体位对桡动脉脉搏波影响的量化分析

张欠欠，徐礼胜,2，柴蕊，王宇，刘纪红

1.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学教育部医学影像计算重点实验室，辽宁沈阳 110819

体位对桡动脉脉搏波影响的量化分析

张欠欠1，徐礼胜1,2，柴蕊1，王宇1，刘纪红1

1.东北大学 中荷生物医学与信息工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学教育部医学影像计算重点实验室，辽宁沈阳 110819

目的揭示和量化分析体位变化对男性和女性桡动脉脉搏波的影响。方法选择20名健康学生，采用双路脉搏信号采集设备，分别测量受试者在0度、45度、90度倾斜床上的桡动脉脉搏波，并计算其基本的血流动力学参数和相应的双弹性腔模型参数。采用配对t检验分析比较了不同体位下男性和女性的血流动力学参数。结果随着体位的升高（即受试者随倾斜床坐0度到45度再到90度的变化）男性和女性的心率（HR）和心内膜下心肌活力率（SEVR）均显著变大（P＜0.05）；男性和女性的桡动脉下降时间（Tdown）显著减小（P＜0.05）；其他血流动力学参数随体位变化不显著（P＞0.05）；随着体位的升高男性和女性的主动脉顺应性（C1）和腹主动脉顺应性（C2）变小、外周阻力（R）变大。男性和女性的HR、R、u-Lratio具有统计学差异（P＜0.05）；男性和女性的K值、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、C1、C2没有统计学差异（P＞0.05）。结论体位变化对桡动脉脉搏波存在明显影响，且对男性和女性血流动力学参数的影响有差异，应引起临床重视。

体位；桡动脉；双弹性腔模型；血流动力学参数

0 引言

脉搏波中包含了心血管系统的大量生理、病理信息[1]。桡动脉是人体浅表动脉中的一根，相对于其他部位的脉搏波，桡动脉脉搏波的检测比较方便[2]。桡动脉脉搏波的信息在一定程度上也可以反映出人体的某些生理、病理特征，因此不论是中医的切脉或是西医的心血管参数的无创检测，经常是在桡动脉处获取信息[3-4]。目前国内外已做了大量相关研究，发现体位改变能对人体血压、脉搏及血液成分造成影响[5-8]。弹性腔模型可以有效估计人体的血流动力学参数（血流惯性、外周阻力、主动脉顺应性C1和腹主动脉顺应性C2），动脉顺应性可以反映动脉管的弹性状态、外周阻力是反映血管微循环通畅程度的定量指标、血流惯性对主动脉的开放状态有影响[9]；波形参数（K）可连续且独立地预测心血管疾病[10]、降中峡幅度与主波幅度比值（LM-Pratio）反映外周阻力高低、重搏波波幅与主波幅度比值（dAI）反映动脉顺应性与主动脉瓣功能[11]、脉搏起始点到降中峡的时间（TLEVT）对应左心室收缩期可反映心脏病变程度[12]、桡动脉上升时间（Tup）为压力波形的起始点到最大峰值[13]、桡动脉下降时间（Tdown）为压力波形的最大峰值点到下一波起始点、桡动脉压上升时间与下降时间比值（u-dratio）和桡动脉压上升时间与脉搏波起点到降中峡的时间比值（u-Lratio）可以反映一定的脉象信息、心内膜下心肌活力率SEVR可评估心肌灌注与左心负荷供需平衡状态[14]，这些参数都是反映人体血管功能的重要指标。本文结合多血流动力学参数和双弹性腔模型综合分析体位变化对桡动脉脉搏波的影响，对不同体位下的心血管功能状态做出更全面的评价，对临床正确测量脉搏波提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料

数据来源于健康在校大学生并自愿接受数据采集者20名（男性10名，女性10名），整体上男性和女性年龄无差异（P＞0.05），男性和女性的身高、体重、BMI值均有差异（P＜0.05）。受试者基本资料见表1。

表1 数据统计（±s）

表1 数据统计（±s）

男女P样本量 (例) 10 10年龄 (years) 24.37±1.75 24.36±1.21 0.999身高 (m) 1.76±0.17 1.61±0.05 0.000体重 (kg) 68.77±7.43 52.32±5.44 0.000 BMI (kg/m2) 22.28±2.21 20.05±1.58 0.018

