基于脈搏波波形特征參量的成年男性血管年齡預(yù)測模型

王琳琳，王 磊，張曉陽，李 倩，張文露

（中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192）

0 引言

當(dāng)今社會處于高壓力、快節(jié)奏的環(huán)境中，猝死現(xiàn)象越來越頻繁，并且呈現(xiàn)年輕化趨勢，年輕人因長時(shí)間加班、過度勞累、應(yīng)酬、酗酒及吸煙極易引發(fā)猝死。心臟性猝死是猝死的主要原因，約占所有心血管病死亡的50%[1-2]，數(shù)據(jù)顯示，我國每年死于心臟性猝死的人數(shù)近55萬[3]。心臟性猝死發(fā)病突然，難以預(yù)料，是心血管病的災(zāi)難性后果。張新超教授提出，心臟性猝死的最佳預(yù)防措施是將注意力放在心血管疾病的防治工作上[1]。但目前我國心血管病防治工作仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，心血管疾病患病率及死亡率總體上仍處于上升階段[4]。2004年至今，我國心腦血管病住院費(fèi)用年均增速遠(yuǎn)高于國內(nèi)生產(chǎn)總值增速，帶來不小的社會和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4-6]。因此，對心血管疾病的預(yù)防和保健護(hù)理工作顯得尤為突出，防治心血管疾病刻不容緩。

心血管疾病的危險(xiǎn)因素包括高血壓、吸煙、血脂異常、糖尿病、肥胖、代謝綜合征以及膳食的合理與否等，此外，心血管疾病還與環(huán)境因素有關(guān)[4，7]。但上述固定因素?zé)o法實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)監(jiān)控心血管疾病患病風(fēng)險(xiǎn)。然而，由于缺乏針對不同人群的既定正常和參考值，血管評估的廣泛實(shí)施受到了阻礙[6]。目前主流的心血管評估模型為Framingham 10年心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測模型，但該模型尚缺乏無創(chuàng)血管指標(biāo)的指導(dǎo)作用[8-9]，因此開發(fā)出無創(chuàng)、準(zhǔn)確和有效的心血管疾病預(yù)測模型很有必要。

研究表明，脈搏波蘊(yùn)含豐富的心血管生理病理信息[10]，在預(yù)防情況下，通過脈搏波分析可以檢測早期動(dòng)脈僵硬度，加上適當(dāng)?shù)母深A(yù)可以停止甚至逆轉(zhuǎn)動(dòng)脈硬化[11]。作為心血管病發(fā)病率和死亡率的獨(dú)立預(yù)測因子，動(dòng)脈僵硬隨著人衰老程度的增加而增加[5]，因此，年齡是心血管疾病和死亡率的主要危險(xiǎn)因素。為了尋找與心血管疾病的相關(guān)因素，本研究利用脈搏波數(shù)據(jù)采集模塊（天津驚帆科技有限公司）采集人體指端的脈搏波并提取其波形參數(shù)，分析脈搏波波形參數(shù)隨年齡的變化趨勢，并建立有效的血管年齡預(yù)測模型，為血管評估的廣泛實(shí)施提供基礎(chǔ)。

1 方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

采集不同年齡段的健康人的脈搏波數(shù)據(jù)，受試者均為男性，無心血管疾病，其肱動(dòng)脈血壓以均值±方差的形式呈現(xiàn)在表1中，其中血壓的測量方式采用袖帶加壓式。每個(gè)年齡段采集50個(gè)樣本，每個(gè)樣本包含30 s的脈搏波信號。本研究所采用的脈搏波采集模塊為天津驚帆科技有限公司生產(chǎn)的藍(lán)牙指夾式脈搏信息采集器，輸出信號為兩路脈搏波，采樣頻率為100 Hz，分別由波長為905 nm的近紅外光和650 nm的紅光產(chǎn)生，采集模塊如圖1所示。受試者在被采集過程中，呈坐姿、靜息狀態(tài)，手指自然平放于桌面，與心臟水平。

表1 受試者血壓信息

圖1 脈搏波采集模塊

1.2 脈搏波波形參數(shù)的提取

脈搏波的形成與動(dòng)脈系統(tǒng)和心臟有很大的相關(guān)性，脈搏波傳播速度、血管阻力、心率等對脈搏波形成有決定性的影響[12]。脈搏波的形態(tài)、強(qiáng)度、速率與節(jié)律等方面的綜合是評價(jià)人體心血管系統(tǒng)生理、病理狀態(tài)的重要依據(jù)[13]。

