穿戴式測血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究

1、<p>　　單位代碼 10006 </p><p>　　學(xué) 號 10101032 </p><p>　　分類號 R318.6 </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(論文)</b></p><p>　　穿戴式測血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究<

2、/p><p><b>　　2014年5月</b></p><p><b>　　北京航空航天大學(xué)</b></p><p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書</p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：</p><p>　　穿戴式測血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究

3、 </p><p>　　Ⅱ、畢業(yè)設(shè)計（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計技術(shù)要求：</p><p>　　技術(shù)要求：1）提出基于脈搏波測血壓的新型校準(zhǔn)方法，可以實現(xiàn)一個點的較為準(zhǔn)確的血壓校準(zhǔn)。2）設(shè)計并完成校準(zhǔn)平臺的搭建，利用標(biāo)準(zhǔn)的無創(chuàng)血壓測量設(shè)備和我們自行開發(fā)的軟件平臺進(jìn)行血壓校準(zhǔn)。3）完成后期驗證實驗，至少采集10人以上的血壓數(shù)據(jù)對校準(zhǔn)方法的血壓估測精度和校準(zhǔn)平臺的方便舒適

4、程度進(jìn)行初步檢驗。與血壓標(biāo)準(zhǔn)無創(chuàng)測量設(shè)備相比較，我們開發(fā)的穿戴式平臺血壓估測精度要達(dá)到誤差平均值小于5mmHg，誤差標(biāo)準(zhǔn)差小于8mmHg。 </p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計（論文）工作內(nèi)容：</p><p>　　1. 2014年1月10日—3月6日 在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研和閱讀，完成以

5、下任務(wù)：1）了解脈搏波傳輸時間法測血壓的機(jī)理；2）了解目前已有的血壓校準(zhǔn)方法和方案及其優(yōu)缺點；3）提出本課題的血壓校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)平臺的設(shè)計方案以及實驗驗證方案。 </p><p>　　2: 2014年3月7日—3月17日 完成文獻(xiàn)翻譯、開題報告和開題答辯。 <

6、/p><p>　　3: 2014年3月18日—4月19日 購買無創(chuàng)血壓測量的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，整合標(biāo)準(zhǔn)無創(chuàng)血壓測量設(shè)備和已開發(fā)的穿戴式信號采集與顯示系統(tǒng)，完成全自動血壓校準(zhǔn)實驗平臺的搭建； </p><p>　　4: 2014年4月20日—5月9日 設(shè)計實驗，在至少10個實驗對象進(jìn)行血壓估測

7、實驗，并處理和分析實驗數(shù)據(jù)。 </p><p>　　5: 2014年5月10日—5月31日 整理數(shù)據(jù)與結(jié)果，撰寫并提交本科學(xué)位論文和相關(guān)的學(xué)術(shù)論文。 </p><p&g

8、t;　　6：2014年６月1日—６月10日 準(zhǔn)備本科畢業(yè)設(shè)計答辯ＰＰＴ，完成本科畢業(yè)答辯。 </p><p><b>　?、?、主要參考資料：</b></p><p>　　[1] Chen M W, Kobayashi T, Ichikawa S, et al.

9、 Continuous estimation of systolic blood pressure using the pulse arrival time and intermittent calibration[J]. Medical and Biological Engineering and Computing, 2000, 38(5): 569-574.

10、 </p><p>　　[2] Shaltis P, Reisner A, Asada H. A hydrostatic pressure approach to cuffless blood pressure monitoring[C]//Engineering in Medicine and Biology Society, 2

11、004. IEMBS'04. 26th Annual International Conference of the IEEE. IEEE, 2004, 1: 2173-2176.

12、 </p><p>　　[3] McCombie D B, Shaltis P A, Reisner A T, et al. Adaptive hydrostatic blood pressure calibration: Development of a wearable, autonomous pulse wave velocity blood pressure monit

13、or[C]//Engineering in Medicine and Biology Society, 2007. EMBS 2007. 29th Annual International Conference of the IEEE. IEEE, 2007: 370-373. </p&g

14、t;<p>　　[4] 向海燕. 無創(chuàng)傷人體逐拍動脈血壓測量技術(shù)[D]. 西安: 第四軍醫(yī)大學(xué), 2005. </p><p>　　生物與醫(yī)學(xué)工程 學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程 專業(yè)類 101012 班</p><p>　　學(xué)生 周 蓉 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（

15、論文）時間： 年 月 日至 年 月 日</p><p>　　答辯時間： 年 月 日 </p><p>　　成 績： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　兼職教師或答疑教師（

16、并指出所負(fù)責(zé)部分）：</p><p>　　系（教研室） 主任（簽字）： </p><p><b>　　本人聲明</b></p><p>　　我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p><b>　　

17、作者： 周 蓉</b></p><p><b>　　簽字：</b></p><p>　　時間：2014年 6月</p><p>　　穿戴式測血壓法的新型校準(zhǔn)方法研究</p><p>　　學(xué) 生：周 蓉</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：王 玲</b&g

18、t;</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　血壓（BP）是反映人體循環(huán)系統(tǒng)機(jī)能的重要參數(shù)，持續(xù)的血壓測量對于高血壓的預(yù)防、診斷和控制非常重要。利用穿戴式設(shè)備實現(xiàn)持續(xù)的血壓測量是目前的研究熱點而校準(zhǔn)是穿戴式血壓設(shè)備必不可少的環(huán)節(jié)。校準(zhǔn)對于穿戴式血壓測量非常重要，直接決定了血壓測量的準(zhǔn)確性。目前的校準(zhǔn)方法無法實現(xiàn)準(zhǔn)確方便的血壓校準(zhǔn)，我們在

19、此基礎(chǔ)上，提出了基于脈搏波傳輸時間（PTT）測血壓的新型校準(zhǔn)方法。新型校準(zhǔn)法利用平躺時抬手造成的局部血壓改變，實現(xiàn)單點準(zhǔn)確方便的校準(zhǔn)。為了驗證新方法的準(zhǔn)確性，我們設(shè)計和搭建了平臺，完成了姿勢改變和運(yùn)動恢復(fù)兩項驗證實驗，采集了13名健康被試實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果顯示，新型校準(zhǔn)法在兩項驗證實驗中，對于收縮壓的估測誤差分別為-2.89±3.49mmHg和-1.72±1.49mmHg ，皆滿足AAMI標(biāo)準(zhǔn)（誤差平均值不大于5mm

20、Hg，標(biāo)準(zhǔn)差不大于8mmHg）。這個結(jié)果表明，我們的新型校準(zhǔn)方案雖然有些細(xì)節(jié)尚未完善，但整體思路是完全可行的，在未來穿戴式血壓監(jiān)測設(shè)備的研究方面具有重大潛力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：血壓，持續(xù)測量，校準(zhǔn)，穿戴式，脈搏波傳輸時間 </p><p>　　A Study on a Novel Calibration Method for Noninvasive Measurement of

21、 Arterial Blood Pressure Based on Wearable Medical Devices</p><p>　　Author: ZHOU Rong</p><p>　　Tutor: WANG Ling</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Blood pres

