利用脈搏波傳播時(shí)間計(jì)算動(dòng)脈血壓的研究

孟祥平 劉 兵 鄧寶蕓 潘 燕 李 橋*

1(山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，濟(jì)南 250012)

2(濟(jì)南市第四人民醫(yī)院心內(nèi)科，濟(jì)南 250031)

引言

動(dòng)脈血壓(arterial blood pressure，ABP)在心血管疾病的診斷中相對(duì)于外周動(dòng)脈壓(如肱動(dòng)脈壓)有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前測(cè)量動(dòng)脈血壓的方法主要有兩種:一是直接測(cè)量，即導(dǎo)管法直接測(cè)量動(dòng)脈內(nèi)血壓，是動(dòng)脈血壓測(cè)量的“金標(biāo)準(zhǔn)”。然而導(dǎo)管法為有創(chuàng)測(cè)量，不適用于日常應(yīng)用。另一種方法是間接測(cè)量，目前常用脈搏波速度(pulse wave velocity，PWV)或脈搏波傳播時(shí)間(pulse wave transit time，PWTT)來計(jì)算平均動(dòng)脈壓，并推導(dǎo)出收縮壓、舒張壓、脈壓等數(shù)值。

1957年Lansdown提出在一定范圍內(nèi)，PWTT和ABP呈線性相關(guān)，而且這種關(guān)系在一段時(shí)期內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的［1］。陸渭明的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了血壓和 PWTT之間的高度相關(guān)性［2］。對(duì)同一個(gè)體，PWTT和 ABP之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但不同個(gè)體之間，表征這一關(guān)系的參數(shù)是不同的。目前多限于研究在一段有限長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)PWTT和 ABP的關(guān)系，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(如24 h以上)當(dāng)血壓大幅度變化時(shí)二者是否仍滿足固定的線性關(guān)系仍有待研究［3－7］。

本研究使用美國(guó)麻省理工學(xué)院Physionet(http://www.physionet.org/)的 MIMIC 數(shù)據(jù)庫［8］，獲取PWTT和動(dòng)脈血壓，分不同時(shí)間段構(gòu)建針對(duì)特定個(gè)體的血壓方程，并由此方程通過PWTT估計(jì)動(dòng)脈血壓，并與實(shí)際血壓值進(jìn)行比較，驗(yàn)證血壓估計(jì)的準(zhǔn)確性。

1 原理和方法

1.1 脈搏波傳播時(shí)間和血壓的關(guān)系

脈搏波傳播速度由動(dòng)脈血管壁的緊張程度決定。當(dāng)血壓比較高時(shí)，動(dòng)脈壁變得緊張，脈搏波的傳遞變快;當(dāng)血壓比較低時(shí)，動(dòng)脈壁變得松弛，脈搏波的傳遞變慢。

向海燕提出，如果血管的彈性保持不變，那么血壓的變化和脈搏波傳導(dǎo)時(shí)間的變化成正比［6］。而對(duì)于同一個(gè)體，其血管彈性在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的改變，所以，通過測(cè)量脈搏波傳遞時(shí)間的變化，就可以估算出血壓的變化。動(dòng)脈血壓BP和脈搏波傳播時(shí)間PWTT近似關(guān)系為

式中，a，b是待定系數(shù)。這樣，只需要確定 a，b的值就可以確定針對(duì)個(gè)體的血壓方程。

1.2 使用MIMIC數(shù)據(jù)庫計(jì)算動(dòng)脈血壓

MIMIC數(shù)據(jù)庫是麻省理工學(xué)院應(yīng)用Hewlett Packard CMS(Merlin)床邊監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過專用軟件建立的數(shù)據(jù)庫，包含72例完整的同步監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，包括心電(ECG)、動(dòng)脈血壓(ABP)、光電容積脈搏波(Photoplethysmography，簡(jiǎn)稱 Pleth)、肺動(dòng)脈壓和呼吸等波形數(shù)據(jù)，平均記錄長(zhǎng)度40 h。選擇MIMIC中同時(shí)包含 ECG、ABP和 Pleth的數(shù)據(jù)共58例，計(jì)2 161.7 h，平均37.3 h/例，作為研究數(shù)據(jù)集。