脈搏波的時(shí)域特征包括幅度特征、時(shí)間特征、面積特征等。其中幅度特征主要包括主波高度、重搏波高度等，時(shí)間特征主要包括主波上升時(shí)間、收縮期時(shí)間、舒張期時(shí)間等，面積特征主要包括收縮期面積、舒張期面積以及波形系數(shù)等[10]。

本研究編制MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)提取脈搏波的相關(guān)波形參數(shù)，包括周期內(nèi)總搏動(dòng)時(shí)間、流入時(shí)間和流出時(shí)間（又稱為收縮期上行時(shí)間和舒張時(shí)間[14-15]）、快速流入時(shí)間、流入時(shí)間占比及波形系數(shù)。各指標(biāo)的定義如下：

（1）總搏動(dòng)時(shí)間：脈搏波上升支開始至下降支結(jié)束的時(shí)間，以s為單位。

（2）流入時(shí)間：從基線上升到最高波幅的時(shí)間，以s為單位。

（3）流入時(shí)間占比：以流入時(shí)間占整個(gè)心動(dòng)周期的百分比表示。提示心臟收縮后使血管擴(kuò)張到最大程度的時(shí)間，反映心臟收縮時(shí)動(dòng)脈擴(kuò)張的速度。

（4）流出時(shí)間：反映心臟舒張時(shí)動(dòng)脈收縮的速度。定義為由第一峰下降到下降支所需的時(shí)間。

（5）快速流入時(shí)間：從波形的起點(diǎn)到上升支轉(zhuǎn)折點(diǎn)所需的時(shí)間，以s為單位，反映血管快速充盈時(shí)間[16]。

（6）波形系數(shù)（K值）：以脈搏波波形面積的變化為基礎(chǔ)的脈搏波波形特征量[17]，其定義為

脈搏波波形及各參數(shù)含義說明如圖2所示。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。通過MATLAB中的ANOVA1命令對流入時(shí)間、快速流入時(shí)間、流入時(shí)間占比、流出時(shí)間、總搏動(dòng)時(shí)間和波形系數(shù)在6個(gè)年齡段（20～30、＞30～40、＞40～50、＞50～60、＞60～70、＞70～80歲）之間的差異進(jìn)行顯著性分析，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用逐步回歸分析的方法建立年齡與脈搏波無創(chuàng)指標(biāo)之間的關(guān)系，以建立血管年齡預(yù)測模型。

圖2 脈搏波波形及各參數(shù)含義示意圖

2 結(jié)果

2.1 統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果

用相關(guān)系數(shù)矩陣的方法選擇每個(gè)個(gè)體30 s脈搏波序列中的一個(gè)波形周期，提取其波形特征參量作為該被試個(gè)體脈搏波波形參量指標(biāo)的總體水平，將每個(gè)年齡段的50個(gè)個(gè)體的特征以均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式繪制在圖3的6個(gè)子圖中，每個(gè)子圖代表一種波形參數(shù)隨年齡的變化趨勢。

圖3 脈搏波波形參數(shù)特征隨年齡的變化趨勢

圖 3（a）～（c）顯示，隨著年齡的增長，流入時(shí)間、快速流入時(shí)間和流入時(shí)間占比這3個(gè)指標(biāo)呈穩(wěn)定上升的趨勢；圖 3（d）、（e）顯示，波形系數(shù)、總搏動(dòng)時(shí)間隨年齡的增長無較大波動(dòng)；圖3（f）顯示，流出時(shí)間隨年齡的增長基本沒有變化。

對各波形參數(shù)指標(biāo)用MATLAB中ANOVA1命令進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果顯示，流入時(shí)間、快速流入時(shí)間和流入時(shí)間占比3個(gè)指標(biāo)的P值均小于0.000 1，波形系數(shù)和總搏動(dòng)時(shí)間的P值均小于0.05，流出時(shí)間的P值大于0.05。提示隨著年齡的增長，流入時(shí)間、快速流入時(shí)間和流入時(shí)間占比存在顯著性差異，總搏動(dòng)時(shí)間和波形系數(shù)存在較小差異，流出時(shí)間隨年齡增長無明顯差異。

