基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究

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1、 基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究 26卷3期 2007年6月 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程 ChineseJournalofBiomedicalEoain*ering V01.26No.3 June2007 基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究 李婷虞鋼 (中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所,北京1OOO80) 摘要:脈搏波傳播速度的變化往往是血管彈性程度發(fā)生變化的最早體征,因此脈搏波速度的檢測(cè)對(duì)動(dòng)脈硬化等 疾病的診斷有較高的參考價(jià)值,其檢測(cè)精度主要取決于波速參考點(diǎn)的提取算法.在分析實(shí)際采集的脈搏壓力波信 號(hào)特征的基礎(chǔ)上,對(duì)波峰,波足等特征點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別,并提出了一種根據(jù)脈搏波

2、前沿內(nèi)斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置 確定惟一波速參考點(diǎn)的新算法.臨床實(shí)驗(yàn)證明,新方法能夠有效地提取脈搏波速度,有助于動(dòng)脈血管彈性程度的 輔助診斷. 關(guān)鍵詞:脈搏波速度;波速參考點(diǎn);波速分析 ResearchofMethodforPulseWaveVelocityAnalysis BasedonPressureWaveDetection LITing,YUGang (InstituteofMechanics,ChineseAcademyofSc/encez,Being100080) Abstract:Pulsewavevelocity(PWV)isaprominentmarkerof

3、arterialstiffnessandisanvaluablefactortodiagnose arteriosclerosis.111eprecisionofthePWVdetectionisdeterminedbythePⅣVreferencepointextractionalgorithm.In thisworkthewavepeaksandfeetweredistinguishedafterthewavecharacterswereinvestigatedindetail.Anew algorithmdeterminingtheuniquePWVreferencepointby

4、thenumberandpositionsofcurrentmaximumgradient pointswaspmpesed.ExperimentalresultsshowedthatthepresentedalgorithmcouldbeusedtocalculatethePⅣV accuratelyanditisprovedtobeagoodassistantmethodtoassessbloodvesselstiffness. Keywords:pulsewavevelocity;PWVreferencepoint;analysis. 中圖分類號(hào)R318.04;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編

5、號(hào)0258.8021(2007)03.0321.05 引言 在心血管系統(tǒng)中,心臟周期性射血引起的血液 壓力脈動(dòng)和血管壁振動(dòng)在動(dòng)脈血管系中的傳播稱為 脈搏波在動(dòng)脈中的傳播.人體脈搏波傳播速度 (PWV)的大小在很大程度上依賴于血管的物理特性 和幾何特性,特別是與動(dòng)脈血管壁的彈性特性密切 相關(guān)….研究發(fā)現(xiàn),血管彈性程度越好,Pwv越小, 隨著年齡的增長(zhǎng)或其他原因引起動(dòng)脈硬化時(shí),動(dòng)脈 管壁發(fā)生的變異將使其彈性模量增大,從而使PWV 增大.,與舒張壓和收縮壓相比,與心血管病 發(fā)病率和死亡率的相關(guān)性更大j.因此,在心 收稿日期:2006-07.03,修回日期:2007.04-12

6、. *通訊作者.E-mail:gyu@imeeh.aC.Cll 血管系統(tǒng)評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用,目前已經(jīng)成為 評(píng)價(jià)動(dòng)脈血管彈性程度的重要標(biāo)準(zhǔn). 二十世紀(jì)2O年代以來,國(guó)際上在PWV檢測(cè)方 面做了大量的研究,并有相應(yīng)的產(chǎn)品問世J,國(guó)內(nèi)在 這方面的研究工作還比較少.目前,國(guó)際上檢測(cè) PwV的方法主要分為基于壓力波的檢測(cè)方法,基于 超聲多普勒的檢測(cè)方法和基于核磁共振的檢測(cè)方 法.超聲法和核磁共振法的計(jì)算量大,儀器成本高; 基于壓力波的檢測(cè)方法計(jì)算量少,儀器成本相對(duì)較 低,其檢測(cè)精度取決于波速參考點(diǎn)的選擇和提取. 在基于壓力波的檢測(cè)中,一般以每個(gè)波的起始 點(diǎn)或斜率最大值點(diǎn)作為