1.2 研究方法

所有受试者采用心电信号和双路脉搏信号采集系统，其采样频率为1150 Hz。由同一人员操作，数据统一在（18:00～20:00）时间段内采集。测量期间脉搏信号采集系统的压力传感器绑于受试者右手腕桡动脉处，实验室保持安静状态，以排除环境对桡动脉波形的影响及干扰。具体流程如下：首先受试者保持放松状态平卧于倾斜床上5 min，调节压力传感器上压力使桡动脉脉搏波的幅值最大，准备好后开始采集数据，采集时间为1 min。然后将倾斜床角度调整为45度，身体姿势调整好后保持45度休息5 min，将测量手臂自然放于倾斜床上，操作同平卧状态，采集并保存数据。最后将倾斜床角度调整为90度，步骤同上。每个受试者连续测量数据5次，间隔10 min，共得到15组数据。随体位变化一次数据采集过程见图1，体位1、2、3分别表示受试者位于0度、45度、90度的倾斜床上。

图1 随体位变化的数据采集过程

1.3 弹性腔模型

为了对血管体系中的血液流动进行定量分析，人们常常根据血管中血液流动的特性建立简化的分析模型，而弹性腔模型便是这些分析模型中最直观简单，也是最早发现的一种[15-17]。

早在18世纪，著名英国生理学家黑尔斯第一次提出弹性腔模型理论。在1989年Beyer等[18]提出来的模型中用单弹性腔来模拟动脉系统，即将大动脉看作一个弹性腔。由于简单的Windkessel模型没有考虑到小动脉和毛细血管的弹性，以及舒张期出现的脉搏波的一些特征如潮波、重搏波等问题，没有准确地将动脉波的波形细节描述出来。于是双弹性腔模型理论在1967年被美国科学家戈特温和瓦特共同提出，两个腔室分别代表主动脉及其主要分支，C1和C2分别表示其顺应性，连接两腔体的血柱L表示血液的惯性，外周阻力R表示外周血管的总阻力[19]。根据质量守恒定律和动量守恒定律，对双弹性腔模型建立微分方程如下[20]：

其特征方程为：

此处本文基于双弹性腔模型，通过对20名受试者在不同体位下的实测脉搏波数据进行参数辨识，得到不同体位下的模型参数R、C1、C2。

2 结果

2.1 定性分析法

观察实验采集的20名受试者的脉搏波形可得出，不同体位下脉搏波的形态学变化主要体现在潮波的明显程度上。本文根据潮波的明显程度将实测脉搏波在形态学上分为两种类型[21]，类型I：主要表现为主波和重搏波；类型II：主波后的潮波十分明显，主波、潮波和重搏波三个波峰成阶梯状。20名受试者中12（8名男、4名女）名受试者的桡动脉脉搏波形为类型I，8名受试者（6名女、2名男）名受试者的桡动脉脉搏波形为类型Ⅱ。两种类型的实测脉搏波形见图2。

从波形上分析20名志愿者的桡动脉脉搏波可以发现：类型I的志愿者的桡动脉脉搏波随着体位的变化其波形变化不明显。类型Ⅱ的志愿者的桡动脉脉搏波随着体位的变化其波形变化明显，其变化主要体现在潮波上。0度体位下潮波十分明显，主波、潮波和重搏波呈阶梯状；45度体位下潮波变得不明显但是也能看出潮波；90度体位下主要表现为主波和重搏波，潮波消失。两种类型的桡动脉脉搏波波形随体位的变化见图3。

图2 两种实测桡动脉脉搏波形类型

图3 三种体位下两种类型的桡动脉脉搏波波形变化

2.2 定量分析法

根据桡动脉脉搏波形分别计算出3种体位下志愿者（女性F，男性M）的基本血流动力学参数（HR、K、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、u-Lratio）。 用柱形图直观表示参数变化趋势，见图4。结果显示：随着体位的升高男性和女性的HR、K值、Tup、Tdown、TLVET、SEVR、dAI、u-dratio、u-Lratio变化趋势相同。男性和女性的LM-Pratio变化趋势差异大。

用非线性最小二乘算法对实测脉搏波数据进行辨识得到动脉系统的血流动力学参数（R、C1和C2）。由于表征血液惯性的L对脉搏波形的影响很小，所以本文设定L为0.025不变[20]。参数采用±s表示。统计分析结果表明随着体位的升高男性和女性的弹性腔模型参数C1和C2均减小、外周阻力R增大（表2）。

采用SPSS 11.9统计分析软件。对男性和女性桡动脉脉搏波计算的同一血流动力学参数进行配对t检验，其结果见表3。男性和女性的参数比较，HR、u-Lratio、R均具有统计学差异（P＜0.05）；男性和女性得其他血流动力学参数K、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、C1、C2没有统计学差异（P＞0.05）。