22、sure (BP) is a very important parameter of human circulatory System. Continuous BP measurement is important for prevention, diagnosis and treatment of hypertension. In recent years, more and more attentions are paid on t

23、he development of continuous BP measurement methods using wearable medical devices. For the BP measurement in a wearable device, initial calibration with a reference BP device is an essential step, which determines the a

24、ccuracy of later continuous measurement. However, </p><p>　　Key words：Blood Pressure, Continuous Measurement, Calibration, Wearable Medical Device, Pulse Transit Time</p><p><b>　　目 錄

25、</b></p><p>　　1 緒論………………………………………………………………………………………………………………………………………1</p><p><b>　　1.1課題背景1</b></p><p>　　1.1.1連續(xù)測量血壓的意義1</p><p>　　1.1.2穿戴式血壓測量的優(yōu)勢2&

26、lt;/p><p>　　1.1.3校準(zhǔn)的必要性2</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究狀況3</p><p>　　1.2.1穿戴式血壓測量方法3</p><p>　　1.2.2校準(zhǔn)的分類及方法4</p><p>　　1.3課題研究目標(biāo)及方法6</p><p>　　1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容

27、6</p><p>　　2 新型校準(zhǔn)方法………………………………………………………………………………………………………………………8</p><p>　　2.1脈搏波傳輸時間測血壓8</p><p>　　2.2改進(jìn)的流體靜壓法10</p><p>　　2.2.1 b的換算10</p><p>　　2.2.2流體靜

28、壓改進(jìn)13</p><p>　　2.3技術(shù)方案14</p><p>　　2.3.1校準(zhǔn)方案14</p><p>　　2.3.2校準(zhǔn)平臺的搭建15</p><p>　　2.3.3驗證實驗18</p><p>　　2.3.4無創(chuàng)血壓測量評價標(biāo)準(zhǔn)18</p><p>　　3 實驗 …………

29、…………………………………………………………………………………………………………………………19</p><p><b>　　3.1預(yù)實驗19</b></p><p>　　3.1.1抬手方式19</p><p>　　3.1.2抬手高度19</p><p>　　3.1.3血壓驗證項目20</p>&l

30、t;p>　　3.2正式實驗21</p><p>　　3.3數(shù)據(jù)處理22</p><p>　　3.3.1心電檢點算法22</p><p>　　3.3.2 PPG檢點算法23</p><p>　　3.4實驗結(jié)果23</p><p>　　4 討論……………………………………………………………………………………

31、………………………………………………27</p><p>　　4.1收縮壓的校準(zhǔn)27</p><p>　　4.2舒張壓的校準(zhǔn)29</p><p>　　4.3校準(zhǔn)誤差來源29</p><p>　　4.3.1模型本身29</p><p>　　4.3.2測量30</p><p>　　4.3.

32、3其他因素30</p><p><b>　　4.4展望30</b></p><p>　　結(jié)論………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………32</p><p>　　致謝……………………………………………………………………………………………………………

33、…………………………………………………………………………33</p><p>　　參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………34</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b>&

34、lt;/p><p>　　1.1.1連續(xù)測量血壓的意義</p><p>　　血壓（BP）是血液在血管內(nèi)流動時，作用于單位面積血管壁的側(cè)壓力，即壓強(qiáng)。臨床上的血壓指得是動脈血壓，它和外周血管狀況以及心臟的功能有著密切聯(lián)系。心室收縮時，主動脈壓急劇升高，在收縮中期達(dá)到最高，此時的動脈血壓為稱收縮壓（SBP）；心室舒張時，主動脈壓下降，在心舒末期動脈血壓的最低值稱為舒張壓（DBP）。收縮壓和舒張壓之間

35、的差值稱為脈搏壓，簡稱脈壓（PP）。一個心動周期中每一瞬間動脈血壓的平均值，稱為平均動脈壓（MAP）。平均動脈壓大約等于舒張壓加上三分之一的脈壓。</p><p>　　血壓是反映人體循環(huán)系統(tǒng)機(jī)能的重要參數(shù)，也是臨床上疾病診斷和治療的重要依據(jù)，而連續(xù)的血壓測量更是意義重大：</p><p>　　首先，連續(xù)的血壓測量是預(yù)防、診斷、治療和控制高血壓的需要。2002年人群高血壓三率調(diào)查（知曉率、治

36、療率、控制率），我國仍與發(fā)達(dá)國家相差巨大。美國分別是70.5%、59%、34%，而中國則是30.2%，24.7%，6.1%[1]，令人堪憂。連續(xù)的血壓監(jiān)測將會減少高血壓患者的漏診率，及時篩查出早期高血壓患者，充分實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早治療，降低高血壓的危害。連續(xù)的血壓監(jiān)測對于高血壓的治療更是意義重大，可以反映出很多生理病理信息，給醫(yī)生的診斷和治療提供寶貴的資料。連續(xù)的血壓監(jiān)測還可以給高血壓患者提供實時的血壓信息，特別是服藥前后的血壓變化，對于自

37、身的血壓控制非常重要。</p><p>　　其次，連續(xù)的血壓測量可以減少高血壓的誤診率。診室血壓有時并不能反映出患者的真實血壓水平。對于有些病人，特別是老年人和孕婦，會出現(xiàn)白大衣高血壓癥狀，即在診室測量血壓偏高，但在家中自測血壓正常的狀況。據(jù)報道，白大衣效應(yīng)可在高達(dá)40%的病人中導(dǎo)致血壓升高20/10mmHg以上[2]。不準(zhǔn)確的血壓測量會對醫(yī)生的診斷帶來誤導(dǎo)，也會對患者帶來極大的心理負(fù)擔(dān)。</p>

38、<p>　　第三，血壓的晝夜變化規(guī)律，可以提供很多重要的生理信息。正常人的血壓波動具有很明顯的晝夜特征和周期性：清晨（醒時）陡然升高，達(dá)到平臺值至約11時，之后下降，到約24時最低。這種晝夜規(guī)律對于高血壓患者也適用，但曲線會上移。病理生理和流行病學(xué)研究顯示心性猝死、腦血管病和心肌梗死等疾病發(fā)生在造成的幾率增加[3]。因此，持續(xù)血壓監(jiān)測，可以測量到清晨高壓，為病人和醫(yī)生對病情的預(yù)測和診斷贏得寶貴的時間。</p>&

39、lt;p>　　1.1.2穿戴式血壓測量的優(yōu)勢</p><p>　　穿戴式生物醫(yī)療儀器是基于遠(yuǎn)程醫(yī)療的理念，利用微型生物傳感器、生物微電子機(jī)械系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘θ梭w進(jìn)行全天候信息采集的診斷監(jiān)護(hù)終端。一件衣服、一串項鏈、一枚戒指加上一個手持單元就能構(gòu)成一個系統(tǒng)，能隨時、實時地得到想要的生命參數(shù)并被院方的醫(yī)療機(jī)構(gòu)檢測，同時使穿戴有生物傳感系統(tǒng)的受測對象感到方便舒適[4]。它具有使用方便、長時間持續(xù)工作、智能顯

