高血压患者与正常人的上下肢脉搏波特征差异分析

刘焕舒 张弛 刘小丽 焦以飞

0 引言

世界卫生组织公布的《高血压全球概要》显示，全球25岁以上人群中高血压的患病率超过40%，患病总人数约为10亿人，每年至少有940万人因高血压疾病及其并发症致死[1-2]。根据国家心血管病中心在2018年做出的中国心血管病报告提出，中国高血压患病率逐年递增，其中18岁以上人群中约有2.7亿人患有高血压疾病，患病粗率高达27.9%，控制率为8%[3]。高血压作为危害人类健康的主要慢性病之一，与其高患病率相对应的却是低治疗率和低控制率，因此如何提早发现、预防高血压的发生，已成为当前高血压研究领域的重要课题。

根据脉搏波的产生机制和传播方式，可以通过脉搏波的幅值、周期、频率、形态以及脉搏波传导速度等特征反映心血管方面的生理病理等综合信息[4]。因此可以通过脉搏波信号更深入地探寻人体血压的相关参数及有效信息。国内外研究显示，脉搏波时域特征参数能够较好地反映血压状态，脉搏波传导速度与血压之间具有正相关特性，表明了脉搏波特征与血压之间的关系[4-7]。

传统的与高血压有关的脉搏波数据检测分析集中在上肢数据，或者人体单点检测的脉搏波数据[8]。研究表明，传统测量的局限性小，不能完整客观地反映受试者的心血管状况[9]。如果没有检测到的部位首先出现动脉粥样硬化或狭窄，还没有涉及检测点，则容易出现高血压等心血管疾病的漏诊；如果刚巧只有检测到的部位出现动脉狭窄，则容易导致疾病的误判和过度诊治。而同时检测上下肢脉搏波信号，综合评定四肢的脉搏波状态，可以有效避免单点脉搏波分析的局限性及干扰因素的影响。而且通过左右两侧的上肢和下肢脉搏波信号的显著差异，可以研究上下肢外周血管方面疾病，也可以帮助治疗小面积的血管堵塞等问题[10-11]，更准确有效地预测和评价高血压等心血管疾病状况，为临床诊断提供更可靠的依据[12]。

目前的研究主要集中在上肢脉搏波采集，不涉及下肢部分，存在一定的局限性。而且研究主要是针对脉搏波特征与血压之间的关系，对于脉搏波特征之间的关系缺少比较和分析。为此本文拟在通过上下肢多点的脉搏波检测和分析，阐明与高血压相关的关键脉搏波特征参数，寻找脉搏波特征参数之间的关系，为高血压的无创监测技术提供有力参考，为高血压疾病的跟踪研究提供技术基础。

1 材料和方法

1.1 研究对象

选取50岁左右的高血压患者和正常人各20人作为研究对象。高血压患者的血压在140/90 mmHg以上，且临床诊断为原发性高血压。实验对象在实验前未服用治疗高血压的药物。

1.2 实验设备

麦邦MB3000动脉硬化检测仪。其具有四肢袖带，可以同时采集四肢的压力脉搏波。

1.3 实验条件

为保证实验的有效性，实验时间固定为上午9点到10点之间，实验环境安静，室温为20～26 ℃。

1.4 实验方法

对实验对象进行基本信息登记和测量，测量身高、血压和心率，记录年龄、性别及体重。实验对象休息5 min后开始实验，且全程保持仰卧静息状态。设备同时控制上肢的左右臂和下肢的左右踝四个位置袖带的充放气过程，通过气压传感器同步采集四肢的脉搏波数据和血压参数。持续采集脉搏波数据约5 min，并传输至计算机进行分析处理。

1.5 脉搏波特征的提取

为提取有效的脉搏波特征参数，选取实验对象连续5个稳定的脉搏波波形，对其进行信号处理：利用无限冲激响应(infinite impulse response,IIR)二阶低通滤波器去除高频干扰，采用单波判别法分离计算进行基线漂移的校正，选用三次样条插值法进行标准化归一化处理[13-16]。选取全面、直观、特征显著的特征参数：脉搏波时域特征参数[17](脉搏波特征参数K、收缩期特征参数K1、舒张期特征参数K2、主波宽度)、踝臂指数(ankle brachial index，ABI)和肱踝脉搏波传导速度(brachial ankle pulse wave velocity，baPWV)。

