基于脉搏波的动脉硬化检测及其远程实现

2014 年8月8日,国家心血管病中心在京发布《中国心血管病报告 2013》,该报告显示,2012 年 我国心血管病死亡率为 255:100 000. 在城市居民疾病死亡构成中占 41.1%,在农村占 38.7%,平均每 5 例死 亡中就有 2 例死于心血管病,死亡率居各种疾病之首。心血管病已成为我国面临的重大公共卫生问题。

动脉硬化是众多心血管疾病发生的生理和病理基础,是引起心血管疾病的主要原因,尽管慢性心血管疾病在发病早期没有明显症状,但人体动脉血管的血管阻力、血管弹性等一系列反映血管功能的生 理参数已经悄然发生改变,若能及早发现这些生理特性的变化,预警疾病发生的危险程度,就可以为早 期医学干预有效预防心血管疾病提供可靠依据,从而降低心血管疾病的发病率和死亡率。

大量医学研究和临床统计显示,心血管血流参数的变化,首先反应在脉搏波的波形中,这是因为 脉搏波由心脏开始向动脉系统传播时,不仅要受到心脏本身的影响,同时也会受到流经各级动脉及分支 中各种生理因素的影响,使动脉波中包含有极丰富的心血管系统生理病理信息,其波形特征变化是评价 人体心血管系统生理病理状态的重要依据。

1 脉搏波基础理论

1.1 脉搏波产生机理

脉搏波是心脏的搏动(振动)沿动脉血管和血流向外周传播而形成的。心脏是一个持续不断的振源, 心室收缩时,血液快速射入主动脉致其基部压力骤增而膨胀;心室暂未射血时,主动脉基部压力下降, 管壁弹性回缩,则恢复至原来位置。如此,主动脉管壁就因心室的舒缩而有节律地受迫振动。这种振动 能沿弹性血管向末梢传播而形成脉搏波(横波)。在传播过程中,必然要受到血管壁弹性、血管周围 阻力、血液黏度等因素的影响,从而使脉搏波形发生变化。

1.2 脉搏波波形特征

一个完整的脉搏波波形有 A,B,C,D 4 个重要特征 点,其包含升支和降支。如图 1 所示,A 称作主波,B 称 作潮波,C 称作重搏波峰,D 称作重搏波谷,OA 是主波上 升支,OO‘是脉搏波周期,这个脉搏波曲线的变化体现了 人体的生理病理变化。

1.2.1 OA 段波形简介

脉搏波形的上升支,是由于在动脉壁忽然扩展的时候, 左心室射血,动脉血压快速升高,形成管壁扩张。O 点 是心脏射血期的开始点,反映收缩期末血管内的压力和容 积,A 点是主动脉压力最高点,反映动脉内压力与容积的 最大值。心输出量、射血速度和阻力是影响上升支的幅度和斜率的主要因素,一般用脉搏波波形上升的 斜率和幅度表示,心输出量较多、射血速度较快、主动脉弹性越小、阻力越小,则斜率较大,波幅较高; 反之,则斜率较小,波幅较低。

1.2.2 AD 段波形简介

下降支的前段,是由于在心室射血的后面阶段,射血速度开始降低,造成主动脉流向周围的血量大 于流进主动脉的血量,大动脉由扩张变成回缩,动脉血压逐步变低这个过程造成的。B 点是左心室射 血停止点,是反射波的波峰点,也叫潮波波峰,反映动脉血管的张力、顺应性和外周阻力的大小。D 点 是潮波波谷点,即心脏收缩与舒张的分界点,主要反映外周阻力的大小。

1.2.3 DO’段波形简介

下降支的后段,也叫重搏波,是由于心室扩张,动脉血压不断降低,主动脉内血液向心室方向反流 形成的。反映主动脉的功能状况,血管弹性和血液流动状态。

1.3 动脉硬化对脉搏波的影响

大量临床研究证明,人的脉搏波的波形特征随着一些生理因 素,例如血液黏度、血管弹性、血管周围阻力的变化而呈规律性 变化,如图 2 所示。

正常人:主波高且窄,重搏波比潮波明显,动脉弹性较好, 血管周围阻力比较低。

轻度动脉硬化:在主波后潮波不断升高,重搏波变得不太明 显,动脉弹性适中,血管周围阻力也适中。

中度动脉硬化:在主波后潮波变得明显,重搏波和主波融合, 重搏波变得不太明显,动脉弹性比较差,血管外周阻力也比较差。

重度动脉硬化:主波和潮波有不同程度的融合,重搏波和潮波 也有不同程度的融合,动脉弹性表现很差,血管外周阻力也很差。

 2 动脉硬化相关参数及其计算

2.1 表征动脉硬化的相关参数介绍

1)每搏输出量(SV):指一次心搏,一侧心室射出的血量,简称搏出量,是衡量心功能的重要指标。 影响搏出量的基本因素有心肌收缩性,心肌收缩的协调、顺应性,心率,动脉血压等。

2)外周阻力(TPR):指左心室每搏输出的血液通过外周血管网络到达中心静脉压力等于 0 处所遇 到阻力的总和,包括主动脉阻力、肌性动脉阻力、毛细血管网和静脉阻力相互串连的总阻力值。其反映 体循环血管各部阻力的综合,具有很高的临床意义。外周阻力的升高是外周血管功能和结构改变的结果。 血压增高,外周血管阻力随之增高,血压长期持续增高,会促进血管粥样硬化病变的发生和发展。

