趙一平，周健，潘剛

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海，200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海，200030

3 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院心外科，上海，200020

0 前言

每年約1/5的心臟病患者最終發(fā)展為心衰（heart failure），心血管類疾病正成為新的醫(yī)療重點(diǎn)。治療心力衰竭的方法有藥物治療、心臟移植和心室輔助等，其中藥物治療占絕大多數(shù)，但療效不佳，患者生活質(zhì)量差，病死率高；心臟移植由于慢性排斥反應(yīng)以及供體的嚴(yán)重缺乏等諸多因素也很難廣泛開(kāi)展[1]；因此心室輔助裝置( ventricular assist device， VAD)在臨床治療中將成為首選。

心室輔助裝置的泵體主要分搏動(dòng)式隔膜泵和恒流式葉輪泵兩種。George V.Letsou和他的團(tuán)隊(duì)證明，與心臟同步工作的搏動(dòng)式LVAD相比同等輸出量的恒流式LVAD，能更好的降低左心室負(fù)荷并改善有效的血液循環(huán)[2]。不過(guò)，目前國(guó)內(nèi)同步搏動(dòng)式VAD領(lǐng)域的研究還較少。本文針對(duì)搏動(dòng)式VAD的同步輔助，提出了一種基于有創(chuàng)橈動(dòng)脈壓的信號(hào)前處理和實(shí)時(shí)心動(dòng)周期識(shí)別的方法。

1 原理與實(shí)現(xiàn)

橈動(dòng)脈綜合了心臟泵血活動(dòng)規(guī)律其幅值變化與心動(dòng)周期直接相關(guān)，相對(duì)心電信號(hào)橈動(dòng)脈波能更直接地反應(yīng)心臟的機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖1所示的橈動(dòng)脈波各參數(shù)點(diǎn)的意義如下：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)橈動(dòng)脈壓[3]Fig.1 Standard radial arterial pressure[3]

t1為快速射血期；

t2為左室射血期；

t3為舒張期；

a為心動(dòng)周期起點(diǎn)；

b為主波峰；

c為降中峽（動(dòng)脈瓣開(kāi)放）；

d為重搏峰；

e為舒張期結(jié)束點(diǎn)。

1.1 橈動(dòng)脈壓信號(hào)前處理

從飛利浦UTAH有創(chuàng)式血壓傳感器得到的橈動(dòng)脈壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)有源放大器放大后，采樣發(fā)現(xiàn)原始信號(hào)包含大量噪聲。經(jīng)分析，噪聲主要來(lái)自傳感器固有噪聲、采樣電路的隨機(jī)噪聲和工頻干擾等，于是采用IIR低通數(shù)字濾波器進(jìn)行平滑處理。IIR濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)可以位于單位圓內(nèi)的任何地方，因此可以用較低的濾波器階數(shù)來(lái)獲得較高的頻率選擇性，相對(duì)于FIR濾波器以及時(shí)域循環(huán)平均等方法可以減少延時(shí)，減少嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)算開(kāi)銷。

原始數(shù)據(jù)來(lái)自于合作單位上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院心外科監(jiān)護(hù)病房。將原始數(shù)據(jù)利用Matlab做頻譜分析，圖2所示為其中一幅譜圖分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)橈動(dòng)脈壓信號(hào)諧波構(gòu)成極其簡(jiǎn)單，且有用分類集中在5 Hz頻點(diǎn)內(nèi)，故將濾波器截止頻率定在5 Hz處。

圖2 橈動(dòng)脈壓譜分析Fig.2 radial arterial pressure spectrum analysis

圖3 原始采樣信號(hào)與濾波信號(hào)對(duì)比Fig.3 Original signal and filtered signal

IIR濾波公式：

式1中X(n)為原始橈動(dòng)脈采樣值；y(n)為IIR濾波后結(jié)果；ai和bi為濾波器系數(shù)。

圖3中上方曲線為原始橈動(dòng)脈信號(hào)，下方曲線為原始橈動(dòng)脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)濾波后的結(jié)果。濾波器能明顯去除舒張期平坦區(qū)上的噪聲引入的抖動(dòng)，但同時(shí)引入了少量延時(shí)。