脉搏波特征参数可以描述脉搏波周期的脉图面积变化，从而反映脉搏波特性。一个完整脉搏波周期分为前后收缩期和舒张期两部分，以降中峡N点为分界点，如图1所示。因此通过脉搏波特征参数K、收缩期特征参数K1、舒张期特征参数K2三个参数可以完整直观地描述一个脉搏波周期状态[18]，通过式(1)～式(3)可以依次得到。主波是脉搏波周期中幅值最大且临床检测效果最好的峰值点，其研究较有意义。主波幅值大于等于最大幅值70%的时间点为主波宽度。

(1)

(2)

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图1 脉搏波波形Figure 1 Pulse wave waveform

ABI是足踝收缩压和肱动脉收缩压的比值[式(4)]，用来反映上肢和下肢动脉狭窄和动脉阻塞程度，正常值一般在0.9～1.3之间。出现下肢动脉狭窄或阻塞ABI将减小，其是判别下肢血管疾病和动脉硬化的重要临床指标，是早期检查动脉粥样硬化的适用方法[19]，其检测方式无创且简单，特异性强。

(4)

baPWV是动脉管系中肱动脉和踝动脉之间脉搏波的传导时间，反映肱动脉和踝动脉之间动脉管壁的情况，与血管弹性、血管容积、动脉血压之间存在一定相关性，是无创性检测动脉硬化程度常用的标准[20]。欧洲高血压学会和欧洲心脏病学会在高血压治疗指南里将脉搏波传导速度作为评价指标来使用。脉搏波传导速度不仅能在早期反应高血压、高脂血症、高血糖等各种危险因素对血管壁的损伤[21]，而且是各种中晚期心血管危险事件的独立观测因子。通过动脉血管的位置与身高的关系，可以计算得到距离差，从而可根据式(5)得到baPWV。

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1.6 评价指标及统计学分析

本文的评价指标为受试者的基本资料，以及提取的脉搏波特征参数，主要有K、K1、K2、ABI和baPWV。使用SPSS25.0软件对数据进行t检验、相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 基本资料比较

本研究一般资料见表1。其中高血压组与正常对照组的性别、年龄、心率、性别、身高、体重无统计学差异，高血压组的收缩压和舒张压均高于正常对照组，具有统计学意义(P<0.05)。

表1 正常组与高血压组基本信息对比Table 1 Comparison of basic information between normal group and hypertension group

2.2 高血压与正常组特征参数比较

2.2.1 baPWV

正常组与高血压组的baPWV见表2。由表可见，高血压组左侧和右侧baPWV均高于正常对照组，差异具有统计学意义(P<0.05)；但高血压组和正常对照的左侧和右侧baPWV之间的差异均无统计学意义(P>0.05)。以上结果表明，无论在高血压组还是对照组，左右两侧的脉搏波传导速度都没有差异；而高血压组的脉搏波传导速度显著高于对照组，说明高血压组的动脉硬化程度显著高于对照组。

表2 正常组与高血压组肱踝脉搏波传导速度对比Table 2 Comparison of baPWV between normal group and hypertension group

2.2.2 ABI

高血压组与正常对比组的双侧ABI见表3。由表可见，高血压组左、右侧ABI分别低于正常对照组左、右侧ABI，差异具有统计学意义(P<0.05)；高血压组和正常组的左侧和右侧之间的ABI差异无统计学意义(P>0.05)。ABI指数通常可以反映压力脉搏波传导到下肢的衰减程度，出现动脉硬化及狭窄会使压力脉搏波传导的衰减增大，ABI指数下降。从以上结果可以看出，高血压组左右两侧的ABI指数均较对照组减小，提示高血压组动脉硬化及狭窄程度增加。

表3 正常组与高血压组踝臂指数对照Table 3 Comparison of ABI between normal group and hypertension group

2.2.3 脉搏波时域特征参数

高血压组与正常对照组脉搏波时域特征见表4。由表可见，左侧和右侧上、下肢的脉搏波特征参数K、收缩期特征参数K1、舒张期特征参数K2、主波宽度的差异均具有统计学意义(P<0.05)；同组之间左侧与右侧差异无统计学差异(P>0.05)。表明正常人与高血压患者的上下肢脉搏波时域特征均存在显著的差异。

