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1、血压信号处理中一种模式识别方法的应用0 引言血压是人体重要的生理参数之一，对其进行精确测量，有利于早期发现和鉴别高血压类型，提出合理的治疗建议。在各种各样的血压无创检测方法之中，可分为人工和自动两类，由人工听诊柯氏音法来判断人体的收缩压和舒张压是被公认的准确1,2，但由于柯氏音水银柱血压计的操作比较困难，且医生在一天内不可能很多次准确操作此方法，因此，目前几乎所有医院都使用操作相对简单的示波法电子血压仪。然而，2004年8月，中国生物医学工程学会副理事长、工程院院士俞梦孙提出，目前在医院普遍使用的示波法电子血压仪，设计原理不过关，几乎全部测量都不准确，而它之所以能替代柯氏音水银柱血压计，是因为
2、两者在经过大规模地实验测量之后，平均值较为接近。但对个体来说，血压值测量的差别是相当大的3。2005年6月，他进一步提出，目前的幅度系数法不够准确，必须寻找新的血压测量方法4。因此，从血压测量的各个环节的设计原理上加以改进，具有十分重要的现实意义。本文对一种基于血压形成原理的模式识别方法进行了研究，指出了该方法存在的问题，并利用这种方法，对血压测量中的某些环节进行了改进。实践证明，采用这种方法进行血压测量，能够缩短测量的时间，提高测量的精确度。1 测量原理通常所说的血压测量指的是动脉血压。它的形成有赖于心射血和外周阻力两种因素的相互作用。心脏每收缩一次，即有一定量的血液由心室射入大动脉，同时也
3、有一定量的血液由大动脉流至外周。但是，由于存在外周阻力，在心缩期内，只有大约1/3的血液流至外周，其余2/3被贮存在大动脉内，结果大动脉内的血液对血管壁的侧压力加大，从而形成较高的动脉血压，即收缩压。心室舒张时，射血停止，动脉血压下降，被扩张的大动脉管壁发生弹性回缩，将在心缩期内贮存的弹性势能释放出来，转换为动能，推动血液继续流向外周，并使动脉血压在心舒期内仍能维持一定高度，这个动脉血压，即舒张压。文献5中给出了这种基于血压形成原理来判断收缩压和舒张压的方法。血压的初始信号如图1所示，在用阶梯放气的方法测量上肢动脉血压的时候，通常将袖带压力增加到收缩压以上2030mmHg，大于收缩压，这样，上
4、肢动脉血管被阻断，将没有血液流向手臂。由于测量系统的密闭性不完全，在一个台阶内，测得的压力会略有减小，得到的台阶将向下倾斜。而当袖带压力略小于收缩压得时候，上肢动脉血管将在心缩期开放，血液可以流向手臂，但由于其远大于四周静脉血压（一般在1520mmHg），血液无法回流，这样，在一个台阶内，外周组织内的血液将会越来越多，测得的压力会略有增大，得到的台阶将向上倾斜。因此，我们可以据此判断出收缩压所在的范围。图1 原始血压信号Fig.1 the original signal of blood pressure当袖带压力略大于舒张压的时候，上肢动脉血管只在心缩期开放，脉搏波只在心缩期有波动，因此它的
5、下降沿将比较陡峭，而当袖带压力略小于舒张压的时候，上肢动脉血管将在整个心动周期内开放，这样，脉搏波将在整个心动周期内存在波动，由于心缩期明显小于心舒期，因而它的下降沿将平缓许多。因此，我们可以根据这样一个变化判断出舒张压所在的范围。以上的判断完全建立在血压形成原理的基础之上，没有采用经验规律的方法，也无需进行曲线拟合，因而它具有很强的个体适应性和抗干扰能力，而且由于它的结果只和一部分脉搏波有关，在得到结果后可以立刻结束测量，因此可以节省测量的时间。2 测量中的问题及解决方法应用这种测量方法时，仍然存在许多问题。2.1 气泵的“回抽”效应。比如设定充气到150mmHg，当传感器检测系统内压力大于
6、150mmHg而停止充气后，气泵由于惯性的作用，会继续充气一段时间而后再停止充气，这样，当气泵停止工作时，它将对检测系统形成一定的负压，并从检测系统中“回抽”一部分气体，使得系统内压力在随后的一段时间内出现明显的下降，如图2所示。图2 气泵的回抽效应Fig.2 the back drawing effect of the air pump因此，在采用这种方法进行判断时，得到的台阶总是下降的趋势，如果被测对象的收缩压大于150mmHg，就会造成误判。解决的方法是跳过对第一个台阶的判断，并适当延长第一个台阶的长度，尽量减少气泵“回抽”效应对测量系统的影响。2.2 气阀的“关闭”效应。产生这种问题的
7、原因是袖带内的压力与传感器所测压力的不同步。在相邻台阶的交界处，气阀要暂时打开，这时袖带内的气体将向气阀处不停地流动。而当传感器检测到系统内压力下降到一个合理的数值时，气阀将突然关闭，这时，袖带内气体将继续向气阀处流动，气体分子将与气阀发生碰撞而产生热量，这样，系统内压力在随后一段时间将明显上升并在一定时间内存在波动，如图3所示。因此，如果台阶不是足够长，就会认为收缩压比该台阶的压力值大，造成误判。解决的方法是丢弃台阶交界处的一些采样点，适当延长每个台阶的长度，减小波动效应。另外，采用恰当的比例放气阀，也可以有效地减小气体分子对气阀的撞击，以减弱气阀的“关闭”效应。图3 气阀的“关闭”效应Fi