1.2 特征點(diǎn)識(shí)別

1.2.1 動(dòng)脈壓信號(hào)及特征

在心動(dòng)周期的識(shí)別中，主要關(guān)注的是動(dòng)脈壓信號(hào)的起始、動(dòng)脈瓣開(kāi)放和舒張期結(jié)束三個(gè)特征點(diǎn)。目前，比較常見(jiàn)的脈搏波特征識(shí)別主要有以下四種方法：① 脈搏波舒張壓的最小值之間的距離；② 脈搏波的一階導(dǎo)數(shù)最大值；③ 脈搏波的二階導(dǎo)數(shù)最大值；④ 通過(guò)脈搏波最小值點(diǎn)的平行線與其上升曲線的擬合曲線之間的交點(diǎn)[4]。

方法①、②和④的計(jì)算復(fù)雜度和計(jì)算量都比較大，不適合嵌入式平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，所以本文采用求取一階導(dǎo)數(shù)的方法。

對(duì)平滑后的橈動(dòng)脈壓信號(hào)進(jìn)行求導(dǎo)：

式中m為求導(dǎo)間隔。

由于橈動(dòng)脈壓信號(hào)的特征點(diǎn)集中在波形的駐點(diǎn)處，而駐點(diǎn)處的導(dǎo)數(shù)值為零，所以將信號(hào)導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)作為特征點(diǎn)的判斷依據(jù)。圖4中所示的上方曲線為濾波后的橈動(dòng)脈壓曲線，下方曲線為其導(dǎo)數(shù)值，可見(jiàn)壓力曲線的特征點(diǎn)與導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。

圖4 .橈動(dòng)脈壓信號(hào)與其導(dǎo)數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 radial arterial pressure and its derivatives

1.2.2 識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)

心臟雖然是持續(xù)不斷地工作的，不過(guò)其運(yùn)動(dòng)可以分解成單個(gè)的心動(dòng)周期。因此，識(shí)別過(guò)程也應(yīng)視為一個(gè)周期過(guò)程，每個(gè)周期需要一個(gè)起始觸發(fā)點(diǎn)。主波峰b、動(dòng)脈瓣開(kāi)放點(diǎn)c、重搏波高度d和舒張期結(jié)束點(diǎn)e都可作為開(kāi)始點(diǎn)，考慮到c、d、e三點(diǎn)雖然都是導(dǎo)數(shù)過(guò)0點(diǎn)，但在一些病例中c、d、e點(diǎn)的幅度相近不易區(qū)分，故以b點(diǎn)作為起始觸發(fā)點(diǎn)。整個(gè)周期內(nèi)識(shí)別如圖5所示。

圖5.系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.5 System status cycle

圖5中Ymax為上個(gè)周期動(dòng)脈壓最大值，菱形框內(nèi)為狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。每個(gè)周期從尋找起始點(diǎn)b開(kāi)始，找到主播高度b后進(jìn)入狀態(tài)1；當(dāng)導(dǎo)數(shù)再次為0時(shí)，即找到動(dòng)脈瓣開(kāi)放點(diǎn)c，并進(jìn)入狀態(tài)2；當(dāng)導(dǎo)數(shù)再次為0時(shí)，即找到舒張期結(jié)束點(diǎn)c，識(shí)別周期結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)周期。通過(guò)起始點(diǎn)以及狀態(tài)輪轉(zhuǎn)的方式能夠有效保證狀態(tài)的順序性，即使遺漏一個(gè)特征點(diǎn)也不會(huì)造成電機(jī)的非正常工作，從而提高了VAD的工作安全性。

1.3 基線漂移自適應(yīng)

人體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，各種生理狀態(tài)及情緒的變化等都會(huì)對(duì)橈動(dòng)脈壓產(chǎn)生影響，呼吸及身體的位移會(huì)導(dǎo)致采樣信號(hào)的基線漂移現(xiàn)象。從圖6.（c）中可以觀察到，動(dòng)脈壓信號(hào)整體以一個(gè)較小周期上下波動(dòng)。據(jù)實(shí)際采樣數(shù)據(jù)分析，上下波動(dòng)的范圍可以超過(guò)脈壓差的20%。

