心电图R波法与生物雷达法测量脉搏波传导时间的对比研究

拜 军，梁 忠，张保华，黄海涛

（陆军第九五二医院，青海格尔木 816000）

0 引言

心脏搏动引起动脉血管规律性扩张和收缩，脉搏波是这种生理活动沿动脉随血流向外周血管传播而形成的波动[1]。脉搏波传导时间（pulse wave transit time，PWTT）是指脉搏波在动脉血管两点间传导所需要的时间。PWTT取决于动脉血管壁弹性、厚度及管腔直径、血液黏稠度等物理、生理和几何特性[2]。动脉僵硬度（arterial stiffness，AS）是衡量动脉粥样硬化的亚临床期生物标志[3]，是心血管病变的重要指标，而人体颈-股间PWTT为评价AS的金标准[4]。

PWTT作为重要的生理参数，临床上常用的提取方法是心电图（electrocardiogram，ECG）R波法[5]，该方法以ECG R波峰值为起始时刻，指尖或股动脉处采集到的脉搏信号波峰为终止时刻，2个时刻的时间差即为PWTT。但通过该方法获得的PWTT存在以下2点不足：（1）所得结果包含了射血前期（preejection period，PEP）的一段时间[6]；（2）对于胸腹部严重烧伤患者、精神疾病患者及传染病患者而言，贴敷电极产生诸多不便，甚至无法实现。

生物雷达技术是一种新型的非接触探测技术，主要用于生命信息（呼吸、心率、血流与肠蠕动等）的检测。该技术在信息提取时无需任何电极或贴敷式传感器，可间隔一定距离穿透非金属介质提取生理信号。生物雷达技术广泛应用于军事医学、灾害医学及城市反恐等领域[7]，已成为生物医学工程领域的研究热点。本研究基于生物雷达技术采用一种非接触的方法准确捕捉主动脉瓣开放时间点，获得无PEP干扰的PWTT，实现特殊情况下非接触信号的采集及参数分析，通过与传统ECG R波法对比来验证该方法的可行性和优势。

1 硬件平台搭建

本研究使用多导生理记录仪，采用多接口多通道同时采集的方式进行。信号输入端共有4路，包括ECG通道、生物雷达通道、指尖脉搏通道和呼吸绑带通道，多导生理记录仪采集到以上4路信号并经过处理后，在计算机端进行分析。

多导生理记录仪为ADInstruments公司PL35161P型16/35生理记录仪，最大采样率可达40万点/s，有螺母连接器（bayonet nut connector，BNC）单端输入以及差分输入接口可供选择，16位模拟数字转换，内置数字模拟通用放大器和ECG心电放大器，USB连接接口可与计算机连接。生物雷达运行频率24 GHz、功率10 mW、波束宽度±6°，ECG采集使用Ⅱ导联法，呼吸绑带为胸腹带拉力式传感器，指尖脉搏传感器为高灵敏压力传感器，数据处理平台为MATLAB，统计分析使用MedCalc软件。

2 同步性测试

查阅PL35161P型生理记录仪使用手册可知，ECG通道、指尖脉搏通道、呼吸绑带通道3个接触式通道具有较强的同步性，因此实验前需要对非接触式生物雷达通道与其他接触式传感器通道中的某一通道（本研究选用呼吸绑带通道）采集到的信号进行对比测试，以检验各通道信号是否具有可靠的同步性。

同步性测试实验对象为1名28周岁的健康男性（体质量68 kg，平均心率80次/min），测试中实验对象为坐姿，正常呼吸，生物雷达放置距腹部正前方0.5 m处，信号通道选用生物雷达通道（非接触式）和呼吸绑带通道（接触式），采样频率均为1 kHz。采集的信号为人体呼吸信号，在MATLAB上做相关分析以及相位差估算。

2路信号可以用以下公式表示：

式中，f1为信号基波频率；Ai和Bi为信号幅值；αi和βi为相位；P为谐波次数。2路信号的相位差为αi-βi，加窗后可得：最终可得相位差为

式中，X1Im、X2Im、X1Re、X2Re分别为信号1傅里叶变换后的虚部、信号2傅里叶变换后的虚部、信号1傅里叶变换后的实部、信号2傅里叶变换后的实部。

图1、2分别为生物雷达通道、呼吸绑带通道采集的信号及频谱分布。如图1～2所示，该频谱中得出呼吸间隔时间为0.25 s，呼吸率为15次/min（0.25×60）。通过分析计算，所获得两通道信号的相关系数为0.998 6。

图1 生物雷达通道采集的信号及频谱分布

如图3所示，对比2路信号的基波、一次谐波及三次谐波的相位差，相位差的绝对值均在0.05°以下，根据PWTT误差允许值Δtmax为1 ms，信号频率f约为0.25 Hz，可得周期T为4 s，相位角允许最大误差Δθ为

