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蓁安
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1 以低壓量測系統實現連續血壓監測 2007 資訊科技管理與資訊人才培育研討會 Continuous Blood Pressure Monitoring System via Low cuff Pressure Measurement System 1 丁蒼毅 1 黃振寧 2 尤芳銘 1* 鍾鴻源 ABSTRACT Cang-Yi Ding 1 Cheng-Ning Huang 1 Fang-Ming Yu 2 Hung-Yuan Chung 1* 1 國立中央大學電機工程學系 Department of Electrical Engineering, National Central University 1 1*Corresponding author mailto:hychung@ee.ncu.edu.tw 2 聖約翰科技大學資訊工程學系 Department of Computer Science and Information Engineering, St. John s University 2 The main propose of the research is to acquire the continuous pulse at the patient s radial artery based on low cuff pressure approach. Low cuff pressure approach combines the conventional scillometry and the process of low pressure loaded into the air cuff to perform noninvasive and continuous blood pressure (BP) measurement. The applied low pressure was controlled by pressure tracking system. According to the experimental results, low pressure approach does work well. The average measuring time of the proposed pressure system is 5 seconds. Hence, BP measurement can be operated at low pressure loaded, which guarantees the accuracy and the comfortability of the system. Keyword: blood pressure, low pressure, monitoring system 摘要本研究的主要目的在於提出一以低脈壓量測法實現連續血壓監控系統, 低脈壓量測技術結合了傳統的共振法與低脈壓量測系統來完成連 c 續血壓監測, 此外我們也採用追蹤控制來產生一穩定的低壓低壓量測可以減低患者的不適感並延長可攜式系統操作時間, 我們所開發的血壓系統量測時間為 5 秒, 足以達到及時監控的要求, 因此實驗結果證明了低壓連續血壓監控系統的可行性關鍵字 : 血壓, 低壓, 連續一前言血壓是由於心臟血管活動所產生的生理現象, 目前全世界皆把血壓視為人體心臟血管性能好壞的指標然而, 有些病人會有所謂白袍高血壓 (white coat hypertension), 也就是平時在家自行測量血壓結果顯示正常, 可是卻發現在醫療機構進行血壓量測會有偏高問題, 原因是病人看見醫療人員, 因緊張產生的心理作用反應在生理現象上另外, 有部份的老年人會有假性高血壓的問題, 是因隨著年級的增加而造成動脈有硬化的現象, 造成在使用非侵入式血壓量測時的誤判這些會影響醫療人員做出錯誤診斷的因素, 皆可以使用 24 小時血壓監測儀做為輔助工具, 透過紀錄血壓參數變化趨勢, 進而去除造成誤診之因子除此之外, 對

2 於評估藥物對降血壓的成效, 亦可經由這種具有長時間血壓監測功能的儀器來完成 24 小時血壓監測除了可以幫助確診高血壓區別白袍高血壓以及評估高血壓治療的效果以外, 在預防醫學的角度來看,24 小時血壓監測儀是重要的檢查工具, 以達到早期發現早期治療的目的例如有的患者在起床後會有血壓陡昇的現象, 這叫做早晨血壓竄升 (morning surge), 另外在血壓的日週期變化上, 部分高血壓病患不像一般人清晨降低, 而是持續升高, 這種現象稱之為夜間血壓不降 (Non-dipper)[1] 本研究發展的連續血壓量測系統是以非侵入式的方式來實現, 並考量長時間連續量測的情況之下, 傳統的共振法量測, 需將壓脈袋加到大約 180mmHg 的壓力之下進行測量, 這會對使用者產生不適感, 除此之外, 長時間加壓於手臂上會造成血流不通順, 因此測量到的血壓參數亦會不準確有鑑於此, 本研究以傳統的共振法為基礎, 結合低壓量測方式, 發展出一可進行長時間連續血壓量測之系統二背景知識與相關技術以下就以最常見的兩種非侵入式量測血壓的方式與低壓量測法來說明和比較各個量測方式的優缺點 [2][3] 2..1 聽診法其結構組成包含了壓脈袋 (cuff) 幫浦聽診器和水銀壓力計, 如圖 1 所示將壓脈袋充氣, 當壓脈袋內的壓力大於人體的收縮壓時, 動脈血管會因壓脈袋的擠壓作用而達到完全閉塞的現象, 動脈血管內將無血液流動接著以大約每秒 3mmHg 的洩氣速率放氣, 當施測者藉由聽診器聽到一低沈的衝擊聲, 此一聲響稱之為克羅特克夫音效 (Korotkoff sounds), 當偵測到第一音時, 讀取壓力計上的讀值, 此即為收縮壓當壓脈袋壓力小到某一階段後, 聲音逐漸轉弱, 當壓脈袋壓力小於血管壓力無法擠壓血管形成障礙區, 就不產生聲音, 此時記下壓脈袋壓力即為舒張壓 [2][3][4] 圖 1 聽診法示意圖 2.2 共振法共振式血壓量測法是多數電子血壓計最常使用的技術, 其工作原理類似聽診法, 不同的是須使用壓力感測器來偵測壓脈袋內壓力變化來判斷收縮壓舒張壓與平均壓同樣地, 對壓脈袋充氣, 當壓脈袋內壓力大於人體的收縮壓後, 再以每秒 3mmHg 的洩氣速率放氣圖 2 中振盪曲線即為血液流過受閉塞點時所產生的不穩定現象由圖 2 可以找到壓脈袋內壓力訊號振幅最大的點, 根據經驗值, 此點的壓力值與平均血壓值相近, 如圖中第 2 點 ; 當壓力訊號突然變大時, 即為收縮壓, 如上圖第 1 點 ; 在壓力訊號振幅突然變小的點應為舒張壓但到目前為止, 只有平均壓的點可以明確定義出來, 收縮壓和舒張壓的壓力訊號變動量仍無統一的標準 [2][3][5][6] 圖 2 共振法示意圖

