for indirect measurement of systolic and mean arterial pressurein human finger. Med & Biol Eng & Comput, 1982; 20∶307
[5] 王鹏巨，杨原茂，田孝文等.用示波法实现动脉血压的自动检测.医疗器械，1987；12(2)∶79
[6] 陈龙虎，张增坤，卢广文等.一种指套式数字血压计的研制.中国医疗器械杂志，1992；16(4)∶211
[7] 邹理和.数字信号处理(上).国防工业出版社，1985
[8] 甄 斌，孙咏梅，巩欣洲等.便携式血压HOLTER系统的研制.中国医疗器械杂志，1996；20(6)∶333
(收稿：1997-01-23 修回：1997-11-21), 百拇医药
单位：甄 斌 周永进 王素品 (西安交通大学 生物医学工程系，西安 710049)
关键词：示波法；血压
生物医学工程学杂志990111 内容摘要 分析了示波法中传感器、滤波器和血压算法对血压测量的影响，并给出其设计原则和较好的参数配置。将结果应用于便携式血压HOLTER中，得到满意的效果。
Blood Pressure Examination using Oscillometric Method
Zhen Bin Zhou Yongjin Wang Supin
(Department of Biomedical Engineering, Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710049)
, http://www.100md.com
Abstract The effect of pressure sensor, filter and blood pressure algorithm upon oscillometric method is discussed in this paper. The design principle and parameters configuration used in portable blood pressure HOLTER are presented.
Key words Oscillometric method Blood pressure
1 引言
血压是反映心脏泵血功能、血管阻力、血液粘滞性和全身血容量等生理参数的重要指标，在临床和医疗保健工作中是十分重要的。血压测量常采用间接方法[1]，本文着重研究示波法[2～6]，通过对传感器、滤波和血压算法的讨论，分析影响血压测量的因素，并确定了示波法测量动脉血压的系统参数。
, 百拇医药
2 示波法原理
示波法需要用袖带阻断动脉血流，在放气过程中检测袖带内的气体压力振荡波。压力振荡波起源于血管壁的搏动，如图1所示。当袖带内静压大于收缩压时，动脉关闭，袖带内因近端脉搏的冲击而出现细小的振荡波；当静压小于收缩压时，波幅增大，静压等于平均动脉压时，动脉管壁处于去负荷状态，波幅达到最大；静压小于平均动脉压时波幅逐渐减小；静压小于舒张压以后，动脉管壁在舒张期已充分扩张，管壁刚性增加，而波幅维持较小的水平。放气过程中连续记录的振荡波中的脉动成分呈现近似抛物线的包络，示波法的关键在于找到充放气脉动压力波的包络及其与动脉血压之间的关系。
图1 示波法原理图
Fig 1 Principle of oscillometric method
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3 血压测量与讨论
示波法血压测量主要包括压力传感器、滤波和血压算法三个部分。由气泵向袖带内充气，到达一定压力值后慢速放气。在放气过程中，压力传感器将袖带内压力信号转换为电信号，电信号通过滤波器得到抛物线包络的脉动压力波，最后由血压算法计算收缩压、舒张压和平均血压。
3.1 压力传感器
对压力传感器的要求主要是线性度和方差。线性度高使得压力-电信号转换公式简单，节约软硬件设计。方差小则滤波后脉动压力信号噪声较小。理想情况下没有脉搏时，脉动压力波输出为零。压力-电信号转换原理如图2所示，电阻、电容式压力传感器和非门构成RC振荡电路，压力变化导致输出振荡频率的改变，由计数器通过压力转换公式即可得到袖带内静压。压力传感器为差动式电容传感器，具有高灵敏度和低非线性。压力-频率校正曲线如图3所示，具有良好的线性度和较小的方差，横坐标为40 Hz采样的计数值，相关系数在0.99以上。
, 百拇医药
图2 压力-电信号转换电路
Fig 2 Pressure sensor oscillator circuit
图3 压力-频率校正曲线
Fig 3 Pressure calibration curve
3.2 带通滤波器
滤波起到滤除低频充放气曲线和高频噪声，得到脉动压力波的作用。Chebychev滤波器频率选择性较好，但在同样参数要求下，其传递函数极点分布于椭圆上，较分布于圆周上的Butterworth滤波器传递函数极点更接近单位圆，因此稳定性较差，滤波器输出容易溢出。Butterworth滤波器则稳定性较好[7]。另外,Chebychev滤滤器的脉冲响应时间较长，且有振荡现象，不利于时域包络的提取。阶数与通带频率的问题较为复杂。阶数的变化将改变滤波器通带、阻带的带宽、增益和相位等特性。此外，由于计算舍入误差的原因，阶数高将影响滤波器的稳定性。通带频率的选择既要能够滤除噪声，又要能够容忍正常和异常的生理信号及其个体差异。