研究表明，流入時(shí)間和流出時(shí)間在一定程度上受心率的影響[14]。為了明確流入時(shí)間和流出時(shí)間受心率影響的程度，本研究利用實(shí)驗(yàn)所采集的不同年齡段健康人的脈搏波數(shù)據(jù)，求解了流入時(shí)間、流出時(shí)間和心率的Pearson相關(guān)系數(shù)矩陣，結(jié)果見表2。

表2 流入時(shí)間、流出時(shí)間與心率的相關(guān)系數(shù)矩陣

由表2可以看出，流出時(shí)間受心率影響較大（相關(guān)系數(shù)-0.832，極強(qiáng)相關(guān)），即心率較為緩慢時(shí)，流出時(shí)間相應(yīng)較長，二者有較為密切的相關(guān)性；而流入時(shí)間則受心率影響較小（相關(guān)系數(shù)-0.503，中等程度相關(guān)），驗(yàn)證了文獻(xiàn)[16] 對于流出時(shí)間受心率影響、流入時(shí)間幾乎不受心率影響的定義。流入時(shí)間與流出時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為-0.008，二者幾乎沒有相關(guān)性。

2.2 血管年齡擬合模型

為了得出年齡與脈搏波波形參數(shù)之間的關(guān)系，采用逐步回歸分析方法確定最終影響年齡的脈搏波波形參數(shù)，回歸結(jié)果以流入時(shí)間為自變量，年齡作為因變量，擬合出年齡隨脈搏波波形參數(shù)變化的一元線性回歸曲線（如圖4所示），回歸方程（R2=0.932 1，P=0.001 8）如下：

圖4 年齡隨流入時(shí)間變化的一元線性擬合曲線

本研究所采集人群為未曾患過心血管疾病的健康人，可認(rèn)為其實(shí)際年齡近似等于血管年齡，因此可將上述年齡隨流入時(shí)間變化的回歸方程[公式（2）] 作為血管年齡的預(yù)測模型。該血管年齡預(yù)測模型的使用步驟如下：

（1）將一個(gè)人的脈搏波流入時(shí)間輸入到上述血管年齡預(yù)測模型中，得到計(jì)算的血管年齡（以下簡稱“血管年齡”）。

（2）將血管年齡與實(shí)際年齡對比，若實(shí)際年齡小于血管年齡，或血管年齡減去實(shí)際年齡的差值小于5歲，則說明該個(gè)體的血管目前正處于健康狀態(tài)，或相對同齡人健康；否則說明該個(gè)體的血管相較于同齡人老化程度更高。

2.3 模型驗(yàn)證

動(dòng)脈硬化是導(dǎo)致脈壓增大的重要因素之一，脈壓的增大反過來又會加速動(dòng)脈硬化，二者相互影響形成惡性循環(huán)[18]。實(shí)驗(yàn)測試了數(shù)名高血壓患者的脈搏波流入時(shí)間，代入上述模型中，其結(jié)果以及患者的血壓基本信息見表3。經(jīng)驗(yàn)證，高血壓患者的血管年齡均大于實(shí)際年齡且差值大于5歲。

表3 高血壓患者的血管年齡及血壓情況

3 討論

隨著年齡的增長，中心動(dòng)脈的長期搏動(dòng)會導(dǎo)致彈性蛋白纖維疲勞和斷裂、血管鈣化和內(nèi)皮功能障礙增加，導(dǎo)致動(dòng)脈血管壁逐漸硬化、老化，表現(xiàn)為管腔增大、管壁增厚、血管彈性降低、動(dòng)脈硬化程度加大和血管振蕩特性的改變[19]，亦可導(dǎo)致脈搏波速度、收縮壓和脈壓增加。同時(shí)，血管老化是動(dòng)脈粥樣硬化、冠狀動(dòng)脈疾病、中風(fēng)和心力衰竭等心血管疾病的獨(dú)立危險(xiǎn)因素[20]。

