基于脉搏波传播时间的无创连续血压监测方法研究

摘要

近二十年来，诊所外测压的出现，标志着血压的测量已经进入了新时代。从此，白大衣高血压、隐蔽性高血压、血压晨峰、单纯夜间高血压等高血压新亚型或现象被陆续发现，血压波动性的研究也因此受到了格外的重视。目前，血压测量正朝着自动化、遥测、实时监测和信息网络化的方向发展。这不仅为临床高血压诊治提供更方便、全面、准确的血压信息，而且将对社区高血压管理和防治产生革命性的影响。目前常见的血压测量法有动脉内插管直接测压法，无创性间接测压法等。
　　直接测量为测量系统直接与血液接触的测量，因其损伤皮肤和血管又被称为损伤性测量。一般来讲，直接测量不仅比较准确，还能对血压进行连续性记录和观察，了解瞬间的压力变化，实现真实平均压的测定。在危重病人抢救的治疗中，患者的病情千变万化，迅速及时了解患者的血流动力学改变以便做出及时处理是危重病人得到成功抢救的关键之一。现阶段实现血压的连续实时监测，必须通过有创插管的直接测量方法获得瞬时和持续性血压动态变化，便于及时调整有关药物及其剂量。但其操作复杂，难以多次重复进行，且价格昂贵，可能会引起并发症，如出血、疼痛、感染、肢体缺血坏死、形成气栓与血栓等。因此直接测量的应用不如间接测量更为普遍。与直接测量法对应的间接测量法，也称非损伤性测量，已经历了100多年的历史，所测血压基本接近主动脉内压力。是临床诊断过程中最常用、最普遍的检查方法。但因其存在一定的局限性，而目前无创间接测压技术无论是手动还是自动的，都只能进行间断测压，无法跟踪测量动态血压变化，所以无法获得连续血压。是否有一种血压测量方法能够结合两者的优点，即既能不对患者造成损伤，又可以连续测量血压成为学界的研究热点，这也是无创连续血压测量的研究意义。目前已有的技术有容积补偿法，张力测量法，脉搏波波速或脉搏波传播时间测量法等。前两种方法已有产品，其代表产品为CNAP和T-LINE系列，但CNAP体积较大、价格昂贵，T-LINE系列传感器定位困难，只要病人稍有变动就得重新定位测量，用起来极不方便，所以本文选用脉搏波传播时间测量方法进行研究，目的在于克服其他方法的缺点，实现无创连续血压的测量。
　　脉搏波波速测定法是根据脉搏波沿动脉传播速率与动脉血压之间具有正相关性的特点提出的，通过测量脉搏波速，从而间接推算出动脉血压值。因为脉搏波速要通过脉搏波在动脉中两点间的传递时间计算出，所以可采用相同原理利用脉搏波传导时间(Pulse Wave Transit Time，PWTT)间接推算动脉血压值。经验认为，血压与脉搏波速具有准线性关系，即在生理条件不变的前提下，收缩压(Systolic Blood Pressure，SBP)和舒张压(Diastolic Blood Pressure，DBP)与脉搏波传播速度(Pulse Wave Velocity，PWV)呈一定的函数关系，关系式中的系数和常数因个体而异，需要用实验方法确定。但在日常生活状态下测定脉速有一定的困难且不大准确，因此用心电图（ElectroCardioGram，ECG）的R波与指尖脉搏波(PhotoPlenthysmoGraphy，PPG)特征点之间的时间差也即脉搏波传播时间来代替。虽然其与真正的脉搏波速有很好的相关性，但不同的个体关系式也不尽相同。
　　在了解PWTT与血压关系之后，本文展开了以下工作:
　　首先搭建实验平台。本文采用的硬件平台为深圳爱德康科技有限公司生产的监护仪参数板FY0803和HC_05型蓝牙模块，其中监护模块可进行多参数监护，包括心电波形，脉搏波形等监护，心电波形采样频率为500Hz，而脉搏波波形采样频率为125Hz，为了便于计算二者之间的时间差，需要将它们的频率转化一致，而这两种参数采样频率恰好成倍数关系，为了不使心电信号波形失真，本文将脉搏波波形数据插值使其采样频率为500Hz。此外，该监护仪参数板还有血压及心率测量（Heart Rate，HR）的功能，可以为本文实验提供血压参考值及预测舒张压的第二参数HR;而监护模块的导联选择设置功能可以通过编程向模块发送命令使其由原来默认的五导联转换为三导联，某些情况下，采用胸导联可能给实验带来不便，而采用三导联，只要接左右臂及腿部电极即可，为实验带来方便，降低操作复杂性。此外，本文采用蓝牙技术实现生理数据的无线传输以及相关控制命令的接收。设计采用HC_05型蓝牙模块，速率可达2.1Mbps，满足系统数据发送频率要求。本文的软件平台采用Matlab2010，因其具有强大的数据处理能力，所以用它来实现PWTT的计算及后续数据处理及评估是一种不二的选择。通过Matlab2010编写的图形用户界面(Graphical User Interface，简称GUI，又称图形用户接口)与蓝牙传输模块来共同控制监护模块，对心电数据与脉搏波数据进行实时采集，将其显示于GUI界面上以便观察波形，计算PWTT。
　　本文用到了两种脉搏波传播时间，所以能否准确的计算出PWTT是后续实验过程是否能正常进行的关键，而计算PWTT的重点又在于如何准确的识别特征点。本文需要识别的特征点主要有两个，一个是心电波形的特征点，即ECG波形R波波峰，另一个是脉搏波特征点，即脉搏波波峰或脉搏波上升最快点。通过加窗阈值法及一次微分法可将这两点分别计算出来。
