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太坟贲
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1 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 University * Corresponding author * hychung@ee.ncu.edu.tw 摘要本研究旨在藉由低度壓力的量測方式實現連續血壓系統, 並且提出改進連續血壓轉換公式以達到較準確的血壓動態變化此外, 本文利用長時間血壓變化量測梅爾波 (Mayer Waves) 來觀察低頻的血壓變異 (Blood Pressure Variation, BPV), 並且與心率變異 (Heart Rate Variation, HRV ) 儀所量測的結果互相驗證實驗結果證實低壓量測方法符合非侵入式自動血壓計型式認證技術規範關鍵詞 : 血壓低壓力血壓變異 Mayer waves Abstract The main purpose of the research is to design a continuous blood pressure (BP) measurement system based on low pressure approach. In this study, we modify the low pressure translating formula of continuous blood pressure to achieve the more accurate tracking capability of dynamic blood pressure. Moreover, Mayer waves at subjects wrist artery for evaluating the blood pressure variation (BPV) in low frequency is recorded. The estimated BPV is verified with the commercial heart rate variation (HRV) equipment. According to the experimental results, it is shown that the accuracy of this method is AAMI SP10, meeting the Non-Invasive Automated Sphygmomanometers standard. Keywords : blood pressure, low pressure, blood pressure variation, Mayer waves 1. 前言血壓是由於心臟血管活動所產生的生理現象, 故血壓一直是全世界皆視為人體心臟血管性能好壞的指標 [1], 隨著生醫科技的迅速發展, 連續血壓量測已由先前的非侵入式方法發展至目前的非侵入式連續血壓量測, 連續且非侵入式的血壓量測方法, 至今約可分為下列幾種 : 壓張法 (Tonometric Method) 血管無負載法 (Vascular Unloading Method) 脈波傳遞時間 (Pulse Transit Time) 脈波傳遞時間間歇性校正恆壓低壓法血壓動態追蹤之低壓量測等方法 [2] [3][4][5] [6]; 惟在加壓過程若未使用封閉式的氣管, 則漏氣問題將影響血壓量測的精確度等因此, 本研究使用恆壓低壓法 [1] 的觀念, 對血壓動態追蹤轉換公式 [6] 加以修正改進以達到較準確的血壓動態變化 2. 背景與研究方法以下說明本研究所使用到血壓量測方式 2.1. 振盪法 (Oscillometric Method) 振盪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

2 用壓力感測器來偵測壓脈袋 (Cuff) 內壓力變化來判斷收縮壓 (Systolic Pressure, SP) 舒張壓(Diastolic Pressure, DP) 與平均壓 (Mean Arterial Pressure, MAP) 振盪法首先對壓脈袋充氣, 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, 經實驗證明, 此點的壓力值與平均血壓值相近, 然而如圖 2 所示, 假設最大振幅值為 Amax 的話, 通常約略往前搜尋 0.5Amax 的值為收縮壓, 而往後搜尋 0.8Amax 的值即為舒張壓 ; 不同廠牌儀器會有不同儀器的特徵值 [1] [5][6] 關係如下所示 : 表 1. 低壓信號與振盪法對應表低壓脈搏變動信號振盪法波峰 VS 收縮壓基準 VS 平均壓波谷 VS 舒張壓依照下列的換算過程, 計算出低壓下的血壓參數 S = M + G( S D ) (1) L o o o D = M G( S D ) (2) L o o o VppL G = (3) Vpp MO 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 M o S o D o 與 Vpp M O, 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 [6] 2.3. 動態追蹤轉換公式轉換公式改良圖 1. 振盪法示意圖 2.2. 低壓量測法低壓法量測裝置包括腕式壓脈袋充氣幫浦洩壓閥與壓力感測器, 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 [5] 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, 將壓脈袋壓力降至一固定低壓力, 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 [1] 對應之本文延伸恆壓低壓法 [1] 的量測概念, 並對轉換公式 [6] 改良如下 : M S D SL = Vbi + ( Vai Vbi ) V V V o o o b a c M M D DL = Vbi ( Vbi Vci ) V V V (4)(5) 式中, M o S o o o o b b c o (4) (5) D 為振盪法所求得的平均壓收縮壓以及舒張壓, 單位為毫米汞柱 ( mmhg ) V a V b V c 為進入低壓模式後所量測到第一筆資料的波峰平均以及波谷, 單位為伏特 ( V ) 如圖 2 所示 V ai V bi V ci 為隨著時間變化所偵測到的波峰平均以及波谷, 單位為伏特 ( V ) 由 (4) (5) 式可知, V a V b V c S o D o 與 M 皆是固定的比例常數 ; 而 V ai V bi V ci 為收縮壓及舒張壓換算的主要參數因此, 透過追蹤血管振盪 ( V ai V bi V ci ) 變動之情形, 我們可以得到準確的收縮壓以及舒張壓, 並且達到血壓動態追蹤功能 o