40、示診斷結(jié)果、無線數(shù)據(jù)傳輸、異常生理狀況報警等特點。目前已經(jīng)實現(xiàn)的穿戴式生物醫(yī)療儀器主要包括無損血糖監(jiān)測儀、脈沖式血氧飽和儀和穿戴式心電儀等。</p><p>　　雖然穿戴式設(shè)備對于心電、血氧監(jiān)測已經(jīng)趨于完善，但是穿戴式血壓測量仍然是一個尚未徹底解決的問題。對于血壓測量而言，穿戴式設(shè)備優(yōu)勢明顯。首先，穿戴式測量設(shè)備使用舒適，不會對使用者的日常生活造成不便，可以實現(xiàn)持續(xù)的血壓測量。其次，穿戴式設(shè)備擁有記錄和傳輸?shù)裙δ?/p>

41、，可以使得高血壓患者足不出戶就可以接收到醫(yī)生反饋回來的信息，可以精確控制藥物用量，及時調(diào)整治療方案。第三，穿戴式測血壓會針對異常血壓進(jìn)行報警，對于清晨高發(fā)的急性心肌梗死、腦血管病和腦卒中等緊急狀況，能夠及時通知急救中心，在心血管疾病的急救方面可以發(fā)揮出巨大的作用。</p><p>　　穿戴式無創(chuàng)血壓無法直獲取，只能通過測量與血壓相關(guān)的體表參數(shù)間接得到。體表參數(shù)和血壓之間關(guān)系的校準(zhǔn)，是影響穿戴式血壓設(shè)備精度的重要因

42、素。因此，校準(zhǔn)是保障穿戴式血壓設(shè)備精度必不可少的環(huán)節(jié)。</p><p>　　1.1.3校準(zhǔn)的必要性</p><p>　　血壓校準(zhǔn)是指實現(xiàn)測量參數(shù)與血壓之間描述方程參數(shù)化的過程。人體是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，不同人群，不同個體之間差異非常巨大。影響血壓的因素有很多，即使是選取同樣的指標(biāo)，針對不同個體，系數(shù)和權(quán)重也不盡相同。對于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備而言，測量精度是一個非常重要的指標(biāo)，如果不能針對使用者進(jìn)行

43、個性化的參數(shù)設(shè)定，測量精度便無法保證。而穿戴式這種載體使得儀器個性化成為可能，經(jīng)過校準(zhǔn)后，測量的精度和準(zhǔn)確性會大幅提高，這也是穿戴式生物醫(yī)學(xué)儀器繼便攜、舒適和連續(xù)測量之外的另一大優(yōu)點。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究狀況</p><p>　　1.2.1穿戴式血壓測量方法 </p><p>　　目前穿戴式無創(chuàng)動脈血壓監(jiān)測技術(shù)主要包括以下四種實現(xiàn)方式：</p

44、><p>　　第一種是根據(jù)獲取的橈動脈脈搏波的幅值來確定動脈血壓。當(dāng)一個具有內(nèi)在壓力的血管被外在物體部分壓扁時，血管的周應(yīng)力會發(fā)生變動，內(nèi)壓力和外壓力相等[5]。對安置于橈動脈的特制的壓力換能器施加一定的外力，當(dāng)外壓達(dá)到某一數(shù)值時，血管內(nèi)壓等于外壓，因此通過測量外力即可獲得動脈血壓。根據(jù)這個原理，美國Medwave公司開發(fā)了一款腕式血壓測量儀[6,7]。該腕式血壓儀每15秒鐘給出一個血壓讀數(shù)，但是不能實現(xiàn)每搏的持續(xù)測

45、量，而且使用時需要專業(yè)人員來確定傳感器的位置。這種技術(shù)測量精度較高，不需要使用充放氣的袖帶，但是仍然需要在手腕處施加一定的外界壓力。而且必須周期性的重復(fù)校準(zhǔn)，因為運(yùn)動偽差以及受壓血管的粘彈性變化會改變傳感器--動脈的接觸結(jié)構(gòu)，隨之改變其校準(zhǔn)關(guān)系。如果最后一次校準(zhǔn)后，手腕和心臟之間的流體靜壓（手腕位置）發(fā)生改變，仍然需要進(jìn)行重復(fù)校準(zhǔn)。</p><p>　　第二種技術(shù)利用光電傳感器測量每搏的血容積變化量，并利用流體靜

46、力學(xué)原理以及血容積變化量與經(jīng)皮壓力之間的關(guān)系，來確定平均血壓值。這種技術(shù)仍然處在研究階段，在實際操作中還有很多問題尚待解決。首先，壓力與血容積變化量之間的關(guān)系并不是靜態(tài)的，它可能會隨時間和生理狀態(tài)的改變而改變；其次，每搏血容積變化量不完全是由血壓變化引起的；最后，壓力——血容積變化曲線不是靜態(tài)的，而且存在滯后現(xiàn)象。目前，采用該方法測量血壓時，每20分鐘就需要進(jìn)行一次校準(zhǔn)[8]。</p><p>　　第三種技術(shù)利用

47、紅外傳感器測量手指容積變化，并在手指的中部或基部上放置一個充滿空氣或者充滿液體的袖帶，通過控制袖帶的壓力使得手指動脈保持一個無載荷、無伸展的狀態(tài)。此時，袖帶壓力等于手指動脈壓力。指套壓力值通過電動振蕩器不斷調(diào)整且由壓力傳感器而測得，并反饋至氣體系統(tǒng)，使指套壓力始終等于動脈壓[9]。這種方法有望于血氧模塊相結(jié)合，研制出微型化的測量儀。但是，本方法需要一個初始的校準(zhǔn)，以確定無載荷動脈尺寸和其相應(yīng)的時間加權(quán)的平均動脈壓，隨后需要周期性校準(zhǔn)來校

48、正無載荷動脈尺寸的改變。</p><p>　　第四種技術(shù)是通過生物電極和光電傳感器來測量脈搏波傳輸時間（速度），并利用血壓測量金標(biāo)準(zhǔn)對傳輸時間與動脈血壓之間的關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)，來確定血壓值。脈搏波傳輸時間（PTT）是指心電圖（ECG）R點到對應(yīng)的光電體積描記信號（PPG）特征點之間的時間間隔，表征了脈搏波從心臟傳輸?shù)侥┥覄用}的時長。脈搏波中含有非常豐富的生理病理信息，脈搏波的波形幅度和形態(tài)可以反映血壓和其他心血管系統(tǒng)

49、的生理病理狀態(tài)。這種方法的基本原理是源于對生理學(xué)的直觀認(rèn)識，當(dāng)血壓升高時，動脈管壁擴(kuò)張，動脈的彈性和順應(yīng)性降低，脈搏波傳播速度加快，脈搏波沿動脈傳播的速度會隨動脈壓力的升高而增加。因此，通過測量脈搏波速度的變化即可推知動脈內(nèi)壓力的變化，再經(jīng)聽診法或者示波法校準(zhǔn)，便可以得到逐拍連續(xù)的血壓值。這種方法所使用的傳感器設(shè)計簡單而且成本低廉，可以在諸多載體上實現(xiàn)。但是，本方法需要一個標(biāo)準(zhǔn)的血壓測量設(shè)備來進(jìn)行標(biāo)定。而且，不同個體之間血壓和脈搏波速度

