玉荊泉，付強，姚陽，柳程奕，趙軍超，王璐，郝麗玲，徐禮勝

1.沈陽恒德醫(yī)療器械研發(fā)有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽110167；3.東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

基于肱動脈的中心動脈壓力波無創(chuàng)檢測儀

玉荊泉1，付強2，姚陽2，柳程奕1，趙軍超2，王璐3，郝麗玲2，徐禮勝2

1.沈陽恒德醫(yī)療器械研發(fā)有限公司，遼寧 沈陽 110179；2.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽110167；3.東北大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

目的運用傳遞函數(shù)法通過外周肱動脈脈搏來估測中心動脈壓力波，并聯(lián)合心音、心電信號輔助估測中心動脈的血流動力學(xué)重要參數(shù)。方法中心動脈壓力波對分析人體心血管系統(tǒng)功能至關(guān)重要，然而它卻不能直接無創(chuàng)測量。本文首先針對每個個體建立了從肱動脈到中心動脈的個體化傳遞函數(shù)模型，然后將個體模型整合成為通用的傳遞函數(shù)模型。結(jié)果通過臨床實驗評估，發(fā)現(xiàn)運用傳遞函數(shù)法能很好的重建中心動脈壓力波形。結(jié)論該方法提供了一種實現(xiàn)無創(chuàng)檢測中心動脈參數(shù)的簡單手段。

傳遞函數(shù)法；肱動脈；中心動脈壓力波；無創(chuàng)檢測儀；ARX模型

0 引言

心腦血管疾病一直是危害人類健康的重要因素，如何有效地檢測和預(yù)防心腦血管疾病是全世界一直努力解決的重大課題[1]。相比于常被用來評估人體血壓水平的上臂肱動脈壓，中心動脈壓（Central Aortic Pressure，CAP）能夠更直接準確地反映左心室、冠狀動脈和腦血管的負荷情況，從而預(yù)測主要心血管事件的發(fā)生和靶器官的損害[2]。研究表明，中心動脈壓比外周動脈壓具有更強的心血管病理生理聯(lián)系[3]。然而，測量主動脈需要有創(chuàng)介入壓力導(dǎo)絲不僅使病人承受很大的創(chuàng)傷和風(fēng)險，而且需要巨額的花費，這給患者家庭帶來沉重的醫(yī)療負擔。因此，中心動脈脈搏波的無創(chuàng)檢測具有重要意義。

Chen 等[4]和Yoshinori[5]等都曾對傳遞函數(shù)方法進行了研究，他們在假定的模型架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過反復(fù)的訓(xùn)練得到模型參數(shù)，然后利用外周橈動脈血壓重建得到了中心動脈壓。在此方法的基礎(chǔ)上也形成了具有代表性的商業(yè)化產(chǎn)品，如AtCor Medical 公司（澳大利亞）的SphygmoCorTM 系統(tǒng)、歐姆龍公司（日本）的HEM-9000AI脈波分析儀，圖1展示了產(chǎn)品實物圖。

SphygmoCorTM系統(tǒng)采集橈動脈脈搏波，采用Pauca建立的傳遞函數(shù)[6]來估測中心動脈脈搏波。中心動脈脈搏波形同樣采用檢測前聽診器測得的袖帶肱動脈壓力進行校正。其傳感器的設(shè)計雖然可以采集不同位置的脈搏波，但實際應(yīng)用時測量結(jié)果與操作者的熟練使用程度有很多關(guān)系給用戶帶來了很大不便，更難以實現(xiàn)臨床的自動化實時測量。歐姆龍的HEM-9000AI脈波分析儀則是通過擁有40個頻道的微型傳感器自動獲取橈動脈脈搏波，并通過橈動脈脈搏波的重搏波波峰推斷中心動脈血壓[7]。這個系統(tǒng)在采集橈動脈脈搏波的同時采用袖帶檢測肱動脈壓力，校準橈動脈脈搏波并估測中心動脈壓。