7、波速參考點(diǎn).事實(shí)上,對(duì)于 322中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程26卷 一 些皮膚松弛的老年人,波形起始點(diǎn)往往容易被前 一 舒張期末的噪聲淹沒而不易提取;另外,對(duì)應(yīng)于一 個(gè)脈搏波通常有多個(gè)斜率最大值點(diǎn),波速參考點(diǎn)只 需要一個(gè),而相關(guān)文獻(xiàn)中并沒有提到如何得到最終 參考點(diǎn).針對(duì)這個(gè)問題,本研究提出了一種在脈搏 波前沿升支中由斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置確定惟 一 波速參考點(diǎn)的算法,實(shí)驗(yàn)證明,該算法抗干擾能力 強(qiáng),穩(wěn)定性好. 1脈搏信號(hào)檢測(cè)平臺(tái) 在臨床上,通常采集人體某些骨骼附近體表動(dòng) 脈處的脈搏波,如橈動(dòng)脈,頸動(dòng)脈,踝動(dòng)脈等,主要由 于這些部位容易暴露,組織結(jié)構(gòu)好(表層皮膚和肌肉

8、 都較薄,血管下方為堅(jiān)硬的骨頭,檢測(cè)時(shí)血管不易滑 動(dòng),因此容易得到精確的脈搏信號(hào). 為實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的檢測(cè),自行研制了脈搏信號(hào) 檢測(cè)平臺(tái),其結(jié)構(gòu)見圖1. 數(shù)據(jù)處I1個(gè)人信息ll脈搏波 理模塊ll數(shù)據(jù)庫lI數(shù)據(jù)庫 人機(jī)接口 圖1脈博信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1Theframeworkofthepulsewavedetectionsystem 脈博信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)由生理壓力傳感器,信號(hào)預(yù) 處理電路,A/D轉(zhuǎn)換電路,人機(jī)接口,標(biāo)準(zhǔn)通信接口, 數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)構(gòu)成.其工作原理如下:壓力 傳感器同時(shí)采集兩路脈搏信號(hào),放大,濾波,模數(shù)轉(zhuǎn) 換后由標(biāo)準(zhǔn)通信接口送往計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)脈搏

9、 信號(hào)和患者基本信息的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ),并通過鍵盤,鼠 標(biāo),顯示設(shè)備和打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,計(jì)算機(jī)內(nèi)配 有相應(yīng)的脈搏分析軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理.采 集到的脈搏信號(hào)見圖2. 2脈搏波傳播速度分析 脈搏波速度Pwv定義為兩脈搏測(cè)量點(diǎn)間的體 表距離Ax與脈搏傳播時(shí)間△f的比值,即 圖2采集得到的脈搏信號(hào) Fig.2Thepulsewavedetected PiVV=(1) 計(jì)算脈搏速度的關(guān)鍵在于脈搏波傳播時(shí)間△f 的計(jì)算.同時(shí)測(cè)得的相隔一定距離的兩路脈搏波對(duì) 應(yīng)參考點(diǎn)間的時(shí)間差即為脈搏波的傳播時(shí)間△f. 2.1波速參考點(diǎn)提取 提取波速參考點(diǎn)前,首先對(duì)采集到的脈搏信號(hào) 進(jìn)行

10、中值濾波,濾除信號(hào)中的脈沖干擾,然后提取每 個(gè)脈搏波的波峰點(diǎn)和波足點(diǎn)(如圖2所示),將波速 參考點(diǎn)的搜索范圍限定在波足和波峰之間,即波形 的前沿升支范圍內(nèi),最后根據(jù)該段信號(hào)中斜率最大 值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置確定最終波速參考點(diǎn). 2.1.1中值濾波 信號(hào)中的脈沖干擾極易被識(shí)別為斜率最大值 點(diǎn),而中值濾波可以有效地抑止脈沖噪聲.因此,在 識(shí)別波形特征點(diǎn)前,首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行中值濾波.在 每1.5ms采樣一次的情況下,濾波器長(zhǎng)度取11,即 將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值用其對(duì)稱鄰域內(nèi)11個(gè)點(diǎn)中大小 居于中間的值代替. 2.1.2波峰點(diǎn)提取 統(tǒng)計(jì)分析采集到的脈搏波信號(hào)發(fā)現(xiàn),雖然每個(gè) 脈搏波的波峰值