3)动脉顺应性(AC):动脉内血液压力改变一个单位时所对应动脉体积的相应变化量。动脉顺应 性下降的动脉壁改变往往早于临床症状的出现,通过对动脉顺应性的检测,可以早期发现动脉硬化,并 对其程度进行评估,有利于减少心血管病的发生率。

4)血液黏性(V):血液流变学的基本指标,是指血液分子间的内摩擦力,血液黏度越高,越易引 发心脑血管疾病。

2.2 表征动脉硬化的相关参数计算方法

2.2.1 脉搏波波形特征量 K 值的提取

由脉搏波产生和传播的机理可知,随着血管阻力和动脉弹性等生理变化,脉搏波波形特征变化首先 反映在脉搏波波形面积的变化上,为了能以一个简单的特征量来描述上述的变化,北京工业大学罗志昌 教授等提出了一个以脉图面积变化为基础的脉搏波波形 K 值,其定义为

其中

其中,Pm 为平均动脉压,等于一个心动周期中脉搏压力 P(t)的平均值;Ps 和 Pd 分别为收缩压和舒张压, 具体如图 3 所示。

由此可知,K 值的大小取决于脉搏波的周期波形图面积,是一个 无量纲的值。不同生理病理状态下脉搏波波形和面积都会有很大 变化,这个变化可用 K 值来表示。目前的研究在计算 K 值时,多 采用周期脉搏波形的峰值、谷值和幅值的平均值来代替定义中的 Ps,Pd 和 Pm 的数值,这里 Pm 的计算采用的是积分形式,而非 简单的 Ps,Pd 的平均。具体计算方法为

1)将采集程序传入的脉搏波信号序列取全长,并将 20%~80% 部分(时间)的序列分离出来,防止不必要的干扰;

2)对分离出的序列遍历,找出最大值和最小值。具体来说,某 个采样点≥前一个点的值且≥后一个点的值,则为最大值的点,类 似方法获得最小值所在的点;

3)将所有最大值所在的点,去掉首尾各一个之后遍历,同时比对最小点序列中最近相邻的前后点, 确定每一个周期的起止;

4)根据起止点、最大值点,得到该周期信号的 Ps,Pd,Sigma(P), 即离散化的积分值,再除以采样 点时间宽度,即得 Pm.

由脉搏波波图面积提取的特征量 K 值,能从宏观上描述出脉搏波波形变化的平均特征,能体现人体 心血管系统中最为重要的一些生理参数如血管外周阻力、血管壁弹性和血液黏性等生理因素的变化,并 可以用 K 值进行量化,这有着重要的医学应用价值。由于特征信息减少到只有一个特征量,简单易记, 生理意义明确,且变化很有规律,临床医生易于接受,因而可作为心血管临床检查的一个重要生理指标。 特征量 K 值检测方便,检测结果的重复性和稳定性较好,这为临床上心血管血流参数的无损检测提供了 一个简单易行的方法。

2.2.2 基于 K 值计算相关心血管参数

通过脉搏特征 K 计算的部分心血管参数如下:

1)每搏输出量(SV),单位为 mL.

其中,T 为脉搏波周期;Ps 为收缩压;Pd 为舒张压。

2)每分输出量(CO),1 min 内左心室输出的血量,单位为 mL.

3)外周阻力(TPR),单位为 Pa·s/mL.

4)动脉顺应性(AC),单位为 mL/mmHg.

5)血液黏性(V),单位为 Pa·s.

3 远程实现

由于动脉硬化的发病主体主要是中老年人,且多行动不便,因此,实时简便快捷的检测方法更符合病人需要。基于此,这里提出一个实现动脉硬化远程检 测的方案。主要流程如图 4 所示。

1)采集端:使用 C#开发多线程程序,采集设备将信 号发送到计算机,先保存在内存链表中,再传递至窗口主 线程实现波形绘制,当点击上传数据时,程序根据读卡器 接口程序段读取用户身份信息连同采集脉搏信息,与采样 结果一起封装上传。传输过程基于 TCP/IP 协议。

2)服务端:为耦联了网页服务端的 Java 应用程序,主 要完成对采集程序上传数据的读取、解析、保存及后处理。 Java 服务端开启指定端口,不断监听来自网络的基于 TCP/IP 协议的连接请求。当请求被识别后连接成功创建,服务端程序不断读取采集程序上传的信号数据 直到全部读取完毕。随后 Java 服务端将数据保存。保存完成后,分析程序对数值序列进行自动分析。在 切分出每一个单独的脉搏波后,根据设备的采样设定时间间隔,将波形幅值进行积分,计算基本参数, 并相应的计算其他状态结果。

3)客户端:接收来自指定服务端的数据,并保存、显示供用户随时查阅。 由此可知,用户只需采集脉搏信号,点击上传,便可随时查询结果,十分方便快捷。

 4 结论

随着经济水平的发展、饮食结构的改变、生活节奏的加快、生活压力的增大以及人口迅速老龄化,心 血管病已成为我国面临的重大公共卫生问题,防治工作刻不容缓。这里较详细地阐述了脉搏波的产生 机制及脉搏波与动脉硬化的关系,并提出一个切实可行的方案,实现动脉硬化的远程监测。下一步将集 中采集年长的以及有心血管疾病的受试者,并根据计算的参数对动脉硬化程度进行分级,使本研究成果 更具实用价值。