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摘 要：血压是一种能够反映心血管功能的最重要的生理参数之一，是诊察判断疾病及治疗的重要依据。本设计基于脉搏波波速法的连续血压测量系统，介绍了测量系统的原理、确定了总体设计方案、阐述了血压算法，最后对设计的测量系统进行了验证与调试，验证可行性。实验中能够较稳定的获取脉搏波信号，测量心率时根据数据结果计算均方差为0.51，可以用于测量心率。
关键词：血压测量；脉搏波；测量系统
1.引言
高血压对人类健康具有很大危害，随着人们对健康问题的关注能够实时监测人体健康状况的无线传感器系统成为研究的热点[1]。血压是反映人体健康状况的一个重要指标，因而开发能够实现对血压连续测量的血压传感器在人体健康监测中具有重要意义。本设计基于找出脉搏波速与血压变化的关系，实现通过测量脉搏波的变化来测量血压。
2.脉搏波血压测量原理
本设计选取脉搏波传导时间测定血压法来验证传感器的功能，脉搏波速（PWV）所指的是在人体心脉血管中脉搏传播的速度[2]。PWV的测定是通过测量脉搏波传导时间和两个记录部位的距离求得，计算公式为式（2-1）：
（2-1）
式中，t为传播时间及两个波形的所差的时间差，L是两个传感器探头之间的实际距离。
目前为止，脉搏波传导速度测定通常可以用于评估心血管系统健康与否，是比较成熟的大动脉弹性方法之一[3]。脉搏波速度主要的影响因素是血管大小和血管壁弹性[4]之间的关系式可用式（2-2）表示：
（2-2）
式中，g是重力加速度，E是血管壁的弹性模量，a是血管壁厚度，v是脉搏波速度，是血液度密度，是血管内径。又有血压和P弹性模量E成指数关系可用式（2-3）表示：
（2-3）
式中，P是血壓（mmHg），是弹性模量，y是表征血管特征的一个量。另一方面，脉搏波传递时间T反比于脉搏波传递速度，可用式（2-4）表示：
（2-4）
其中，S为脉搏波传递的距离。将式（2-3）和式（2-4）分别带人式（2-2）中，并经整理得到式（2-5）：
（2-5）
理想计算，上式右边第一项可看作一个常量，所以有式（2-6）：
（2-6）
那么由式（2-6）可知，血压的变化（）与脉搏波传导时间的变化（）成正比。由脉搏波传导时间可估算出血压值。根据式（2-6）可知呈线性关系可用式（2-7）表示：
（2-7）
其中a，b为待定系数，对同一测量者在短时间内是确定的数值；PWTT为脉搏波传递时间。选取多组测量数值，进行线性拟合，验证传感器性能。
3.设计系统总体结构
本文所设计的血压测量系统是基于脉搏波波速法估算血压来达到验证传感器性能的目的。首先通过设计的光电传感器拾取人体生理信号，对信号调理后将信号同步采集进行滤波，然后特征点提取。然后基于脉搏波速法估算出相对应的血压值，实行可靠的系统验证。针对基于脉搏波速法的脉搏血压监测系统的设计，可将系统分为三层体系结构，分别是：系统信号检测层、系统信息处理层和系统信息反馈层[5]。应用的硬件模块包括脉搏信号采集模块、AD转换及采样模块、显示模块等。其系统硬件整体结构如下图所示。
图1 系统硬件整体结构
4.血压的计算方法
在利用脉搏波时间计算血压时，脉搏波时间延迟的计算对于系统最终测得的血压精确度有很大的影响[6]。测量的准确度越大，计算出的结果准确度越好。
在计算血压时，将手臂平放，等到数据稳定时，得到此时脉搏波传导时间记作PWTT0，并且通过血压计测得此时的血压为BP0。然后身体保持不动，被测量手臂逐渐向上，在手臂移动过程中，当上升高度为时，指尖血压变化BP为式（4-1）：
（4-1）
其中为血压密度，为重力加速度，为指尖抬升垂直高度。
为方便计算，将手臂抬到垂直于地面，此时指尖光电脉搏传感器高度变化为，并且测试此时脉搏波传导时间为PWTT1此时可以得出脉搏波时间变化PWTT如式（4-2）：
（4-2）
由式（2-7）有式（4-3）和式（4-4）：
（4-3）
（4-4）
由式（4-3）和式（4-4）计算出a，b得值，此时可以利用式（2-7）计算血压值。
5.验证与调试
5.1光电脉搏传感器的验证
在设计光电脉搏传感器的电路原理图过程中，经反复调试验证能，在示波器上可得到较为满足需要的脉搏波形[7]。对光电脉搏传感器性能进行验证时，在进行血压测量之前，可以先行进行心率计算得到心率值。有计算结果可知，均方差小于1，经过校准与非线性补偿后可以用于简单的测量心率。
5.2传感器血压测量的验证
单一一次血压测量有很大误差并不准确，所以有一定时间间隔的测量三次来得到较为可观的血压值来减少误差，本课题中对同一被测量者血压值变化与脉搏传导时间变化采用一元线性回归分析，又称直线拟合[10]，对血压值变化与脉搏传导时间变化的数据回归分析。
6.总结
本设计通过检测脉搏变化间接测量血压，期望在无线人体健康监测系统中实现对血压的连续测量。从实际应用价值来看如果有这么一个便于携带的物件可以监控血压不仅可以为高血压患者在进行某些活动时起到提醒作用，还能在就诊时为医院提供生活中的血压情况，以防因某些外界原因造成血压测量不准确，患者可以得到更加对症的治疗方法，对于老年患者等特殊人群来说实际应用价值更高。不过由于基于脉搏波速法测量血压的实时便携式血压测量计本就是近些年新兴的研究领域，涉及到多个科研领域的知识交叉应用，为产品的设计造成了很大困难，但人们的需求是毋庸置疑的。因此需要多个领域的人才积极地投入到系统研究，使之能够投入到人们的日常生活中。
参考文献
[1]Yoon Y，Cho J H，Yoon G.Non-constrained Blood Pressure Monitoring Using ECGand PPG for Personal Healthcare[J].Journal of Medical Systems.2009，33（4）：261-266.