11、大小并不相同,但它們總是在一個(gè) 范圍內(nèi)波動(dòng)的,波動(dòng)范圍基本不會(huì)超過最大波形高 度的0.3倍,因此可以認(rèn)為波峰是在整段波形的最 大值附近,大于其領(lǐng)域內(nèi)所有點(diǎn)的點(diǎn).通過對(duì)大量 脈搏波測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為把此鄰域長(zhǎng)度定義為 90個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以有效地抑制波值附近的小波動(dòng),準(zhǔn) 確地識(shí)別波峰點(diǎn).假設(shè)采集到的脈搏波為數(shù)字信號(hào) 序列p[j],其中jE[0,N],則實(shí)際波峰P[]的判 定條件為 f(max{P[]}一P[])≤△,, 【p[j]≥P[j],∈[J一45,J+45] 式中,△:(max{P[}一min{P[})×0.3,為波 峰點(diǎn)所在位置. 信號(hào)序列的最大值max{P[門}

12、和最小值 min{P[]}通過搜索比較整個(gè)序列中的所有信號(hào)點(diǎn) 獲得. 3期李婷等:基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究323 2.1.3波足點(diǎn)提取 從統(tǒng)計(jì)分析采集到的脈搏波信號(hào)發(fā)現(xiàn),雖然每 個(gè)脈搏波的波足值大小并不相同,但它們總是在一 個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)的,波動(dòng)范圍基本不會(huì)超過最大波形 高度的0.3倍,因此可以認(rèn)為波足是在整段波形的 最小值附近,小于其領(lǐng)域內(nèi)所有點(diǎn)的點(diǎn).通過對(duì)大 量脈搏波測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為把此領(lǐng)域長(zhǎng)度定義 為90個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以有效地抑制波足附近的小波動(dòng), 準(zhǔn)確地識(shí)別波足點(diǎn).假設(shè)采集到的脈搏波為數(shù)字信 號(hào)序列pEj],其中_『∈[0,N],則實(shí)際波足

13、pEj]的 判定條件為 f(WEde]一min{PEj]})≤A… 【PEj]≤PEj],J∈[J一45,J+45] 式中,A=(ma】({P[J]}一min{P[J]})×0.3,J為波 足點(diǎn)所在位置. 在具體實(shí)現(xiàn)上,可以利用特征點(diǎn)之間的關(guān)系,簡(jiǎn) 化計(jì)算.考慮到同一個(gè)脈搏波的波足一定出現(xiàn)在波 峰的前部,而波峰識(shí)別先于波足識(shí)別,因此在識(shí)別波 足時(shí)可以利用已經(jīng)識(shí)別所得的波峰,從波峰點(diǎn)開始, 向前搜索,將搜索得到的第一個(gè)滿足波足條件的數(shù) 據(jù)點(diǎn)確定為波足點(diǎn).利用波峰輔助搜索波足算法的 時(shí)問僅為不利用波峰直接搜索波形算法的1/3. 2.1.4波速參考點(diǎn)確定 斜率最大值點(diǎn)的范

14、圍限定在脈搏波的前沿升支 范圍內(nèi),因此對(duì)于每一個(gè)脈搏波只需從波足和波峰 之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)中搜索斜率最大的點(diǎn)即可.在實(shí)際判 定中,第i個(gè)脈搏波上升沿中斜率最大值點(diǎn) P[～..]的判定準(zhǔn)則為 P[～,]一P[一+1]=Illax{P[一P[_,+1]} ∈[fl')-(4) 式中,_『…為第個(gè)脈搏波上升沿中斜率最大值點(diǎn) 的位置,為第i個(gè)脈搏波的波足位置,為第i個(gè) 脈搏波的波峰位置. 實(shí)際提取所得每個(gè)脈搏波上升沿中斜率最大值 點(diǎn)一般有幾個(gè)到十幾個(gè),而計(jì)算脈搏波速度的參考 點(diǎn)只需一個(gè),必須根據(jù)已提取的多個(gè)斜率最大值點(diǎn), 最終確定一個(gè)惟一的波速參考點(diǎn).若以～[1], ～[2],…