3 2007 資訊科技管理與資訊人才培育研討會 2.3 低壓量測法當完成第一階段之共振法, 獲得所需的參數後, 即進入低壓模式低壓模式主要偵測的是脈此法為本研究所採用之量測方式量測裝置搏的振盪變化, 找出脈搏的波峰以及波谷, 依照包括手腕式壓脈袋加壓馬達洩氣閥與壓力感下列的換算過程, 計算出低壓下的血壓參數測器在壓脈袋內保持一固定低壓力的狀況下, 利用靈敏壓力感測器來感測壓脈袋內壓力的微小變化, 經過濾波放大等程序擷取連續脈波訊號, 可提供即時腕部脈波的變化經過轉換後可以得到收縮壓舒張壓與平均壓此種量測方式最大優點是在低度壓力的環境之下作測量, 可減少受測者的不適感, 並且適合長時間連續的量測, 改善市售血壓計僅能量測單一時間血壓值的缺點 [5] 以下為三種測量血壓方法之比較: 表一 : 血壓測量方法之比較表 S D L L M G ( S D ) (1) M G ( S D ) (2) Vpp L G (3) VppM 在此, S L D L 以及 Vpp L 分別代表的是低壓模式下的收縮壓舒張壓以及峰對峰值 D M S 與 Vpp M, 則是第一階段共振法所獲得的平均壓收縮壓舒張壓與平均壓所在脈波的峰對峰值三軟體規劃及流程本系統的架構如圖 3 所示, 由個人電腦端透過用戶端軟體 Labview 下達指令控制 NI DAQ USB-6009 資料擷取卡, 先控制馬達轉動以及洩壓閥閉合, 再進行資料擷取的動作低壓量測法分成兩個階段, 第一個階段為傳統所使用的共振法, 透過加高壓的方式, 找到三個重要參數, 分別是收縮壓舒張壓以及平均壓第二個階段即進入低壓模式, 將壓脈袋壓力降至 40mmHg, 並開始偵測脈搏振盪的幅度, 利用此外在低壓所產生的振幅, 對應到第一階段在高壓模式下所求得的參數, 進行換算而得到血壓值 [7] 對應之關係如下所示: 表二 : 低壓信號與共振法對應表低壓脈搏變動信號共振法波峰 VS 收縮壓基準 VS 平均壓波谷 VS 舒張壓圖 3 系統架構圖 3.1 用戶端軟體本研究當中所採用的資料擷取卡為 National Instru ment 的產品, 其為一個以通用串

4 列匯流排 (Universal Serial Bus) 為介面的擷取卡, 我們必須使用其所提供的用戶端軟體 Labview, 來做虛擬儀表的規劃, 如圖 4 所示 3.2 量測流程圖 4 Labview 虛擬儀表圖 5 模式 1 量測流程圖在低壓量測方法中, 必須先經過模式 1, 利用傳統的振盪法找出三個重要參數, 收縮壓平均壓以及舒張壓, 程式規劃流程如圖 5 所示當模式 1 完成後, 即可獲得重要參數, 從參數中我們可以得到平均壓緊接著我們必須將壓脈袋內的壓力維持在平均壓, 如圖 6 所示, 求出平均壓之下, 血管的振盪幅度緊接著進行的是模式 2, 也就是我們所提出的低壓量測法, 如圖 7 所示, 將壓脈袋內壓力加壓至預設壓力值, 等待壓力穩定後即進行量測, 找出在外在穩定壓力之下, 血管的振盪幅度當外在的壓力比預設值小 3mmHg 時, 充氣幫浦會再自動加壓, 待壓力穩定後再進行重復的血管振幅量測圖 6MAP 量測流程圖