這兩款產(chǎn)品都是通過采集橈動脈脈搏波來估測中心動脈，并且采用檢測前袖帶測得的肱動脈壓力進行波形校正。但是一方面由于其昂貴的價格這兩款產(chǎn)品一直都沒有得到廣泛的應(yīng)用，另外他們在臨床上應(yīng)用采集橈動脈數(shù)據(jù)時需要人工手動干預(yù)相比于本設(shè)備直接綁附袖帶采集較煩瑣，另一方面上面兩種方法都是采取單個部位外周動脈（Peripheral Artery Pulse Wave，PAP）估測中心動脈壓并單獨用估測壓力波計算CAP參數(shù)并沒有考慮人體信號的相互聯(lián)系性[8]。

本設(shè)備采用心音、心電輔助中心波形聯(lián)合提取估測和有創(chuàng)中心動脈部分參數(shù)，結(jié)果更加可靠穩(wěn)定。本系統(tǒng)采用傳遞函數(shù)法通過無創(chuàng)測量外周肱動脈的脈搏壓力波，利用函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系間接推導(dǎo)出CAP 波形，然后聯(lián)合心音、心電輔助提取中心動脈重要的12項心血管參數(shù)（圖2）。

圖1 無創(chuàng)中心動脈壓測量儀器

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 無創(chuàng)檢測儀及內(nèi)部電路模塊

1 儀器的硬件及平臺設(shè)計

無創(chuàng)檢測儀的硬件架構(gòu)見圖3。整臺儀器以一塊基于ARM的嵌入式硬件平臺為核心，包括MCU處理器（STM32F4系列）、心音采集電路、心電采集電路、肱動脈脈搏采集放大電路與血壓測量電路。

1.1 MCU處理器（STM32F4系列）

STM32F4系列是高集成度、高性能的嵌入式存儲器，主要用在醫(yī)療、工業(yè)與消費類應(yīng)用。具有豐富的連接功能：通信接口多達15個（包括6個速度高達10.5 Mb/s的USART、3個速度高達42 Mb/s的SPI、3個I2C、2個CAN和1個SDIO），2個12位DAC、3個速度為2.4 MSPS或7.2 MSPS（交錯模式）的12位ADC，定時器多達17個：頻率高達168 MHz的16和32位定時器，可以利用支持Compact Flash、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲器的靈活靜態(tài)存儲器控制器輕松擴展存儲容量。

1.2 心電采集模塊

采用雙極點高通濾波器來消除運動偽像及肌電信號，利用有源低通濾波器濾除基線漂移。該濾波器與儀表放大器結(jié)構(gòu)緊密結(jié)合，使用半電池電位作為心電信號的基線，可實現(xiàn)單級高增益及高通濾波，從而降低了電路供電電壓節(jié)約了空間和成本。為了提高系統(tǒng)線路頻率和其他不良干擾的共模抑制性能，使用一個放大器，用于右腿驅(qū)動（Right-Leg Driven，RLD）等受驅(qū)導(dǎo)聯(lián)。

1.3 心音采集模塊

通過高靈敏度拾音頭獲取心音，通過音頻前置放大器進行放大后經(jīng)過帶通濾波器對環(huán)境噪音進行濾除。

1.4 脈搏波和血壓采集模塊

使用恒流源進行驅(qū)動壓力傳感器，通過儀表放大器將壓力傳感器的差分電信號放大，通過IIR低通濾波器提取袖帶壓力直流分量，通過FIR數(shù)字濾波器提取袖帶壓交流分量即肱動脈波。利用示波法與波形特征法計算人體血壓。

1.5 儀器的用戶界面

無創(chuàng)檢測儀通過人機交互界面，實現(xiàn)受試者信息輸入、血壓測量和多生理信號波形采集等功能，圖4為用戶操作界面，在該界面上可查看受試者姓名、性別、年齡、身高、體重；首先點擊開始測量血壓，來得到受試者的血壓信息，舒張壓、收縮壓、心率和袖帶加壓上限等值；然后點擊開始采集波形按鈕框可開始進行心音、心電、脈搏波形數(shù)據(jù)記錄；圖4(b) 為測量結(jié)果顯示界面，該界面上顯示了受試者的血壓、心率及心電、心音、脈搏波波形。