3 讨论

本研究中，首先通过实验法获得不同体位下桡动脉脉搏波波形并计算实测波形的基本血流动力学参数；然后通过双弹性腔模型，对不同体位下实测的桡动脉脉搏波拟合并计算弹性腔模型参数；最后经统计分析得出受试者体位的变化对桡动脉脉搏波有明显的影响，具体影响如下：

（1）分析实测波形基本的血流动力学参数，结果显示体位变化对桡动脉血流动力学参数有如下影响：随着体位的升高男性和女性的心率（HR）、心内膜下心肌活力率（SEVR）均变大；桡动脉压上升时间（Tup）、下降时间（Tdown）、脉搏波起点到降中峡的时间（TLVET）均减小；男性和女性的降中峡幅度与主波比值（LM-Pratio）变化趋势的不同可能受到脉搏波类型的影响。而u-Lratio和u-dratio随体位变化均变大说明随体位的变化桡动脉压周期的减小主要体现在Tdown和TLVET上。

图4 基本血流动力学参数变化

表2 弹性腔模型参数变化（±s）

表2 弹性腔模型参数变化（±s）

参数 女性男性0度 45度 90度 0度 45度 90度C1(mL/mmHg) 0.661±0.295 0.593±0.282 0.496±0.223 1.259±0.525 0.764±0.282 0.628±0.233 C2(mL/mmHg) 0.115±0.061 0.077±0.038 0.061±0.031 0.209±0.061 0.096±0.014 0.075±0.013 R (mmHg.s/mL) 1.478±0.713 1.761±0.647 1.870±0.688 0.603±0.209 1.009±0.073 1.158±0.083

表3 男性、女性计算的血流动力学参数配对t检验分析

（2）分析弹性腔模型参数，结果显示体位变化对弹性腔模型参数有如下影响：随体位升高，主动脉顺应性（C1）和腹主动脉顺应性（C2）变小、外周阻力（R）变大。平均压升高可以影响R升高[22]，所以这种变化可能与血压的变化有关。

（3）通过对男性和女性的血流动力学参数进行相关性和配对t检验分析，结果如下：男性和女性二者HR、R、u-Lratio具有统计学差异（P＜0.05）；其他参数不具有统计学差异 （P＞0.05）；这些分析说明男性和女性群体虽然有很多相同之处但也存在差异。

致谢

该项目得到国家自然科学基金项目（61374015；61202258）；辽宁省自然科学基金项目（201102067）；教育部博士点基金项目（20110042120037）；中央高校基本科研业务费N110219001，N130404016）的支持。

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Quantitative Analysis of the Infuence of Body Position on the Radial Pulse Wave

Objective To reveal and quantitatively analyze the infuence of postural changes on male and female radial pulse wave. Methods 20 healthy students were enrolled in this study to collect their radial pulse wave by using dual pulse signal acquisition equipment at the tilting bed with 0 degrees,45 degrees,90 degrees;and then,the basic hemodynamic parameters and the model parameters on dual Windkessel model were calculated. The hemodynamic parameters of male and female were analyzed and compared by pairedt-test. Results The results showed that with the increase of body position (The subject along with tilt bed-from 0 degrees to 45 degrees and then to 90 degrees)both male and female heart rate (HR) and sub-endocardial myocardial viability rate (SEVR) were signifcant increased (P＜0.05);radial artery pressure full time (Tdown) was signifcant decreased (P＞0.05),however,other hemodynamic parameters did not change signifcantly with body position (P＞0.05);both arterial compliance (C1) and abdominal aortic compliance (C2) became smaller with the increase of body position in male and female,peripheral resistance (R) became larger. HR,R,u-Lratioof male and female have statistical difference （P＜0.05）;there were no statistically signifcant differences inKvalue,Tup,Tdown,TLVET,LM-Pratio,dAI,SEVR,u-dratio,C1and C2between males and females (P＞0.05). Conclusion Body position has an obvious infuence on radial artery and there are differences between male and female hemodynamic parameters,which should be paid more attention in clinic.

body position;radial artery;dual Windkessel model;hemodynamic parameters

ZHANG Qian-qian1,XU Li-sheng1,2,CHAI Rui1,WANG Yu1,LIU Ji-hong1
1.Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University,Shenyang Liaoning 110819,China;2.Northeastern University Key Laboratory of Medical Image,Shenyang Liaoning 110819,China

TP274;R54

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.005

1674-1633(2016)09-0019-05

2016-08-26

国家自然科学基金项目（61374015；61202258）；辽宁省自然科学基金项目（201102067）；教育部博士点基金项目（20110042120037）；中央高校基本科研业务费N110219001，N130404016）。

徐礼胜，博士生导师；研究方向：生物医学信号处理。

通讯作者邮箱：xuls@bmie.neu.edu.cn