, 百拇医药
在大量实验的基础上，选用二阶Butterworth滤波器，通常频率为0.6～6.4Hz时，滤波器性能和稳定性都较好，而且能够涵盖正常和异常情况下的血压信号及其个体差异。图4和图5分别是Butterworth滤波器和Chebychev滤波器输出的脉动压力波，Chebychev滤波器输出的时域包络不明显，无法计算血压,Butterworth滤波器则能够得到较清晰的抛物线状包络。
图4 Chebychev滤波器输出的脉动压力波
Fig 4 Pulse wave as output of Chebychev filter
图5 Butterworth滤波器输出的脉动压力波
Fig 5 Pulse wave as output of Butterworth filter
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3.3 血压算法
拟合法根据滤波器输出的袖带内脉动压力波，通过多项式拟合建立图1中脉动压力波包络的数学模型，计算峰值点m及峰值左右两个拐点s和d的位置，与之相应的静压Pm、Ps和Pd就是平均压、收缩压和舒张压。
在开始放气和结束放气阶段，滤波后的脉动压力波为细小的振荡波。由于放气速度的不均匀和压力传感器的非线性，其包络波形常常较不规则，使得拟合曲线受起点和终点的影响很大，导致不同拟合曲线包络的极值点和拐点位置差异较大(图略)。因此，拟合法存在数据起点和终点选择的困难，易受噪声干扰影响，对生理参数的普遍适应性较差。此外，还存在计算量大和所需内存较多的问题。
大量临床实验表明，图1中脉动压力波包络的最大值幅度Am与拐点幅度As、Ad之间有比例关系[2，6]：
As/Am=Cl
, 百拇医药
Ad/Am=C2
其中：C1、C2为常数。因此，只要知道滤波后压力脉动波脉幅Ai及相应的静压Pi，由上式即可计算收缩压和舒张压，这就是比例法测动脉血压的基本原理。为使Am测量准确，避免伪脉冲，取脉动压力波符合条件的连续三个最大脉冲的均值作为Am。并在检测过程中作条件判断[2,8]，排除测量过程中的异常情况。实践证明该算法是可行的，具有较强的抗干扰能力和不同生理参数的适应性。
4 结论
由以上讨论可知：压力传感器应尽量选择线性度好、离散性小和灵敏度高的传感器和压力-电信号转换电路；滤波器的设计在滤除充放气曲线和干扰的前提下，还需要考虑生理参数数的个体差异和输出的稳定性；示波法中拟合法计算量大，所需内存多，且拟合起点和终点选择困难。比例法具有较强的抗干扰能力，能适应不同的生理参数。将以上结论应用于作者研制的便携式血压HOLTER中[8]，取得了较好的效果。
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除了上面讨论的因素，血压测量还受到如压力与组织的耦合和血压值位置的判断等因素的影响，需要作进一步的理论研究。
参考文献
[1] 齐颁扬.医学仪器(上).北京：高等教育出版社，1990
[2] Swearingen JD, Waston RC.Methods of and Apparatus for the measurement of blood pressr, United State Patent, 4263918
[3] Borow KM, Newburger JW. Noninvasive estimation of central aortic pessure using the oscillometric method for analysing systemic artery pulsatile blood flow:comparative study of indirect systolic, diastolic and mean brachial artery pressure with simulation direct ascending aortic pressure measurements. Am Heart J, 1982; 103
, 百拇医药
[4] Yamakoshi K, Shimazu H, Shibata M et al.New oscillometric method for indirect measurement of systolic and mean arterial pressurein human finger. Med & Biol Eng & Comput, 1982; 20∶307
[5] 王鹏巨，杨原茂，田孝文等.用示波法实现动脉血压的自动检测.医疗器械，1987；12(2)∶79
[6] 陈龙虎，张增坤，卢广文等.一种指套式数字血压计的研制.中国医疗器械杂志，1992；16(4)∶211
[7] 邹理和.数字信号处理(上).国防工业出版社，1985
[8] 甄 斌，孙咏梅，巩欣洲等.便携式血压HOLTER系统的研制.中国医疗器械杂志，1996；20(6)∶333
(收稿：1997-01-23 修回：1997-11-21), 百拇医药