一种无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法

第24卷第1期 2011年 2月

航天医学与医学工程 V o. l 24 N o. 1

Space M ed i c i ne &M ed i ca l Eng i neer i ng F eb . 2011

一种无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法

全晓莉

, 周南权, 佘丽

(1. 重庆理工大学电子信息与自动化学院, 重庆400050; 2. 重庆航天职业技术学院电子工程系, 重庆400021)

摘要:目的提出一种同步采集肱动脉脉搏波信号和指尖脉搏波信号无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法。方法用二次函数对起跳点波段按最小二乘法原理逼近计算出脉搏波先后传播到肱动脉和指尖这段距离的时间。结果大量的病例分析和临床测试表明:脉搏波传导速度与年龄的正相关性为r =0. 46, 与脉压的正相关性为r =0. 622。该算法能够解决波谷误判为起跳点的问题, 能提高检测脉搏波传播速度的准确性。结论此方法能判断动脉硬化患者与正常人的差异性, 操作简单、结果精确、重复性好, 易于应用于临床评价和实验中。

关键词:脉搏波速度; 动脉硬化; 桡动脉; 最小二乘法中图分类号:R318. 6 文献标识码:A 文章编号:1002 0837(2011) 01 0061 04N oninvasive D etective M et h od for Rad ialArtery Pulse wave Velocity . QUAN X iao l, i ZHOU N an quan , SHE L. i Space M edic i n e&M ed ica lEng ineeri n g , 2011, 24(1):61~64Abst ract :Objective To find a ne w algo rithm for non i n vasive l y detecti n g radia l artery pulse w ave ve l o c ity based on synchronous acquisiti o n o f brach ial artery pulse w ave si g na ls and fi n gertip pu lse w ave si g na ls . M et h ods The travel ti m e of pulse w ave bet w een brachia l artery and fi n gerti p w as calcu l a ted w ith quadratic function to fit take off po i n t w ave band based on the theory o f least square m ethod . R esults M any cases analyses and lots of clinical tests sho w ed that the positive correlati o n o f pu lse w ave velocity and age w as r =0. 46, the posi ti v e corre lation o f pu lse w ave velocity and pulse pressure w as r =0. 622. The a l g orit h m settled the proble m o f m iscarriage o f j u stice o f take-off po i n t and valley and i m proved the accuracy o f pulse w ave velocity detection . Conc l u sion The m ethod can detect difference bet w een arteri o sc l e rosis patients and nor m a l persons , it has si m ple operation , accurate result and good repeatab ility , it is easy to apply to cli n ica l eva l u ation and the experi m ents .

K ey w ords :pulse w ave velocity ; arteri o sclerosis ; radial arter y ; the least square m ethod Address repr i n t requests t o :QUAN X iao l. i Schoo l of E lectron ics and Auto m ation, Chongqing Un i v ersity o f Technology , Chongqi n g 400050, Ch i n a 心室有节律的舒缩使动脉管壁被迫振动, 这种振动以一定的速度向外周血管传播而形成脉搏波, 脉搏波在动脉中的传导速度称为脉搏波速度(pulse w ave velocity , P WV ), 其大小主要与动脉血

[1 2]

管的弹性有关, 能够反映动脉血管弹性的好质量。理论分析表明, 动脉血管的弹性与脉搏波速度成反比, 即血管的弹性越好, 脉搏波速度值就越小; 相反, 血管的弹性越差, 脉搏波速度的值就越大

[3]

法。其中脉冲多普勒技术由于成本高, 测量过程比较复杂, 操作人员需经过专业培训; 光电容积脉搏波描记法易受环境温度的影响, 环境温度的变化会给测量带来很大误差; 平面张力法在测量过程中传感器放置在动脉上的位置要准确, 向下压平动脉的力量要适中, 探头也要尽量与血管轴线垂直, 因此要准确检测脉搏波速度, 需要适当的培训和一定的技巧。本文在总结以上方法的基础上, 提出了一种同步采集肱动脉脉搏波信号和指尖脉搏波信号来测定桡动脉脉搏波速度的新方法, 以期为进一步的临床应用提供理论基础。

。脉搏波传导速度是研究人体脉搏系统传

[4]

播特性的重要参数之一。它可以早期检测动脉功能的异常, 综合反映各种危险因素对血管的损伤

[5]

。因此, 测量得到准确的脉搏波速度对于

心血管疾病的预防和诊断具有极其重要的价值。

目前常用的脉搏波传导速度检测方法有脉冲多普勒法、光电容积脉搏波描记法

[6 7]