15、,～[n]表示第i個(gè)脈搏波上升沿內(nèi) 斜率最大值點(diǎn)的位置,…[.j}]表示其中第k個(gè)斜 率最大值點(diǎn)的位置,k∈[1,n],確定最終參考點(diǎn)的 具體做法是: 當(dāng)n≤8時(shí),以數(shù)據(jù)序列的位置重心～:寺 ∑～. [k]作為最終參考點(diǎn)位置; 當(dāng)n>8時(shí),采用拉依達(dá)判定準(zhǔn)則確定最終參 考點(diǎn)位置. (1)計(jì)算～[1],～. [2],…,～[n]的平 均值 一一 . :i/∑J～,.[](5),一一.i～,sLJL (2)計(jì)算各點(diǎn)與平均位置點(diǎn)偏差的絕對(duì)值 P[]:1….一….[(6) (3)計(jì)算～[1],～,.[2],…,….[n]序列 的標(biāo)準(zhǔn)偏差 (7) (4)剔除

16、偏差過大的點(diǎn) 若測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差符合正態(tài)分布,則數(shù)據(jù)落入 Pk]≤2a范圍的概率為95.4%,因此可以認(rèn)為超 出此范圍的點(diǎn)誤差過大,應(yīng)去除.具體作法為:若 P[k]≥2口去除～[k],回到第一步重新計(jì)算, 直到剩下的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足P.[.j}]≤2a為止. (5)將最終_『～值作為參考點(diǎn)的位置 2.2脈搏速度分析 對(duì)于同時(shí)測(cè)得的兩路脈搏波信號(hào),若第一路脈 搏波中完整波形的個(gè)數(shù)為n.,第二路脈搏中完整波 形的個(gè)數(shù)為n,兩路波形中每一對(duì)完整脈搏波都對(duì) 應(yīng)著一個(gè)時(shí)間差,因此對(duì)應(yīng)于完整波形對(duì)的時(shí)間差 個(gè)數(shù)為n:min(n.,n),實(shí)際測(cè)得的這n個(gè)時(shí)間差 并不相同,而真實(shí)的脈搏波

17、傳播時(shí)間只有一個(gè).這 些測(cè)量值只是真實(shí)傳播時(shí)間的一個(gè)反映,它們受到 被測(cè)者情緒或者肌肉和血管的當(dāng)時(shí)狀態(tài)的影響而產(chǎn) 生波動(dòng).考慮到它們中的大部分只是在一個(gè)小范圍 內(nèi)波動(dòng),只是偶爾有一些波動(dòng)較大的時(shí)間差,因此對(duì) 這n個(gè)時(shí)間差進(jìn)行處理,去掉誤差較大的值,最終 得到一個(gè)最接近真實(shí)脈搏傳播時(shí)間的值. 若第一對(duì)脈搏波的時(shí)間差為△￡.,第二對(duì)脈搏 波的時(shí)間差為△￡,…,第n對(duì)脈搏波的時(shí)間差為 △￡,最終△￡的確定方式如下: (1)求序列△￡.,△￡2,…,△￡的平均值△￡ A￡: 奎(8)n. 中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程26卷 (2)求序列中每個(gè)時(shí)間差A(yù)t對(duì)于均值A(chǔ)t的偏 差的絕對(duì)值

18、 P[f]=I△t一△tI(9) (3)求序列△t.,△t,…,△t的標(biāo)準(zhǔn)偏差 (10) (4)剔除誤差較大的時(shí)間差 若IP[f]I>20"則認(rèn)為偏差過大,剔除△t,回 到第一步重新計(jì)算 若IP[i]I≤2a則進(jìn)入下一步. (5)確定最終的At, 若最終剩余時(shí)間差序列為△t.,△t,…,△t,則 ● Atf=1∑Ati—td(11) .'i=1 式中,t為兩路信號(hào)通過系統(tǒng)的延遲時(shí)間差. 3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 目前,醫(yī)學(xué)上對(duì)于脈搏波速度并沒有一個(gè)統(tǒng)一 的定義,不同檢測(cè)方法對(duì)脈搏波速度的定義和算法 各不相同,使得目前市面上各種儀器測(cè)得的脈搏波 速度之間可比性不大.在

