光电脉搏波分析在评估动脉硬化中的价值研究

麦麦提·如则，阿布都艾尼·库吐鲁克，帕尔哈提·吐尔逊，李秀芬，比拉里·艾山，严传波

(新疆医科大学1基础医学院，2医学工程技术学院，乌鲁木齐830017；3附属中医医院心内科，乌鲁木齐 830000)

心血管疾病(Cardiovascular disease，CVD)的致残率、死亡率、复发率均高于普通疾病，且并发症多，严重危害人类健康[1-2]。研究发现动脉硬化(Arterial stiffness，AS)是引起多种心脑血管病变的独立危险因子[3]。动脉硬化是动脉的一种非炎症性病变，随着年龄的增长，动脉壁逐渐硬化和内皮功能障碍导致动脉内膜增厚，管腔变小、动脉壁失去弹性，特别容易发生在动脉血管弯曲、分叉和狭窄部位[4-5]，使动脉血管系统发生复杂的结构和功能变化[6]。在临床上，动脉硬化的无创检测是通过颈动脉超声检查中颈动脉内膜中层厚度(Intima-media thickness, IMT)来评价。IMT是早期动脉粥样硬化和血管壁弹性改变的一个相对敏感的重要评估标志，可有效反映被检查者颈动脉粥样硬化程度[7]。随着生物医学工程和电子计算机技术的快速发展，越来越多的研究人员致力于采用非侵入式的方法对动脉硬化的弹性进行识别和判定研究[8]。脉搏波反映出的形态、强度、速率与节律等方面的特征信息可作为动脉硬化引起的心血管疾病的评估依据[9]。光电容积脉搏波(Potoplethymograph，PPG)是一种基于人体组织成分在特定光波波长下的吸收、散射和透射特性等光学特性来记录微、小动脉组织中血液容积变化波形。由于PPG信号含有丰富血液循环、血管状态等信息，而且检测技术具有无创、连续、稳定、操作简单等众多优点[10]，在临床上被广泛应用。从PPG信号中提取更多有价值的信息，从而评估其与心血管生理病理上的关联，已成为当前研究的主要热点之一[11]。研究表明，通过脉搏波可以反映出心血管有关的血流参数，不同健康状况的人脉搏波形态可能存在不同程度的表现[12]。Allen等[13]提出了PPG 形态评价指标硬化指数(Stiffness index，SI)，将年龄与PPG波形上的时域参数和形态参数结合，阐述了对诊断血管疾病的有效性和临床应用。因此本研究旨在利用无创检测方法采集正常人与动脉硬化患者的PPG信号并对波形进行分析，探讨PPG特征参数脉图面积(K)、上升时间(CT)、峰峰时间(PPT)、反射指数(RI)对人体动脉硬化的检测性能及与动脉硬化指标IMT的相关性，为临床动脉硬化无创评估提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 临床资料选取2019年12月—2021年10月在新疆医科大学附属中医医院心内科住院的冠心病患者38例，其中男性25例，女性13例，平均年龄(59.36±9.36)岁。根据冠脉造影的结果，又分为轻度动脉硬化组(19例)和重度动脉硬化组(19例)。纳入标准：冠状动脉造影提示冠状动脉及分支狭窄大于或等于50%、既往有冠状动脉支架术或冠状动脉搭桥术病史、年龄>18岁；排除标准：合并严重心功能不全、急性心肌梗死、不稳定性心绞痛、先天性心脏病、继发性高血压、扩张型心肌病、肥厚型心肌病、严重心脏瓣膜病、风湿性心脏病、严重肝肾功能不全、恶性肿瘤的患者。另选择18例健康青年男性作为对照组，平均年龄(21.05±1.05)岁。

1.2 脉搏波的数据采集与特征点识别处理采集脉搏波信号之前，先让被检测对象静坐5 min，处于放松状态。启动PC机里的基于LabVIEW的光电脉搏波信号采集系统，把传感器的光电探头部分套在被受试者的食指尖，另一端连接在PC机通信串口进行连续3 min脉搏波的数据采集。信号在采集过程中经过A/D转换器和二阶巴特沃兹带通滤波器处理，采样频率500 Hz，样本数据以txt格式存盘。

脉搏波是心脏的跳动沿着血液和动脉血管向外周传播而形成的，PPG信号可跟踪检测心脏搏动引起的微血管血容量变化，它的搏动成分与动脉内血容量的变化有关，因此包含血液流动、心搏功能、外周血管功能、微循环等心血管相关的重要信息[14]。正常人一个心动周期的指端容积脉搏波波形如图1所示。图中a点是脉搏波起点、心脏收缩起点，即心室开始快速射血；b点是指端容积脉搏波振幅的峰值即主波，血管压力和容积达到最大时的对应点；c点是降中峡，该点是左心室舒张期起点，由动脉内的血液倒流，管壁回缩所形成的；d点是重搏波，是主动脉瓣关闭时血液向心室返流的主动脉弹性回缩波，随着年龄的增加或血管弹性功能减退时重搏波位置将会变高或消失[15]。h1是主波幅值；h2是重搏波幅值。

为了从一个周期内的PPG波形中得到动脉弹性有关的特征参数，必须进行时域特征提取。通过本课题组设计的脉搏波信号分析系统读取脉搏波信号，预处理脉搏信号和显示波形，以一阶导和二阶导波形的过零点位置确定一个周期内PPG波形的起始点、主波峰、降中峡和重博波位置，并为血管弹性相关特征参数计算提供可靠的科学依据。