1 检测原理

检测时被测者静仰卧或静坐, 将一条袖带

(袖带规格14. 5c m 51c m ) 套在人体上臂的肱动脉处, 靠肘关节一侧, 在同侧手指中指指尖夹上压电原理的指尖夹(图1) 。先由单片机, 和平面张力

修回日期:2010 10 15

*通讯作者:全晓莉 z n q55555@126. co m

航天医学与医学工程第24卷

器采集压力脉搏信号, 当肱动脉血管受压迫停止脉动, 此时单片机利用事先编好的程序控制放气阀进行缓慢放气, 使袖带压力逐步减小。当袖带压力降到肱动脉收缩压以下时, 肱动脉开始搏动, 并随着袖带压的下降不断加强。袖带压力、肱动脉脉搏和指尖脉搏的信号经压力传感器转换为电压信号, 对此电压信号进行放大与两次滤波(高通滤波与低通滤波) 处理, 可以得到幅值适当的三路信号, 将其经过A /D转换, 转换后的数字信号通过RS232串口通信方式送入上位机, 在上位机进行更全面地分析处理。图2中波形分别为袖带压力波、肱动脉脉搏波和指尖脉搏波。

。其中 L 为肱动脉到指尖的距离, 测 t

量时是从绑袖带中部的位置到中指指尖的距离。P WV =

t 为脉搏波传播这段距离所需要的时间, 下面着重介绍 t 的测量。

如图3所示, 选中其中一个波进行分析,

假设

图3 求 t 的原理图

F ig . 3 Sch e m atic d iagra m of t calcu l ating

脉搏波经过肱动脉到达指尖这段距离所需要的时

图1 肱动脉-指尖法检测脉搏波速度示意图

F i g . 1 Pu lse wave ve l ocity m easured w ith brach ial ar

tery and f i nger tip m e thod

间为 t , 为了求得 t , 需要先求得脉搏波的起跳点B 点, 因为干扰因素的存在, 不可能得到理想的脉搏波, 即脉搏波的起跳点不一定就在波谷的位置A (x a , y a ) 。本文需要先求出一个完整脉搏波的波谷位置A (x a , y a ) 和波峰位置D (x d , y d ), 此两点确定一条直线AD , AD 直线与脉搏波段AD 的交点为点CA (x c , y c ), 由于脉搏波的AC 波段的形态与二次函数曲线很相似, 因此可以用二次函

数y (x ) =k 0+k (x-x 0) 来拟合AC 段波, 如图3所示虚线曲线。将AC 波段看成关于峰值B 点对

图2 放气过程中袖带压力波及脉搏波变化图F i g . 2 Pu lse wavefor m and cu ff press u re w ave dur i ng

deflati on of the cuff

称的一段二次曲线, 首先需要确定二次函数的参数k 0, k 1。设Y n 为肱动脉脉搏波上对应x a 到x c 个的采样点值, 将二次函数y (x ) 对AC 波段按最小二乘法原理逼近

c a

2 检测算法

2. 1 算法基本思想

图2为我们用于计算P WV 测得的肱动脉脉搏波和指尖波, 因为在收缩期阶段肱动脉脉搏波和指尖波被袖带内的压力束缚着, 所以收缩期的波形不能用来分析; 脉搏在舒张压后对应的波形趋于稳定, 而此时指尖波也比较稳定。因此我们一般取舒张压对应脉搏后面的波形进行分析。

脉搏是起于主动脉根部的起伏性搏动, 沿动脉管壁向末梢血管呈波形的传播, 脉搏波先到达肱动脉, 然后继续传播到达指尖。我们所计算的就是从肱动脉到指尖这段距离的脉搏波速度,

[8]

, 则有:

E =n ! [Y n -y (xn ) ]=x

c a

=n ! [Y n -k 0-k 1(x n -x x b ) ]=x

(1)

根据最小二乘法原理, (1) 式中E 最小时, 二次函数与AC 波段最为逼近, 此时将(1) 式分别对k 0, k 1求偏导, 并令各自的偏导数为零:

=00 E =0 k 1

(2) (3)

联合(2), (3) 两式解出k 0, k 1, 从而得到二次y (x )

第1期全晓莉, 等. 一种无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法

开始射血时使动脉壁突然扩张所引起的, 在心室快速射血期, 动脉血压迅速上升, 管壁被扩张, 形成脉搏波形中的上升支。因此肱动脉脉搏波的起跳点B 点即为二次曲线y (x ) 的峰值点, 横坐标x b 即为B 点所对应的时间。同理求出指尖波起跳点位置的横坐标, 然后两个值相减即为时间 t 。

