基于A型超声波传感器的血压连续测量系统

李洪阳， 李毅彬， 李申龙， 邓　宁

(清华大学 微电子研究所， 北京 100084)



基于A型超声波传感器的血压连续测量系统

李洪阳， 李毅彬， 李申龙， 邓宁

(清华大学 微电子研究所， 北京 100084)

摘要:设计了一种应用A型超声波测距手段的血压连续测量系统。系统中用超声波传感器探测颈动脉，利用颈动脉前后壁反射回的超声波测距得到颈动脉直径连续波形。基于动脉直径与血压的关系建立血压计算模型，从而实现血压的测量。实验结果表明：本系统测量的血压值与标准的测量方法相比，收缩压标准差最大值为4.72 mmHg，舒张压标准差最大值为3.17 mmHg，符合AAMI标准差不大于8 mmHg的标准。

关键词：A型超声波； 颈动脉直径； 血压连续测量

0引言

由于血压参数受身体状况、环境条件及生理韵律等诸多因素的影响，单次测量或断续测量的结果存在较大差别，而连续测量方法可在每个心动周期测量血压，能有效记录心脏和人体机能的病变，对心血管疾病的检测和预防起着极大的作用，在临床和医学研究中具有更重要的意义[1]。

目前，血压连续测量的方法分为有创和无创。有创的方法容易引起并发症，如疼痛、出血、感染、形成血栓与栓塞、肢体因缺血而坏死等，不能用于日常使用。无创的方法现在大家研究最多的是基于脉搏波传导时间 (pulse transit time,PTT)与血压的关系，需要同步测得心电(ECG)信号和桡动脉处的脉搏波信号，两路信号的相位差即为PTT[2]。可见得到PTT需要在人体上多点位置检测信号，测量设备复杂，而且PTT与血压之间的关系计算模型因个体差异变化较大，很难确立统一的标准计算模型，进而导致误差比较大[2,3]。

针对上述状况，本文设计了一种应用A型超声波测距手段的无创血压连续监测系统。利用A型超声波测距原理搭建颈动脉直径测量系统，连续测量颈动脉直径动态波形，再根据血压与动脉直径之间的关系计算模型，得到连续的血压。实验结果表明：本方法测量血压准确，符合AAMI标准。

1血压与动脉直径的关系

经研究发现，在一个心动周期内血压的变化与动脉直径的变化有着密切的关系[4,5]。根据血管动力学理论中研究的血管壁应力和应变的关系可得，假设动脉管是各向同性的Hooker弹性体和动脉直径的管壁厚度不变，则可以得到杨氏模量E，血压p和动脉直径三者之间的关系[4]如下

又有Hughes等人证明了血压和血管弹性模量之间有以下关系

E=E0eγp.

其中，E0为压力为零时的弹性模量；p为血压；γ为表征血管特征的一个量。

由以上两个式子可以得到血压p和动脉直径R的关系

可以看到,理论上血压与动脉直径变化有着直接的关系，所以,通过测量动脉直径就能间接地计算出血压。

2血压测量系统设计

基于A型超声波传感器研发的无创血压连续测量系统的框图见图1。系统的设计和研发主要分为两部分：一是颈动脉直径动态波形的测量[6]；二是建立血压与颈动脉直径之间的关系计算模型[7]。

图1　测量系统框图Fig 1　Block diagram of measurement system

2.1测量颈动脉直径

利用A型超声波测量颈动脉直径的原理如图2。超声波探头由高压脉冲激励发射超声波信号，并接收经过颈动脉前壁和后壁反射回的超声波信号传送给信号接收电路。根据前波和后波的时间差以及超声波的传播速度来计算距离,即颈动脉直径。

2.1.1超声波信号获取

超声波的频率越高分辨率越高，然而伴随着衰减也越大。颈动脉直径的值一般为5～8 mm左右，变化量在0.5～0.9 mm，5 MHz的超声波在人体中的测距分辨率约为50 μm，满足测量颈动脉直径要求[6]。综合考虑超声波的分辨率和衰减，选取Olympus NDT 公司的中心频率为5 MHz的纵深直探头传感器。探头由脉冲发射器产生的200 Hz高压脉冲激励发出超声波，对频率为1～4 Hz的颈动脉直径波形采样[6]。

2.1.2信号实时采集和传输[8]

颈动脉前后壁反射回来的超声波信号幅值小且易受噪声干扰，所以,要先经过1～10 MHz的带通滤波电路和20 dB放大电路进行预处理，处理之后的信号经过A/D转换成数字信号，传输到PC上位机进行处理。A/D采用50 MHz的采样频率，12位的采样精度。信号采集控制系统在FPGA开发板DE2—115上开发实现。实现了信号的实时采集和传输。

2.1.3数据处理

采集到的信号用Matlab进行处理。首先对信号通过Hilbert变换方法进行包络提取e(t)=，其中,dτ，再通过db6小波对变换后的信号进行3层分解，滤除掉高频分量提取低频分量包络，小波变换起到低通滤波的作用[8]。对包络进行波峰识别，提取出颈动脉前后壁反射波的位置，根据采样频率和前后波峰之间的间隔数据点数计算出时间差，根据距离计算公式D=v×ΔT/2计算出动脉直径数值，最后由连续测量的颈动脉直径数据点还原颈动脉直径连续波形。得到的颈动脉直径连续波形如图3。

图2　颈动脉直径测量Fig 2　Measurement of carotid artery diameter

图3　颈动脉直径波形Fig 3　Waveform of carotid artery diameter

2.2数据关系计算模型

2.2.1指数关系式

医学家在研究血管动力学的大量实验中得到动脉的单位管长体积与血压的关系可以简化为用指数关系进行很好的拟合，关系式[9]如下

V=aebp+c.