[2]兰羽.一种便携式脉搏测量系统的设计[J].电子测量技术，2013，36（7）：71-73.
[3]何庆华，金吉成，吴宝明，等.R波相关振动法血压测量[J].生物医学工程学杂志，1997（3）：233-236.
[4]Zhou Y，Gao Q，Yang R，etal.Areliminary study on the relationship between lacunar infarction and cerebral arerio-venous pulse wave time[J].Chinese Journal of Nervous & Mental Diseases，2012，38（7）：393-396.
[5]赵云鹏.MATLAB串口通信在数据采集中的应用[J].微计算机信息，2006，22（1S）：111-112.
[6]齐蓓蓓，吴效明，黄岳山.基于MATALAB的脉搏波信号的实时处理[J].微计算机信息，2009，25（28）：184-185.
[7]周霞，吴文莉，鲍淑娣.移动医疗：IEEE可穿戴无袖带血压测量仪标准[J].中国医疗器械杂志，2015（4）：285-287.
[8]杨文武.基于光电容积的脉搏波波形特征与速度测量研究[D].西安电子科技大学，2012.
[9]戴君伟，王博亮.光电脉搏传感器的研制和噪声分析[J].现代电子技术，2006，29（2）：78-80.
[10]梁奇，王顺利.基于multisim的锂电池充放电电流检测方法研究[J].电源世界，2015（9）：29-33.
（作者单位：江苏大学 机械工程学院）
关键词：血压测量；脉搏波；测量系统
1.引言
高血压对人类健康具有很大危害，随着人们对健康问题的关注能够实时监测人体健康状况的无线传感器系统成为研究的热点[1]。血压是反映人体健康状况的一个重要指标，因而开发能够实现对血压连续测量的血压传感器在人体健康监测中具有重要意义。本设计基于找出脉搏波速与血压变化的关系，实现通过测量脉搏波的变化来测量血压。
2.脉搏波血压测量原理
本设计选取脉搏波传导时间测定血压法来验证传感器的功能，脉搏波速（PWV）所指的是在人体心脉血管中脉搏传播的速度[2]。PWV的测定是通过测量脉搏波传导时间和两个记录部位的距离求得，计算公式为式（2-1）：
（2-1）
式中，t为传播时间及两个波形的所差的时间差，L是两个传感器探头之间的实际距离。
目前为止，脉搏波传导速度测定通常可以用于评估心血管系统健康与否，是比较成熟的大动脉弹性方法之一[3]。脉搏波速度主要的影响因素是血管大小和血管壁弹性[4]之间的关系式可用式（2-2）表示：
（2-2）
式中，g是重力加速度，E是血管壁的弹性模量，a是血管壁厚度，v是脉搏波速度，是血液度密度，是血管内径。又有血压和P弹性模量E成指数关系可用式（2-3）表示：
（2-3）
式中，P是血壓（mmHg），是弹性模量，y是表征血管特征的一个量。另一方面，脉搏波传递时间T反比于脉搏波传递速度，可用式（2-4）表示：
（2-4）
其中，S为脉搏波传递的距离。将式（2-3）和式（2-4）分别带人式（2-2）中，并经整理得到式（2-5）：
（2-5）
理想计算，上式右边第一项可看作一个常量，所以有式（2-6）：
（2-6）
那么由式（2-6）可知，血压的变化（）与脉搏波传导时间的变化（）成正比。由脉搏波传导时间可估算出血压值。根据式（2-6）可知呈线性关系可用式（2-7）表示：
（2-7）
其中a，b为待定系数，对同一测量者在短时间内是确定的数值；PWTT为脉搏波传递时间。选取多组测量数值，进行线性拟合，验证传感器性能。
3.设计系统总体结构
本文所设计的血压测量系统是基于脉搏波波速法估算血压来达到验证传感器性能的目的。首先通过设计的光电传感器拾取人体生理信号，对信号调理后将信号同步采集进行滤波，然后特征点提取。然后基于脉搏波速法估算出相对应的血压值，实行可靠的系统验证。针对基于脉搏波速法的脉搏血压监测系统的设计，可将系统分为三层体系结构，分别是：系统信号检测层、系统信息处理层和系统信息反馈层[5]。应用的硬件模块包括脉搏信号采集模块、AD转换及采样模块、显示模块等。其系统硬件整体结构如下图所示。
图1 系统硬件整体结构
4.血压的计算方法