3 圖 2. 脈搏波峰平均以及波谷示意圖 3. 軟硬體設計設計及流程及流程規劃本系統硬體架構如圖 3 所示, 由個人電腦透過 LabVIEW 虛擬儀控程式對 NI USB-6009 資料擷取卡下達命令控制充氣幫浦運作及洩壓閥閉合, 之後透過壓力感測器及信號濾波放大電路並對訊號進行擷取的動作圖 4. LabVIEW 虛擬儀控人機介面 3.2. 量測流程在量測方法中, 經由模式 1(Mode1), 利用振盪法找出三個重要參數, 收縮壓舒張壓以及平均壓並可即時顯示心跳及心率當模式 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如圖 5 所示, 求出平均壓之下, 血管的振盪幅度圖 3. 系統架構圖 3.1. 人機介面操作軟體本文當中採用 LabVIEW 軟體開發人機介面, 操作軟體的介面規劃如圖 4 所示, 介面上除了壓力設定與資料儲存路徑的設定外, 也同時顯示血壓波形與心律數值, 操作介面分為振盪法與低壓量測兩種模式, 以下說明兩種模式的操作方法圖 5. 模式 1 操作介面緊接著進行的是模式 2(Mode2), 也就是我們所提出低壓量測法的動態追蹤轉換公式, 如圖 6 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 5mmHg 時, 充氣幫浦會再自動加壓, 待壓力穩定後再進行重覆的血管振幅量測圖 7 則為此量測流程圖

4 表 2. Valsalva s maneuver 各時期反應圖 6. 模式 2 操作介面圖 7. 量測流程圖 4. 量測結果分析為了評估本系統的性能, 本論文分為兩階段來驗證實驗結果, 第一階段為驗證暫態血壓的改變, 主要利用伐耳沙爾瓦氏技巧 (Valsalva maneuver)[7] 來測試血壓動態追蹤的性能, 第二階段為長時間的血壓變化量測梅爾波並觀察血壓變異 [6] 4.1. 動態血壓分析圖 8. Valsalva 測試心率與血壓的變異如圖 9 所示, 為我們對連續血壓量測系統所做的 Valsalva 動態測試的結果, 圖中分為上下兩個視窗, 並由圖中可看出在下面視窗所顯示的血壓變異的情形而圖 10 顯示的是壓脈袋壓力波動情形, 圖 11 為伐耳沙爾瓦氏技巧下的收縮壓變化圖 11 的結果顯示由時間 170 至 190 間 (20 秒 ) 的變化, 可清楚的看出 Valsalva 測試四個時期的反應情形因此, 經實驗結果驗證本研究所設計的連續血壓系統確實具有動態追蹤的能力一般做 Valsalva 測試, 即是讓受測者使用吹筒以較高的吐氣壓力 ( 約 10~40mmHg ) 維持 10 至 20 秒, 以引發心跳及血壓的變化可在極短的時間內造成明顯的血壓變化, 如圖 8 所示這些動作也是日常生活中常見的動作, 例如 : 搬移重物排便用力咳嗽嘔吐噴嚏等等 Valsalva 測試反應分成包括下列的四個時期, 如表 2 所示 : 圖 9. 連續血壓系統系統的動態 Valsalva 測試

