王安然 楊益民 楊 琳* 楊星星 孟藍(lán)熙蘇 峻② 張 松

不同類型運(yùn)動(dòng)員橈動(dòng)脈脈搏波波形及參數(shù)分析*

王安然① 楊益民① 楊 琳①* 楊星星① 孟藍(lán)熙①蘇 峻①② 張 松①

目的：根據(jù)最大耗氧量(MaxO2)和最大肌肉自主收縮量(MVC)對(duì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)行分類，采集不同類型運(yùn)動(dòng)員的橈動(dòng)脈脈搏波，分析其脈搏波波形及參數(shù)。方法：使用ADInstrument公司的PowerLab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及配套軟件LabChart采集304名受試者脈搏波，對(duì)所測脈搏波進(jìn)行調(diào)整，使波形周期和幅度分布在0～100的范圍內(nèi)，分析最大值相對(duì)時(shí)間Tm，重搏波谷橫縱坐標(biāo)X、Y，脈搏波波形面積波形參數(shù)K值以及脈搏波年齡指數(shù)(SDPTG age index)。結(jié)果：隨著MaxO2升高，MVC-1組與MVC-2組的脈搏波降支曲線逐漸下移，最大值點(diǎn)先右移后左移，重搏波谷點(diǎn)向左下方移動(dòng)，K和SDPTG逐漸減小；而MVC-3組的降支曲線逐漸上移，最大值點(diǎn)逐漸右移，重搏波谷點(diǎn)向左上方移動(dòng)，K和SDPTG逐漸增大。隨著MVC升高，MaxO2-1組的降支曲線逐漸下移，最大值點(diǎn)逐漸左移，重搏波谷點(diǎn)向左下方移動(dòng)，K和SDPTG逐漸減小；MaxO2-2組的降支曲線逐漸上移，最大值點(diǎn)逐漸左移，重搏波谷點(diǎn)向左上方移動(dòng)，K和SDPTG逐漸增大；而MaxO2-3組的降支曲線先下降后抬高，最大值點(diǎn)先左移后右移，重搏波谷點(diǎn)向左側(cè)移動(dòng)，K和SDPTG先減小后增大。結(jié)論：各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)在MaxO2相同的情況下，MVC各組的脈搏波參數(shù)變化趨勢有所不同；而在MVC相同的情況下，MaxO2各組的脈搏波參數(shù)變化趨勢均有不同。脈搏波參數(shù)變化可反映人體心血管功能，A類、F類和I類運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員心血管功能相對(duì)較好。

運(yùn)動(dòng)員；脈搏波；橈動(dòng)脈；波形參數(shù)

[First-author’s address]College of Life Science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.

心血管系統(tǒng)是人體血液循環(huán)的動(dòng)力器官，負(fù)責(zé)人體的血液供應(yīng)與運(yùn)輸。脈搏波是心臟的心室收縮和舒張引導(dǎo)血液在動(dòng)脈血管中流動(dòng)而產(chǎn)生的壓力周期性變化的反應(yīng)，其波形可以反映人體的心血管功能和血液循環(huán)狀態(tài)。心血管生理變化將會(huì)引起脈搏波變化，從脈搏波中提取人體心血管的生理病理信息作為臨床檢測和治療依據(jù)的相關(guān)研究，歷來受到中外醫(yī)學(xué)界的重視[1]。Weber等[2]研究證明，脈搏波特征參數(shù)可連續(xù)且獨(dú)立地作為預(yù)測心血管疾病的一項(xiàng)重要指標(biāo)。Shokawa等[3]對(duì)生活在夏威夷的492位日裔美國人進(jìn)行了10年的隨訪調(diào)查顯示，脈搏波波速可以預(yù)測心血管疾病的病死率。Blacher等[4]通過實(shí)驗(yàn)證明，主動(dòng)脈脈搏波速度是預(yù)測高血壓患者心血管風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)重要標(biāo)志。Cruickshank等[5]的研究證明，主動(dòng)脈脈搏波波速是預(yù)測糖尿病和葡萄糖耐受測試(GTT)病死率的有效獨(dú)立指標(biāo)。研究表明，脈搏波中蘊(yùn)藏著豐富的心血管生理病理信息，脈搏波的波形特征如形態(tài)(波的形狀)、強(qiáng)度(波的幅值)、速率(波的速度)和節(jié)律(波的周期)等與心血管功能有密切關(guān)系[6-8]。