　　为验证本文搭建的血压无创测量与连续测量实验系统，本文设计了5组实验，选取欧姆龙HEM-7051型血压计作为对照组测量仪器，严格按照血压测量原则进行实验。
　　实验一，选取38名受试者作为实验组，将所有受试者的数据联立得出一个拟合式，另选取8名受试者作为验证组，通过对比这8名受试者的预测血压与实测血压来检测此拟合式是否对不同人群血压监测均有效。结果表明预测结果误差较大，由于存在个体差异性，一个关系式很难对不同人群作出准确预测;
　　实验二，优化实验方案，考虑个体差异性及心率对舒张压的影响，利用Matlab分析数据后得出每个个体以PWTT，HR为自变量，收缩压，舒张压为因变量的不同形式的拟合式，分别有多项式，反比例及线性等拟合关系式，挑选出拟合度较好且简洁的拟合式，再次以实验组受试者个体为单位进行结果预测及准确度评估，结果表明，本次实验操作的准确度相比实验一有所提高;
　　实验三，在得到较为理想的拟合式后，将两种定义的PWTT（从心电R波波峰到脉搏波上升最快点之间的时间间隔、从心电R波波峰到脉搏波波峰的时间间隔）分别与其他实验数据拟合，观察比较所得拟合式对血压的预测结果，得出结论为:用第一种定义的PWTT得出的拟合式预测效果较好;
　　实验四，为了实现血压的连续测量，需对血压预测结果长时间监测，以决定是否需要在适当时间点校正。通过多时间段多次预测评估，观察其是否能实现血压的连续测量，即确定每个个体的最初预测式是否能够长时间稳定预测血压。结果显示，在一定时间范围内，血压预测较为稳定，当达到某时间点时，预测误差明显增大，并随着时间的延长，误差持续增大。所以，拟合式需要在一定时间范围内校正;
　　实验五，对实验四得出拟合式进行校正，并评估结果。根据实验四的结果，找出血压最大变化时间点，进行校正。采用一点校正法，即在开始预测后至少1小时内再次测量3组袖带压、HR与PWTT，通过本次测量得到的SBP、DBP、PWTT和HR与之前测得的最近的两组数据联立拟合得出一个新的拟合式，再用此拟合式进行预测，结果显示，校正后，测压误差减小。
　　本文重点围绕基于脉搏波传播时间的无创连续血压的测量展开研究。首先，利用多参数监护仪的监护模块，搭建了实验平台，用以采集心电及脉搏波信号，因其本身具备监测心电，脉搏波波形功能，体积小巧，所以便于实现脉搏波传播时间的提取，也弥补了目前市面上连续无创血压监测仪笨重庞大的缺陷。以蓝牙模块作为数据传输与控制媒介，通过Matlab编程解包波形信号并控制通信。其次，寻找波形特征点，计算PWTT。最后，利用实验平台展开系列实验，并用Matlab分析，处理数据，得出结论。实验分别为血压与PWTT相关性初探实验，验证血压是否与PWTT存在线性关系;个体血压与PWTT相关性实验，充分考虑舒张压的影响因素，加入“HR”作为第二自变量，提出舒张压与脉搏波传播时间的拟合关系式，使血压预测更为精准;两种PWTT预测血压对比试验，在基于PWTT的无创连续血压测量的研究中，PWTT一般有两种定义:一种是从心电R波波峰到脉搏波波峰之间的时间段;另一种是从心电R波波峰到脉搏波上升最快点之间的时间段，而之前学者只是单独拿一种PWTT做研究，从未将这两种PWTT对血压预测的准确度做出对比，为此，本文将其做了研究与对比，并找出使预测结果更加准确的PWTT;针对长时间预测的连续性验证实验以及校正实验，目的是为了从真正意义上实现无创血压测量的连续性，结果收到了较好的反馈。
　　实验结果均表明，本文提出的基于脉搏波传导时间的无创连续血压监测方法能较为准确地预测个体血压，无论是收缩压还是舒张压，本文实验结果的准确度均符合AAMI标准，即平均值绝对值不大于5mmHg，标准差绝对值不大于8mmHg。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 无创连续血压测量的研究意义

1．3 传统无创血压测量介绍

1．3．1 柯式音听诊法

1．3．2 示波法

1．4 无创连续血压测量方法简介

1．5 基于PWTT的无创连续血压测量方法研究进展

1．6 课题研究目的

1．7 课题研究内容

第二章 脉搏波传播时间与血压的关系

2．1 血压的形成

2．2 脉搏波的概念

2．3 影响血压值的主要因素

2．4 小结

第三章 无创连续血压测量实验系统

3．1 硬件平台

3．2 软件系统

3．3 小结

第四章 脉搏波传播时间的计算及实验

4．1 PWTT算法

4．2 心电波形特征点识别

4．3 脉搏波波峰和上升最快特征点的识别

4．4 基于PWTT无创连续血压测量实验

4．4．1 实验器材

4．4．2 血压测量实验

4．5 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间成果

致谢

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