50、之間的參數(shù)差異很大，需要在測量之前進(jìn)行個體校準(zhǔn)。</p><p>　　1.2.2校準(zhǔn)的分類及方法</p><p>　　穿戴式測血壓法雖然有多種實現(xiàn)方式，但是無一例外需要校準(zhǔn)。校準(zhǔn)是對基于生理學(xué)、血流動力學(xué)模型描述的血壓特征方程進(jìn)行參數(shù)化的過程。對于穿戴式血壓測量設(shè)備而言，校準(zhǔn)大體上可以分為兩類，分別是群體校準(zhǔn)法和個體校準(zhǔn)法。</p><p>　　群體校準(zhǔn)法是指利用大

51、樣本人群的生理數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計學(xué)方法實現(xiàn)特征方程參數(shù)化的過程。群體校準(zhǔn)法首先要進(jìn)行大范圍的人群采樣，然后針對生理信息篩選出與血壓相關(guān)的指標(biāo)，最后通過參數(shù)擬合[10]或者取經(jīng)驗值[11]的方式獲得每個指標(biāo)的系數(shù)與權(quán)重，得出血壓特征方程。</p><p>　　群體校準(zhǔn)法的優(yōu)點是所有人群使用一個血壓特征方程描述，設(shè)備實現(xiàn)簡單，有利于大規(guī)模的市場化。但是目前群體校準(zhǔn)法有很多問題尚待解決：1）不同種族，不同年齡、不同性別的人

52、生活習(xí)慣、生理結(jié)構(gòu)等存在差異，針對某個人群建立的血壓特征方程能否直接應(yīng)用于其他人群，很難定論。即使是窮盡一個地域的大樣本，對于整個人口而言仍然是一個小樣本。2）血壓與諸多因素有關(guān)，一些為了提高估測精度而利用回歸分析等統(tǒng)計學(xué)的方法引入出的血壓相關(guān)指標(biāo)，其生理意義很難解釋。3）采集大樣本人群的生理數(shù)據(jù)會耗費(fèi)大量人力物力，而且采集過程中會出現(xiàn)很多不可控因素，這也會給特征方程的建立帶來誤差。</p><p>　　個體校準(zhǔn)

53、法是指針對使用者進(jìn)行個性化校準(zhǔn)的過程。通過對使用者進(jìn)行血壓追蹤，得出滿足個體生理特性的血壓特征方程。個性化的校準(zhǔn)方法測量精度高，但是如何針對個體進(jìn)行快速方便的校準(zhǔn)仍是目前的研究熱點。</p><p>　　校準(zhǔn)分為兩個步驟，第一是選取合適的血壓跟蹤變量，第二是選擇合適的血壓變化激勵。</p><p>　　血壓跟蹤變量即與血壓具有相關(guān)關(guān)系的可測量體表參數(shù)，包括動脈容積變化、脈搏波幅值和脈搏波傳

54、輸時間等。血壓跟蹤變量的選取直接決定了血壓描述方程的形式，對最終的硬件實現(xiàn)，測量精度等都有重大影響。有研究者[12]利用血管容積和血壓的關(guān)系來估測血壓，這種方法需要首先獲得一條針對個體的血管順應(yīng)性曲線，曲線的描述方程為：</p><p><b>　　(1.1)</b></p><p>　　其中b1，b2，A為參數(shù)，Phyro為流體靜壓。</p><

55、p>　　還有研究者[2,13]基于Moens-Kortweg方程：</p><p><b>　　(1.2)</b></p><p>　　以及血管壁彈性模量公式：</p><p><b>　　(1.3)</b></p><p>　　推導(dǎo)出脈搏波傳輸時間（PTT）與血壓之間的線性關(guān)系：</p

56、><p><b>　　(1.4)</b></p><p><b>　　其中a，b為參數(shù)。</b></p><p>　　這些血壓描述方程的變量只有一個，待確定的系數(shù)只有兩到三個，非常便于實現(xiàn)個性化的校準(zhǔn)。</p><p>　　確定血壓描述方程中的參數(shù)通常需要用到不同的血壓水平，選擇怎樣的血壓變化激勵直接影

57、響到校準(zhǔn)方案的最終實現(xiàn)形式。有研究者[2,12,14]利用流體靜壓的原理改變血壓，通過抬手或者抬腳造成流體靜壓的改變，從而制造局部的血壓變化，將這種變化換算到全身，便可構(gòu)建不同的血壓水平。這種方法實現(xiàn)簡單，但是局部血壓需要換算到全身，而且折算方法種類繁多，尚未統(tǒng)一。流體靜壓法假設(shè)在抬手中血壓不變，與實際情況不完全符合，這也會給校準(zhǔn)帶來誤差。有研究者[15]利用袖帶加壓，局部血壓升高的特點，構(gòu)建不同的血壓水平。自動袖帶血壓計測量血壓時，會

58、壓迫手臂，造成測量位置以下的部位血壓升高。利用這個特點，再加上手指的袖帶和指端脈搏波信號，便可以計算出加壓時袖帶下的動脈壓力。然后配合上自動袖帶血壓計測量的血壓，便有兩個不同水平的血壓值。袖帶加壓法可以實現(xiàn)單點血壓校準(zhǔn)，但是需要在袖帶內(nèi)部附加一個同步的壓力傳感器，指端脈搏波信號也要求嚴(yán)格同步。而且手指袖帶的內(nèi)壓力需要利用緩慢抬手過程中的高度——脈搏波幅值曲線來獲取，對傳感器的要求很高。同樣，袖帶加壓法造成的也僅僅是局部血壓改變。<

59、/p><p>　　1.3課題研究目標(biāo)及方法</p><p>　　本課題的研究目標(biāo)是探究出一種新型單點校準(zhǔn)方案，提高血壓測量的舒適度和方便度，為以后穿戴式血壓監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　本課題將以穿戴式設(shè)備為研究基礎(chǔ)，以血壓校準(zhǔn)為創(chuàng)新突破口，以血壓校準(zhǔn)平臺為主要驗證手段，采用理論與實踐相結(jié)合的研究方式。為了完成這個目的，我們首先通過多篇文獻(xiàn)閱讀，綜

60、合考慮了各種校準(zhǔn)方案的利弊，鎖定了脈搏波傳輸時間作為血壓跟蹤指標(biāo)，流體靜壓法作為改進(jìn)藍(lán)本，根據(jù)現(xiàn)有硬件條件提出了血壓校準(zhǔn)新方案。然后，通過市場調(diào)研和實地考察等方式，我們購買了市場上現(xiàn)有精度最高的無創(chuàng)袖帶血壓儀作為參考標(biāo)準(zhǔn)，利用現(xiàn)有的穿戴式血壓測量設(shè)備和軟件平臺搭建了血壓校準(zhǔn)平臺。最后，我們通過13人的驗證實驗，驗證了血壓校準(zhǔn)新方案的準(zhǔn)確性。</p><p>　　1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容</p>&l