長期體育鍛煉可從形態(tài)和功能方面對(duì)人體心臟產(chǎn)生影響[9]。從事體育鍛煉可有效改善人類心血管功能，而運(yùn)動(dòng)員是特殊的群體，其心肺功能和骨骼肌代謝功能優(yōu)于普通人[10-11]。研究不同運(yùn)動(dòng)類型運(yùn)動(dòng)員的心血管功能變化對(duì)普通人群的體育鍛煉和心血管功能保健具有十分重要的意義。本研究即通過檢測不同運(yùn)動(dòng)類型運(yùn)動(dòng)員的橈動(dòng)脈脈搏波，從脈搏波波形分析和參數(shù)計(jì)算的角度分析運(yùn)動(dòng)員的心血管功能。

1 不同類型運(yùn)動(dòng)員脈搏波波形分析

1.1 運(yùn)動(dòng)員分類標(biāo)準(zhǔn)

目前，較常用的運(yùn)動(dòng)員分類是根據(jù)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中所涉及動(dòng)態(tài)和靜態(tài)運(yùn)動(dòng)的程度。運(yùn)動(dòng)員分類標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，每個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目具有兩種分量，即動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分量和靜態(tài)運(yùn)動(dòng)分量，根據(jù)其在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)和靜態(tài)運(yùn)動(dòng)分量的強(qiáng)度(即：低、中、高)進(jìn)行分類[12-13]。其中，動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分量對(duì)應(yīng)于其運(yùn)動(dòng)最大耗氧量(maximal oxygen uptake，MaxO2)：當(dāng)MaxO2＜40%時(shí)其動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分量強(qiáng)度為低；當(dāng)MaxO2為40%～70%時(shí)為中；當(dāng)MaxO2為＞70%時(shí)為高。而靜態(tài)運(yùn)動(dòng)分量對(duì)應(yīng)于其運(yùn)動(dòng)中最大肌肉自主收縮(muscular voluntary contraction，MVC)量：當(dāng)MVC＜20%時(shí)其靜態(tài)運(yùn)動(dòng)分量強(qiáng)度為低；當(dāng)MVC為20%～50%時(shí)為中；當(dāng)MVC＞50%時(shí)其為高。根據(jù)上述對(duì)各運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的分類標(biāo)準(zhǔn)將運(yùn)動(dòng)分為A～I(xiàn)共9組，如圖1所示。

圖1 基于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)運(yùn)動(dòng)分量的運(yùn)動(dòng)分類

(1)根據(jù)運(yùn)動(dòng)最大肌肉自主收縮量的大小，將A～I(xiàn)類型的9組運(yùn)動(dòng)員分為3組：①低最大肌肉自主收縮量組MVC-1(A、B和C類型)： MVC＜20%；②中最大肌肉自主收縮量組MVC-2(D、E和F類型)： 20%≤MVC≤50%；③高最大肌肉自主收縮量組MVC-3(G、H和I類型)： MVC＞50%。

(2)根據(jù)運(yùn)動(dòng)最大耗氧量的大小，將A～I(xiàn)的9組運(yùn)動(dòng)員分為3組：①低最大耗氧量組MaxO2-1(A、D和G類型)：MaxO2＜40%；②中最大耗氧量組MaxO2-2(B、E和H類型)：40%≤MaxO2≤70%；③高最大耗氧量組MaxO2-3(C、F和I類型)：MaxO2＞70%。

