基于脉搏波波形特征参量的成年男性血管年龄预测模型

王琳琳，王 磊，张晓阳，李 倩，张文露

（中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津 300192）

0 引言

当今社会处于高压力、快节奏的环境中，猝死现象越来越频繁，并且呈现年轻化趋势，年轻人因长时间加班、过度劳累、应酬、酗酒及吸烟极易引发猝死。心脏性猝死是猝死的主要原因，约占所有心血管病死亡的50%[1-2]，数据显示，我国每年死于心脏性猝死的人数近55万[3]。心脏性猝死发病突然，难以预料，是心血管病的灾难性后果。张新超教授提出，心脏性猝死的最佳预防措施是将注意力放在心血管疾病的防治工作上[1]。但目前我国心血管病防治工作仍面临严峻挑战，心血管疾病患病率及死亡率总体上仍处于上升阶段[4]。2004年至今，我国心脑血管病住院费用年均增速远高于国内生产总值增速，带来不小的社会和经济负担[4-6]。因此，对心血管疾病的预防和保健护理工作显得尤为突出，防治心血管疾病刻不容缓。

心血管疾病的危险因素包括高血压、吸烟、血脂异常、糖尿病、肥胖、代谢综合征以及膳食的合理与否等，此外，心血管疾病还与环境因素有关[4，7]。但上述固定因素无法实现长期实时监控心血管疾病患病风险。然而，由于缺乏针对不同人群的既定正常和参考值，血管评估的广泛实施受到了阻碍[6]。目前主流的心血管评估模型为Framingham 10年心血管疾病风险预测模型，但该模型尚缺乏无创血管指标的指导作用[8-9]，因此开发出无创、准确和有效的心血管疾病预测模型很有必要。

研究表明，脉搏波蕴含丰富的心血管生理病理信息[10]，在预防情况下，通过脉搏波分析可以检测早期动脉僵硬度，加上适当的干预可以停止甚至逆转动脉硬化[11]。作为心血管病发病率和死亡率的独立预测因子，动脉僵硬随着人衰老程度的增加而增加[5]，因此，年龄是心血管疾病和死亡率的主要危险因素。为了寻找与心血管疾病的相关因素，本研究利用脉搏波数据采集模块（天津惊帆科技有限公司）采集人体指端的脉搏波并提取其波形参数，分析脉搏波波形参数随年龄的变化趋势，并建立有效的血管年龄预测模型，为血管评估的广泛实施提供基础。

1 方法

1.1 数据采集

采集不同年龄段的健康人的脉搏波数据，受试者均为男性，无心血管疾病，其肱动脉血压以均值±方差的形式呈现在表1中，其中血压的测量方式采用袖带加压式。每个年龄段采集50个样本，每个样本包含30 s的脉搏波信号。本研究所采用的脉搏波采集模块为天津惊帆科技有限公司生产的蓝牙指夹式脉搏信息采集器，输出信号为两路脉搏波，采样频率为100 Hz，分别由波长为905 nm的近红外光和650 nm的红光产生，采集模块如图1所示。受试者在被采集过程中，呈坐姿、静息状态，手指自然平放于桌面，与心脏水平。

表1 受试者血压信息

图1 脉搏波采集模块

1.2 脉搏波波形参数的提取

脉搏波的形成与动脉系统和心脏有很大的相关性，脉搏波传播速度、血管阻力、心率等对脉搏波形成有决定性的影响[12]。脉搏波的形态、强度、速率与节律等方面的综合是评价人体心血管系统生理、病理状态的重要依据[13]。

脉搏波的时域特征包括幅度特征、时间特征、面积特征等。其中幅度特征主要包括主波高度、重搏波高度等，时间特征主要包括主波上升时间、收缩期时间、舒张期时间等，面积特征主要包括收缩期面积、舒张期面积以及波形系数等[10]。

本研究编制MATLAB程序实现自动提取脉搏波的相关波形参数，包括周期内总搏动时间、流入时间和流出时间（又称为收缩期上行时间和舒张时间[14-15]）、快速流入时间、流入时间占比及波形系数。各指标的定义如下：