由此可得出脉搏波的传播速度P WV =

(m/s)。2. 2 算法具体实现

算法的具体实现流程, 详见图4

。

意义(P

Table 1

P WV (m/s)

0~89~1112~1415~19

表1 I MT 与P W V 的统计关系The statistical re l ation s h ip be t ween I MT and P W V

sa mp le (n ) 42474913

m ean and st andard d evi ati on of M I T (mm)

0. 75∀0. 12

0. 84∀0. 170. 93∀0. 11*0. 97∀0. 10*

Note :**P

表2 斑块与P W V 统计关系

Table 2 The statisti cal relati on sh i p b et w een p laque and

P W V

p l aque(grade)

0123

sa mp le (n )

58403716

P WV (m/s ) 7. 00∀3. 0211. 28∀2. 0214. 20∀2. 22*18. 01∀1. 53*

**#

Note :**P

co mpared w it h t he firs t grade

随着斑块分级的增加, P WV 也增加。2级和3级斑块组与0级斑块的P WV 值比较具有显著的统计学意义(P

P WV 与年龄总体上成正相关(r =0. 46, P

图4 算法流程图

Fig . 4 F l ow char t of algor ithm

0. 01), 随着年龄呈缓慢上升趋势(图5) 。证明了

该算法能够反映由于年龄而使动脉僵硬度增加的现象。年龄与动脉硬化、心血管的危险性的研究早已得到肯定。

血压升高是动脉硬化的主要危险因素之一, 高血压患者患动脉硬化较血压正常者高3~4倍。

3 临床研究

3. 1 P WV 与临床综合诊断的统计分析

对于脉搏波传导速度的验证, 是依据超声诊

[9]

断仪对颈动脉内膜中层厚度(I M T ) 和血管斑块的测定。目前, 临床上评价动脉血管硬化程度的大小是根据血管斑块的大小, 以及I M T 的值来决定的。

我们取临床测试病例151人, 采用临床综合诊断结果与我们研制的血管硬度检测仪测量结果的符合百分率, 总结出颈动脉I M T 与P WV 统计关系和斑块与P WV 的统计关系(表1、表2) 。 P WV 的统计结论:将151例的P WV 值分为4组(0~8, 9~11, 12~14, 15~19), 4组随着P WV 的增加, I M T 也增加。P WV (12~14) 组和P WV (

[10]

图5 P W V 与年龄的相关性

Fig . 5 The corre l ation b et w een P W V and age

航天医学与医学工程第24卷

V I E W

[11]

开发成软件应用到我们研制的血管硬度

测量仪中, 该仪器通过了YY /T0287-2003和GB /T19001-2000认证并在医院进行临床应用。该产品已经获得国家食品药品监督管理局颁发的生产许可证由生产企业批量上市。该仪器可以用于普通健康人群的健康检查, 可以发现血管壁的硬度及弹性改变, 早期控制包括高血压在内的许多心血管疾病的发展进程, 作到早期发现、早期治疗, 对心血管疾病诊断及亚健康的评价具有临床指导意义。

图6 P W V 与脉压(PP) 的相关性

F i g . 6 Th e correlati on between P W V and pu lse pres

sure

[参考文献]

[1] 李佳月, 赵玉生, 王琳, 等. 脉搏波传导速度与冠状动脉粥

样硬化相关性研究[J ].中国全科医学, 2006, 9(9):712 714.

[2] 于安忠, 李智, 高绍喜, 等. 脉搏波传导速度与冠状动脉粥

样硬化的相关性研究[J].山东医药, 2009, 49(9):48 49. [3] 张维忠. 动脉弹性功能检测的理论与实践(上) [J ].心脑

血管病防治, 2003, 8(3):1 2.

[4] 王炳和, 杨颙, 相敬林. 一种无创测定桡动脉脉搏波速度

的方法及影响脉搏波速度的因素[J].生物医学工程学杂志, 2000, 17(2):179 182.

[5] 李佳月, 赵玉生. 脉搏波传导速度测定的临床意义[J ].

国际心血管病杂志, 2006, 22(1):91 93.

[6] 张虹, 孙卫新, 金捷. 脉搏血氧仪中光电容积脉搏波的软

件检出方法[J].第四军医大学学报, 2001, 1(43):94 95. [7] 李顶立, 陈裕泉, 邢雷, 等. 基于脉搏波速法的无创连续血

压检测系统[J ].航天医学与医学工程, 2008, 21(5):416 419.

[8] 王仁宏. 数值逼近[M].北京:高等教育出版社, 1999:88

93.

