關(guān)鍵詞：光電容積脈搏波;呼吸速率;脈息比值;數(shù)字信號(hào)處理;生理監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391;R318 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言（Introduction）

脈搏和呼吸是兩個(gè)最基本的周期性生命體征，脈息比（Pulse-Respiration Ratio， PRR）即脈搏與呼吸次數(shù)的比值，是評(píng)估患者生理狀態(tài)的重要指標(biāo)[1]。在中醫(yī)醫(yī)學(xué)中，脈息比體現(xiàn)了患者當(dāng)前時(shí)刻脈搏與呼吸的動(dòng)態(tài)關(guān)系，可在一定程度上反映患者當(dāng)下或長(zhǎng)期的寒熱虛實(shí)狀態(tài)[2]。西方學(xué)者SCHOLKMANN等[3-4]通過一系列實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，PRQ（Pulse-Respiration Quotient）在心肺系統(tǒng)的調(diào)節(jié)狀態(tài)方面發(fā)揮了重要作用。

光電容積脈搏波（Photo Plethysmo Graphy， PPG）是一種包含多個(gè)與生理過程有關(guān)的頻率成分的復(fù)合信號(hào)[5]，廣泛應(yīng)用于心率、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)[6-8]。通過PPG提取呼吸信號(hào)、檢測(cè)呼吸率并估算脈息比，可以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)、非侵入性的監(jiān)測(cè)[9-10]。

本研究旨在通過選擇合適的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和算法，利用指端PPG數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)呼吸信號(hào)提取、脈率和呼吸率的檢測(cè)，并進(jìn)一步探索平均和動(dòng)態(tài)脈息比值的估算方法。

1 實(shí)驗(yàn)方法（Experimental methods）

1.1 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

作為研究的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)獲取階段涉及訪問數(shù)據(jù)庫(kù)、選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)集和下載所需的脈搏波信號(hào)記錄。本研究使用公共數(shù)據(jù)庫(kù)PhysioBank中的指端PPG數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集源自MIMIC-Ⅱ資源，被命名為BIDMC數(shù)據(jù)集[11]。該數(shù)據(jù)集涵蓋了來自53名成年患者同時(shí)段的PPG信號(hào)和呼吸波信號(hào)，兩種信號(hào)均以125 Hz的采樣頻率進(jìn)行記錄，每組數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度約8 min。

本研究隨機(jī)選擇10組記錄作為測(cè)試集，其中PPG信號(hào)用于研究數(shù)據(jù)源，而RESP信號(hào)作為參考呼吸信號(hào)，與由PPG信號(hào)提取的呼吸信號(hào)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。為了保證后續(xù)處理和分析的準(zhǔn)確性，研究人員先進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括但不限于去除基線漂移和平滑降噪等步驟。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的在于提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和一致性，從而確保后續(xù)研究的可信度和可重復(fù)度。

1.2 呼吸率檢測(cè)方法

準(zhǔn)確的呼吸率測(cè)量對(duì)于脈息比的計(jì)算至關(guān)重要。由于涉及呼吸信號(hào)提取和呼吸率檢測(cè)兩個(gè)步驟，因此本研究使用了一個(gè)綜合的算法流程框架（圖1），旨在有效提取呼吸信號(hào)并準(zhǔn)確計(jì)算呼吸率，該框架考慮了不同算法的集成，以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)特征和場(chǎng)景需求。

1.2.1 呼吸信號(hào)提取

呼吸信號(hào)的提取是呼吸率檢測(cè)的首要步驟，從脈搏波信號(hào)中提取呼吸信號(hào)的方法可分為基于特征和基于濾波器兩種[12]。

基于特征的方法利用脈搏波信號(hào)的幅度、頻率等特征提取呼吸信號(hào)，有效捕獲由呼吸引起的脈搏波信號(hào)的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸信號(hào)的提取，如峰值檢測(cè)法、幅度變化法等;基于濾波器的方法使用不同類型的濾波器，如小波變換法、帶通濾波器等，濾除脈搏波信號(hào)中在合理呼吸頻率范圍之外的頻率，從而提取呼吸信號(hào)[13]。

本文實(shí)驗(yàn)選用了基于濾波器的帶通濾波器方法提取呼吸信號(hào)。帶通濾波器有助于抑制非感興趣頻率成分，保留目標(biāo)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸信號(hào)的有效提取。

1.2.2 呼吸頻率檢測(cè)

呼吸率是計(jì)算脈息比的關(guān)鍵參數(shù)之一，呼吸率估算的算法有多種，這些方法基于不同的原理和技術(shù)，適用于不同的數(shù)據(jù)特征和應(yīng)用場(chǎng)景。總體而言，呼吸率估算方法可以分為時(shí)域和頻域兩大類[14]。

時(shí)域方法通過分析呼吸信號(hào)的波形特征，關(guān)注信號(hào)在時(shí)間域上的變化，以估算呼吸率，如峰值檢測(cè)法、過零檢測(cè)法等;頻域方法通過對(duì)呼吸信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，找到主導(dǎo)頻率估算呼吸率，如快速傅里葉變換光譜分析法、自回歸譜分析法等。

本文實(shí)驗(yàn)選用了基于時(shí)域的峰值檢測(cè)法估算呼吸頻率。該方法對(duì)呼吸波信號(hào)的周期性變化具有較強(qiáng)的捕捉能力，檢測(cè)波峰的方式能夠提供準(zhǔn)確的呼吸周期，為后續(xù)脈息比檢測(cè)提供了關(guān)鍵的時(shí)間信息。

1.3 脈息比估算方法

在中醫(yī)診療中，脈息比是用于評(píng)估患者健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，本文提出了不同的計(jì)算方法計(jì)算脈息比，包括平均脈息比和動(dòng)態(tài)脈息比，以更全面地了解患者的生理狀況。

1.3.1 平均脈息比

在平均脈息比的計(jì)算中，本文對(duì)時(shí)間長(zhǎng)度為8 min的PPG信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)劃分，以60 s為一段，選定其中一段進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)，具體步驟如下。

（1）脈搏速率測(cè)量：使用峰值檢測(cè)法計(jì)算選定PPG信號(hào)的平均脈搏速率。

（2）呼吸速率測(cè)量：使用峰值檢測(cè)法計(jì)算提取出的呼吸信號(hào)的平均呼吸頻率。

（3）平均脈息比計(jì)算：將平均脈搏速率除以平均呼吸速率，得出平均脈息比。

1.3.2 動(dòng)態(tài)脈息比

動(dòng)態(tài)脈息比的計(jì)算涉及不同的方法，包括使用脈搏峰值位置、脈搏時(shí)間間隔和脈搏持續(xù)時(shí)間，具體的方法如下。

（1）根據(jù)脈搏峰值位置，通過迭代計(jì)算每個(gè)呼吸波段內(nèi)的脈搏峰值數(shù)量：①檢測(cè)脈搏峰值的位置;②計(jì)算每個(gè)呼吸波段的起始和結(jié)束位置;③統(tǒng)計(jì)每個(gè)呼吸周期內(nèi)的脈搏峰值數(shù)量。

（2）根據(jù)脈搏的時(shí)間間隔，通過迭代計(jì)算每個(gè)呼吸周期內(nèi)的脈搏周期數(shù)量：①計(jì)算每個(gè)脈搏波的起始和結(jié)束位置;②計(jì)算每個(gè)呼吸波段的起始和結(jié)束位置;③統(tǒng)計(jì)每個(gè)呼吸周期內(nèi)的脈搏周期數(shù)量。

（3）使用脈搏波的持續(xù)時(shí)間，由“脈搏波采樣點(diǎn)數(shù)/脈搏波頻率”轉(zhuǎn)換得到。通過計(jì)算每個(gè)呼吸周期的采樣點(diǎn)數(shù)和呼吸周期內(nèi)脈搏波的平均采樣點(diǎn)數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為呼吸時(shí)間間隔和脈搏波持續(xù)時(shí)間，兩者相除計(jì)算脈息比：①遍歷每個(gè)呼吸周期，獲取當(dāng)前呼吸周期的起始和結(jié)束時(shí)間點(diǎn);②計(jì)算當(dāng)前呼吸周期內(nèi)脈搏峰值的采樣點(diǎn)索引值、采樣點(diǎn)數(shù)NPPG 和平均采樣點(diǎn)數(shù)NAVG_PPG;③計(jì)算當(dāng)前呼吸周期的采樣點(diǎn)數(shù)NRESP;④計(jì)算脈息比，PPG信號(hào)頻率和呼吸信號(hào)頻率分別為fPPG 和fRESP。脈息比的計(jì)算公式如下：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（Experimental results and analysis）

2.1PPG信號(hào)預(yù)處理

本文實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取了數(shù)據(jù)集中的10組數(shù)據(jù)，每組包含8 min的連續(xù)信號(hào)。將每組數(shù)據(jù)劃分為多個(gè)60 s的段落，從中選擇一段60 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。在確定組別和段落后，加載相應(yīng)的原始PPG信號(hào)，圖2展示了第12組第3段PPG信號(hào)。

本文采用了高通濾波器消除基線漂移，并使用低通濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行平滑處理，為了凸顯濾波對(duì)比效果，時(shí)域圖中僅呈現(xiàn)了脈搏波信號(hào)的10 s長(zhǎng)度部分（圖3）。高通濾波器的作用在于有效消除信號(hào)中的極低頻基線漂移，同時(shí)保留了脈搏信息，而低通濾波器則生成了一個(gè)更平滑的信號(hào)，在一定程度上消除了曲線上的細(xì)小噪聲。濾波前后的對(duì)比效果如圖4所示，從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，極低頻的基線漂移得到了較好抑制，起伏的數(shù)據(jù)也更加平滑。

2.2 呼吸信號(hào)提取和呼吸率檢測(cè)

2.2.1 呼吸信號(hào)提取

在呼吸率檢測(cè)的第一步，采用基于濾波器的帶通濾波器提取呼吸信號(hào)。本文使用了巴特沃斯（Butterworth）濾波器，其最低頻截止頻率和最高頻截止頻率是根據(jù)呼吸信號(hào)頻譜圖進(jìn)行選擇的，旨在確保適應(yīng)呼吸信號(hào)的頻率范圍。通過使用filtfilt函數(shù)將該濾波器應(yīng)用于降采樣后的PPG信號(hào)上，提取出呼吸信號(hào)。0.3 Hz對(duì)應(yīng)呼吸頻率，計(jì)算出呼吸率為0.3×60=18次/分鐘，符合一般人的呼吸節(jié)律。

將基于PPG信號(hào)經(jīng)過帶通濾波器處理后提取的呼吸波信號(hào)與數(shù)據(jù)集中的參考呼吸波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比效果如圖5所示。從圖5中可以觀察到，兩種波形存在一定的相似之處，但也出現(xiàn)了一些相位差異。出現(xiàn)這種差異的原因主要是人體脈搏在上肢的傳導(dǎo)需要一定的時(shí)間，從而導(dǎo)致重構(gòu)的呼吸信號(hào)相對(duì)于原始呼吸信號(hào)在時(shí)間上存在一定的滯后[15]。

2.2.2 呼吸率檢測(cè)

本研究采用時(shí)域方法中的峰值檢測(cè)法估算呼吸率，以捕獲信號(hào)在時(shí)間域上的變化。峰值檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)在于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且直觀，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝?，可以選擇性地提取出信號(hào)中的波峰，而波谷通常對(duì)應(yīng)著呼吸波的起伏下降。這種方法不需要事先對(duì)信號(hào)進(jìn)行復(fù)雜的頻域分析或模型擬合，更適合用于實(shí)際生物醫(yī)學(xué)信號(hào)中存在的呼吸波動(dòng)。

本文使用信號(hào)的峰值檢測(cè)函數(shù)findpeaks確定呼吸波的峰值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，這種方式可有效地捕捉呼吸信號(hào)中的周期性起伏。通過計(jì)算相鄰峰值之間的時(shí)間差，獲得了呼吸波的周期，并將呼吸周期轉(zhuǎn)換為呼吸率，即每分鐘的呼吸次數(shù)。如此得到了一個(gè)與時(shí)間相關(guān)的呼吸率序列，結(jié)果如表1所示。

通常，相關(guān)研究以呼吸速率的準(zhǔn)確性作為提取呼吸波信號(hào)的關(guān)鍵指標(biāo)。表2中列出了10組參考的呼吸波信號(hào)與重構(gòu)的呼吸波信號(hào)的呼吸頻率數(shù)據(jù)，以及提取呼吸速率的準(zhǔn)確率。

2.3 脈息比估算

2.3.1 平均脈息比

在平均脈息比的估算中，首先計(jì)算選定PPG的平均脈搏速率，其次計(jì)算相同時(shí)間段內(nèi)PPG提取的呼吸信號(hào)的平均呼吸頻率，最后將平均脈搏速率除以平均呼吸速率得到平均脈息比。表3為本實(shí)驗(yàn)中的10組PPG信號(hào)的平均脈息比值數(shù)據(jù)。

根據(jù)長(zhǎng)桑君脈法脈息術(shù)，正常的脈搏與呼吸的比值為4～5;將脈息比值小于4定義為少氣，小于3定義為明顯少氣;將脈息比值大于5定義為脈躁，大于6定義為明顯脈躁[1]。實(shí)驗(yàn)對(duì)象的平均脈息比值為4～5，符合正常范圍。實(shí)驗(yàn)對(duì)象8和9的平均脈息比值低于4，而實(shí)驗(yàn)對(duì)象2和4的平均脈息比值高于5，可能存在病癥，需要進(jìn)一步觀察和診斷。

2.3.2 動(dòng)態(tài)脈息比

在動(dòng)態(tài)脈息比計(jì)算的實(shí)驗(yàn)中，采用了3種不同的方法，分別為脈搏峰值位置、脈搏時(shí)間間隔、脈搏持續(xù)時(shí)間。以上方法結(jié)合了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和特定算法，旨在準(zhǔn)確地捕捉脈搏波信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化。以第1組第4段PPG信號(hào)為例。

（1）脈搏峰值位置：通過循環(huán)遍歷每個(gè)呼吸波段，計(jì)算每個(gè)呼吸波段內(nèi)的脈搏峰值數(shù)量。對(duì)于每個(gè)呼吸波段，使用邏輯索引獲取處于該時(shí)間范圍內(nèi)的脈搏峰值，并統(tǒng)計(jì)波峰數(shù)量（圖6）。

（2）脈搏時(shí)間間隔：通過檢查脈搏時(shí)間間隔的起始和結(jié)束是否在當(dāng)前呼吸周期內(nèi)，計(jì)算該周期內(nèi)的脈搏波數(shù)量（圖7）。若脈搏波的時(shí)間間隔總和未超出呼吸周期的時(shí)間范圍，則直接累加脈搏波數(shù)量;若超出時(shí)間范圍，則使用線性插值根據(jù)當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行估算，然后存儲(chǔ)計(jì)算得到的脈搏波數(shù)量。

（3）脈搏持續(xù)時(shí)間：通過遍歷每個(gè)呼吸周期，找到屬于該周期的脈搏峰值索引，計(jì)算相關(guān)采樣點(diǎn)數(shù)和平均采樣點(diǎn)數(shù)。根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)/頻率=持續(xù)時(shí)間，呼吸持續(xù)時(shí)間與脈搏持續(xù)時(shí)間相除，計(jì)算每個(gè)呼吸周期的脈息比（表4和圖8）。

繪制脈息比隨呼吸周期變化的圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)脈息比變化的可視化展示。為了進(jìn)一步處理和展示脈息比的變化趨勢(shì)，通過插值方法生成具有更多數(shù)據(jù)點(diǎn)的連續(xù)曲線，提高數(shù)據(jù)的光滑性，以便更清晰地觀察生理信號(hào)的動(dòng)態(tài)特征（圖9）。

3 討論（Discussion）

在脈息比檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，本研究估算了不同類型的脈息比值：平均脈息比和動(dòng)態(tài)脈息比。動(dòng)態(tài)脈息比的計(jì)算涉及3種不同的方法，分別基于脈搏峰值位置、脈搏時(shí)間間隔和脈搏持續(xù)時(shí)間。以下是對(duì)這些方法的詳細(xì)比較。

3.1 平均脈息比

平均脈息比作為一種簡(jiǎn)單且直觀的計(jì)算方法，其優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算簡(jiǎn)便，能夠提供對(duì)整體生理狀態(tài)的快速估計(jì)，其缺點(diǎn)在于只提供整體平均值，可能掩蓋了某些細(xì)節(jié)的變化，并且無法捕捉到短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)。

3.2 動(dòng)態(tài)脈息比

（1）方法一：脈搏峰值位置計(jì)算。該方法的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)果直觀，考慮了脈搏峰值的具體位置，尤其適用于對(duì)脈搏位置準(zhǔn)確性要求較高的情況;然而，其缺點(diǎn)在于遍歷脈搏峰值位置可能比較耗時(shí)，尤其在數(shù)據(jù)量較大的情況下，并且結(jié)果限制在整數(shù)計(jì)數(shù)，可能無法提供細(xì)致的小數(shù)計(jì)算結(jié)果。

（2）方法二：脈搏時(shí)間間隔計(jì)算。該方法不依賴于脈搏峰值的具體位置，因此具有相對(duì)較高的計(jì)算效率，并提供了一種相對(duì)靈活的計(jì)算方式，適用于不同的數(shù)據(jù)特征。然而，該方法需要計(jì)算時(shí)間間隔并進(jìn)行插值，其準(zhǔn)確性可能受到時(shí)間間隔計(jì)算準(zhǔn)確性的影響。

（3）方法三：脈搏持續(xù)時(shí)間計(jì)算。該方法不依賴于脈搏峰值的具體位置，提供更高精度的小數(shù)計(jì)數(shù)結(jié)果，它考慮了脈搏波形的持續(xù)時(shí)間，能夠更全面地反映生理信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化;然而，其計(jì)算復(fù)雜度會(huì)增加，特別是在需要高精度計(jì)算的情況下，并且它可能對(duì)信號(hào)質(zhì)量比較敏感。

在選擇脈息比計(jì)算方法時(shí)，需要綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算效率及對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的適應(yīng)性。不同方法的選擇可能取決于研究的具體目標(biāo)、所使用的數(shù)據(jù)特征及對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的要求。若對(duì)脈搏位置準(zhǔn)確性要求高且能容忍較長(zhǎng)的計(jì)算耗時(shí)，則選擇方法一;若期望減少對(duì)脈搏位置準(zhǔn)確性的依賴且注重計(jì)算效率，則選擇方法二;若追求更高精度的計(jì)算結(jié)果，對(duì)計(jì)算復(fù)雜度有較高的容忍度，則選擇方法三。

4 結(jié)論（Conclusion）

本研究探討了基于PPG信號(hào)的脈息比檢測(cè)方法，并通過實(shí)驗(yàn)成功估算出脈息比值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，脈息比呈現(xiàn)出顯著的動(dòng)態(tài)變化，并且不同患者的脈息比值因其個(gè)體生理狀態(tài)而存在差異。在確定脈息比計(jì)算方法時(shí)，必須在計(jì)算精度、計(jì)算效率及適應(yīng)特定應(yīng)用場(chǎng)景之間取得平衡。具體的方法選擇應(yīng)綜合考慮研究目標(biāo)、使用數(shù)據(jù)的特征，以及對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的具體要求。本研究為PPG信號(hào)在臨床監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用提供了有益參考，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的健康狀況進(jìn)行全面、動(dòng)態(tài)的評(píng)估。未來的研究有望在深入探討脈息比與健康狀況之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，推動(dòng)脈息比檢測(cè)方法的進(jìn)一步發(fā)展，并在臨床實(shí)踐中取得更廣泛的應(yīng)用。

作者簡(jiǎn)介：

葉曉璐（1999-），女，碩士生。研究領(lǐng)域：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。

陳兆學(xué)（1975-），男，博士，副教授。研究領(lǐng)域：生物醫(yī)學(xué)圖像和信號(hào)處理，中醫(yī)大數(shù)據(jù)，3D打印。