血壓量測於高血壓患者之研究與系統設計

The Study and System Design on Blood Pressure Measurement for Hypertensive Patients

廖紹傑 Shao- Chieh Liao1, 湯士滄 Shih-Tsang Tang 2, 林俊宏 Jiun-Hung Lin 1* 1崑山科技大學電子工程學系 Department of Electronic Engineering, Kun Shan University.

2 銘傳大學生物醫學工程學系 Department of Biomedical Engineering *s5188@mail.ksu.edu.tw

一、 中文摘要

近年來，因為飲食有所改變引來一般慢性疾病，

而其中為現代台灣人健康最大的威脅是心臟疾病

及腦血管疾病，主要的成因是動脈硬化所造成的，

到醫院檢查動脈硬化價格是非常昂貴，過去研究認

為高血壓與動脈硬化是具有相關性的，因此本論文

提出一套可居家化檢測動脈硬化的血壓量測系統，

我們自行製作一個血壓計，並與市售的血壓計進行

驗證比對，同時還透過血壓計去計算 ASI 指標，以

了解現實生活中高血壓的患者跟 ASI 指標的相關

性，未來該設備，也能簡單對於自身的身體健康做

檢測，並提醒國人進一步去醫院做更詳細的檢查。 關鍵詞：血壓計，動脈硬化，高血壓 Abstract

With the change of diet, general chronic diseases have been caused in recent years, in which cardiac diseases and cerebravascular diseases have become the greatest threats as they are mainly resulted from arteriosclerosis and the arteriosclerosis checks in hospitals are rather expensive. The past research considered the correlations between hypertension and arteriosclerosis that a home-based blood pressure measuring system for arteriosclerosis checks was proposed in this study. A sphygmomanometer was produced for being compared with the commercially available ones. Moreover, with the sphygmomanometer to calculate the ASI indicator, it aimed to understand the correlations between the patients with hypertension and ASI indicators in real life. Finally, the device is expected to simply check the health as well as to remind the citizens of further checks in hospitals. Keywords: Sphygmomanometer, arteriosclerosis, Hypertension 二、 緣由與目的

近幾十年來，因為台灣經濟起飛的影響，由早

期的農業社會漸漸轉變為工業社會，由於社會形態

的轉變，飲食習慣也漸漸的講求精緻食物及速食，

因此稱為外食族。外食儼然成為許多人主要的飲食

方式，人們往往要求方便、口感美味之際，常常忽

略了健康的烹調方式，很多人因長期外食而對健康

產生了負面影響。外食通常重調味，含油脂和鹽分

往往過高，還有許多隱藏的高熱量陷阱，肉多、飯

多、蔬果少，以及無法定時進食，都是外食常見的

問題，因此人們不知不覺攝取了高熱量及油炸類等

各種食物，對於外食族的健康是造成極大的威脅。

根據衛生署的統計，近十幾年的台灣人的十大死亡

原因，癌症位居第一，位居第二及第三的心臟疾病

及腦血管疾病，引起心臟疾病及腦血管疾病主要的

成因是動脈硬化所造成的的，因此動脈硬化疾病是

現代台灣人健康最大的威脅之一。 在醫學研究證明顯示，高膽固醇及高血脂的病

患對於罹患冠狀動脈疾病會提高，而且會影響動脈

壁的強度[1-2]，在醫院所使用的血管磁共振血管成

像（MRA），雖然準確性高，價格上是相當昂貴

的，因此人們使用非侵入式測量方式去診斷動脈是

否硬化，漸漸的受到重視[3-8]，但是人們都是依據

不同的方式去測量自身的身體狀況，透過測量的結

果，去提醒使用者是否具有動脈硬化的部份，在過

去測量方式有動脈硬化指數(ASI)、脈波傳輸速度

(PWV)[9]等等的測量方式，或是以 PWV 的部份測

量人體許多部份，來使用參數的部份[10]，都是可

以當作評估罹患冠狀動脈疾病的指標之一，但是罹

患及其它疾病的患者如糖尿病、高血壓、抽煙及其

它因素會不會去影響指標的結果，在未來是值得討

論的。 因此為了能夠提早預防人們是否有罹患心血

管疾病，本論文提出以自製的血壓計與市售的血壓

計驗證對比，此外在測量血壓的系統中加入測量患

者的動脈硬度指數(ASI)，讓人們在居家生活的時

候，藉由我們所透過系統所設定的指標，去了解自

身的身體健康已經受到威脅了，再進一步去醫院做

詳細的檢查，並透過專業的醫生去做判斷及治療，

一方面也可以節省不必要的醫療人力浪費，也可以

節省病患的時間。

三、 感測器原理與材料

3.1 動脈硬化形成:

動脈硬化發生的理論是血管損傷及膽固醇氧

化修飾理論，主要是血管內皮細胞損傷及功能失常：

使血管內皮的屏障和通透性改變，使動脈硬化的低

密度膽固醇進入內皮細胞內的量增加，使發生氧化

低密度膽固醇增加。因低密度膽固醇離開血液後便

無抗氧化物質的保護，又經局部的氧化自由基及酵

素作用，產生氧化低密度膽固醇。 此時變性的氧化低密度膽固醇，會刺激產生化

學趨性物質，吸引血液中的單核球進入內皮層的內

皮細胞下空隙。在此單核球轉成巨噬細胞，將氧化

低密度膽固醇吞噬，此作用將形成惡性循環，吸引

更多的單核球進入內皮層，而且氧化低密度膽固醇

也會抑制單核球移出血管壁。而中皮層內的平滑肌

細胞亦被動員而移動至內皮層，反覆吞噬氧化低密

度膽固醇的巨噬細胞，終至變成泡沫細胞沉積在內

皮層內。若此情形繼續進行，則一而再，再而三的

巨噬細胞形成的泡沫細胞死亡而疊積，再加上結締

組織增生與修補，則將造成早期的動脈硬化斑塊，

若動脈硬化繼續進行，則形成動脈粥狀硬塊[1]。 3.2 血壓量測-共振法:

測量時，儀器會先把壓脈袋充氣擠壓動脈完全

阻止血液的流動，再慢慢的洩壓，當壓脈袋壓力接

近收縮壓前，靈敏的壓力感測器，即可以感應到壓

脈袋上方的動脈的脈動，因此它不能把第一個脈動

壓力當成收縮壓(靈敏的感應器反而使共振法無法

直接量測出收縮壓)此時壓脈袋內壓力尚高，故而

壓脈袋振幅小，繼續慢慢洩壓，則脈動漸強，當壓

脈袋內壓力等於平均壓時，壓脈袋內壓力振幅壓力

最大，之後，因壓脈袋內壓力降低，使血管內障礙

區減小，噴射效應漸小而使脈動振幅漸小，直到壓

脈袋內壓力小於舒張壓而無法產生脈動。 經實驗室統計測得壓脈袋內共振幅度最大時，

袋內的壓力相當於動脈的平均壓[14]，以最大振幅

為中心，往前找出振動幅波約最大振幅的 50％時，

壓脈袋內約相當於收縮壓，再以最大振幅為中心往

後找出振動波約為最大振幅的 80％，壓脈袋內壓力

約相當於舒張壓(如圖 3-1)[12]。

圖3-1壓力感測器量測的共振訊號[11]

3.3Arterial Stiffness Index (ASI):

血管可大略分為兩層，可看為兩個彈性係數不

同的彈簧，因此血管的總體彈性曲線呈一非線性之

曲線；當壓脈袋施壓時，在洩氣的過程，因為血管

彈性非線性的原因，可以量測到不同時間點的血壓

脈波容積。每個人的血管彈性特性曲線一動不一樣，

而動脈硬化的人與一般人差異性更大，所以我們可

以由血壓脈波容積反推血管的彈性特性曲線。正常

的動脈和硬化的動脈，彈性特性曲線有很大的差異

性，當我們利用共振法對動脈作脈波容積量測，正

常的動脈所量測得到的圖形會有一明顯最大值，而

硬化的動脈量測所得之圖形會相似梯形，或者是不

規則四邊形，並沒有特別明顯的最大值。圖 3-2 是

一些常見脈波容積圖案，由圖案我們可以概略了解

受測者是否有心血管方面的疾病。將 ASI 理論量化，

計算出數值作為動脈硬化參考的指標，此數值為

ASI。ASI 定義:大於最大振幅的 80%之振幅所對應

的壓力範圍值。正常狀況下，ASI 值會小於 80mmHg，如果大於 100mmHg 即有可能有動脈硬化現象

[13]。

圖 3-2、ASI 典型樣圖[11]