表4 正常组与高血压组脉搏波时域特征对比Table 4 Comparison of pulse wave characteristics in time domain between normal group and hypertension group

2.3 高血压和正常组特征参数的相关性分析

本文所提取的20个特征参数之间的相关性矩阵，如图2所示，红色表示正相关数值最大，蓝色表示负相关数值最大，白色为0。相关系数小于0.3为弱相关，在0.3～0.6之间为中等强度相关，大于0.6为强相关。

2.3.1 特征参数的左右相关性分析

如图2所示，左右肱踝脉搏波传导速度baPWV呈现强相关性。因此左肱踝脉搏波传导速度与右肱踝脉搏波传导速度具有可相互代替的可能性。左右踝臂指数ABI为弱相关，因此无法通过简单关系进行替代。左右上肢舒张期特征参数K2、左右下肢脉搏波特征参数K、左右下肢脉搏波主波宽度，3组参数呈现强相关性。左右上肢脉搏波特征参数K、左右上肢收缩期特征参数K1、左右上肢脉搏波主波宽度、左右下肢收缩期特征参数K1、左右下肢舒张期特征参数K2，5组左右参数呈现中等强度相关。因此具有左右侧可相互代替的可能性。

1—左baFWV；2—右baFWV；3—左ABI；4—右ABI；5—左上K；6—左上K1；7—左上K2；8—左上主波宽度；9—右上K；10—右上K1；11—右上K2；12—右上主波宽度；13—左下肢K；14—左下K1；15—左下K2；16—左下主波宽度；17—右下K；18—右下K1； 19—右下K2；20—右下主波宽度图2 特征参数的相关性矩阵Figure 2 Correlation matrix of characteristic parameters

2.3.2 特征参数的相关性矩阵分析

通过相关性矩阵分析发现，baPWV与具有较强相关性的脉搏波时域特征参数之间呈现正相关。左上肢收缩期特征参数K1和左baPWV及右下肢脉搏波特征参数K与右baPWV之间为中等强度相关，且两个较强的相关性都为正相关，其他均呈现弱相关性。对于右侧baPWV较高的人群，右下肢的血管弹性较差，其右下肢的脉搏波的波形相对平缓，降中峡和重搏波等拐点不明显，波形在主波波峰后的下降斜率变小，使脉搏波完整周期的面积增大，表现为右下肢脉搏波特征参数K变大。

ABI与具有较强相关性的脉搏波时域特征参数之间呈现负相关。左上肢舒张期特征参数K2与左ABI为中等强度相关，右上肢收缩期特征参数K1与左ABI呈强相关，且两个较强的相关性都为负相关，其他均呈现弱相关性。对于在正常范围内左侧ABI较高者，属于较为健康的人，其左上肢脉搏波波形的下降斜率较大，降中峡和重搏波的拐点较为明显，波形在主波波峰后的骤降使脉搏波的后半周期面积减少，表现为左上肢舒张期特征参数K2变小。

相同方向的上下肢波形特征参数之间均呈现弱相关，说明上下肢的脉搏波形态相关性弱，不可相互替代。相同位置的脉搏波波形参数之间，右上肢脉搏波特征参数K和右上肢舒张期特征参数K2为强相关，右下肢脉搏波主波宽度和右下肢舒张期特征参数K2为中强度相关，其他均呈现弱相关。

2.4 高血压和正常组特征参数的主成分分析

本文通过主成分分析法对高血压组和正常组数据整合进行降维分析。前5个特征值均大于1，其余特征值小于1；前5个主成分的累积贡献率已达75.224%，因此本研究取前5个主成分为宜。主成分分析的表达式如式(6)所示，X主成分矩阵可以得出各个主成分的特征向量值，进而得到各主成分Z的表达式：Z=AX。其中，X为本文所提取的20个特征参数，如表5所示。X1为左baPWV，依此类推，X20为右下脉搏波主波宽度。根据各主成分对应的特征向量，可以分别得到前五个主成分：Z1，Z2，…，Z5。通过主成分分析方法，将20个有一定相关性的原始指标，在保留原有数据的基础上，降维到5个独立的主成分值。