61、t;p>　　本論文主要由4個部分構(gòu)成，分別是緒論、新型校準(zhǔn)方案、實驗和討論。在緒論部分，我詳細(xì)介紹了課題的背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及研究目標(biāo)和研究方法。在新型校準(zhǔn)方案部分，我闡述了所提出的新型校準(zhǔn)方案的原理推導(dǎo)，設(shè)計依據(jù)，具體改進(jìn)和技術(shù)方案。實驗部分，我從預(yù)實驗、正式實驗、數(shù)據(jù)處理和實驗結(jié)果四個方面進(jìn)行了說明：在正式實驗之前，我們進(jìn)行了充分的預(yù)實驗，并對預(yù)實驗所暴露的問題進(jìn)行了解決；正式實驗部分是最終的實驗方案和實驗步驟；數(shù)據(jù)處理主

62、要介紹了心電和脈搏波容積波的檢點算法；實驗結(jié)果則是正式實驗的所有結(jié)果展示。討論部分，我針對實驗結(jié)果進(jìn)行了充分的分析，包括對收縮壓、舒張壓校準(zhǔn)分析，誤差來源分析以及展望等。</p><p>　　本課題的研究內(nèi)容主要包括：1）基于已有校準(zhǔn)方法，研究出一種較為準(zhǔn)確并能夠簡單實現(xiàn)的單點血壓校準(zhǔn)方法；2）設(shè)計并完成血壓校準(zhǔn)平臺的搭建，并利用標(biāo)準(zhǔn)的無創(chuàng)血壓測量設(shè)備和我們自行開發(fā)的軟件平臺進(jìn)行血壓校準(zhǔn)。3）完成后期的驗證實驗，

63、至少采集10人以上的血壓數(shù)據(jù)對校準(zhǔn)方法的血壓估測精度和校準(zhǔn)平臺的方便舒適程度進(jìn)行初步檢驗。</p><p><b>　　2 新型校準(zhǔn)方法</b></p><p>　　校準(zhǔn)分為兩個步驟，第一是選取合適的血壓跟蹤變量，第二是選擇恰當(dāng)?shù)难獕鹤兓??？紤]到目前的硬件條件和實驗環(huán)境，我們選擇脈搏波傳輸時間作為跟蹤血壓的變量，利用流體靜壓法造成血壓變化，通過對原有流體靜壓法的改

64、進(jìn)，設(shè)計出了基于穿戴式的新型單點校準(zhǔn)方法。</p><p>　　2.1脈搏波傳輸時間測血壓</p><p>　　在眾多穿戴式測血壓方法的實現(xiàn)形式中，我們選擇脈搏波傳輸時間（PTT）測血壓作為我們的測量方法。脈搏波傳輸時間是指從每一拍心跳中，心電圖（ECG）R點到對應(yīng)的光電體積描記信號（PPG）起始點之間的時間間隔，表征了脈搏波從心臟傳輸?shù)侥┥覄用}的時長。</p><p&

65、gt;　　以一個心動周期為例：左心室收縮時，主動脈瓣打開，心臟開始射血，由于血管的外周阻力，主動脈附近血管段內(nèi)的血液壓力上升，血管壁向外擴(kuò)張；左心室舒張時，心臟停止射血，主動脈附近血管內(nèi)壓力下降，血管壁彈性回縮。隨著心臟周期性的收縮和舒張，主動脈根部的血管壁也發(fā)生相應(yīng)的擴(kuò)張和回縮，同時，也將血壓、血流量和血管壁周期性波動迅速擴(kuò)散到相鄰的血管段，使該血管段中的血壓、血流量和血管壁彈性同樣也產(chǎn)生周期性的波動。這些周期性的波動再以同樣的方式向

66、下游的鄰近血管段擴(kuò)散，如此繼續(xù)沿著動脈樹的分支已知擴(kuò)散到整個動脈系統(tǒng)，從而形成整個動脈系統(tǒng)中血壓時高時低，血流量時快時慢，血管壁時張時縮的波動。這些波動在動脈系統(tǒng)擴(kuò)散的過程，稱為動脈脈搏波的傳播。而由血壓、血流量、血管壁的脈動形成的擴(kuò)散波動，則可分別稱之為脈搏波、流量脈搏波、管壁脈搏波，這三類脈搏波時相伴而生的，因此可以統(tǒng)稱為動脈脈搏波[2]。</p><p>　　當(dāng)脈搏波在血液中傳播時，脈搏波的波速、形狀和振幅

67、的大小將因血液粘度、血管的力學(xué)特性（粘彈性），以及血管的幾何特性（尺寸和形狀）所決定。</p><p>　　Moens-Kortweg方程[16]刻畫了脈搏波速度與血管特性之間的關(guān)系：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　其中，v為脈搏波速度，g為重力常量，E為血管彈性模量，ρ為血液密度，a和d分別為血管壁的厚度

68、和直徑。</p><p>　　將血管壁彈性模量公式（E0是血壓為0時的血管彈性模量，P為血壓，γ為血管壁系數(shù)）代入(2.1)式，同時代入脈搏波傳輸速度與時間的反比關(guān)系，經(jīng)過左右兩邊取對數(shù)運(yùn)算，可以獲得以下血壓計算公式：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　其中，P為血壓，T為脈搏波傳輸時間。如果忽略a和d的改變，

69、并且假設(shè)血管壁彈性模量E0的變化足夠緩慢，則(2.2)式右邊第一項可以看作一個常數(shù)。對P求導(dǎo)：</p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　由此，便可推出BP與PTT之間的線性關(guān)系：</p><p><b>　　(2.4)</b></p><p>　　其中，Pe為血壓估算值，

70、Pb為血壓測量值，γ為系數(shù)，在0.016到0.018（mmHg-1）的范圍內(nèi)變化，Tb為血壓Pb時的PTT值，△T為脈搏波傳輸時間改變量。</p><p>　　(2.4)式表明血壓與脈搏波傳輸時間PTT之間存在線性關(guān)系，可以通過測量PTT的變化來估測出血壓的變化。事實上，血壓BP和PTT之間存在如下近似關(guān)系[2]：</p><p><b>　　(2.5)</b><

71、;/p><p>　　其中，a，b為待定系數(shù)，a，b的大小因人而異，同一個體在短時間內(nèi)的a，b值是確定的。因此，通過校準(zhǔn)獲得a，b值后，便可以估測逐拍連續(xù)血壓。</p><p>　　與其他穿戴式測血壓方法相比，利用PTT測血壓具有如下優(yōu)勢：</p><p>　　PTT與血壓之間的關(guān)系方程為線性，，形式簡單，校準(zhǔn)方便。</p><p>　　脈搏波特征

72、參數(shù)有明確的生理意義。脈搏波中含有非常豐富的生理病理信息，脈搏波的波形幅度和形態(tài)可以反映血壓和其他心血管系統(tǒng)的生理病理狀態(tài)。當(dāng)血壓升高時，動脈管壁擴(kuò)張，動脈的彈性和順應(yīng)性降低，脈搏波傳播速度加快，脈搏波沿動脈傳播的速度會隨動脈壓力的升高而增加。</p><p>　　PTT能夠?qū)崿F(xiàn)對血壓的逐拍連續(xù)測量。利用脈搏波傳輸時間估測血壓，每一個心動周期都能對應(yīng)估測出一個血壓值。</p><p>　　