2 结果

2.1 PPG信号采集的结果光电脉搏波分析系统读取并识别每一个心动周期的PPG波形，如图2所示，截取完整的单个原始脉搏波波形、一阶导和二阶导波形如图3所示，根据以上识别的四个特征点计算K、CT、PPT、RI等PPG特征参数值。对照组、轻度动脉硬化和重度动脉硬化组各3例的一个周期的脉搏波形处理的对比结果如图4所示，纵坐标和横坐标分别表示振幅和时间。可以看出青年人和动脉硬化患者的脉搏波形降中峡和重搏波的变化有明显差异。

2.2 对照组与动脉硬化组一般临床资料比较对照组与轻、重度动脉硬化组在年龄、体重、收缩压、舒张压方面差异有统计学意义(P<0.05)，轻度和重度动脉硬化患者组间IMT值差异有统计学意义(P<0.01)，见表1。

表1 对照组和动脉硬化组一般临床资料比较

2.3 对照组与动脉硬化组PPG特征参数比较轻度和重度动脉硬化组与对照组在特征参数K、CT、PPT、RI方面比较，差异均有统计学意义(P<0.05)，轻度与重度动脉硬化组的K、CT、PPT比较差异有统计学意义(P<0.01)，见表2。

表2 对照组和动脉硬化组PPG特征参数比较

2.4 动脉硬化组IMT与PPG特征参数之间的相关性轻度和重度动脉硬化患者的IMT与PPG特征参数K、CT呈正相关，与PPT呈负相关，与RI值呈无相关，见表3。

表3 动脉硬化组IMT与PPG特征参数之间的相关性

2.5ROC曲线分析PPG特征参数K、CT、PPT和RI诊断动脉硬化的ROC曲线下面积(AUC)分别为1、0.964、0.994、1(P<0.01)，可见PPG特征参数K值和RI值对动脉硬化的诊断价值最高(图5)。PPG特征参数K、CT、PPT和RI诊断动脉硬化病变程度的ROC曲线下面积(AUC)分别为0.992、0.781、0.913、0.636，可见特征参数K值和PPT值对动脉硬化病变程度的诊断效果更好(图6)。

3 讨论

本研究发现，正常生理状态与病理状态下的波形轮廓、主波、降中峡和重搏波的变化有明显的区别，并显示随着血管弹性功能减退，脉搏波降中峡和重搏波位置上移甚至重搏波消失。随着年龄的增长，动脉血管弹性发生改变，其脉搏波形态也会出现相应的变化。在病理状态下脉搏波轮廓的变化与动脉顺应性的降低有密切关系[18]，可以作为年龄为因素的评估动脉硬化的一个较好的临床指标。

CT是与左心室快速射血期相关的，脉搏波波峰到起点之间的时间参数，它与外周血管扩张程度有关，在动脉弹性功能降低的亚健康人中显著上升[19]，本研究结果也显示轻度和重度动脉硬化组的PPG特征参数CT比对照组较长，表明血管弹性较差时CT将会增大。K值的变化与血液黏稠度、血管外周阻力和血管弹性等生理因素有密切关系，可以反映动脉血管弹性的变化[20]。本研究中，轻度和重度动脉硬化组的K值大于对照组，重度动脉硬化组K值大于轻度动脉硬化组，与罗志昌等[21]的压力脉搏检测的研究一致。PPT表示为反射波与主波到达指端的时间差，当血管弹性变差或者硬化时，反射波向主波靠近并且脉搏波到达主波的时间延长，PPT就会变小，本研究结果显示对照组与动脉硬化组有明显差异，重度动脉硬化组的PPT比对照组的PPT明显变小。RI主要反映外周中小动脉弹性功能，研究显示RI可以评估血管内皮功能并反映健康人群的动脉僵硬程度[22]。本研究中，对照组与轻度和重度动脉硬化组RI值有明显差异，但轻度动脉硬化与重度动脉硬化组RI值无差异，对冠心病患者动脉硬化程度的评估效果不明显。

IMT值已被广泛用于冠状动脉事件和外周血管系统中已建立的评估亚临床动脉粥样硬化程度的无创指标。研究表明，颈动脉IMT值的增加与冠状动脉粥样硬化的发生并与心脑血管疾病的风险升高相关，因此颈动脉IMT通常被认为是包括冠状动脉硬化在内的动脉粥样硬化早期表现的标志物[23]。本研究结果显示，轻度和重度动脉硬化患者的IMT与PPG特征参数K、CT呈正相关，与PPT呈负相关，与RI值呈无相关，提示K、CT和PPT对动脉硬化有很好的预测价值，而RI对动脉硬化病变程度的预测价值不明显。K、CT、PPT值在一定程度上可预测并能反映动脉硬化程度，可作为诊断动脉硬化程度的辅助指标。

综上所述，本研究设计了基于LabVIEW的脉搏信号分析系统, 根据噪声来源处理了直接从光电传感器中采集的信号所含有的多种噪声，采用了相关的分析算法来对信号进行了噪声抑制及滤波和特征点的提取。本研究以无创式方法检测PPG信号，提取出采集周期中具有代表性的波形，获取特征参数K、CT、PPT，通过分析表明这些特征参数与动脉硬化病变程度的临床无创评价指标IMT值有很好的相关性，对预测动脉硬化病变程度有一定价值。PPG作为一种简便、快捷、无创、经济的检测技术，可为无创评估早期动脉硬化和心血管疾病早期预测提供很好的参考依据。后期将进一步研究脉搏波特征参数随不同年龄段、不同病理状态之间的变化趋势及与其他临床指标的相关性，为亚健康动脉病变的研究、早期诊断提供依据。