『生物信号处理』用ECG&PPG如何测血压？常见血压测量 ...

除了沉默

​图片来源: https://knowmybp.org/what-is-blood-pressure/


NO.1 血压测量主要参数

    血压测量最常用于诊断高血压。每次心脏跳动时，它都会将血液泵入动脉。血压测量是一种测量心脏泵血时动脉中的力（压力）的测试。血压测量为两个数字：
· 收缩压（第一个和更高的数字）测量心脏跳动时动脉内的压力。
· 舒张压（第二个和较低的数字）测量心脏在两次搏动之间休息时动脉内的压力。

对于每次心跳，血压在收缩压和舒张压之间变化。收缩压是动脉中的峰值压力，当心室收缩时，它发生在心动周期结束附近。舒张压是动脉中的最小压力，它发生在心室充满血液时的心动周期开始附近。当采用水银血压计作为测量工具时，一个静息、健康的成年人的正常测量值的一个例子是 120 mmHg收缩压和 80 mmHg舒张压（写作 120/80 mmHg，说成“八十分之一”）。
NO.2 常见血压测量方法

血压测量一般分为有创和无创两种方式：

1   非侵入式无创测量方法
· 触诊法
    触诊法法的测量方式：被测者裸露上臂，将袖带展开，中部对准肱动脉，绑在上臂上，袖带下缘与肘窝间的距离为2～3厘米，松紧适宜。一只手触诊腕部桡动脉，另一只手挤压皮球迅速充气，直到不能触诊腕部桡动脉搏动为止，然后缓慢放气，此时压力下降，当触到桡动脉第一次跳动时，就是收缩压；但需要注意的是，这种方法不能测量舒张压。
· 听诊法
    俄国医师“科罗特科夫”于 1905 年首先描述了听诊法。在这种方法中，袖带充气到高于动脉压的水平（如脉搏消失所示）。当袖带逐渐放气时，记录动脉脉搏波产生的声音（柯氏音）出现和消失的压力，因为血流恢复通过动脉。第一柯氏音的出现是每个心动周期中产生的最大压力：收缩压。当动脉不再受压并且血流完全恢复时，声音永久消失的压力水平就是心脏收缩之间的静息压力：舒张压。” 随着封闭袖带放气期间压力降低，柯氏音的质量和强度发生变化。这种变化的五个阶段的特点如下：阶段1：第一次出现清晰、重复的敲击声。这与可触及脉搏的再次出现大致一致。阶段 2：声音更柔和、更长，具有间歇性杂音的质量。阶段 3：声音再次变得清脆响亮。阶段 4：声音低沉、不那么清晰且更柔和。阶段 5：声音完全消失。    声音首次出现时的压力（第 1 阶段开始）对应于收缩压，声音消失（第 5 阶段）最符合舒张压，并且与动脉内压的相关性更好。如果存在听诊间隙，通过触诊法识别收缩压有助于避免通过听诊法获得较低的收缩压读数。· 示波法
    该技术利用压力计或传感器中振荡的出现和消失。术语 NIBP（无创血压）通常用于描述示波监测设备（自动电子血压监测仪）。示波法与听诊法一样使用血压计袖带，但使用电子压力传感器（换能器）观察袖带压力振荡，电子设备自动解读它们，并自动对袖带充气和放气。
    它的基本原理主要体现在当血流为零（袖带压力超过收缩压）或畅通无阻（袖带压力低于舒张压）时，袖带压力将基本恒定。当血流存在但受限时，由压力传感器监测的袖带压力将与肱动脉的周期性扩张和收缩同步地周期性变化，即，它将振荡。
    · 连续无创技术
连续无创动脉压 (CNAP) 是一种实时测量逐次动脉血压的方法，无需任何中断，无需对人体进行插管。CNAP一般需要以下信息

• 从近端动脉（例如肱动脉）获得的绝对血压
  
• 血压变化以检测血液动力学不稳定
  
• 提供对血液动力学控制功能和/或液体管理的洞察力的生理节律
  
• 用于质量控制的血压脉搏波——进一步的脉搏波分析提供额外的心血管参数
  

CNAP的优势是使用连续血压及其源自生理节律和脉搏波分析的参数来优化血液动力学。而CNAP一般基于光电容积脉搏波 (photoplethysmography, PPG)进行相关参数计算，本文后续将基于此展开介绍。



2  侵入式有创测量方法
    动脉血压最准确的测量方法是通过动脉管路进行侵入性测量。使用血管内插管进行的有创动脉压测量涉及通过将插管针置于动脉（通常是桡动脉、股动脉、足背动脉或肱动脉）中来直接测量动脉压。侵入式测量除了准确性优势，还具备连续测量的能力，但因为其有创的特性，一般应用于适用于外伤、重症监护和手术室场景。
NO.3  连续无创动脉压 (CNAP)测量方法介绍