通過與電腦連接的無線發(fā)射器把無創(chuàng)檢測儀采集到的信號存儲在電腦里，最后通過我們建立的模型進行中心動脈壓力波形估測及重要血流動力學(xué)參數(shù)的提取。

圖4 無創(chuàng)檢測儀用戶界面

2 血流動力學(xué)參數(shù)及算法

本文研究的血流動力學(xué)參數(shù)包括SBP、DBP 、MBP、 HR、K值、SV、CO、Rs、PEP、LEVT/ED、SEVR、PWV。其中SBP、DBP 、MBP、HR、K值、SV、CO、Rs、ED、SEVR可從中心動脈直接獲取或計算得到（圖5）用來做估測波形和有創(chuàng)中心的對比分析，PEP、LEVT通過心音、心電信號計算得到（圖6）。PWV計算的是由肱動脈沿管壁傳播至心臟升主動脈脈搏波的速率，通過臂部肱動脈處袖帶中心點到心臟升主動脈點的距離（手動皮尺測量）與脈搏波傳導(dǎo)時間（肱動脈起始點與中心動脈起始點的時間差）的比值得到。

3 實驗設(shè)計與結(jié)果分析

3.1 重復(fù)性實驗及結(jié)果

由于人體的血流動力學(xué)參數(shù)時刻都在一個范圍內(nèi)變化，考慮到儀器對同一個個體在不同條件下測量結(jié)果的重復(fù)性與再現(xiàn)性，依據(jù)JJF1033-2008計量標準考核規(guī)范[22]本文通過設(shè)計的一個重復(fù)性實驗來證明本系統(tǒng)的可靠性（表1）。

表1 相關(guān)血流動力學(xué)參數(shù)的縮寫符號、參數(shù)意義、計算公式及常用單位一覽表

圖5 中心動脈脈搏波形

圖6 心音、心電、中心動脈脈搏波聯(lián)合分析

為了評估無創(chuàng)檢測儀的穩(wěn)定性，選取了6名身體健康正常人（年齡：34±5.3；性別：男：女=3:3）作為受試者。每個人每隔5分鐘測試一次每個人測量三次，共得到測試數(shù)據(jù)18組。在每次測試前，受試者需要靜息5 min。測試時，受試者平躺在實驗床上，安放袖帶、心電導(dǎo)聯(lián)及心音傳感器（將臂帶系在肘部，心電粘扣貼在兩肩與左下腹處，心音器放在胸溝偏左），見圖7。測量過程中，受試者需要放松并保持安靜，測量過程大約3 min。這樣得到18組數(shù)據(jù)，每組12項參數(shù)。使用MATLAB軟件計算HR、SBP、DBP、MBP、K、SV、CO、Rs、LVET、PEP、SEVR、PWV的重復(fù)性（重復(fù)率=1-標準差/均值）；對同一名受試者的測量結(jié)果進行統(tǒng)計學(xué)分析，求出每個人三次測量間的均值標準差及個體重復(fù)性（表2）。

圖7 無創(chuàng)檢測儀的信號采集示意圖

通過每個人三次測量結(jié)果的均值標準差，最后求出各個參數(shù)總體的測量結(jié)果重復(fù)性。表3是總體重復(fù)率實驗結(jié)果，SV、CO、Rs三個參數(shù)的重復(fù)率在90%～95%之間相對比較低，其原因是由于目前血壓測量變化較大，SV、CO、Rs三個參數(shù)的計算結(jié)果與血壓值直接相關(guān)受其影響嚴重。除了這三個參數(shù)外，其他參數(shù)的重復(fù)率結(jié)果都在95%以上，可靠性較高。