表5 相关矩阵的特征向量Table 5 Eigenvector a of correlation matrix

(6)

由表5可以得到主成分的表达式，根据各主成分所对应的特征向量分析得出：第一主成分Z1主要反映了左右侧baPWV和左下舒张期特征参数K2的信息。第二主成分Z2主要反映了右上肢脉搏波特征参数K和右下肢脉搏波特征参数K的信息。第三主成分Z3主要反映了左下肢脉搏波特征参数K的信息。第四、五主成分Z4、Z5综合反映了全部原始指标的信息。

利用主成分分析对采集样本进行综合评价，选择前5个主成分Z1～Z5，以每个主成分的贡献率ci=λi/m作为权数，因贡献率ci是Zi的方差λi占全部方差的比例，方差越大的变量越重要，具有较大的权数，可以算作客观定权法，具有合理性。依此构造综合评价参数F：

F=c1Z1+c2Z2+c3Z3+c4Z4+c5Z5

(7)

c1=λ1/m=8.925/40=0.223125，c2=0.051575，c3=0.040675，c4=0.0352，c5=0.025525。可以分别计算得到20名高血压患者和20名正常人的评价函数值F。一般来说，标准化后的F值为0表明该受试者符合平均水平。F值越大表明该受试者的综合评价效果越好。两组数值的均值及范围如图3、图4所示，分别找到高血压组第11、13、17位和正常组第9、13、18位是最接近平均值的三个受试者。

图3 20名高血压患者的综合评价结果Figure 3 Comprehensive evaluation results of 20 hypertensive patients

图4 20名正常人的综合评价结果Figure 4 Comprehensive evaluation results of 20 normal people

本研究利用主成分分析方法，将原提取的20个参数进行降维，得到5个综合主成分反映检测参数与血压直接的关系，在极大地减少统计分析指标的同时保留原始数据信息。并通过综合评价，分别对高血压患者和正常人选取平均水平，以此作为典型脉搏波进行后续分析，为进一步探寻脉搏波参数与高血压的关系奠定了基础。

2.5 高血压和正常组典型脉搏波波形对比

使用主成分分析法对本研究采集的20例正常脉搏波参数和20例高血压脉搏波参数进行综合评价计算，分别得出正常组和高血压组的评价函数均值。分别选取高血压组和正常组评价得分最接近该组评价均值的3个受试者的上肢脉搏波波形作为典型波形，其典型脉搏波实例图具有明显特征差异，如图5所示。

图5 典型脉搏波实例图对比Figure 5 Comparison of typical pulse wave examples

一般来说，原发高血压病一般好发于中老年群体，与年轻健康人群相比，其心脏及外周血管功能相对退化，随着射血能力减弱、动脉血管弹性变差，脉搏波波形可以明显看出差异。如图5所示，高血压相比正常人的波形，从主波方面分析：脉搏波从起始点到达主波波峰的时间变长，主波形状变宽，上升支斜率降低。因此高血压患者的主波宽度较大，收缩期特征参数K1较大。从重搏波方面分析，从起始点到达降中峡的时间变长，脉搏波波形中的特征点潮波、降中峡和重搏波愈加不明显。因此高血压患者的舒张期特征参数K2较大，脉搏波特征参数K相对较大。这些特征在高血压组与正常组脉搏波波波形对比中非常明显。

由主成分分析的表达式可以看出，脉搏波时域特征中左下舒张期特征参数K2、右上肢脉搏波特征参数K、右下肢脉搏波特征参数K和左下肢脉搏波特征参数K对主成分的贡献值相对较大。从脉搏波波形对比图可以看出脉搏波特征参数K和舒张期特征参数K2的差异较为明显。

3 结论

本研究通过高血压患者和正常人的对照实验，对上下肢提取的20个脉搏波特征参数进行统计学分析，结果表明，脉搏波传导速度、踝臂指数及上下肢脉搏波特征参数K对血压水平估计具有重要意义，可为无创血压监测和预防高血压提供参考。但是本研究的数据量较小，仅有20例高血压患者和20例正常人样本，覆盖范围有限，所得结论的外延有一定的局限性。今后可以通过大量的临床试验丰富样本库，以进一步验证本文实验结果。