計(jì)算PWTT時(shí)，心電QRS波起點(diǎn)采用數(shù)據(jù)庫中注釋的QRS波起點(diǎn)，脈搏波起點(diǎn)采用數(shù)據(jù)庫中注釋的Pleth信號(hào)波形最低點(diǎn)。由于原始的Pleth注釋中存在某些波形的明顯的錯(cuò)標(biāo)、漏標(biāo)等情況，導(dǎo)致計(jì)算獲得的PWTT存在錯(cuò)誤，對(duì)每例數(shù)據(jù)各讀取5個(gè)小時(shí)的信號(hào)波形，采用二階差分最大值結(jié)合幅度系數(shù)法進(jìn)行分析［9］，重新標(biāo)定了 Pleth信號(hào)的脈搏波起點(diǎn)，并與原始注釋結(jié)果進(jìn)行了比較。原始平均動(dòng)脈壓(MBP)通過數(shù)據(jù)庫中ABP注釋的收縮壓(SBP)和舒張壓(DBP)用經(jīng)驗(yàn)公式(MBP=DBP+(SBP－DBP)/3)得到。

為消除信號(hào)干擾的影響，分別對(duì)信號(hào)采用不同點(diǎn)數(shù)的中值濾波或平滑濾波，并選取信號(hào)正態(tài)分布的±2σ范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，以排除孤值點(diǎn)的干擾。

為研究不同時(shí)間長(zhǎng)度對(duì)血壓估計(jì)的影響，我們把每例數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理。分段方法為:1)不分段;2)10 000心搏/段;3)5 000心搏/段;4)2 500心搏/段。對(duì)每段數(shù)據(jù)取前一半數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，獲取PWTT與MBP的回歸方程;用后一半數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，由PWTT通過回歸方程計(jì)算血壓，并與原始血壓值進(jìn)行比較，計(jì)算均方根誤差。

2 結(jié)果

研究表明，對(duì) MBP和 PWTT數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)度為121點(diǎn)平滑濾波，可有效消除一過性干擾和呼吸運(yùn)動(dòng)的影響，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布孤值點(diǎn)處理后，對(duì)平均動(dòng)脈壓估計(jì)的均方根誤差最小，如表1所示。

表1 不同數(shù)據(jù)處理方法結(jié)果比較(±σ)Tab.1 Comparison of different data processing methods±σ)

表1 不同數(shù)據(jù)處理方法結(jié)果比較(±σ)Tab.1 Comparison of different data processing methods±σ)

/mmHg均方根誤差例數(shù) 僅中值濾波/mmHg僅平滑濾波/mmHg中值濾波并孤值點(diǎn)處理/mmHg平滑濾波并孤值點(diǎn)處理58 9.17±4.14 9.14±4.10 8.92±4.09 8.88±4.13

表2列出了不同分段處理時(shí)的均方根誤差、PWTT與MBP的相關(guān)系數(shù)(rPWTT)和估計(jì)血壓與原始血壓的相關(guān)系數(shù)(rBP)。結(jié)果表明，將數(shù)據(jù)分段計(jì)算可以有效減小誤差，在一定范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)段越短誤差越小，估算血壓與原始血壓的相關(guān)性越大(rBP)。

圖1和圖2分別為不分段和2 500心搏/段計(jì)算的動(dòng)脈血壓波形及其與原始動(dòng)脈血壓的差值(編號(hào)212數(shù)據(jù)的一段)。圖中橫坐標(biāo)是連續(xù)的每一個(gè)心搏點(diǎn)，波形是該心搏處相對(duì)應(yīng)的血壓值、PWTT和誤差。從圖中可以明顯看出采用2 500心搏/段計(jì)算時(shí)估計(jì)誤差明顯減小。

表2 數(shù)據(jù)分段處理結(jié)果比較(±σ)Tab.2 Comparison of different data segmentations(±σ)

表2 數(shù)據(jù)分段處理結(jié)果比較(±σ)Tab.2 Comparison of different data segmentations(±σ)

數(shù)據(jù)不分段 10 000心搏/段 5 000心搏/段 2 500心搏/段均方根誤差/mmHg 8.88±4.13 6.51±1.69 5.16±1.37 4.59±1.27 rPWTT －0.28±0.37 －0.36±0.18 －0.38±0.18 －0.35±0.19 rBP 0.34±0.29 0.65±0.19 0.74±0.14 0.79±0.13

圖1 2 500心搏/段計(jì)算的動(dòng)脈血壓波形。(a)同步比較;(b)前2 000點(diǎn)放大疊加比較Fig.1 Arterial blood pressure estimation using 2 500 heart beats per segment.(a)synchronous comparison;(b)enlarge and overlap comparison of the first 2 000 beats