其中,V为单位管长体积，p为血压，a，b，c为待定系数，又有单位管长体积与直径的关系如下

V=π(R/2)2·L.

其中，L为单位长度1，所以，可以得到动脉直径与血压的关系式

π(R/2)2=aebp+c.

2.2.2数据测量

为了确定待定系数a, b, c得到具体的计算关系式，需要进行数据测量，得到变化的血压和对应的颈动脉直径数据。实验方法是测试人员先通过运动(跑楼梯10min)改变血压，在运动后血压升高到恢复平稳的期间，用颈动脉直径测量系统连续实时采集颈动脉直径波形，与此同时用欧姆龙(OMRON)标准血压计测量血压。由于标准血压计只能单次测量，为了得到血压与颈动脉直径同步变化的数据，每隔固定2min的时间间隔测量标准血压，在系统采集到的颈动脉直径连续波形上以开始测血压的时间为起始点，每隔2min记录颈动脉直径波形一个周期的最大值与最小值，分别与高压和低压对应，这样就会得到颈动脉直径和用血压计测得标准血压的同步数据，进而确立两者的关系计算模型。

通过以上实验方法可以得到标准血压计测量的高压、低压连续变化值和与之对应变化的颈动脉直径数值。在一个心跳周期内，收缩压对应着颈动脉直径的最大值，舒张压对应着颈动脉直径的最小值。由实验数据对指数模型关系式π(R/2)2=aebp+c进行拟合，拟合曲线如图4。

图4　指数关系拟合Fig 4　Exponential fitting

通过多个测试人员实验测量的数据分别确定模型π(R/2)2=aebp+c中的参数a , b , c。结果表明:b 参数因个体差异变化可忽略，不同个体只需标定a，c的值就可以确定计算模型。

3实验结果分析

为了验证研发的血压连续测量系统的准确性，选取了6个测试人员进行实验。首先根据上面实验方法来确定每个测试对象血压和颈动脉直径的具体计算公式。用欧姆龙(OMRON)标准血压计测得的血压作为标准，相隔固定时间2min同步测得在平稳常态下的测试人员标准血压和与之对应的系统测量计算得到的血压，每个测试人员进行10组实验测量。表1和表2分别展示了收缩压和舒张压的标准值与系统测量值的对比结果。每个测试人员10组血压对比实验测量值的平均偏差和标准差可以衡量系统的准确性。

表1　收缩压测量对比结果

表2　舒张压测量对比结果

通过表1和表2可以看出：系统测量得到的血压与标准测量的血压相比，收缩压标准差最大值是4.72 mmHg，舒张压标准差最大值是3.17 mmHg，均小于5 mmHg，符合AAMI标准差不大于8 mmHg的标准。

图5　收缩压Bland—Altman分析图Fig 5　Bland—Altman analysis plot of systolic blood pressure

图6　舒张压Bland—Altman分析图Fig 6　Bland—Altman analysis plot of diastolic blood pressure

从图中可以看出：5.26 %(1/19)的点在95 %一致性界限以外；在一致性界限范围内，系统测量的血压值与标准测量的血压值相比，收缩压差值的最大绝对值为4.58 mmHg，舒张压差值的最大绝对值为5.90 mmHg。这个差值幅度在临床血压测量上是可以接受的，所以,本文研发的血压测量系统与标准的血压计具有很好的一致性。

4结论

本文设计了一种简便的无创血压连续测量系统。应用A型超声波测距原理直接测得颈动脉直径，并建立颈动脉直径与血压的关系计算模型，从而实现测量血压。通过实验证明:测量系统的计算模型易于标定，测得的血压值与传统标准的测量方法相比标准差小于5 mmHg，符合AAMI标准差不大于8 mmHg的标准。通过Bland—Altman分析方法验证了研究的血压测量系统与标准血压计的一致性。

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Continuous measurement system of blood pressure based on A-type ultrasonic wave sensor

LI Hong-yang, LI Yi-bin, LI Shen-long, DENG Ning

(Institute of Microelectronics,Tsinghua University,Beijing 100084，China)

Abstract:A new continuous measurement system of blood pressure using A-type ultrasonic wave ranging method is designed.The system uses ultrasonic wave sensor to detect carotid artery,obtain carotid artery diameter waveform by recognizing the reflected ultrasonic wave from front and back walls of the carotid artery to measure distance.Then establish blood pressure calculation model based on relationship between artery diameter and blood pressure,so as to measure blood pressure.Experimental results show that compared with the standard blood pressure measurement method,the maximum standard deviation of systolic blood pressure is 4.72 mmHg,the maximum standard deviation of diastolic blood pressure is 3.17 mmHg, which coincides with the standard of not more than 8 mmHg made by AAMI.

Key words:A-type ultrasonic wave; carotid artery diameter; continuous measurement of blood pressure

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0087—04

收稿日期：2015—04—27

中图分类号：TH 776； R443

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)02—0087—04

作者简介:

李洪阳(1990-)，男，辽宁沈阳人，硕士研究生，从事无创连续血压测量系统的设计和研究。