在利用脉搏波时间计算血压时，脉搏波时间延迟的计算对于系统最终测得的血压精确度有很大的影响[6]。测量的准确度越大，计算出的结果准确度越好。
在计算血压时，将手臂平放，等到数据稳定时，得到此时脉搏波传导时间记作PWTT0，并且通过血压计测得此时的血压为BP0。然后身体保持不动，被测量手臂逐渐向上，在手臂移动过程中，当上升高度为时，指尖血压变化BP为式（4-1）：
（4-1）
其中为血压密度，为重力加速度，为指尖抬升垂直高度。
为方便计算，将手臂抬到垂直于地面，此时指尖光电脉搏传感器高度变化为，并且测试此时脉搏波传导时间为PWTT1此时可以得出脉搏波时间变化PWTT如式（4-2）：
（4-2）
由式（2-7）有式（4-3）和式（4-4）：
（4-3）
（4-4）
由式（4-3）和式（4-4）计算出a，b得值，此时可以利用式（2-7）计算血压值。
5.验证与调试
5.1光电脉搏传感器的验证
在设计光电脉搏传感器的电路原理图过程中，经反复调试验证能，在示波器上可得到较为满足需要的脉搏波形[7]。对光电脉搏传感器性能进行验证时，在进行血压测量之前，可以先行进行心率计算得到心率值。有计算结果可知，均方差小于1，经过校准与非线性补偿后可以用于简单的测量心率。
5.2传感器血压测量的验证
单一一次血压测量有很大误差并不准确，所以有一定时间间隔的测量三次来得到较为可观的血压值来减少误差，本课题中对同一被测量者血压值变化与脉搏传导时间变化采用一元线性回归分析，又称直线拟合[10]，对血压值变化与脉搏传导时间变化的数据回归分析。
6.总结
本设计通过检测脉搏变化间接测量血压，期望在无线人体健康监测系统中实现对血压的连续测量。从实际应用价值来看如果有这么一个便于携带的物件可以监控血压不仅可以为高血压患者在进行某些活动时起到提醒作用，还能在就诊时为医院提供生活中的血压情况，以防因某些外界原因造成血压测量不准确，患者可以得到更加对症的治疗方法，对于老年患者等特殊人群来说实际应用价值更高。不过由于基于脉搏波速法测量血压的实时便携式血压测量计本就是近些年新兴的研究领域，涉及到多个科研领域的知识交叉应用，为产品的设计造成了很大困难，但人们的需求是毋庸置疑的。因此需要多个领域的人才积极地投入到系统研究，使之能够投入到人们的日常生活中。
参考文献
[1]Yoon Y，Cho J H，Yoon G.Non-constrained Blood Pressure Monitoring Using ECGand PPG for Personal Healthcare[J].Journal of Medical Systems.2009，33（4）：261-266.
[2]兰羽.一种便携式脉搏测量系统的设计[J].电子测量技术，2013，36（7）：71-73.
[3]何庆华，金吉成，吴宝明，等.R波相关振动法血压测量[J].生物医学工程学杂志，1997（3）：233-236.
[4]Zhou Y，Gao Q，Yang R，etal.Areliminary study on the relationship between lacunar infarction and cerebral arerio-venous pulse wave time[J].Chinese Journal of Nervous & Mental Diseases，2012，38（7）：393-396.
[5]赵云鹏.MATLAB串口通信在数据采集中的应用[J].微计算机信息，2006，22（1S）：111-112.
[6]齐蓓蓓，吴效明，黄岳山.基于MATALAB的脉搏波信号的实时处理[J].微计算机信息，2009，25（28）：184-185.
[7]周霞，吴文莉，鲍淑娣.移动医疗：IEEE可穿戴无袖带血压测量仪标准[J].中国医疗器械杂志，2015（4）：285-287.
[8]杨文武.基于光电容积的脉搏波波形特征与速度测量研究[D].西安电子科技大学，2012.
[9]戴君伟，王博亮.光电脉搏传感器的研制和噪声分析[J].现代电子技术，2006，29（2）：78-80.
[10]梁奇，王顺利.基于multisim的锂电池充放电电流检测方法研究[J].电源世界，2015（9）：29-33.
（作者单位：江苏大学 机械工程学院）