對(duì)58例數(shù)據(jù)的5個(gè)小時(shí)的Pleth信號(hào)重新標(biāo)定脈搏波起點(diǎn)，結(jié)果表明，采用數(shù)據(jù)庫注釋的估計(jì)誤差為(5.42±2.34)mmHg，重新標(biāo)定后的誤差為(5.15±2.42)mmHg，說明二階差分結(jié)合幅度系數(shù)估計(jì)脈搏波起點(diǎn)比波形最小值法效果好，但對(duì)血壓估計(jì)的改善效果有限。

為驗(yàn)證結(jié)論的有效性，從濟(jì)南市第四人民醫(yī)院ICU病房同步采集10例重癥監(jiān)護(hù)患者的有創(chuàng)動(dòng)脈血壓、心電和脈搏波信號(hào)，其中男5例，女5例，如表3所示。結(jié)果表明，通過PWTT估計(jì)平均動(dòng)脈血壓的均方根誤差為2.72±1.57 mmHg，小于5 mmHg。圖3顯示了其中一例病例的結(jié)果。

圖2 不分段計(jì)算的動(dòng)脈血壓波形。(a)同步比較;(b)前2 000點(diǎn)放大疊加比較Fig.2 Arterial blood pressure estimation using all heartbeats as a segment.(a)synchronous comparison;(b)enlarge and overlap comparison of the first 2 000 beats

表3 臨床同步采集患者數(shù)據(jù)的動(dòng)脈血壓估計(jì)結(jié)果Tab.3 Arterial blood pressure estimation using clinical synchronous sampling data

圖3 同步采集患者數(shù)據(jù)動(dòng)脈血壓估計(jì)結(jié)果。(a)同步比較;(b)疊加比較Fig.3 Arterial blood pressure estimation using synchronoussampling data.(a)synchronous comparison;(b)overlap comparison

3 討論

目前的研究中可以進(jìn)行無創(chuàng)傷連續(xù)動(dòng)脈血壓的方法主要有脈搏波速法、張力法和恒定容積法等。相比較而言，張力法對(duì)測(cè)量的位置和角度有嚴(yán)格要求，動(dòng)脈下必須有骨支撐，測(cè)量中必須使探頭能準(zhǔn)確定位于淺表動(dòng)脈上，測(cè)量期間需保持穩(wěn)定，且需要其他方法進(jìn)行校準(zhǔn)。恒定容積法通過外加壓力使動(dòng)脈處于無負(fù)荷狀態(tài)，需采用伺服控制系統(tǒng)補(bǔ)償動(dòng)脈內(nèi)容積的變化，保持動(dòng)脈容積的恒定，從而對(duì)伺服控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)快速反應(yīng)要求較高，且長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)受靜脈充血的影響較大?；诿}搏波傳導(dǎo)速度和傳播時(shí)間的無創(chuàng)連續(xù)測(cè)量方法能夠解決張力法和恒定容積法裝置復(fù)雜、檢測(cè)難度大的不足，測(cè)量簡(jiǎn)單易行。

動(dòng)脈血壓和脈搏波傳播時(shí)間存在著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系［2］。然而當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間(如24 h以上)監(jiān)護(hù)時(shí)，由于影響血壓的因素如心輸出量、外周阻力、動(dòng)脈彈性等變化較大，血壓的波動(dòng)幅度也較大，PWTT并不能完全同步跟蹤血壓的大幅變化。尤其值得指出的是，由長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)得到的血壓方程與局部的血壓變化并不一致，從而導(dǎo)致血壓估計(jì)產(chǎn)生較大的誤差。

與其他研究相比，向海燕等利用流體靜壓法獲得個(gè)體化系數(shù)進(jìn)行動(dòng)脈血壓估計(jì)，與導(dǎo)管法相比相對(duì)誤差小于5%［6］。焦學(xué)軍等利用脈搏波特征參數(shù)通過多參數(shù)回歸分析進(jìn)行連續(xù)血壓測(cè)量，與張力測(cè)定法比較，平均壓的測(cè)量誤差小于5%的占87.6%，收縮壓的測(cè)量誤差小于5%的占85%［9］。Chua等應(yīng)用心電和指端光電容積脈搏波估計(jì)動(dòng)脈血壓，對(duì)收縮壓和舒張壓估計(jì)的平均誤差分別為±6 mmHg和±4 mmHg［3］。Wong等研究的兩種應(yīng)用脈搏波傳播時(shí)間估計(jì)收縮壓的平均誤差分別為6.6 mmHg和4.3 mmHg［4］。