表2 選取的HR、SBP、DBP重復(fù)性實驗的分析方法及結(jié)果

表3 總體重復(fù)性實驗結(jié)果

3.2 臨床實驗及結(jié)果

本研究的32例有創(chuàng)中心動脈數(shù)據(jù)，來源于中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院介入導(dǎo)管室，有創(chuàng)中心動脈數(shù)據(jù)采集所用設(shè)備為St.Jude Medical公司的RadiAnalyzer Xpress，介入動脈導(dǎo)管直接測壓法[23]來測量升主動脈的壓力波形，作為中心動脈壓力的金標準（表4）。于此同時采用我們自己設(shè)計的血壓、心音、心電一體測量模塊，實時測量無創(chuàng)的肱動脈、心音、心電波形。然后通過ARX模型對中心動脈數(shù)據(jù)進行波形估計，最后聯(lián)合心音心電進行中心動脈參數(shù)HR、SBP、DBP、MBP、K值、SV、CO、Rs、ED、SEVR的提取并對比。

表4 臨床實驗的被試者信息

本論文通過提取并計算與中心動脈壓力波形直接相關(guān)的參數(shù)包括HR、SBP、DBP、MBP、K值、SV、CO、Rs、ED、SEVR，通過驗證估測與有創(chuàng)中心動脈的這些參數(shù)的相關(guān)性見表5，來證明本論文所建模型對有創(chuàng)方法的可代替性。

表5為通過統(tǒng)計學(xué)軟件SPSS對估測的中心動脈脈搏波參數(shù)與有創(chuàng)的中心脈搏波參數(shù)進行對比分析結(jié)果。估測的中心動脈脈搏波參數(shù)與有創(chuàng)的中心脈搏波參數(shù)Pearson相關(guān)性顯著性（雙側(cè)）檢驗結(jié)果顯示，HR、SBP、MBP、DBP、ED、SEVR的相關(guān)系數(shù)較高在0.91以上，估測方法能夠代替有創(chuàng)方法。SV、CO、K值由于受血壓影響較嚴重，其計算結(jié)果來自于血壓的平方或者倒數(shù)誤差很容易受到放大產(chǎn)生了一些偏差，但其估測值都在正常范圍內(nèi)并沒有產(chǎn)生誤報的情況在要求較低的情況下可以替代，作為一個參考值。對HR采用相關(guān)性分析的結(jié)果見圖8。

圖8 心率散點圖

模型計算的心率與有創(chuàng)得到的心率散點圖如圖8，通過計算，得出相關(guān)系數(shù)r=0.986,雙側(cè)Pearson檢驗P＜0.001,有統(tǒng)計學(xué)意義，說明兩種方法測得的心率值高度相關(guān)。

其他參數(shù)SBP、DBP 、MBP、K值、SV、CO、Rs、ED、 SEVR模型計算與金標準Bland-Altman 圖示法比較見圖9。

32例模型估測與有創(chuàng)數(shù)據(jù)差值的Bland-Altman分析結(jié)果顯示：從圖9(a)中看出，SBP差值的均值Mean=1.1 mmHg，差值的標準差SD=8.1 mmHg，95%一致性界限為1.1± 15.8 mmHg，同時3.12%（1/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(b)中看出，DBP差值的均值Mean=1.8 mmHg，差值的標準差SD=5.1 mmHg，則95%一致性界限為1.8±9.9 mmHg，同時3.12%（1/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(c)中看出，MBP差值的均值Mean=-0.3 mmHg，差值的標準差SD=7.1 mmHg，則95%一致性界限為-0.3±14 mmHg，同時（0/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(d)中看出，K值差值的均值Mean=-0.04，差值的標準差SD=0.06，則95%一致性界限為-0.04±0.12，同時（0/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(e)中看出，SV差值的均值Mean=0.4 mL，差值的標準差SD=28.57 mL，則95%一致性界限為0.4±56 mL，同時3.12%（1/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(f)中看出，CO差值的均值Mean=0.3 L/min，差值的標準差SD=2.14 L/min，則95%一致性界限為0.3±4.2 L/min，同時6.24%（2/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(g)中看出，Rs差值的均值Mean=0 mmHg.s/mL，差值的標準差SD=0.85 mmHg.s/mL，則95%一致性界限為0±1.67 mmHg.s/mL，同時3.12%（1/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(h)中看出，ED差值的均值Mean=0 s，差值的標準差SD=0.005 s，則95%一致性界限為0±0.009 s，同時9.36%（3/32）的點在95%一致性界限以外；從圖9(i)中看出，SEVR差值的均值Mean=-1.1%，差值的標準差SD=11.7%，則95%一致性界限為-1.1%±23%，同時（0/32）的點在95%一致性界限以外。因此認為傳遞函數(shù)法與有創(chuàng)方法測量的結(jié)果具有較好的一致性，在臨床上可以相互替代。