四、 系統架構與實驗設計

本文透過 NI DAQ 卡(美商國家儀器台灣分公

司出產)配合壓力感測器的訊號擷取量測血壓，去

計算 ASI、舒張壓及收縮壓，透過這些指標我們能

夠驗證高血壓患者的 ASI 的數據中，是與心血管的

疾病的有相關聯的，如圖 4-1 所示為本系統架構示

意圖，系統中加入血壓感測的加入，除了能夠量測

到使用者的收縮壓及舒張壓，也可以透過血壓的振

幅波的部份來計算出 ASI 數據，因此透過舒張壓及

收縮壓的部份去判定是有高血壓的部份之外，也與

ASI 數據比較，針對高血壓的患者去做探討，以了

解罹患高血壓患者，是否有與動脈硬化的情況。

圖 4-1、系統架構圖

4.1 血壓模組穩定度測試實驗 為了驗證本系統的血壓計所測出的血壓值，與

市面上所販賣的血壓計所量測的血壓值是一樣的，

因此我們使用了市售的歐姆龍 HEM-770A 手臂式

電子血壓計，與本系統血壓計進行測試比對，實驗

架構中，實驗對象的血壓範圍於標準值，以三個人

為對象，一人一共測量三次，必須在用餐後一個小

時才能進行量測，第一次量測市售血壓計，第二次

量測本系統血壓計，為了避免血壓計在連續測量的

時候會不準確，測試者必須在每量測完一次之後，

要休息二十分鐘，才能夠進行第二次量測，之後將

數據把記錄下來。 4.2 ASI 測試實驗 為了驗證高血壓患者對於動脈硬化是否有相

關性，因此我們透過 ASI 的公式計算出去比較高血

壓的患者是否有動脈硬化的關係，實驗架構中，實

驗對象為高血壓病患，病患為三人，一人一共測量

三次，必須在用餐後一個小時才能進行量測，第一

次量測市售血壓計，第二次量測本系統血壓計，為

了避免血壓計在連續測量的時候會不準確，測試者

必須在每量測完一次之後，要休息二十分鐘，才能

夠進行第二次量測，之後將數據把記錄下來。 五、 結果

5.1 血壓模組穩定度測試實驗實驗結果

我們透過如表 5.1 及表 5.2 所示，以市售血壓

計及自製血壓計的數據表示，比較結果發現，準確

度的部份，大約為±5 以內，但是有幾次的數值是

有差異性是比較高的，因為每一次在測量的時候，

因為臂帶放置的位置不盡相同，而且不管是市售的

或者是自製的，影響的數據是很大的，或者是因為

測試者在測試中有晃動等等，是會影響實驗數值，

但是測試的數據中顯示，是有幾次與市售的血壓計

測量出的數據是相似度極高的，因此誤差值是可以

被接受的。

表 5.1 、血壓範圍為標準值於市售血壓計 測試者

次數 甲 乙 丙

第一次 116/73 105/60 105/65

第二次 129/79 105/62 104/64

第三次 128/74 105/57 105/68

表 5.2、血壓範圍為標準值於自製血壓計

測試者 次數 甲 乙 丙

第一次 120/85 105/68 109/76

第二次 122/81 105/66 106/80

第三次 129/78 105/64 105/69

5.2 ASI 指標測試實驗結果

由 ASI 定義:大於最大振幅的 80%之振幅所對

應的壓力範圍值的計算中，在正常狀況下，ASI 值會小於 80mmHg，如果大於 100mmHg 即有可能有

動脈硬化現象，因此 ASI 的值就是舒張壓，透過實

驗數據如表 5.3 及表 5.4 所示，比較結果發現，透

過收縮壓的數據來說，收縮壓的數值越高者，舒張

壓的數值就會越高，因此我們判斷高血壓的病患是

與動脈硬化有一定的相關性。 表 5.3、血壓範圍為高血壓於市售血壓計

測試者 次數

甲 乙 丙

第一次 159/106 152/96 142/90

第二次 155/103 137/82 137/81

第三次 153/102 140/87 128/78

表 5.4、血壓範圍為高血壓於自製血壓計

測試者 次數

甲 乙 丙

第一次 159/107 145/103 141/90

第二次 155/103 135/96 138/89

第三次 148/105 135/92 134/87

六、 討論

從實驗結果中顯示，在自製的血壓計與市售的

血壓計比較時，準確度為±5 以內，雖然有時差異

性是有偏高，因為臂帶的放置手臂的位置會不盡相

同，而不管是市售或是自製的，基本上都是會影響

實驗數據，但是對於本系統來說，臂帶放置的位置，

是未來要考慮到的，才能夠量測到更準確的數據，

是未來做實驗所該注意到的問題。在判斷 ASI 的指

標中，本系統基本上是能夠判斷 ASI 值，但是影響

動脈硬化的數據，不單單只是因為高血壓，但是跟

高血壓是會有一定的關係，因為在文獻資料表示中

[9]，高血壓的病患，在 ASI 的數據都明顯偏高，

而在血壓越高者，動脈硬化程度是越嚴重的，但是

ASI 也會因為年齡的增加，因此高血壓在未來是可

以加入其它因素加以深入探討。此外實驗結果表

5.2 針對圖 3-2，本實驗的高血壓患者及正常人的血

壓波形比較中，如圖 5-1 及 5-2 所示，與圖 3-2 中

的高血壓的患者的波形是相同的，未來也可以透過

血壓的振幅波形去佐證心血管疾病。

圖 5-1、測試者甲血壓波形

圖 5-2、測試者乙血壓波形

七、 結論

因此，本系統設計出一個血壓計，能夠準確性

測量使用者的血壓值，另外系統也提供 ASI 值針對

高血壓的病患，來判斷病患的動脈是否硬化的某一

項指標，從實驗結果看來，雖然在血壓計的測試未

盡完整，以及考量到的臂帶放置的位置可能會影響

到整體的數據，就以建構一台血壓計對於高血壓的

病患之研究，本論文已初步達到目的。 八、 參考文獻

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