5 圖 10. 壓脈袋壓力壓力波動情形圖 12. CheckMyHeart 心率變異儀由圖 13 與圖 14 分別為心率變異儀所計算的心率變異的功率頻譜與本研究方法所計算出的的血壓功率頻譜, 血壓變異的功率頻譜與心率變異儀都可以清楚的找出相對應的梅爾波中心頻率, 兩者的波形也相當吻合, 故本研究所設計的連續血壓系統達到長時間記錄血壓的功能圖 11. 伐耳沙爾瓦氏技巧下的收縮壓變化 4.2. 梅爾波 1876 年 Mayer 發現血壓有 6~9 次 / 分或 0.1~0.15 Hz 的變化, 此被稱為梅爾波, 即為觀察血壓變異的開始血壓變異是源自人體自我調節的結果, 可分成三個主要成份 :(1) 高頻 (High Frequency, HF) 成份, 中心頻率大約在 0.25 Hz 與呼吸速率有關 (2) 低頻 (Low Frequency, LF) 成份, 中心頻率約在 0.1 Hz, 來自於交感神經活動與心血管調節的結果 (3) 極低頻 (Very Low Frequency, VLF) 成份, 中心頻率約在 0.04 Hz 左右, 與體液熱調節有關 [6] 本文利用連續血壓量測系統來紀錄血壓變異的情形並觀察梅爾波, 我們在此所採用的測試設備為 DailyCare 所產的 CheckMyHeart Handheld HRV 商用儀器, 將其記錄結果來跟本系統作比較驗證這款儀器可以量測連續性的心電圖, 並做完整的記錄分析儀器實體圖如圖 12 所示圖 13. 心率變異儀的功率頻譜圖 14. 血壓變異的功率的功率頻譜

6 4.3. 血壓數據分析由於傳統水銀式血壓計其準確性已被普遍所接受, 因此本系統是以傳統水銀式血壓計來檢驗血壓數值, 以下為五位受測者所測得的血壓數據統計表, 表 3 為每位受測者在模式 1 振盪法量測五次所測得的血壓值, 表 4 為每位受測者在模式 2 低壓量測一分鐘所測得的血壓值而圖 15 所示, 則為受測者在模式 2 量測一分鐘所測得的平均誤差表 3. 水銀血壓計與本系統模式 1 之量測值量測值比較 ( 單位 :mmhg) 水銀式 Mode1 人數收縮壓舒張壓收縮壓舒張壓 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±2.77 表 4. 本系統模式 2 之血壓量測值 ( 單位 :mmhg) Mode2 人數收縮壓舒張壓 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±2.54 結果驗證了本系統的可行性根據 AAMI SP10 非侵入式自動血壓計型式認證技術規範 [8], 血壓的平均值差須小於 5mmHg, 標準差小於 8 mmhg, 故本研究的連續血壓系統的血壓值是符合標準的目前的操作平台為個人電腦, 未來將以朝向 PDA 平台上做開發, 達到可攜式的目的 6. 參考文獻 [1] 郭建志, 以恆壓低壓量測連續脈壓訊號, 中原大學電機工程研究所碩士論文, [2] G.L. Pressman and P.M. Newgard, A transducer for the continuous external measurement of arterial blood pressure, IEEE Trans Bio-Med Electron10, pp , [3] K. I. Yamakoshi, H. Shimazu, and T. Togawa, Indirect Measurement of Instantaneous Arterial Blood Pressure in the Human Finger by the Vascular Unloading Technique, IEEE Trans. Biomed. Eng., 27, pp , [4] 楊坤岳, 以脈波抵達時間與間歇性校正推估連續血壓於姿勢性暈眩之研究, 中原大學醫學工程學系所碩士論文, [5] 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, [6] 丁蒼毅, 使用低壓量測方法之連續血壓量測系統, 中央大學電機工程研究所碩士論文, Average Error(mmHg) Avera SP DP SP DP [7] J.M. Stewart, M.A. Medow, B. Bassett and L.D. Montgomery, Effects of thoracic blood volume on Valsalva maneuver, Am J Physiol Heart Cirs Physiol 287, pp. H798-H804, [8] Association for the Advancement of Medical Instrumentation. American National Standard for 圖 15. 模式 2 的平均誤差 Manual, Electronic, or Automated 5. 結論本研究改進低壓連續量測系統的血壓動態追蹤功能, 並且提高了系統的穩定性與精準度, 實驗 Sphygmomanometers, SP , AAMI, 致謝作者感謝國科會在 (NSC E ) 計劃下之資助, 本文始得以完成, 在此特致謝忱

德明技術學院學報稿件格式

德明技術學院學報稿件格式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