圍繞與年齡相關(guān)的心血管無創(chuàng)指標(biāo)，研究者不斷探索。脈搏波波速（pulse wave velocity，PWV）被廣泛應(yīng)用于動(dòng)脈硬化程度的檢測，研究表明[21-22]，性別、年齡和血壓是各節(jié)段PWV最重要的獨(dú)立相關(guān)因素，其中，頸-股動(dòng)脈脈搏波波速（cfPWV）[8]、肱-踝脈搏波波速（baPWV）[19]隨著年齡的增長而增加。Luca等收集了不同年齡段的PWV的數(shù)據(jù)，并將PWV隨年齡的變化關(guān)系擬合了三階曲線[22]。另外，通過超聲檢測到的頸動(dòng)脈內(nèi)膜中層厚度（intima media thickness，IMT）隨年齡的增長有穩(wěn)定的上升趨勢，已被證明是不良心血管事件的獨(dú)立預(yù)測因子[8，23]。脈搏波的波形特征[13，24-25]如波形升支延緩時(shí)間、反射波發(fā)生時(shí)間、頸動(dòng)脈峰值等與年齡有緊密的相關(guān)性，被廣泛應(yīng)用于心血管質(zhì)量的無創(chuàng)檢測研究。

本研究結(jié)果顯示，隨著年齡的增長，脈搏波波形參數(shù)中快速流入時(shí)間、流入時(shí)間和流入時(shí)間占比有穩(wěn)定的上升趨勢。由于三者均反映心臟射血期的泵血能力和血管的緊張程度，提示隨著年齡的增長，波形升支變緩、心室排血受阻，從而引發(fā)人的血管的彈性變差、僵硬度變高。研究表明[17]，波形系數(shù)是反映人體外周阻力、血管壁硬化程度的重要指標(biāo)，而本研究對波形系數(shù)的分析結(jié)果表明，波形系數(shù)不隨年齡的增長有較明顯的波動(dòng)，究其原因，研究者[17]通過改變血管動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)的方法，觀察到波形系數(shù)隨心血管狀況的不同呈現(xiàn)較大差異，其結(jié)果過于理想化；而本實(shí)驗(yàn)中采集的是不同年齡段的健康人，說明波形系數(shù)受年齡的影響小。對于總搏動(dòng)時(shí)間，本研究只檢測到了微小的上升趨勢[圖3（e）所示] ，說明隨著年齡的增大，人的心動(dòng)周期趨于緩慢，但這種變化并不明顯。研究表明，流入時(shí)間和流出時(shí)間在一定程度上受心率的影響[14]。而本研究對比了流入時(shí)間和流出時(shí)間受心率影響程度的大小，結(jié)果表明，和流出時(shí)間不同，流入時(shí)間的長短幾乎不依賴于心率的快慢，可作為血管狀況的獨(dú)立評判指標(biāo)。

本研究分析了各個(gè)波形參數(shù)隨年齡的變化情況，并建立了血管年齡預(yù)測模型，可正確驗(yàn)證高血壓患者的血管情況。但該模型缺乏更多的臨床數(shù)據(jù)驗(yàn)證，并且無創(chuàng)預(yù)測指標(biāo)的數(shù)量過少，因此，對于未來的研究，考慮結(jié)合多個(gè)指標(biāo)對比分析，并充分利用臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，逐步完善無創(chuàng)預(yù)測模型，達(dá)到有效預(yù)測心血管疾病的目的。

4 結(jié)語

隨著年齡的增長，人的心血管變得越來越僵硬，血管彈性度會越來越低，一般情況下，血管的老化表現(xiàn)為彈性減弱，順應(yīng)性減小，僵硬度增大。為了研究脈搏波的波形參數(shù)與心血管疾病的相關(guān)程度，本研究分析了不同年齡段的健康人的脈搏波，提取其波形參數(shù)進(jìn)行對比，包括流入時(shí)間、流出時(shí)間、快速流入時(shí)間、流入時(shí)間占比、總搏動(dòng)時(shí)間和波形系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增大，流入時(shí)間、快速流入時(shí)間和流入時(shí)間占比有上升的趨勢，而流出時(shí)間、周期內(nèi)總時(shí)間和波形系數(shù)在各個(gè)年齡段之間的差異不大。這表明血管質(zhì)量受流入時(shí)間等3個(gè)指標(biāo)影響較大，而與流出時(shí)間等3個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性不大。流入時(shí)間、快速流入時(shí)間和流入時(shí)間占比與血管質(zhì)量的相關(guān)性較高，為血管質(zhì)量的重要影響因素，可以作為預(yù)測心血管疾病的指標(biāo)。