73、PTT的測量實現(xiàn)簡單。PTT可以通過測量心電和脈搏波獲得，也可以通過不同位置的脈搏波相減得到。而心電和脈搏波的測量，技術(shù)非常成熟，設(shè)備實現(xiàn)簡單，易于穿戴式實現(xiàn)。</p><p>　　2.2改進(jìn)的流體靜壓法</p><p>　　為了獲得系數(shù)b，我們需要構(gòu)造不同的血壓水平。在眾多改變血壓的方法中，流體靜壓法以其原理簡單、實現(xiàn)方便成為我們校準(zhǔn)方案的首選。</p><p>

74、　　流體靜壓法造成的僅僅是局部血壓改變，而且測量時，默認(rèn)受試者血壓保持恒定。針對原有流體靜壓法的局限和不足之處，受向海燕工作[向海燕]的啟發(fā)，我們進(jìn)行了如下改進(jìn)：1）將局部血壓變化系數(shù)b折算到全身血壓；2）使用兩路PPG信號相減抵消掉受試者校準(zhǔn)期間血壓波動對校準(zhǔn)結(jié)果的影響。</p><p>　　2.2.1 b的換算</p><p>　　圖2.1 脈搏波傳播示意圖</p>&l

75、t;p>　　圖2.1是脈搏波從心臟傳播到手指指端的路徑示意圖，虛線是傳播路徑。其中，L1為心臟到肩關(guān)節(jié)部位的血管段長度，L2為肩關(guān)節(jié)到手指指端的血管段長度。</p><p>　　根據(jù)Moens-Kortweg方程可以推出，其中，γ為系數(shù)，△P為血壓變化，T為脈搏波傳輸時間PTT，△T為PTT的改變量。通過抬高右手改變血壓后，L1，L2段的脈搏波傳輸時間分別變化為：</p><p>&

76、lt;b>　　(2.6)</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　(2.8)</b></p><p><b>　　(2.9)</b></p>

77、<p>　　所以總的脈搏波傳輸時間變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　總的脈搏波傳播時間變化為：</p><p><b>　　(2.11)</b></p><p><b>　　(2.12)</b></p>&l

78、t;p><b>　　而</b></p><p><b>　　(2.13)</b></p><p><b>　　所以</b></p><p>　　b= (2.14)</p><p>　　因此，只要知道L1、

79、L2兩段血管的彈性模量和各自的脈搏波傳輸時間，便可以將局部系數(shù)b2推算到全身系數(shù)b。</p><p>　?。╝）軀干部位主要動脈分布圖</p><p>　?。╞）上肢動脈分布圖</p><p>　　圖2.2 抬手時脈搏波途經(jīng)的動脈圖</p><p>　　如圖2.2所示，圖（a）為軀干部位主要動脈分布圖，圖（b）為上肢動脈分布圖。由圖可知，脈搏

80、波從心臟傳輸?shù)接沂质种改┥?，依次?jīng)過了升主動脈，主動脈弓，頭臂干，鎖骨下動脈和腋動脈，肱動脈以及橈動脈。抬高右手時，肱動脈和橈動脈的血壓發(fā)生改變。因此，升主動脈，主動脈弓，頭臂干，鎖骨下動脈和腋動脈對應(yīng)圖2.1中的L1段，肱動脈和橈動脈對應(yīng)L2段。</p><p>　　表2.1是脈搏波從心臟傳輸?shù)绞种钢付送窘?jīng)的主要動脈的長度值，表2.2是脈搏波在這些動脈中的傳播速度。</p><p>　　

81、表2.1 動脈不同位置長度[17] cm</p><p>　　表2.2 動脈不同位置脈搏波傳輸速度(PWV)[18] m/s</p><p>　　根據(jù)表2.1和表2.2，可以計算出途經(jīng)動脈的脈搏波傳輸時間：</p><p>　　表2.3 動脈不同位置PTT計算值 ms</p><p>　　T1=升主動脈+主動脈弓+頭臂

82、干+鎖骨下動脈和腋動脈=29.1ms</p><p>　　T2=肱動脈+橈動脈=18.9ms</p><p>　　表2.4為途經(jīng)動脈的彈性模量。</p><p>　　表2.4 動脈不同位置的彈性模量[17] N/m2</p><p>　　由表2.4可以得出，</p><p><b>　　所以，</

83、b></p><p>　　b的換算充分考慮到了不同位置血管長度，不同級血管脈搏波傳輸速度以及不同血管彈性模量的影響，依據(jù)充分，科學(xué)合理。</p><p>　　2.2.2流體靜壓改進(jìn)</p><p>　　在計算抬手引起的PTT變化時，我們選用另一只手的脈搏波傳輸時間作為參考。在現(xiàn)有的流體靜壓法中，都假定在手平放和抬手過程中，除了手的高度變化以外，其他影響血壓的基

84、本參數(shù)保持不變。但是，兩種姿勢下，總體血壓以及脈搏波傳播所經(jīng)過的各部分血管的特性都會有不同程度的變化。如果不排除這些因素引起的干擾，便無法準(zhǔn)確判斷哪一部分血壓改變是因為抬手引起的，哪一部分是因為自身血壓波動及其他原因引起的。考慮到這個原因，我們在另一只手（未抬高的手）的相同位置放置上另一個PPG傳感器，作為抬手后脈搏波傳輸時間變化的參考。</p><p>　　設(shè)雙手平放時，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂值臅r間為TR1，從

85、心臟傳輸?shù)阶笫值臅r間為TL1；當(dāng)右手抬高后，脈搏波從心臟傳輸?shù)接沂值臅r間為TR2，從心臟傳輸?shù)阶笫值臅r間為TL2。雙手平放時，</p><p><b>　　(2.15)</b></p><p><b>　　抬高右手時，</b></p><p><b>　　(2.16)</b></p>&

86、lt;p>　　其中，△T1和△T2分別是兩種情況下右手PTT和左手PTT的差值。</p><p>　　當(dāng)抬手前后其他因素引起人體自身血壓變化，并且引起脈搏波傳輸時間變化時，這種作用會同時影響左右手的PTT，記左右手PTT由此引起的改變分別為△TL和△TR。那么，</p><p><b>　　(2.17)</b></p><p><b

87、>　　(2.18)</b></p><p>　　其中，△TTrue為僅僅因為抬手造成的血壓改變，從而帶來的脈搏波傳輸時間變化。由于人體動脈分布的對稱性，TL1和TR1大小基本相等，由于總體血壓改變引起的傳輸時間變化也大體相當(dāng)。即：</p><p><b>　　(2.19)</b></p><p>　　如果只考慮右手抬高前后的脈

88、搏波時間差，那么</p><p><b>　　(2.20)</b></p><p>　　如果將左手作為參考，則因為抬手引起的脈搏波傳輸時間變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2.21)</b></p><p>　　因此，如果將左手作為參考，計算得出的脈搏波傳輸時間變化就是僅由抬手高度變化造成的時間