（1）总搏动时间：脉搏波上升支开始至下降支结束的时间，以s为单位。

（2）流入时间：从基线上升到最高波幅的时间，以s为单位。

（3）流入时间占比：以流入时间占整个心动周期的百分比表示。提示心脏收缩后使血管扩张到最大程度的时间，反映心脏收缩时动脉扩张的速度。

（4）流出时间：反映心脏舒张时动脉收缩的速度。定义为由第一峰下降到下降支所需的时间。

（5）快速流入时间：从波形的起点到上升支转折点所需的时间，以s为单位，反映血管快速充盈时间[16]。

（6）波形系数（K值）：以脉搏波波形面积的变化为基础的脉搏波波形特征量[17]，其定义为

脉搏波波形及各参数含义说明如图2所示。

1.3 统计分析

数据以平均值±标准差表示。通过MATLAB中的ANOVA1命令对流入时间、快速流入时间、流入时间占比、流出时间、总搏动时间和波形系数在6个年龄段（20～30、＞30～40、＞40～50、＞50～60、＞60～70、＞70～80岁）之间的差异进行显著性分析，P<0.05认为差异有统计学意义。采用逐步回归分析的方法建立年龄与脉搏波无创指标之间的关系，以建立血管年龄预测模型。

图2 脉搏波波形及各参数含义示意图

2 结果

2.1 统计学结果

用相关系数矩阵的方法选择每个个体30 s脉搏波序列中的一个波形周期，提取其波形特征参量作为该被试个体脉搏波波形参量指标的总体水平，将每个年龄段的50个个体的特征以均值±标准差的形式绘制在图3的6个子图中，每个子图代表一种波形参数随年龄的变化趋势。

图3 脉搏波波形参数特征随年龄的变化趋势

图 3（a）～（c）显示，随着年龄的增长，流入时间、快速流入时间和流入时间占比这3个指标呈稳定上升的趋势；图 3（d）、（e）显示，波形系数、总搏动时间随年龄的增长无较大波动；图3（f）显示，流出时间随年龄的增长基本没有变化。

对各波形参数指标用MATLAB中ANOVA1命令进行显著性分析，结果显示，流入时间、快速流入时间和流入时间占比3个指标的P值均小于0.000 1，波形系数和总搏动时间的P值均小于0.05，流出时间的P值大于0.05。提示随着年龄的增长，流入时间、快速流入时间和流入时间占比存在显著性差异，总搏动时间和波形系数存在较小差异，流出时间随年龄增长无明显差异。

研究表明，流入时间和流出时间在一定程度上受心率的影响[14]。为了明确流入时间和流出时间受心率影响的程度，本研究利用实验所采集的不同年龄段健康人的脉搏波数据，求解了流入时间、流出时间和心率的Pearson相关系数矩阵，结果见表2。

表2 流入时间、流出时间与心率的相关系数矩阵

由表2可以看出，流出时间受心率影响较大（相关系数-0.832，极强相关），即心率较为缓慢时，流出时间相应较长，二者有较为密切的相关性；而流入时间则受心率影响较小（相关系数-0.503，中等程度相关），验证了文献[16] 对于流出时间受心率影响、流入时间几乎不受心率影响的定义。流入时间与流出时间的相关系数为-0.008，二者几乎没有相关性。

2.2 血管年龄拟合模型

为了得出年龄与脉搏波波形参数之间的关系，采用逐步回归分析方法确定最终影响年龄的脉搏波波形参数，回归结果以流入时间为自变量，年龄作为因变量，拟合出年龄随脉搏波波形参数变化的一元线性回归曲线（如图4所示），回归方程（R2=0.932 1，P=0.001 8）如下：

图4 年龄随流入时间变化的一元线性拟合曲线

本研究所采集人群为未曾患过心血管疾病的健康人，可认为其实际年龄近似等于血管年龄，因此可将上述年龄随流入时间变化的回归方程[公式（2）] 作为血管年龄的预测模型。该血管年龄预测模型的使用步骤如下：

（1）将一个人的脉搏波流入时间输入到上述血管年龄预测模型中，得到计算的血管年龄（以下简称“血管年龄”）。

（2）将血管年龄与实际年龄对比，若实际年龄小于血管年龄，或血管年龄减去实际年龄的差值小于5岁，则说明该个体的血管目前正处于健康状态，或相对同龄人健康；否则说明该个体的血管相较于同龄人老化程度更高。