19、這種情況下,穩(wěn)定性和測(cè) 量的可重復(fù)性便成為了評(píng)價(jià)檢測(cè)方法的重要指標(biāo). 為驗(yàn)證本研究提出的檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)的可重 復(fù)性,進(jìn)行了可重復(fù)性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)對(duì)象為166個(gè)志 愿者,其中男84人,女82人,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下 對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行4次PwV測(cè)量.實(shí)驗(yàn)證明,即使波 足特征不明顯,通過本方法也可以很好地提取波速 參考點(diǎn),并不影響irv的計(jì)算精度. 定義4次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值之比為偏差 率,越小說明測(cè)量的可重復(fù)性越好.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的 偏差率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分為三個(gè)年齡組: (1)20～59歲年齡組,共46人,其中男19人,女 27人; (2)60～69歲年齡組,共56人,其中男2

20、9入,女 27人; (3)70～89歲年齡組,共64人,其中男36人,女 28人. 各年齡組Ir,r偏差率的具體分布情況見圖3 ～ 圖5,總體偏差率的分布見圖6. 從檢測(cè)結(jié)果(圖3～圖5)可以看出,各年齡組 岡Irv檢測(cè)的偏差率分布趨勢(shì)相同,主要分布在0.03 以下,其次是0.03～0.05;從總體檢測(cè)情況來看, 岡Irv測(cè)量的總體偏差率主要分布在0.03以下,偏 06o0 0.5o0 040o 0.300 O.2oo 0lo0 0O00 <0030.03~o050.05~oI pwv偏差事 圖3PWV檢測(cè)偏差率分布(20—59歲年齡組J Fig

21、.3ThedistributionofPWVdeviationratio(20—59 agegroupJ <003003~o05005-0l 'pwv偏差事 圖4PWV檢測(cè)偏差率分布(6o一躑歲年齡組) Fig.4ThedistributionofPWVdeviationratio(6O一69 agegroupJ O7o0 06o0 O5o0 04o0 零 筮O3o0 02o0 O10o 00o0 <003003-005005-0l PWV偏差事 圖5PWV檢測(cè)偏差率分布(70—89歲年齡組J Fig.5ThedistributionofPⅥr

22、,,deviationratio(70—89 agegroup) 差率在0.05以下的樣本數(shù)約占總樣本數(shù)的90%. 由于人體是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的時(shí)變系統(tǒng),不同時(shí)刻測(cè) 得的Irv值不僅與血管壁本身的物理性質(zhì)有關(guān),還 與被測(cè)者當(dāng)時(shí)的情緒以及血管壁周圍組織,神經(jīng),肌 肉的狀態(tài)有關(guān),這使得PWV不是一成不變,而是在 咖啪徹徹枷姍瑚咖 OOOOOOOOOO 翠筮 3期李婷等:基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究 07o0 06O0 05o0 墨04o0 03o0 02o0 0lo0 0Oo0 <003003~o05005--4)l PWV偏差率 圖6

23、PWV檢測(cè)的總體偏差率分布I男84人.女82人) Fig.6ThetotaldistributionofP,)'r,,deviationratio(84 menand82women) 一 個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng),因此,本方法對(duì)PWv的檢測(cè)結(jié) 果比較真實(shí)地反映了血管的彈性程度,且檢測(cè)的可 重復(fù)性基本滿足臨床檢測(cè)的要求. 4結(jié)論 PWv是評(píng)價(jià)血管彈性程度的重要指標(biāo),本研究 提出了根據(jù)脈搏波前沿升支內(nèi)斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù) 和位置確定惟一波速參考點(diǎn)的算法.實(shí)驗(yàn)證明,該 算法在波足特征不明顯的情況下也能很好地確定惟 一 波速參考點(diǎn),PWV計(jì)算結(jié)果能夠反映血管的彈性 程度,基本滿足臨床檢

24、測(cè)的需要. 參考文獻(xiàn) 柳兆榮,李惜惜.血液動(dòng)力學(xué)原理和方法[M].上海:復(fù)旦大 學(xué)出版社.1997.179—180. J0hnl(J,LiYingzhu,DoreneO'Hara.Highpulsewavevelocityin hypertensivesareassociatedwitllincreasedvascalarstiffnessand waverdloctions[J].AJH,1998,11(4):161A. WomersleyJ.Mathematicaltheoryofoscillatingflowinallelastic tube[J].JPhysiol,19

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