[9] 王凤娣, 徐勤, 黄英, 等. 颈动脉内中膜厚度与脉搏波传导

速度及踝臂指数的相关性研究[J].临床心血管病杂志, 2009, 9(6):648 652.

[10] 李妍妍. 老年糖尿病脉搏波传导速度与踝臂指数、颈动脉

斑块的关系[J].中外医疗, 2009, 30(3):4 5.

[11] 吴成东, 孙秋野, 盛科. LabV I EW 虚拟仪器程序设计及应

用[M].北京:人民邮电出版社, 2008. [作者简介, 全晓莉, 女, 硕士, 研究方向为生物医学电子学和虚拟

仪器软件开发]

本研究通过对健康组和高血压组的分析显示了P WV 与脉压的正相关关系, 其中P WV 与脉压具有较强的线性相关性(r =0. 622) 和显著的统计学意义(P

通过以上相关性分析, 说明P WV 是一个较好的评估动脉硬化和预测心血管病危险的指标, 相关性的研究也有利于我们进一步验证结论的准确性。

4 结论

本文结合国内外的脉搏波传播速度测量推导方法, 提出了一种同步采集肱动脉脉搏波信号和指尖脉搏波信号来无创测定桡动脉脉搏波速度的新方法, 并通过临床测试进行了改进、归纳和验证, 大量的实验及临床测定计算的结果分析表明, 此方法操作简单、结果精确、重复性好, 易于应用于临床评价和实验中。此算法已经通过Lab

第24卷第1期 2011年 2月

航天医学与医学工程 V o. l 24 N o. 1

Space M ed i c i ne &M ed i ca l Eng i neer i ng F eb . 2011

一种无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法

全晓莉

, 周南权, 佘丽

(1. 重庆理工大学电子信息与自动化学院, 重庆400050; 2. 重庆航天职业技术学院电子工程系, 重庆400021)

[1 2]

[3]

。脉搏波传导速度是研究人体脉搏系统传

[4]

播特性的重要参数之一。它可以早期检测动脉功能的异常, 综合反映各种危险因素对血管的损伤

[5]

。因此, 测量得到准确的脉搏波速度对于

心血管疾病的预防和诊断具有极其重要的价值。

目前常用的脉搏波传导速度检测方法有脉冲多普勒法、光电容积脉搏波描记法

[6 7]

1 检测原理

检测时被测者静仰卧或静坐, 将一条袖带

(袖带规格14. 5c m 51c m ) 套在人体上臂的肱动脉处, 靠肘关节一侧, 在同侧手指中指指尖夹上压电原理的指尖夹(图1) 。先由单片机, 和平面张力

修回日期:2010 10 15

*通讯作者:全晓莉 z n q55555@126. co m

航天医学与医学工程第24卷

。其中 L 为肱动脉到指尖的距离, 测 t

量时是从绑袖带中部的位置到中指指尖的距离。P WV =

t 为脉搏波传播这段距离所需要的时间, 下面着重介绍 t 的测量。

如图3所示, 选中其中一个波进行分析,

假设

图3 求 t 的原理图

F ig . 3 Sch e m atic d iagra m of t calcu l ating

脉搏波经过肱动脉到达指尖这段距离所需要的时

图1 肱动脉-指尖法检测脉搏波速度示意图

F i g . 1 Pu lse wave ve l ocity m easured w ith brach ial ar

tery and f i nger tip m e thod

数y (x ) =k 0+k (x-x 0) 来拟合AC 段波, 如图3所示虚线曲线。将AC 波段看成关于峰值B 点对

图2 放气过程中袖带压力波及脉搏波变化图F i g . 2 Pu lse wavefor m and cu ff press u re w ave dur i ng

deflati on of the cuff

c a

2 检测算法

2. 1 算法基本思想

[8]

, 则有:

E =n ! [Y n -y (xn ) ]=x

c a

=n ! [Y n -k 0-k 1(x n -x x b ) ]=x

(1)

根据最小二乘法原理, (1) 式中E 最小时, 二次函数与AC 波段最为逼近, 此时将(1) 式分别对k 0, k 1求偏导, 并令各自的偏导数为零:

=00 E =0 k 1

(2) (3)

联合(2), (3) 两式解出k 0, k 1, 从而得到二次y (x )

第1期全晓莉, 等. 一种无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法

由此可得出脉搏波的传播速度P WV =

(m/s)。2. 2 算法具体实现

算法的具体实现流程, 详见图4

。

意义(P

Table 1

P WV (m/s)