5 2007 資訊科技管理與資訊人才培育研討會圖 9 血壓量測裝置俯視圖實際測量情況如圖 10 所示, 以個人電腦為操作平台, 使用 Labview 規劃虛擬儀表, 進行電腦輸出控制以及資料擷取的工作圖 7 模式 2 量測流程圖四硬體及量測結果實際的硬體量測裝置如圖 8 所示, 為此裝置的正視圖本裝置電源由四顆三號充電電池供應, 實際輸出電壓為穩定的 5.3V 其他硬體包括一個壓力感測器一個充氣馬達一個壓脈袋兩個壓力洩氣閥以及信號濾波放大電路, 如圖 9 裝置俯視圖所示圖 8 量測裝置正視圖圖 10 實際量測情況圖 11 為實際量測所進行的第一個模式介面, 第一個圖形儀表為壓脈袋洩壓曲線, 第二個圖形儀表為濾波及放大過後的信號, 即為血管的振盪情形在圖 11 的上方, 顯示收縮壓平均壓以及舒張壓分別為 mmHg 接著進行的是平均壓力之下, 血管振盪幅度的量測, 如圖 12 所示圖 13 為進入低壓模式的量測介面, 如圖所示低壓模式換算出來的收縮壓平均壓以及舒張壓分局為以及 77mmHg

五結論本研究所使用的低壓量測法, 為結合傳統共振法與低度壓力的方式來實現本研究量測結果顯示, 模式 1 所求得的血壓參數為 92 84 76mmHg, 而在固定 35mmHg 的壓脈袋壓力之下, 所換算出來的壓力為 89 83 以及 77mmHg, 與模式 1 所求得的壓力誤差絕對值分別為

Geddes, L. A., Handbook of Blood Pressure Measurement, Year Book Medical Publishers, 1970. 圖 12 MAP 量測模式介面 [3] Wilmer W. N., Michael F.

[4] 黃俊凱, 血壓量測裝置作業技術規範, 教育部顧問室, 1999. [5] 陸坤池, 以低壓實現之非侵入式連續血壓量測系統, 中原大學醫學工程所碩士論文, 2000. [6] Moraes J.C. T. B., Cerulli M., Nq P.S.

6 五結論本研究所使用的低壓量測法, 為結合傳統共振法與低度壓力的方式來實現本研究量測結果顯示, 模式 1 所求得的血壓參數為 mmHg, 而在固定 35mmHg 的壓脈袋壓力之下, 所換算出來的壓力為以及 77mmHg, 與模式 1 所求得的壓力誤差絕對值分別為 3 1 1mmHg, 實現了低壓量測法的可行性目前的操作平台為個人電腦, 未來將以朝向嵌入式系統發展, 如 PDA 平台上使用, 以達到可攜式的目的參考文獻圖 11 模式 1 量測介面 [1] 盧怡旭, 黃耀星, 淺談廿四小時血壓監測, 第二十卷第六期, 高醫醫訊月刊, 2000 [2] Geddes, L. A., Handbook of Blood Pressure Measurement, Year Book Medical Publishers, 圖 12 MAP 量測模式介面 [3] Wilmer W. N., Michael F.., McDonald s Blood Flow in Arteries Theoretical, experimental and clinical principles, Fourth Edition, Arnold Publishers, [4] 黃俊凱, 血壓量測裝置作業技術規範, 教育部顧問室, [5] 陸坤池, 以低壓實現之非侵入式連續血壓量測系統, 中原大學醫學工程所碩士論文, [6] Moraes J.C. T. B., Cerulli M., Nq P.S., A Strategy for Determination of Systolic, Mean and Diastolic Blood Pressures from scillometric Pulse Profiles, Computers in Cardiology, [7] 范振臺, 可攜式低壓腕部脈搏訊號之量測, 中原大學電機工程研究所碩士論文, 圖 13 低壓模式量測介面

Microsoft Word - NCUEE2008.doc

Microsoft Word - NCUEE2008.doc 連續血壓量測系統的改良 Improvement of Continuous Blood Pressure Measurement Systems * 徐大川黃振寧鍾鴻源 Ta-Chuan Hsu Cheng-Ning Huang Hung-Yuan Chung * 國立中央大學電機工程學系 Department of Electrical Engineering, National Central