8、g.3 the closing effect of the air valve2.3 其它相关的问题。首先，台阶长度的设定必须适中，如果正好在某个脉搏波波动到极大值时切换台阶，必然会影响台阶趋势的判断。其次，由于预先设定的血压值可能小于收缩压，必须在测量的开始阶段进行补气判断。为此，必须在测量的开始阶段，实时地从静压信号中提取出脉搏波信号，来进行一系列的判断。由于采用数字滤波器需要较长的建立时间才能稳定地实现，因此，本文用形态滤波的方法来实时地分离静压信号和脉搏波信号，然后，再对提取出的脉搏波信号进行分析，对其中相邻的几个脉搏波进行比较，可以得到心率。最后，在一个脉搏波即将结束，而下一个脉搏波
9、还未来临的时刻，打开气阀，进行放气。这样，可以根据脉搏波出现的频率和时机，来动态地决定每个台阶的长度了，以减小因最后一个脉搏波的不完整而对台阶斜率判断的影响。另外，可以根据第一台阶上脉搏波峰值的大小，判断是否达到了充气标准，如果峰值比较大，就说明压力不足，应进行小幅度的补气，而如果峰值比较小，则有两种可能的原因，即要么当前压力可以满足要求，要不当前压力远没有达到要求，应进行大幅度的补气，这两种原因可以通过对第二个台阶的斜率计算来加以区分。2.4 收缩压的判断方法文献5指出，收缩压的测量取决于相邻台阶的斜率值。求该斜率值时无需分离脉搏波，只需要用最小二乘法对台阶上的所有有效点进行拟合，并得出拟合
10、直线的斜率即可。2.5 收缩压精度提高的方法 文献5指出，收缩压精度的大小依赖于发生斜率逆转的相邻台阶的压力差值，为该差值的一半。实际上，在稍低于收缩压的几个台阶上，由于脉搏波的幅度越来越大，在相同时间内流向四肢的血液也就越来越多，因而所得到的台阶就越倾斜。可以根据决定收缩压的那两个台阶的斜率关系，来求出收缩压，这样，可以大大提高收缩压的精确度。2.6 舒张压的判断方法以上介绍的都是在判断收缩压的过程中出现的各种问题，收缩压判断出来以后，我们应该减小台阶下降的幅度，以提高舒张压的准确度，由于舒张压反映的是动脉血管的弹性及四肢毛细血管的阻力大小，因此它的精度的提高对大多数人来说，更有意义。判断台
11、阶上脉搏波下降沿的陡和缓，不需要分离脉搏波，只需要对台阶上所有点进行前后比较，当后一个点的值小于前一个点时，就记录下这个差值，然后将各个台阶的差值进行累加。当某个台阶上的脉搏波下降沿变得平缓时，这个累加值将会明显变大，此后，由于脉搏波峰值的减小，这个累加和会逐渐减小，因此，取累加和最大的那个台阶和它前一个台阶的平均值即可得到舒张压。3 小结本文验证了一种基于血压形成原理的测量方法，并对它存在的诸多问题进行了改进，使它能更好的适应血压测量的要求。实践证明，采用这种方法测量血压，可以很好地兼顾测量精度和测量速度，并且，由于它不像示波法那样依赖于经验统计数字，因此，得到的结果将具有很好的个体适应性。
12、参考文献：1 杜晓兰，吴宝明，何庆华，卓豫无创式微型动态血压监护仪的设计J北京生物医学工程，2002，21(3):212214.Du Xiaolan，Wu Baoming，He Qinghua，Zhou Yu. Development of a Non-invasion Portable Dynamic Blood Pressure MonitorJ. Beijing Biomedical Engineering, 2002, 21(3): 212-214. (in Chinese)2 Lin ChinTeng, Liu ShingHong, Wang JiaJung, and Wen ZuC
13、hi. Reduction of Interference in Oscillometric Arterial Blood Pressure Measurement Using Fuzzy LogicJ. IEEE Trans. On Biomedical Engineering，2003，50(4).3 俞梦孙医院使用的电子血压仪测不准J人民日报，2004，8，13Yu Mengsun. The Electronic Blood Pressure Meter cant Measure Accurate in Hospital. People DailyJ, 2004, 8, 13. (in
14、Chinese)4 向海燕，俞梦孙. 用有创血压验证示波法测量血压的正确性J. 北京生物医学工程，2005，24(3): 195-199.Xiang Haiyan, Yu Mengsun. Evaluation the Accuracy of Oscillometric Blood Pressure Measurement Using Invasive MethodJ. Beijing Biomedical Engineering, 2005, 24(3): 195-199. (in Chinese)5 Stanislav Evgenievich Pekarski, A hypothesis of pattern-recognition method of oscillometric blood pressure measurement based on the physical principles of blood flowJ. Progress in Medical Research, 2004, 24(2).5