2.3 模型验证

动脉硬化是导致脉压增大的重要因素之一，脉压的增大反过来又会加速动脉硬化，二者相互影响形成恶性循环[18]。实验测试了数名高血压患者的脉搏波流入时间，代入上述模型中，其结果以及患者的血压基本信息见表3。经验证，高血压患者的血管年龄均大于实际年龄且差值大于5岁。

表3 高血压患者的血管年龄及血压情况

3 讨论

随着年龄的增长，中心动脉的长期搏动会导致弹性蛋白纤维疲劳和断裂、血管钙化和内皮功能障碍增加，导致动脉血管壁逐渐硬化、老化，表现为管腔增大、管壁增厚、血管弹性降低、动脉硬化程度加大和血管振荡特性的改变[19]，亦可导致脉搏波速度、收缩压和脉压增加。同时，血管老化是动脉粥样硬化、冠状动脉疾病、中风和心力衰竭等心血管疾病的独立危险因素[20]。

围绕与年龄相关的心血管无创指标，研究者不断探索。脉搏波波速（pulse wave velocity，PWV）被广泛应用于动脉硬化程度的检测，研究表明[21-22]，性别、年龄和血压是各节段PWV最重要的独立相关因素，其中，颈-股动脉脉搏波波速（cfPWV）[8]、肱-踝脉搏波波速（baPWV）[19]随着年龄的增长而增加。Luca等收集了不同年龄段的PWV的数据，并将PWV随年龄的变化关系拟合了三阶曲线[22]。另外，通过超声检测到的颈动脉内膜中层厚度（intima media thickness，IMT）随年龄的增长有稳定的上升趋势，已被证明是不良心血管事件的独立预测因子[8，23]。脉搏波的波形特征[13，24-25]如波形升支延缓时间、反射波发生时间、颈动脉峰值等与年龄有紧密的相关性，被广泛应用于心血管质量的无创检测研究。

本研究结果显示，随着年龄的增长，脉搏波波形参数中快速流入时间、流入时间和流入时间占比有稳定的上升趋势。由于三者均反映心脏射血期的泵血能力和血管的紧张程度，提示随着年龄的增长，波形升支变缓、心室排血受阻，从而引发人的血管的弹性变差、僵硬度变高。研究表明[17]，波形系数是反映人体外周阻力、血管壁硬化程度的重要指标，而本研究对波形系数的分析结果表明，波形系数不随年龄的增长有较明显的波动，究其原因，研究者[17]通过改变血管动力学模型的参数的方法，观察到波形系数随心血管状况的不同呈现较大差异，其结果过于理想化；而本实验中采集的是不同年龄段的健康人，说明波形系数受年龄的影响小。对于总搏动时间，本研究只检测到了微小的上升趋势[图3（e）所示] ，说明随着年龄的增大，人的心动周期趋于缓慢，但这种变化并不明显。研究表明，流入时间和流出时间在一定程度上受心率的影响[14]。而本研究对比了流入时间和流出时间受心率影响程度的大小，结果表明，和流出时间不同，流入时间的长短几乎不依赖于心率的快慢，可作为血管状况的独立评判指标。

本研究分析了各个波形参数随年龄的变化情况，并建立了血管年龄预测模型，可正确验证高血压患者的血管情况。但该模型缺乏更多的临床数据验证，并且无创预测指标的数量过少，因此，对于未来的研究，考虑结合多个指标对比分析，并充分利用临床数据进行验证，逐步完善无创预测模型，达到有效预测心血管疾病的目的。

4 结语

随着年龄的增长，人的心血管变得越来越僵硬，血管弹性度会越来越低，一般情况下，血管的老化表现为弹性减弱，顺应性减小，僵硬度增大。为了研究脉搏波的波形参数与心血管疾病的相关程度，本研究分析了不同年龄段的健康人的脉搏波，提取其波形参数进行对比，包括流入时间、流出时间、快速流入时间、流入时间占比、总搏动时间和波形系数，发现随着年龄的增大，流入时间、快速流入时间和流入时间占比有上升的趋势，而流出时间、周期内总时间和波形系数在各个年龄段之间的差异不大。这表明血管质量受流入时间等3个指标影响较大，而与流出时间等3个指标的相关性不大。流入时间、快速流入时间和流入时间占比与血管质量的相关性较高，为血管质量的重要影响因素，可以作为预测心血管疾病的指标。