橈動(dòng)脈壓特征點(diǎn)的識(shí)別是與脈壓幅度相關(guān)的，基線漂移影響算法的準(zhǔn)確性。理想情況下橈動(dòng)脈壓震蕩幅度固定，識(shí)別周期起始點(diǎn)b的判斷條件為幅度大于上個(gè)周期主波峰幅值的80%且一階導(dǎo)數(shù)等于0。但實(shí)際在基線漂移存在的情況下，經(jīng)模擬算法經(jīng)常會(huì)遺漏某些周期?？紤]基線票以后，將識(shí)別周期起始點(diǎn)的幅度閾值設(shè)定為上一周期的脈壓其平均值，即當(dāng)新周期開(kāi)始后幅值大于此閾值且導(dǎo)數(shù)為0時(shí)，判斷為新周期的起始點(diǎn)。

1.4 延遲補(bǔ)償

同步式輔助裝置的工作需要嚴(yán)格同步于心動(dòng)周期。圖3中所示濾波器輸出信號(hào)相對(duì)于原始采樣信號(hào)有一個(gè)明顯的延時(shí)，可見(jiàn)濾波器會(huì)引入延時(shí)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，延時(shí)最大可達(dá)整個(gè)周期的10%，這種情況嚴(yán)重影響VAD同步輔助的實(shí)時(shí)性。

由圖4可知，各特征點(diǎn)附近的一階導(dǎo)數(shù)具有嚴(yán)格的單調(diào)性特點(diǎn)，故可采用閾值法修正IIR濾波器造成的延時(shí)，并補(bǔ)充硬件驅(qū)動(dòng)電機(jī)自身的機(jī)械延時(shí)。將實(shí)時(shí)采樣的動(dòng)脈壓求一階導(dǎo)數(shù)值后取絕對(duì)值與閾值比較，若小于閾值則判定為有效特征點(diǎn)。閾值來(lái)自于實(shí)際橈動(dòng)脈壓數(shù)處理后統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值。

1.5 心率失常識(shí)別

臨床情況下，術(shù)后患者心臟時(shí)常會(huì)出現(xiàn)心律失常的情況，此情況下心室輔助裝置就不適合工作在同步模式下了。為了有效解決此類問(wèn)題，算法在每個(gè)識(shí)別周期完成后記錄周期長(zhǎng)度，比較最近N次心跳周期的變化率，在變化率大于預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，則判定為心率失常。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證方法的有效性，使用嵌入式ARM9開(kāi)發(fā)板導(dǎo)入實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。橈動(dòng)脈壓數(shù)據(jù)采自上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院心外科監(jiān)護(hù)病房的三名患者。

圖6 .幾種典型病癥的驗(yàn)證Fig 6.Verification of Several typical symptoms

由于實(shí)際輔助中只用到三個(gè)特征點(diǎn)，故以實(shí)際情況為例。圖6中曲線為濾波后的橈動(dòng)脈壓曲線，折線為算法識(shí)別起始點(diǎn)b、動(dòng)脈瓣開(kāi)放點(diǎn)c和舒張期結(jié)束點(diǎn)e。如圖6所見(jiàn)，一個(gè)周期中最高峰處的轉(zhuǎn)折對(duì)應(yīng)b點(diǎn)，其后的兩個(gè)轉(zhuǎn)折分別對(duì)應(yīng)c和e。動(dòng)脈壓曲線由于病癥、個(gè)體差異的關(guān)系呈現(xiàn)各異的形狀趨勢(shì)，但本算法都能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤識(shí)別。應(yīng)用延遲補(bǔ)償后，折線轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)的略早于特征點(diǎn)可有效抵消濾波器引入的延時(shí)現(xiàn)象。圖6（c）有明顯基線漂移現(xiàn)象，每個(gè)周期的波峰呈周期變化，算法亦能準(zhǔn)確跟蹤識(shí)別。

3 結(jié)論

本文提出了一種用于左心室輔助裝置的有創(chuàng)橈動(dòng)脈壓信號(hào)前處理和心動(dòng)周期識(shí)別方法。算法主要考慮實(shí)時(shí)性要求，根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠準(zhǔn)確識(shí)別心動(dòng)周期的關(guān)鍵特征點(diǎn)，并且具有延時(shí)補(bǔ)償、基線漂移自適應(yīng)、心率失常識(shí)別的特點(diǎn)。將本方法與左心室輔助裝置的機(jī)械驅(qū)動(dòng)器[5]結(jié)合能夠達(dá)到臨床實(shí)時(shí)輔助的應(yīng)用效果。

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