89、改變，可以有效排除其他因素的影響。</p><p><b>　　2.3技術(shù)方案</b></p><p><b>　　2.3.1校準(zhǔn)方案</b></p><p>　　受試者在整個校準(zhǔn)過程中保持平躺姿勢。充分休息后測量一次血壓，作為血壓基準(zhǔn)，記作BP0。同時采集ECG和左右手兩路PPG信號，左手PPG信號記為PPG1，右手PP

90、G信號記為PPG2。通過對應(yīng)時間段內(nèi)的PPG2起始點的時間減去ECGR點的時間得出BP0對應(yīng)的PTT0。</p><p>　　然后，左手平放，抬高右手，采集ECG和左右手兩路PPG信號。通過[(PPG2-PPG1)-（PPG20-PPG10）]得到僅由抬手高度變化引起的血壓改變造成的脈搏波傳輸時間變化△PTT。通過測量抬手高度△h，利用流體靜壓改變公式計算出抬手過程中的血壓改變，由此可以計算出。此時的barm是局

91、部血壓系數(shù)，再通過b的換算，將barm折算成全身的血壓系數(shù)。此時，血壓方程的b已求出。</p><p>　　最后，將(PTT0，BP0)帶入血壓方程中，即可求出a，由此完成了血壓校準(zhǔn)。</p><p>　　2.3.2校準(zhǔn)平臺的搭建</p><p>　　為了校準(zhǔn)a，b，以及驗證所提出的校準(zhǔn)方案的準(zhǔn)確性，我們設(shè)計了一個校準(zhǔn)平臺。校準(zhǔn)平臺包括一個可調(diào)節(jié)高度的抬手支架，一個

92、無創(chuàng)自動袖帶血壓計，我們自行研制的穿戴式心電、脈搏波采集設(shè)備以及自行開發(fā)的軟件平臺。</p><p>　　抬手支架用于被試抬手時構(gòu)造不同的高度，因此，必須具備可調(diào)節(jié)高度的功能，以滿足不同人群的抬手高度需求。在進(jìn)行血壓校準(zhǔn)時，必須保證抬高的手臂處于放松狀態(tài)，因此，抬手支架的長度必須大于成年人手臂的長度，寬度必須大于手臂寬度，以保證手臂可以完全放在支架上，而不是懸空受力。此外，抬手支架的表面不能過于光滑，必須具備一定

93、的防滑性，以免被試抬手時手臂肌肉呈緊張狀態(tài)。列出所有的需求以后，我們調(diào)研了市面上所有可調(diào)節(jié)高度的桌子，發(fā)現(xiàn)并沒有完全符合要求的支架。基于此，我們挑選出了一款滿足可調(diào)節(jié)高度功能的床旁電腦桌，通過改裝，使之滿足校準(zhǔn)平臺的要求。改裝后的抬手支架如圖2.3所示。</p><p>　　原抬手支架具有兩個一大一小可調(diào)節(jié)高度的桌面，大桌面還可以調(diào)節(jié)傾角，可以滿足不同角度的抬手需求。但是原有支架高度調(diào)節(jié)范圍只有30cm（65-9

94、5cm），不能充分滿足我們的校準(zhǔn)需求，對此，我們通過添加桌角（25cm）對其進(jìn)行了加高。原有支架的桌面過于光滑，長度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于成年人手臂長度，對此，我們在原有桌面上加上了一個黑色靠墊，大大增加了桌面的面積和摩擦系數(shù)。靠墊上還固定有防滑欄，阻止了手臂抬高時出現(xiàn)的下滑現(xiàn)象。</p><p>　　圖2.3 改進(jìn)后的抬手支架</p><p>　　針對市面上種類繁多的血壓計品牌，我利用文獻(xiàn)調(diào)研的方式

95、確定了歐姆龍血壓計。歐姆龍血壓計根據(jù)使用范圍可以分為醫(yī)用式和家用式；根據(jù)測量部位可分為手臂式和手腕式；根據(jù)袖帶加壓方式可以分為手動加壓和自動加壓。除此之外，每一個不同型號的血壓計還具有不同的功能，如清晨提醒，袖帶佩戴自檢，心率不齊/不規(guī)則脈搏監(jiān)測，高血壓示警等等。在眾多的型號中，我們首先根據(jù)精度進(jìn)行篩選，將同時滿足AMMI標(biāo)準(zhǔn)和EHS標(biāo)準(zhǔn)的血壓計篩選出來。然后我們根據(jù)校準(zhǔn)條件，能否實際購買到，選擇了HEM-7300作為我們校準(zhǔn)使用的血壓

96、計。HEM-7300上臂式電子血壓計是我們目前唯一能購買到的同時滿足AAMI(美國醫(yī)療器械促進(jìn)協(xié)會)和EHS（歐洲高血壓協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)的血壓測量設(shè)備。而且它的外觀尺寸為寬74mm高157mm厚31mm，重量為240g，非常輕便，易于攜帶，充分滿足了我們校準(zhǔn)平臺的要求。</p><p>　　圖2.4是我們自行研制的ECG、PPG測量設(shè)備。該設(shè)備具有三個信號接口，分別是兩路PPG信號和一路ECG信號。ECG測量采用第I導(dǎo)

97、聯(lián)，電極連接左右手和右腿。設(shè)備采樣率為1000Hz。</p><p>　　圖2.4自行開發(fā)的測量設(shè)備</p><p>　　圖2.5 自行開發(fā)的軟件平臺</p><p>　　圖2.5是我們自行開發(fā)的軟件平臺。測量設(shè)備和軟件平臺通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。進(jìn)行校準(zhǔn)之前，我們對測量設(shè)備和軟件平臺進(jìn)行了測試。首先，軟件平臺觸發(fā)設(shè)備進(jìn)行信號采集；然后，設(shè)備將采集到的信號傳輸?shù)杰浖?/p>

98、臺上進(jìn)行顯示；最后，軟件平臺根據(jù)我們設(shè)置的路徑進(jìn)行自動保存。測試者只需設(shè)置路徑和點擊按鈕便可獲得PPG、ECG的原始波形，完全滿足實際校準(zhǔn)的需求。</p><p><b>　　2.3.3驗證實驗</b></p><p>　　為了驗證校準(zhǔn)方案的準(zhǔn)確性以及校準(zhǔn)平臺的舒適方便程度，我們設(shè)計了驗證實驗。驗證實驗一共包含兩個部分，分別是姿勢改變以及運(yùn)動恢復(fù)。</p>

99、<p>　　姿勢改變實驗中，被試被要求完成一組從平躺到坐立再到站立的姿勢改變。姿勢改變過程中持續(xù)測量ECG和PPG信號，用于計算PTT。通過測量姿勢改變瞬間的血壓變化值和對應(yīng)的PTT，來評估系數(shù)a，b的準(zhǔn)確性。</p><p>　　運(yùn)動恢復(fù)實驗中，被試被要求首先以標(biāo)準(zhǔn)血壓測量姿勢進(jìn)行血壓測量，然后以6km/h的速度跑步5min。在完成跑步后的3min內(nèi)，測量4次血壓，每次間隔1min，持續(xù)測量ECG