1   心电&光电容积脉搏波（ECG&PPG）结合法
    脉搏波从心脏位置传导至PPG信号测试点的时间差，称为脉搏波传导时间（Pulse Transit Time，PTT）。PTT血压测量模型通常使用心电信号（Electrocardio⁃Gram，ECG）作为PTT的起点，而在身体其他位置（如耳垂、指尖）记录的PPG信号作为PTT的终点。通过识别ECG信号和PGG信号的主波峰，便可得到两个主波峰的时间间隔PTT。PTT与收缩压SBP成线性相关，运用线性回归方程建立矫正系数，能较准确地计算出SBP。但PTT与DBP相关性较小，通常配合其他方法计算DBP。而因人体差异及活动状态差异，需不断对 PTT 模型进行校准。相对于其他研究方法，该方法的理论研究较为成熟，血压测量模型已能较准确地测量血压。但除了所需测量的PPG信号外，该方法还需要额外的设备测量ECG。

2   两路PPG结合法
    两路光电容积脉搏波结合法利用人体两个不同部位，如手指、手腕、耳垂间等。根据测得的两路脉搏波信号特征点的脉搏到达时间差（Pulse Arrive Time Difference，PATD），通过PATD模型来估算血压。该方法相比 ECG与PPG结合法，在设备复杂度上更加简单，成本较低。但需要佩戴多个传感器，且传感器的时间同步要求度高，一定程度上加大了测量难度。

3    脉搏波特征参数法
    脉搏波特征参数法的核心在于，建立脉搏波特征参数与血压之间的关系。该方法提取每搏血压值及对应的脉搏波特征参数，并分析血压值与脉搏波特征参数间的相关性。选择相关性较大的特征参数与血压进行回归分析，推导出血压和特征参数的方程。相比前两种只需提取主波峰特征点的方法，脉搏波特征参数法通常需要多个特征点，对PPG信号的完整程度要求较高。
    这三种方法里，脉搏波特征参数法相对更有优势，因为只需提取特征值，然后计算回归模型即可。

脉搏波特征参数法基本步骤
1 / 脉搏波特征点的识别
设定一个脉搏波中有A、B、C、D 和E五个特征点，A点为起点；B点为主波峰及最大值点；C点为次波谷；D点为次波峰；E点为终点，也是下一个周期波形的起点。其中，A、E两点均为主波谷及最小值点。



2 / 滤波处理
由于周围光的噪声影响，原始PPG 信号的波形具有毛刺，特征点不易识别，所以先将原始数据通过滑动滤波消除毛刺。






    令Sr(n)表示原始PPG序列，其中n =0,1,...,1999 表示样本编号。本文对Sr(n) 进行跨度为15的滑动均匀滤波，得到滤波后的脉搏波序列Ss(n) ，如上式所示。
3 / 周期分割
    对PPG 信号进行周期分割的前提是，确定每个脉搏波的A点。PPG 信号的二阶导函数称为加速度容积脉搏（AccelerationPlethysmogram），简称APG信号。然后通过自适应阈值法，对APG信号的a波波峰进行识别，确定A点。



    先对（2）中的Ss(n) 进行二阶差分计算得到APG 信号序列Sa(n)，如式（2）所示。



    设门限值T =0.6max(Sa(n))，其中max(Sa(n))表示当前测试时间APG信号的最大值。当信号质量较为理想时，0.6的系数大小既能保证a波波峰点位于门限值之上，又能保证其他波峰点位于门限值之下。当Sa(nA)>T时，有Sa(nA)>Sa(nA -1)且Sa(nA)>Sa(nA +1)，则所对应PPG信号的A点为nA。

4 / 特征点识别  
除了识别脉搏波的A点，还需要识别特征点B、C、D。B点为PPG 信号的主波峰及最大值点，也是一个极大值点。其在PPG 信号的一阶导信号中，对应一个由正到负的过零点N，本文通过识别N点来确定B 点。令Sd(n)为PPG 信号序列的一阶差分序列，当Sd (nN )>0 且Sd (nN +1)<0 成立时，则nN 为Ss(n) 的极大值点。
C点为PPG信号的局部极小值点，在PPG信号的一阶导信号中，对应一个由负到正的过零点，即O,P间的零点。
同理，D点为PPG信号的第二个局部极大值点，在PPG信号一阶导信号中，对应一个由正到负的过零点，即P,Q间的零点。





5 / 特征值计算与筛选
    选用特征参数主要包括时间参数、幅度参数、面积参数以及人体心率，并求得各个特征值与收缩压SBP、舒张压DBP的相关性。
    根据右边表格计算得到的特征值与SBP、DBP的相关性，选择两个相关性最大的特征值作为回归参数，即选择t2/t和HR。然后计算回归模型即可得到收缩压SBP和舒张压DBP的方程。




NO.4 总结

    动脉压最常通过无创非侵入式血压计测量，血压计使用水银柱或无液压力计的高度，通过听诊反映血压。最常见的自动血压测量技术基于示波法。有创侵入式血压测量，通过穿透动脉壁进行测量，不太常见，通常仅限于医院环境。当前越来越多的研究人员和公司正在探索无需穿透动脉壁且无需对患者身体施加任何压力即可测量血压的新方法——基于光电容积脉搏波（PPG）的连续无创动脉血压测量方法（CNAP），该方法具有便捷、连续的优势且更为舒适，一旦建立起合适的参数模型，该项方法将得到迅速的普及，具有一定的发展前景。
NO.5  资料获取

如果需要获取文中提到的相关文献，请关注Bralnward公众号回复血压获取。
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参考资料
1. 基于单路PPG信号的连续血压检测算法设计 刘乔寿
2. Blood Pressure Measurement From Wikipedia