图3 相位差分布图

图2 呼吸绑带通道采集的信号及频谱分布

综上，对于同一测试对象，通过生物雷达通道（非接触式）和呼吸绑带通道（接触式）采集到的呼吸信号具有较强的相关性（相关系数为0.998 6）和较小的相位误差（相位差为0.09°），说明该平台符合同步性要求。

3 ECG R波法与生物雷达法对比实验

3.1 信号处理方法

对比实验中提取的数据采用小波变换，以Daubechies小波作为小波基分别对ECG信号中的R波、生物雷达信号中的波峰值和指尖脉搏信号的峰值进行提取，图4～6分别为ECG通道信号、指尖脉搏通道信号、生物雷达通道信号及小波重建后的波形。

图4 ECG通道信号及小波重建后波形

3.2 对比实验

实验对象共计4人，男、女各2名，年龄在25～30岁，基本信息与生理参数详见表1。

图5 指尖脉搏通道信号及小波重建后波形

图6 生物雷达通道信号及小波重建后的波形

表1 对比实验对象基本信息与生理参数

对比实验选择系统中的1～4全通道，其中第4通道（呼吸绑带通道）为参考信号，用来观察实验对象呼吸状态（判别屏气或正常呼吸），为截取数据段提供参照。实验对象为坐姿，背对生物雷达传感器，雷达距离人体背部0.5 m，与心脏同高，同时连接ECG导联、指尖脉搏传感器和呼吸绑带传感器，如图7所示。

图7 传感器连接实景图

对比实验开始后，实验对象尽量保持身体静止并处于自主呼吸的状态，待信号平稳后屏住呼吸，此时生物雷达采集到的信号去除了呼吸信号的干扰，然后对该段四通道信号进行分析。

对图8所示数据进行滤波和小波处理，获得生物雷达信号、ECG信号和指尖脉搏信号峰值点并进行PWTT计算。PWTTECG为基于ECG R波法测得的PWTT，即ECG信号峰值与指尖脉搏信号峰值对应时间差（如图9中的T1）；PWTTBioR为基于生物雷达法测得的PWTT，即生物雷达信号峰值与指尖脉搏信号峰值对应时间差（如图9中的T2），T1-T2即为PEP。PEP又叫张力期[8]，是心室非同步性收缩的时间，该指标是标识左心室功能的重要指标之一，PEP会因人体服用某些药物而发生改变。图9为基于2种方法测量PWTT示意图。图10为实验测得基于ECG R波法及生物雷达法的PWTT分布曲线。

图8 四通道采集信号

图9 生物雷达信号、ECG信号及指尖脉搏信号三通道波形重叠图

图10 基于ECG R波法和生物雷达法获得的PWTT分布曲线

在非连续屏气的前提下获得多段数据，然后对计算所得的PWTT进行Bland-Altman一致性分析，如图11所示。在临床实验中，Bland-Altman法[9]常用来对2种检测系统所得到的结果进行一致性评价，依此对结果的一致性、等价性及可交换性进行验证。如图11（c）所示（实验对象3的数据），PWTTECG和PWTTBioR数据的Bland-Altman一致性分析显示：2组信号具有较高的一致性，最大差值为0.061 s，平均差值为0.055 s，其中98.41%的点均分布在区间内，其余3名实验对象分析结果如图11（a）、（b）、（d）所示。根据差值可以看出，2种方法获得的3名实验对象的PWTT均具有较高的一致性。

图11 4名实验对象的PWTTECG和PWTTBioR Bland-Altman一致性分析结果

4 结语

基于生物雷达技术提取的PWTT与传统ECG R波法所获得的数据具有较高的一致性。生物雷达技术由于其非接触、远距离测量的特点，为临床生理信号在特殊环境下（烧伤、传染、战场[10]等）的采集提供了一种有效手段[11-12]。同时，由于信号发生原理的不同，基于生物雷达技术提取PWTT还有效地去除了PEP的干扰，测量所得数据较传统ECG R波法更为准确。实验虽然得到了较为理想的结果，但是存在诸多不足：首先，由于生物雷达信号中呼吸信号的强干扰加之心跳呼吸混合信号分离技术的局限，对比实验采用屏气多段采集的方式，对测试者存在一定的呼吸限制，下一步需深入研究信号分离技术，有效剥离噪声干扰；其次，本研究样本量较少而且均为年轻健康人群，在以后的研究中，需加大样本量、丰富样本多样性并扩大年龄覆盖范围，从而得到更广泛的数据支持。相信随着电磁技术和数据处理技术的不断发展，生物雷达技术将会在生物医学研究领域发挥更大的作用。