不同研究者在分析誤差時(shí)經(jīng)常采用的指標(biāo)分別為相對(duì)誤差或均方根誤差，相比較而言，均方根誤差較相對(duì)誤差條件更加嚴(yán)格，對(duì)相同的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到的均方根誤差比相對(duì)誤差數(shù)值更大一些。計(jì)算了所有數(shù)據(jù)2 500心搏/段的相對(duì)誤差為(3.89±1.08)mmHg，比均方根誤差要小。

通過線性回歸分析，建立了個(gè)體化的脈搏波傳播時(shí)間與平均動(dòng)脈血壓之間的回歸方程，并求得估計(jì)血壓與實(shí)際血壓之間的均方根誤差。平均動(dòng)脈壓是反映血壓穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，與收縮壓和舒張壓之間具有高度相關(guān)性。平均動(dòng)脈血壓對(duì)研究心輸出量、外周阻力等生理指標(biāo)具有重要意義。利用PWTT同樣可以計(jì)算收縮壓和舒張壓，研究表明PWTT和平均動(dòng)脈壓的相關(guān)性最好，其次是舒張壓，再次是收縮壓［10］?？傮w而言，動(dòng)脈血壓與脈搏波傳播時(shí)間有明顯的相關(guān)性，但直接使用脈搏波傳播時(shí)間估算動(dòng)脈血壓有一定的限制。一方面，分段計(jì)算的結(jié)果表明，使用脈搏波傳播時(shí)間估計(jì)動(dòng)脈血壓在一定時(shí)間范圍內(nèi)，且患者血壓變化不太劇烈的情況下，估計(jì)效果較好。當(dāng)血壓波動(dòng)幅度大于30 mmHg時(shí)，脈搏波的變化無法同步體現(xiàn)血壓的變化，血壓估計(jì)的準(zhǔn)確性明顯降低。另一方面，有幾例數(shù)據(jù)的動(dòng)脈血壓變化劇烈，但 PWTT變化不大，這表明PWTT受血管彈性和血壓波動(dòng)的影響，而影響動(dòng)脈血壓變化的因素比較復(fù)雜［11］，血壓的變化并不能通過與PWTT的簡(jiǎn)單的線性關(guān)系完全表征。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，雖然中值濾波對(duì)去除一過性干擾效果較好，但當(dāng)為消除呼吸運(yùn)動(dòng)的影響而采用較長(zhǎng)的濾波時(shí)間窗時(shí)，中值濾波會(huì)降低對(duì)信號(hào)細(xì)節(jié)成分的表達(dá)能力，從而增大估計(jì)誤差。當(dāng)時(shí)間窗較大時(shí)，采用平滑濾波效果更好。采用恰當(dāng)?shù)拿}搏波起點(diǎn)檢測(cè)方法可提高PWTT的計(jì)算精確度，從而改善血壓估計(jì)效果。

研究發(fā)現(xiàn)，總體上動(dòng)脈血壓與脈搏波傳播時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但對(duì)某些病例和某些數(shù)據(jù)段，二者呈現(xiàn)正相關(guān)，具體原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究采用麻省理工學(xué)院MIMIC數(shù)據(jù)庫，研究了長(zhǎng)時(shí)間和血壓變動(dòng)幅度較大時(shí)通過脈搏波傳播時(shí)間估計(jì)動(dòng)脈血壓的有效性，應(yīng)用線性回歸方法求得脈搏波傳播時(shí)間和平均動(dòng)脈壓之間的線性方程，對(duì)58例共計(jì)2 161.7 h的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，脈搏波傳播時(shí)間和動(dòng)脈血壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，可通過脈搏波傳播時(shí)間計(jì)算平均動(dòng)脈壓，均方根誤差小于5 mmHg。對(duì)10例臨床采集數(shù)據(jù)的分析同樣說明該方法是可行的。今后的研究中尚需對(duì)算法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，減小血壓估計(jì)誤差，并深入探討PWTT和動(dòng)脈血壓的關(guān)系機(jī)制，提高長(zhǎng)時(shí)間血壓估計(jì)的有效性和血壓波動(dòng)劇烈時(shí)計(jì)算的準(zhǔn)確性，提高利用PWTT計(jì)算動(dòng)脈血壓的實(shí)用性。

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