100、和PPG信號，用于計算PTT。運(yùn)動恢復(fù)實驗用于測試通過靜息狀態(tài)校準(zhǔn)的血壓方程能否用于血壓變化較大的運(yùn)動過程中，以及對于運(yùn)動恢復(fù)后血壓估算的準(zhǔn)確性。</p><p>　　2.3.4無創(chuàng)血壓測量評價標(biāo)準(zhǔn)</p><p>　　目前常用的無創(chuàng)血壓測量設(shè)備共有三個評價標(biāo)準(zhǔn)，分別是美國醫(yī)療器械發(fā)展委員會（AAMI）、歐洲高壓學(xué)會（EHS）以及英國高壓學(xué)會（BHS）頒布的標(biāo)準(zhǔn)。AAMI標(biāo)準(zhǔn)由于其測試簡單

101、，使用方便，應(yīng)用更為廣泛。</p><p>　　AMMI標(biāo)準(zhǔn)既可以采用柯氏音法作為標(biāo)準(zhǔn)，也可以使用動脈插管獲得的有創(chuàng)血壓作為標(biāo)準(zhǔn)。AAMI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，無創(chuàng)血壓監(jiān)測設(shè)備的測量血壓，和參考血壓（柯氏音法或者有創(chuàng)血壓）之間差值的平均值不大于5mmHg，標(biāo)準(zhǔn)差不大于8mmHg即為合格。在本實驗中，我們采用AAMI標(biāo)準(zhǔn)作為驗證實驗的評價校準(zhǔn)。</p><p><b>　　3 實驗</b

102、></p><p><b>　　3.1預(yù)實驗</b></p><p>　　在進(jìn)行正式實驗之前，我們針對所搭建的校準(zhǔn)平臺進(jìn)行了預(yù)實驗。預(yù)實驗可以幫助我們熟悉實驗流程，準(zhǔn)確控制無關(guān)變量，合理設(shè)計正式實驗，避免了盲目實驗帶來的資源浪費(fèi)。通過預(yù)實驗，我們測試了實驗設(shè)備，熟悉了實驗流程，確定了抬手高度以及選擇了驗證項目。</p><p><b

103、>　　3.1.1抬手方式</b></p><p>　　在預(yù)實驗中，被試抬手時為坐立姿勢，左右手平放在抬手支架上，右手隨支架抬高，抬手高度依次為水平（0），10cm，20cm，30cm和40cm。</p><p>　　根據(jù)預(yù)實驗過程中被試反饋的情況來看，坐姿抬手高度達(dá)20cm后極為不舒適，背部肌肉，手部肌肉都會出現(xiàn)不同程度的緊張。肌肉緊張會引起局部血壓變化，而且這些變化通常

104、是不可獲知的，極大地影響了校準(zhǔn)精度。因此，我們重新調(diào)研了文獻(xiàn)，將坐姿抬手改為平躺抬手。</p><p>　　平躺抬手后，被試的右臂可以完全安放在抬手支架上，背部肌肉，手臂肌肉都處于完全放松的狀態(tài)。根據(jù)被試的反饋，我們的改進(jìn)是有效的。</p><p><b>　　3.1.2抬手高度</b></p><p>　　為了使得校準(zhǔn)方便快捷，最終的校準(zhǔn)方案

105、中，被試只能進(jìn)行一次抬手。為了確定被試抬手的高度，我們進(jìn)行了不同高度的抬手實驗。實驗中，被試保持平躺姿勢，左手平放，右手依次抬高水平（0），10cm，20cm，30cm和40cm。</p><p>　　如圖3.1所示，是一名典型被試不同抬手高度所對應(yīng)的脈搏波傳輸時間圖，圖中的黑色實線為線性預(yù)測線。從圖3.1中可以看出，抬手高度與PTT大致呈線性關(guān)系，抬手高度越高，PTT的值越集中，線性度越好。抬手高度很低時，由血

106、壓改變造成的PTT變化很小，非常容易被其他因素所干擾，信噪比很低；抬手高度升高時，血壓變化增大，由血壓造成的PTT變化相應(yīng)變大，系統(tǒng)誤差變小，信噪比升高。理論上來說，抬手高度越高，信噪比越高，但是，如果抬手高度太高，將明顯改變肩關(guān)節(jié)部位血管的解剖位置和角度，影響脈搏波的傳播，同時，也會降低校準(zhǔn)過程中的舒適性。因此，為了兼顧校準(zhǔn)方案的舒適性、方便性和準(zhǔn)確性，我們選擇了30-40cm的抬手范圍作為我們的校準(zhǔn)抬手高度。被試通過將右手抬高至30

107、-40cm范圍內(nèi)的任意高度，進(jìn)行校準(zhǔn)。</p><p>　　圖3.1 抬手高度vs. 脈搏波傳輸時間</p><p>　　3.1.3血壓驗證項目</p><p>　　為了驗證我們校準(zhǔn)方案的有效性，我們設(shè)計了多個改變血壓的驗證項目。根據(jù)前期的文獻(xiàn)調(diào)研，在預(yù)實驗中，我們設(shè)計了深呼吸、姿勢改變和跑步三種改變血壓的方式。</p><p>　　圖 3.

108、2 同一姿勢血壓正常呼吸vs.深呼吸</p><p>　　圖3.2為其中一名被試在相同姿勢下正常呼吸和深呼吸下的血壓值。從圖中可以看出，此名被試深呼吸時血壓并沒有發(fā)生明顯改變。</p><p>　　匯總所有預(yù)實驗的被試數(shù)據(jù)，見表3.1。 </p><p>　　表3.1 預(yù)實驗被試深呼吸血壓改變統(tǒng)計表 mmHg</p><p>　　由

109、3.2和表3.1可以看出，深呼吸確實可以使血壓發(fā)生改變，但是由于深呼吸的幅度、方式、快慢等因人而異，這些變量都無法控制，我們無法確保每一位被試在深呼吸的條件下血壓會發(fā)生改變。而且，就被試的反饋信息來看，持續(xù)深呼吸會造成腦部充血，頭暈等癥狀?？紤]到這些，在正式實驗中我們廢除了深呼吸這一驗證項。</p><p>　　對于姿勢改變，我們在預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)，被試在平躺姿勢下與坐立姿勢下血壓值并沒有明顯差異。通過進(jìn)一步文獻(xiàn)調(diào)研

110、得知，姿勢改變時，血容量會重新分布，頸動脈和胸腔大動脈的牽張感受器迅速感知到動脈壓力和胸腔壓力的降低，協(xié)同增加交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，降低副交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，影響激素調(diào)節(jié)[19]。姿勢改變過程中，有部分人群會出現(xiàn)體位性低血壓，與之相反是體位性高血壓，而大部分正常人在姿勢改變后的短時間內(nèi)，血壓便可恢復(fù)正常。因此，由姿勢改變造成的血壓改變往往只出現(xiàn)在改變后的短時間內(nèi)。為了捕捉到這一變化，我們將驗證方案調(diào)整為由平躺到坐立，由坐立到站立，連貫進(jìn)行