1.2 數(shù)據(jù)采集

研究不同運(yùn)動(dòng)類型運(yùn)動(dòng)員的橈動(dòng)脈脈搏波波形及參數(shù)變化，對(duì)304名訓(xùn)練長達(dá)3年以上的專業(yè)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行橈動(dòng)脈脈搏波檢測及相關(guān)信息的采集。使用的脈搏波檢測硬件為ADInstrument公司的PowerLab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，軟件為配套的LabChart 7。數(shù)據(jù)通道使用30 Hz數(shù)字低通濾波，通道采樣頻率為1 kHz。傳感器采用應(yīng)變片式橈動(dòng)脈壓力脈搏波傳感器，外部獨(dú)立5 V電源供電，通過同軸電纜接入PowerLab8/35的模擬信號(hào)輸入端。各類運(yùn)動(dòng)員的基本信息見表1。

表1 運(yùn)動(dòng)類型A～I(xiàn)的受試者基本情況信息

受試者靜坐3 min后使用PowerLab數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測運(yùn)動(dòng)員的橈動(dòng)脈。實(shí)驗(yàn)時(shí)受試者正坐，使用綁帶將傳感器固定于右手橈動(dòng)脈脈搏搏動(dòng)最強(qiáng)點(diǎn)，既不能過松使傳感器脫落，又不能過緊使得波形失真。獲取30 s穩(wěn)定脈搏波數(shù)據(jù)后存入計(jì)算機(jī)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中受試者保持靜息狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)每例受試者的脈搏波數(shù)據(jù)按照實(shí)際測量的脈搏波個(gè)數(shù)求平均，得到一個(gè)平均后的脈搏波波形，然后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)單波，使波形的周期和幅值都分布在0～100的范圍內(nèi)。將9組受試者的標(biāo)準(zhǔn)單波按組分別平均，即每組所有受試者的標(biāo)準(zhǔn)單波求平均，得到9組受試者橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波。

在脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波中，最大值點(diǎn)是十分重要的特征點(diǎn)，波形不同，最大值點(diǎn)的位置也可能不同。本研究將從起點(diǎn)至最大值點(diǎn)的橫坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)為最大值相對(duì)時(shí)間Tm，作為描述最大值點(diǎn)相對(duì)位置的參數(shù)。

重搏波谷點(diǎn)同樣是十分重要的波形特征點(diǎn)，其波形不同重搏波波谷的位置也不同，本研究記錄重播波谷的橫縱坐標(biāo)為X和Y。

由脈搏波波圖面積提取的波形參數(shù)K值，能從宏觀上描述出脈搏波的平均特征[14]。標(biāo)準(zhǔn)化脈搏波的K值計(jì)算為公式1：

Takazawa等[15]對(duì)光電脈搏波的二階導(dǎo)數(shù)波形圖(Second derivative of photoplethysmogram waveform，SDPTG)進(jìn)行分析后認(rèn)為，不同生理人群的脈搏波具有不同的二階導(dǎo)數(shù)圖形，并提出脈搏波年齡指數(shù)(SDPTG age index)。

2 結(jié)果

2.1 脈搏波波形參數(shù)隨MaxO2變化的趨勢

MVC-1組的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波如圖2(a)所示，各組波形參數(shù)Tm、X、Y、K和SDPTG見表2，圖2顯示，隨著MaxO2升高，橈動(dòng)脈脈搏波降支曲線(從最大值點(diǎn)至終點(diǎn))逐漸上移；最大值點(diǎn)逐漸右移(Tm_A＜Tm_B＜Tm_C)，重搏波谷逐漸向左上方移動(dòng)(X_A＞X_B＞X_C，Y_A＜Y_B＜Y_C)；波形面積逐漸增大(K_A＜K_B＜K_C)；脈搏波年齡指數(shù)SDPTG_B＞SDPTG_C＞SDPTG_A。

圖2 隨MaxO2變化的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波圖

表2 9種類型運(yùn)動(dòng)員脈搏波參數(shù)(A～I(xiàn))

MVC-2組的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波如圖2(b)所示，各組波形參數(shù)Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MaxO2升高，橈動(dòng)脈脈搏波降支曲線逐漸下移；重搏波谷逐漸向左下方移動(dòng)(X_D＞X_E＞X_F，Y_D＞Y_E＞Y_F)；波形面積逐漸減小(K_D＞K_E＞K_F)。而最大值點(diǎn)位置從左至右依次為F、D、E(Tm_F＜Tm_D＜Tm_E)；脈搏波年齡指數(shù)SDPTG_D＞SDPTG_E＞SDPTG_F。

MVC-3組的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波如圖2(c)所示，各組波形參數(shù)Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MaxO2升高，橈動(dòng)脈脈搏波降支曲線逐漸下移；波形面積逐漸減小(K_G＞K_H＞K_I)；而最大值點(diǎn)位置從左至右依次為I、G、H(Tm_I＜Tm_G＜Tm_H)；重搏波谷位置先向右下移動(dòng)再向左上移動(dòng)(X_I＜X_G＜X_H，Y_H＜Y_I＜Y_G)；脈搏波年齡指數(shù)SDPTG_G＞SDPTG_H＞SDPTG_I。

2.2 脈搏波波形參數(shù)隨MVC變化的趨勢

MaxO2-1組的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波如圖3(a)所示，各組波形參數(shù)Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MVC升高，橈動(dòng)脈脈搏波降支曲線逐漸下移；最大值點(diǎn)逐漸左移(Tm_A＜Tm_D＜Tm_G)；重搏波谷逐漸向左下方移動(dòng)(X_A＜X_D＜X_G，Y_A＜Y_D＜Y_G)；波形面積逐漸減小(K_A＜K_D＜K_G)；脈搏波年齡指數(shù)SDPTG_A＜SDPTG_D＜SDPTG_G。

圖3 隨MVC變化的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波圖

MaxO2-2組的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波如圖3(b)所示，各組波形參數(shù)Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MVC升高，橈動(dòng)脈脈搏波降支曲線逐漸上移；最大值點(diǎn)逐漸左移(Tm_B＜Tm_E＜Tm_H)；重搏波谷逐漸向左上方移動(dòng)(X_B＜X_E＜X_H，Y_B＞Y_E＞Y_H)；波形面積逐漸增大(K_B＞K_E＞K_H)；脈搏波年齡指數(shù)SDPTG_B＞SDPTG_E＞SDPTG_H。

MaxO2-3組的橈動(dòng)脈脈搏波標(biāo)準(zhǔn)單波如圖3(c)所示，各組波形參數(shù)Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MVC升高，橈動(dòng)脈脈搏波降支曲線先下降后抬高；最大值點(diǎn)位置從左至右依次為F、I、C(Tm_F＜Tm_I＜Tm_C)；波形面積從小至大依次為F、I、C(K_F＜K_I＜K_C)；隨著MVC升高，重搏波谷逐漸左移(X_C＜X_F＜X_I，Y_F＜Y_I＜Y_C)；脈搏波年齡指數(shù)SDPTG_C＞SDPTG_I＞SDPTG_F。

3 討論

在研究橈動(dòng)脈脈搏波波形參數(shù)隨MaxO2變化的趨勢時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著MaxO2升高，MVC-1和MVC-2組的脈搏波降支曲線(從最大值點(diǎn)至終點(diǎn))逐漸下移，最大值點(diǎn)(其位置由最大值相對(duì)時(shí)間Tm描述)先右移后左移，重搏波谷點(diǎn)大致向左下方移動(dòng)，脈搏波波形面積K逐漸降低，脈搏波年齡指數(shù)SDPTG逐漸減小。而MVC-3組的脈搏波降支曲線逐漸上移，最大值點(diǎn)逐漸右移，重搏波谷點(diǎn)大致向左上方移動(dòng)，面積K逐漸升高，SDPTG逐漸增大(如圖4所示)。

圖4 脈搏波參數(shù)隨MaxO2的變化

在研究橈動(dòng)脈脈搏波波形參數(shù)隨MVC變化的趨勢時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著MVC升高，MaxO2-1組的脈搏波降支曲線(從最大值點(diǎn)至終點(diǎn))逐漸下移，最大值點(diǎn)逐漸左移，重搏波谷點(diǎn)大致向左下方移動(dòng)，脈搏波波形面積K逐漸降低，脈搏波年齡指數(shù)SDPTG逐漸減小。MaxO2-2組的脈搏波降支曲線逐漸上移，最大值點(diǎn)逐漸左移，重搏波谷點(diǎn)大致向左上方移動(dòng)，面積K逐漸升高，SDPTG逐漸增大。而MaxO2-3組的脈搏波降支曲線先下降后抬高，最大值點(diǎn)先左移后右移，重搏波谷點(diǎn)大致向左移動(dòng)，面積K先降低后升高，SDPTG先減小后增大(如圖5所示)。

圖5 脈搏波參數(shù)隨MVC的變化

4 結(jié)語

9種類型運(yùn)動(dòng)員中，A，F(xiàn)和I三類運(yùn)動(dòng)員的脈搏波波形面積K值以及脈搏波年齡指數(shù)SDPTG最小。而K值的減小在一定意義上可反映出人體心血管功能的提高。研究顯示，從事低肌肉自主收縮量組MVC-1，MVC-2中高耗氧量運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員，其心血管功能相對(duì)較好，如F類的跑步、游泳；I類的羽毛球、曲棍球、競走、網(wǎng)球、長跑等。而從事高肌肉自主收縮量組MVC-3中低耗氧量運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)員，其心血管功能較好，如A類的投擲、體操、武術(shù)等。

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Analysis on radial pulse waveform and parameters in different types of athletes/

WANG An-ran, YANG Yi-min, YANG Lin, et al// China Medical Equipment,2014,11(6):27-31.

Objective:Classify the sports events by the maximal oxygen uptake (MaxO2) and the maximal muscular voluntary contraction (MVC). Collect the radial pulse wave of different sports events and discuss the pulse waveform and characteristic parameters.Methods:Radial pulse waveform on 304 subjects was collected, by using PowerLab and its bundled software LabChart 7, developed by ADInstrument. Normalize each radial pulse waveform and let the waveform cycle and amplitude distribute in the range of 0-100. Analyze the relative time of the maximum point Tm, the abscissa X and ordinate Y of dichotic notch, the pulse waveform area K and the pulse wave age index SDPTG.Results:With increasing MaxO2, the pulse wave descending curve of MVC-1 and MVC-2 group gradually moves down, the maximum point first moves to the right and then left, the dichotic notch point moves to the lower-left corner, K and SDPTG gradually decreasing; And the pulse wave descending curve of MVC-3 group gradually moves up, the maximum point gradually moves to the right, the dichotic notch point moves to the top-left corner, K and SDPTG gradually increasing. With increasing MVC, the pulse wave descending curve of MaxO2-1 group gradually moves down, the maximum point gradually moves to the left, the dichotic notch point moves to the lower-left corner, K and SDPTG gradually decreasing; The pulse wave descending curve of MaxO2-2 group gradually moves up, the maximum point gradually moves to the left, the dichotic notch point moves to the top-left corner, K and SDPTG gradually increasing; And the pulse wave descending curve of MaxO2-3 group first moves down then up, the maximum point first moves to the left and then right, the dicrotic notch point moves to left, K and SDPTG first decreasing then increasing.Conclusion:The pulse wave changing trend of MVC groups are different while the sports have the same MaxO2. And the pulse wave changing trend of MaxO2groups are as well as different while the sports have the same MVC. Pulse waveform parameters can reflect the cardiovascular function, and the cardiovascular function of athletes in Types A, F and I is relatively well.

Athlete; Pulse wave; Radial artery; Waveform parameter

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.06.009

1672-8270(2014)06-0027-05

R87

A

2014-02-12

北京市教委科技成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能無創(chuàng)檢測技術(shù)(糖尿病足檢測儀)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化”；北京工業(yè)大學(xué)星火基金項(xiàng)目(XH-2013-10-13)“不同類型運(yùn)動(dòng)員的心血管參數(shù)分析”

①北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院 北京 100124

②北京市木樨園體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)學(xué)校 北京 100075

*通訊作者：yanglin@bjut.edu.cn

王安然，女，(1993- )，本科在讀。北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，研究方向：血流動(dòng)力學(xué)無創(chuàng)檢測。