0~89~1112~1415~19

表1 I MT 与P W V 的统计关系The statistical re l ation s h ip be t ween I MT and P W V

sa mp le (n ) 42474913

m ean and st andard d evi ati on of M I T (mm)

0. 75∀0. 12

0. 84∀0. 170. 93∀0. 11*0. 97∀0. 10*

Note :**P

表2 斑块与P W V 统计关系

Table 2 The statisti cal relati on sh i p b et w een p laque and

P W V

p l aque(grade)

0123

sa mp le (n )

58403716

P WV (m/s ) 7. 00∀3. 0211. 28∀2. 0214. 20∀2. 22*18. 01∀1. 53*

**#

Note :**P

co mpared w it h t he firs t grade

随着斑块分级的增加, P WV 也增加。2级和3级斑块组与0级斑块的P WV 值比较具有显著的统计学意义(P

P WV 与年龄总体上成正相关(r =0. 46, P

图4 算法流程图

Fig . 4 F l ow char t of algor ithm

0. 01), 随着年龄呈缓慢上升趋势(图5) 。证明了

该算法能够反映由于年龄而使动脉僵硬度增加的现象。年龄与动脉硬化、心血管的危险性的研究早已得到肯定。

血压升高是动脉硬化的主要危险因素之一, 高血压患者患动脉硬化较血压正常者高3~4倍。

3 临床研究

3. 1 P WV 与临床综合诊断的统计分析

对于脉搏波传导速度的验证, 是依据超声诊

[9]

断仪对颈动脉内膜中层厚度(I M T ) 和血管斑块的测定。目前, 临床上评价动脉血管硬化程度的大小是根据血管斑块的大小, 以及I M T 的值来决定的。

[10]

图5 P W V 与年龄的相关性

Fig . 5 The corre l ation b et w een P W V and age

航天医学与医学工程第24卷

V I E W

[11]

开发成软件应用到我们研制的血管硬度

图6 P W V 与脉压(PP) 的相关性

F i g . 6 Th e correlati on between P W V and pu lse pres

sure

[参考文献]

[1] 李佳月, 赵玉生, 王琳, 等. 脉搏波传导速度与冠状动脉粥

样硬化相关性研究[J ].中国全科医学, 2006, 9(9):712 714.

[2] 于安忠, 李智, 高绍喜, 等. 脉搏波传导速度与冠状动脉粥

样硬化的相关性研究[J].山东医药, 2009, 49(9):48 49. [3] 张维忠. 动脉弹性功能检测的理论与实践(上) [J ].心脑

血管病防治, 2003, 8(3):1 2.

[4] 王炳和, 杨颙, 相敬林. 一种无创测定桡动脉脉搏波速度

的方法及影响脉搏波速度的因素[J].生物医学工程学杂志, 2000, 17(2):179 182.

[5] 李佳月, 赵玉生. 脉搏波传导速度测定的临床意义[J ].

国际心血管病杂志, 2006, 22(1):91 93.

[6] 张虹, 孙卫新, 金捷. 脉搏血氧仪中光电容积脉搏波的软

件检出方法[J].第四军医大学学报, 2001, 1(43):94 95. [7] 李顶立, 陈裕泉, 邢雷, 等. 基于脉搏波速法的无创连续血

压检测系统[J ].航天医学与医学工程, 2008, 21(5):416 419.

[8] 王仁宏. 数值逼近[M].北京:高等教育出版社, 1999:88

93.

[9] 王凤娣, 徐勤, 黄英, 等. 颈动脉内中膜厚度与脉搏波传导

速度及踝臂指数的相关性研究[J].临床心血管病杂志, 2009, 9(6):648 652.

[10] 李妍妍. 老年糖尿病脉搏波传导速度与踝臂指数、颈动脉

斑块的关系[J].中外医疗, 2009, 30(3):4 5.

[11] 吴成东, 孙秋野, 盛科. LabV I EW 虚拟仪器程序设计及应

用[M].北京:人民邮电出版社, 2008. [作者简介, 全晓莉, 女, 硕士, 研究方向为生物医学电子学和虚拟

仪器软件开发]

本研究通过对健康组和高血压组的分析显示了P WV 与脉压的正相关关系, 其中P WV 与脉压具有较强的线性相关性(r =0. 622) 和显著的统计学意义(P

通过以上相关性分析, 说明P WV 是一个较好的评估动脉硬化和预测心血管病危险的指标, 相关性的研究也有利于我们进一步验证结论的准确性。

4 结论

一种无创检测桡动脉脉搏波速度的新方法

相关文章