表5 估測的中心動脈脈搏波參數(shù)與有創(chuàng)的中心脈搏波參數(shù)相關(guān)性檢驗結(jié)果

4 結(jié)語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于肱動脈的中心動脈壓力波無創(chuàng)檢測儀，該系統(tǒng)具有參數(shù)多樣、體積小、操作方便、成本低等優(yōu)點。特別適合家庭健康醫(yī)療及小型醫(yī)療單位的動脈硬化程度和心血管功能的無創(chuàng)檢測。預(yù)計在下一步的研究中通過心血管專家的指導(dǎo)，實現(xiàn)自動檢測的同時能夠智能化的給出患者的心血管狀態(tài)類似專家建議診斷結(jié)果。

圖9 估算與直接測量的中心動脈參數(shù)的Bland-Altman分析圖

致謝

該項目得到國家自然科學(xué)基金項目（61374015“基于彈性管非線性模型盲辨識的中心動脈波無創(chuàng)動態(tài)重建研究”和61202258“面向智能視頻監(jiān)控的多目標檢測與跟蹤技術(shù)研究”）；遼寧省自然科學(xué)基金項目（201102067）；教育部博士點基金項目（20110042120037）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（N110219001，N130404016）的支持。

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Non-Invasive Detector of Central Aortic Pulse Wave Based on Brachial Pulse Wave

YU Jing-quan1, FU Qiang2, YAO Yang2, LIU Cheng-yi1, ZHAO Jun-chao2, WANG Lu3, HAO Li-ling2, XU Li-sheng2
1. HENG DE Medical Equipment Development Co.Ltd, Shenyang Liaoning 110179, China; 2. Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University, Shenyang Liaoning 110167, China; 3. School of Computer Science and Technology, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China

ObjectiveTo adopt the transfer function method to estimate the central aortic pressure wave through peripheral brachial pulse wave, and to estimate the main parameters of the hemo-dynamics of the central artery in combination with the heart sound and ECG signals.MethodsCentral aortic pressure wave is essential to the analysis of the function of cardiovascular systems, but it cannot be measured noninvasively. In this paper, the Individualized Transfer Function (ITF) model of the vascular system from the brachial artery to the central artery is established for each individual. Then the individual models are integrated into a Generalized Transfer Function (GTF) model.ResultsBy means of clinical laboratory evaluation and the comparison between estimated central aortic waveform and the invasively measured central artery waveforms, it is found that the use of the transfer function method can well reconstruct the central artery pressure waveform, and its parameters are estimated accurately.ConclusionThis paper provides an efficient and feasible method to obtain the parameters of central aortic pulse wave noninvasively.

transfer function; brachial artery; central aortic pressure wave; noninvasive analyzer; ARX model

TP274；R54

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.08.003

1674-1633(2016)08-0009-07

2016-08-01

國家自然科學(xué)基金項目（61374015“基于彈性管非線性模型盲辨識的中心動脈波無創(chuàng)動態(tài)重建研究”和61202258“面向智能視頻監(jiān)控的多目標檢測與跟蹤技術(shù)研究”）；遼寧省自然科學(xué)基金項目（201102067）；教育部博士點基金項目（20110042120037）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（N110219001，N130404016）。

徐禮勝，博士生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn