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脉搏波分析研究进展

脉搏波分析研究进展

李霞陆琤刘星星

【摘要】脉搏波作为人体重要的生理信号，包含机体的多种生理病理信息，在心血管功能检测、临床监护、中医客观化研究等方面具有重要实用价值，也一直是心血管领域内研究热点之一。

目前的脉搏波分析方法主要包括时域和频域的参数提取及数学建模等方法。

随着信号处理技术的发展和人体生理机制的深入研究，脉搏波包含的更多有价值信息将被挖掘，在相关疾病的预防、诊断及治疗等方面发挥更大作用。

【期刊名称】北京生物医学工程

【年（卷）,期】2015（000）005

【总页数】4

【关键词】脉搏波；应用；分析方法

0引言

脉搏波不仅受心脏本身的影响，同时还受流经各级动脉及分支中各种生理病理因素如血管阻力、血管壁弹性和血液黏性等的影响，因而从下游外周动脉反射回来的反射波强度和波形随不同的生理病理因素变化将会有很大的差异。

反射波与原来从心脏出发的脉搏波相叠加后形成脉搏波，其中蕴藏着丰富的心血管系统生理病理信息[1]。

心血管生理特性的改变会引起脉搏波信号的强度、形态、节律以及速率等各参数发生变化，因此可以通过对脉搏波进行分析，提取其中包含的生理病理信息，为心血管疾病相关的早期检测或者后期治疗指导提供一种有效的技术手段。

1脉搏波分析应用领域

1.1评价血管弹性

脉搏波速度是目前临床较为认可的评价大动脉弹性的指标。

心脏收缩将血液射入主动脉，主动脉壁扩张形成脉搏波，脉搏波则以一定速度沿着血管壁传播。

由于动脉血管内血液是不可压缩的液体，脉搏波主要通过血管壁传播，因此血管功能是影响脉搏波速的主要因素[2]。

Teemu等[3]研究了脉搏波速度与颈动脉中膜厚度（IMT）、局部动脉僵硬度（C-dist）、肱股动脉血流介导舒张（FMD）等参数的关系，发现脉搏波速度在年轻人血管损伤评价中较其他方法更有优势。

李迎等[4]将健康者和高血压患者的颈-股动脉脉搏波速进行对比，发现高血压病患者颈-股动脉脉搏波速显著高于健康者，证实了颈-股动脉脉搏波速可反映动脉早期功能改变。

1.2检测连续血压

脉搏波传播速度由动脉血管壁的紧张程度决定。

血压较高时，动脉壁紧张，脉搏波传递加快；血压较低时，动脉壁松弛，脉搏波传递减慢，因此通过测量脉搏波度速可间接推算出动脉血压值。

两者关系经血压测量标准方法校准后，可用于计算连续动脉血压值。

吕海姣等[5]通过提取人体肱动脉脉搏波的特征参数，根据逐步回归分析建立血压特征方程估计人体每搏血压，实现了无创的连续血压测量，并证实该方法与传统水银血压计的测量结果之间具有良好的一致性。

1.3监测血氧饱和度

采用红光和红外光同时对手指或其它组织进行照射时，红外光和红光的容积脉搏波的波幅比值会随动脉血氧饱和程度而变化，因此，在每次心搏时检测红光和红外光的容积脉搏波的波幅比值，便能无创、连续地测定每搏血氧饱和度[6]。

目前利用脉搏波监测血氧饱和度的方法已在临床尤其是重症监护病房等广泛使用，如吴桂荣[7]对四肢创伤患者监测其脉搏波及血氧饱和度，从而对其进行更为方便、优良的护理。

1.4研究中医脉象

脉诊是中医四诊法之一，不同部位的脉搏波分析及特征提取是客观分析脉象的关键。

20世纪80年代中期，沈海东等[8]观察了50例冠心病和30例健康人的寸口六部脉图，发现冠心病患者左寸脉图包含科反映病理的信息，与正常组比较，冠心病组左寸脉图参数h1低于正常组，且此参数与各项心功能指标呈显著相关性，并与西医的一些检测指标具有相关关系。

张镜人等[9]曾对217例动脉硬化患者和200例健康人的脉图进行了对比，发现动脉硬化组的弦脉脉图多于对照组，从脉图中提取的指标可用于诊断动脉硬化。

郭睿等[10]利用脉搏波的传播波速和反射系数对中医脉象进行研究，发现用上述参数能有效区分平脉、滑脉、弦脉等，为中医脉象分析提供了新思路。

目前基于脉搏波信号的脉象表征依然是中医客观化领域内研究热点之一。

2脉搏波分析方法

如何对脉搏波进行处理和分析，提取其中包含的生理病理信息，将其有效用于临床诊断或疾病预防，一直为国内外相关领域内研究者所关注。

目前脉搏波速度的研究和应用比较成熟，脉搏波速度主要是分析脉搏波在血管中的传播快慢，以此来对血管状况进行评价，而脉搏波信号本身包含的生理信息则主要通过对波形进行分析得到，如对一个心动周期的整条压力曲线进行分析，能得出直接反映心脏负荷情况的中心动脉压；对脉搏波的幅值与波形变化进行分析，可提取反映心血管状况信息的参数等。

下面对脉搏波信号的几种主要分析方法进行介绍。

2.1时域分析法

时域分析法是目前脉搏波处理中应用最广泛的一种方法。

它直接对脉博波信号的时间、幅度、斜率等形态进行分析，用这些参数阐述血管内流体参量及其与时间空间的函数关系。

许多研究者根据脉搏波时域波形图来构造具有生理意义的参数，利用其对机体的血流动力学等参数进行表征。

罗志昌等[11]提出一个以脉搏波图的面积变化为基础的脉搏波形特征量K，其变化能代表血管外周阻力、管壁弹性和血液黏性等血流参数的变化。

蔺嫦燕等[12]在此基础上引入收缩期与舒张期的分界点，提出基于收缩期和舒张期面积的特征量K1、K2、特征比例K1/K2，并证实其代表外周阻力、血液黏性等人体心血管系统非常重要的生理参数的变化。

Wu等[13]提出来一系列新参数，包括主峰出现的时间（cresttime，CT）、标准化主峰时间（normalizedcresttime，NCT）、主峰时间比（cresttimeratio，CTR），并证实其在重搏波不明显无法使用传统参数的情况下，这些参数在评价动脉硬化程度上具有特殊作用。

香港大学的刘蔼欣等[14]采用对脉搏波信号求导数并计算导数曲线与时间轴所围图形面积的方法构造了特征参数S-summation以区分冠心病患者与健康人群。

陆琤等[15]提取了脉搏波信号上升支、下降支的重心、脉搏波的一阶微分、二阶微分坐标等参数对2型糖尿病患者的心血管功能状况进行了评价。

2.2频域分析法

频域分析法主要是将脉搏波信号从时域变换到频域，然后提取脉搏波频谱中包含的与人体生理病理相关的信息进行分析。

由于脉搏波频谱由脉搏波所具有的全部频率分量的集合形式表示，因此保留了脉搏波的全部信息，从频率角度反映脉搏波的特征。

然而与直观的时域分析法相比，频域法计算相对复杂、结果较为抽象，在生理意义方面需要进行更多探讨和明确，才能更易为医学工作者所接受。

作为传统的信号分析方法，频域分析可以获得时域分析中无法得到的特征信息，因此脉搏波信号的频域分析也为研究人员所重视。

孟兆辉等[16]对67例高血压患者和66例健康人的光电容积脉搏波信号进行频域分析，发现高血压患者脉搏波的谐波峰值衰减速度明显高于健康人，且其谐波宽度也大于健康人。

彭世喜等[17]运用频谱分析法发现病理性弦、细、滑脉的脉象图各段能量分布不同，认为此方法是中医脉象客观研究的有效新途径。

张蔚波等[18]分析了脉搏波中的固有频率成分，提取了能反映人体健康状况的信号。

2.3数学建模法

根据脉搏波特性，通过数学建模和仿真对各种常见脉搏波进行模拟和分析也是常用的研究手段。

白净等[19]利用自行研制的心血管系统数学模型，对仿真的多个心血管参数包括心率、心室收缩舒张系数、血液黏度、动脉管弹性模量和外周阻力等进行改变，从而得到参数改变状态下的桡动脉脉搏波仿真波形，为多参数组合的心血管状态评估提供了依据。

从脉搏波的波形特性和产生机制出发，有些研究者采用高斯函数叠加的方法对其进行建模仿真。

钱伟立等[20]采用三个高斯函数合成脉搏波的数学模型，为脉搏波分析和特征提取提供了新思路，并在次基础上构造了脉搏波的3个特征值，可有效区分健康人与心血管疾病患者。

常昌远等[21]根据脉搏波的形成机制，采用高斯函数叠加逼近方法对脉搏波进行模拟，揭示了脉搏波的变化规律，并对4类不同程度的动脉硬化状况下的脉搏波进行了模拟，从中提取的特征值能较为准确地反映动脉硬化程度，为进一步利用脉搏波研究心血管系统的生理病理状况奠定了基础。

2.4Hilbert-Huang变换法[22]

Hilbert-Huang变换（HHT）分析法可根据信号局部时变特征进行自适应的时频分解。

传统时频分析方法如短时傅里叶变换（STFT）、连续小波变换（CWT）等用谐波分量来表示非平稳、非线性信号，因此存在固有的弱点。

HHT分析法克服了这类方法的缺陷，能得到较高的时频分辨率，且具有良好的时频集中性，因此己被用于进行各种非平稳信号处理。

脉搏波信号属于非平稳信号，对其进行HHT变换，能进行时频局部定位分析，可以较敏感地捕捉到脉搏波形随频率、时间变化的不同分量的主要特征。

2.5其他方法

主要根据非线性动力学理论与方法，对脉搏波信号的主波间期也即对脉率变异进行分析，提取其中包含的可反映人体心血管状况的非线性信息。

如任崇玉等[23]提取Lyapunov指数、近似熵等参数研究心率变异信号与脉率变异信号之间的相关性，及利用上述信号的非线性参数研究人体病理状况等。

目前对脉率变异的研究也逐渐引起人们的关注。

3展望

总之，脉搏波信号包含人体心血管功能状况的许多信息，在相关生理病理研究中具有重要价值，不断探索新的方法对其进行有效分析与特征提取，对于早期疾病诊断和预防，以及中医客观化等具有广泛实用价值与重要意义。

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（2014-04-03收稿，2014-05-30修回）

基金项目：

北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目（CIT&TCD201304186）资助

【文献来源】