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1、基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究26卷3期2007年6月中國生物醫(yī)學(xué)工程ChineseJournalofBiomedicalEoain*eringV01.26No.3June2007基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究李婷虞鋼(中國科學(xué)院力學(xué)研究所,北京1OOO80)摘要:脈搏波傳播速度的變化往往是血管彈性程度發(fā)生變化的最早體征,因此脈搏波速度的檢測(cè)對(duì)動(dòng)脈硬化等疾病的診斷有較高的參考價(jià)值,其檢測(cè)精度主要取決于波速參考點(diǎn)的提取算法.在分析實(shí)際采集的脈搏壓力波信號(hào)特征的基礎(chǔ)上,對(duì)波峰,波足等特征點(diǎn)進(jìn)行了識(shí)別,并提出了一種根據(jù)脈搏波前沿內(nèi)斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置確定惟一波速參考點(diǎn)的新
2、算法.臨床實(shí)驗(yàn)證明,新方法能夠有效地提取脈搏波速度,有助于動(dòng)脈血管彈性程度的輔助診斷.關(guān)鍵詞:脈搏波速度;波速參考點(diǎn);波速分析ResearchofMethodforPulseWaveVelocityAnalysisBasedonPressureWaveDetectionLITing,YUGang(InstituteofMechanics,ChineseAcademyofSc/encez,Being100080)Abstract:Pulsewavevelocity(PWV)isaprominentmarkerofarterialstiffnessandisanvaluablefactortodi
3、agnosearteriosclerosis.111eprecisionofthePWVdetectionisdeterminedbythePVreferencepointextractionalgorithm.Inthisworkthewavepeaksandfeetweredistinguishedafterthewavecharacterswereinvestigatedindetail.AnewalgorithmdeterminingtheuniquePWVreferencepointbythenumberandpositionsofcurrentmaximumgradientpoin
4、tswaspmpesed.ExperimentalresultsshowedthatthepresentedalgorithmcouldbeusedtocalculatethePVaccuratelyanditisprovedtobeagoodassistantmethodtoassessbloodvesselstiffness.Keywords:pulsewavevelocity;PWVreferencepoint;analysis.中圖分類號(hào)R318.04;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0258.8021(2007)03.0321.05引言在心血管系統(tǒng)中,心臟周期性射血引起的血液壓力脈動(dòng)和血管壁振動(dòng)
5、在動(dòng)脈血管系中的傳播稱為脈搏波在動(dòng)脈中的傳播.人體脈搏波傳播速度(PWV)的大小在很大程度上依賴于血管的物理特性和幾何特性,特別是與動(dòng)脈血管壁的彈性特性密切相關(guān).研究發(fā)現(xiàn),血管彈性程度越好,Pwv越小,隨著年齡的增長(zhǎng)或其他原因引起動(dòng)脈硬化時(shí),動(dòng)脈管壁發(fā)生的變異將使其彈性模量增大,從而使PWV增大.,與舒張壓和收縮壓相比,與心血管病發(fā)病率和死亡率的相關(guān)性更大j.因此,在心收稿日期:2006-07.03,修回日期:2007.04-12.*通訊作者.E-mail:gyuimeeh.aC.Cll血管系統(tǒng)評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用,目前已經(jīng)成為評(píng)價(jià)動(dòng)脈血管彈性程度的重要標(biāo)準(zhǔn).二十世紀(jì)2O年代以來,國際上在P
6、WV檢測(cè)方面做了大量的研究,并有相應(yīng)的產(chǎn)品問世J,國內(nèi)在這方面的研究工作還比較少.目前,國際上檢測(cè)PwV的方法主要分為基于壓力波的檢測(cè)方法,基于超聲多普勒的檢測(cè)方法和基于核磁共振的檢測(cè)方法.超聲法和核磁共振法的計(jì)算量大,儀器成本高;基于壓力波的檢測(cè)方法計(jì)算量少,儀器成本相對(duì)較低,其檢測(cè)精度取決于波速參考點(diǎn)的選擇和提取.在基于壓力波的檢測(cè)中,一般以每個(gè)波的起始點(diǎn)或斜率最大值點(diǎn)作為波速參考點(diǎn).事實(shí)上,對(duì)于322中國生物醫(yī)學(xué)工程26卷一些皮膚松弛的老年人,波形起始點(diǎn)往往容易被前一舒張期末的噪聲淹沒而不易提取;另外,對(duì)應(yīng)于一個(gè)脈搏波通常有多個(gè)斜率最大值點(diǎn),波速參考點(diǎn)只需要一個(gè),而相關(guān)文獻(xiàn)中并沒有提到如
7、何得到最終參考點(diǎn).針對(duì)這個(gè)問題,本研究提出了一種在脈搏波前沿升支中由斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置確定惟一波速參考點(diǎn)的算法,實(shí)驗(yàn)證明,該算法抗干擾能力強(qiáng),穩(wěn)定性好.1脈搏信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)在臨床上,通常采集人體某些骨骼附近體表動(dòng)脈處的脈搏波,如橈動(dòng)脈,頸動(dòng)脈,踝動(dòng)脈等,主要由于這些部位容易暴露,組織結(jié)構(gòu)好(表層皮膚和肌肉都較薄,血管下方為堅(jiān)硬的骨頭,檢測(cè)時(shí)血管不易滑動(dòng),因此容易得到精確的脈搏信號(hào).為實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)的檢測(cè),自行研制了脈搏信號(hào)檢測(cè)平臺(tái),其結(jié)構(gòu)見圖1.數(shù)據(jù)處I1個(gè)人信息ll脈搏波理模塊ll數(shù)據(jù)庫lI數(shù)據(jù)庫人機(jī)接口圖1脈博信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Theframeworkofthepulsewav
8、edetectionsystem脈博信號(hào)檢測(cè)平臺(tái)由生理壓力傳感器,信號(hào)預(yù)處理電路,A/D轉(zhuǎn)換電路,人機(jī)接口,標(biāo)準(zhǔn)通信接口,數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)構(gòu)成.其工作原理如下:壓力傳感器同時(shí)采集兩路脈搏信號(hào),放大,濾波,模數(shù)轉(zhuǎn)換后由標(biāo)準(zhǔn)通信接口送往計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)脈搏信號(hào)和患者基本信息的數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ),并通過鍵盤,鼠標(biāo),顯示設(shè)備和打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,計(jì)算機(jī)內(nèi)配有相應(yīng)的脈搏分析軟件系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理.采集到的脈搏信號(hào)見圖2.2脈搏波傳播速度分析脈搏波速度Pwv定義為兩脈搏測(cè)量點(diǎn)間的體表距離Ax與脈搏傳播時(shí)間f的比值,即圖2采集得到的脈搏信號(hào)Fig.2ThepulsewavedetectedPiVV=(1)計(jì)
9、算脈搏速度的關(guān)鍵在于脈搏波傳播時(shí)間f的計(jì)算.同時(shí)測(cè)得的相隔一定距離的兩路脈搏波對(duì)應(yīng)參考點(diǎn)間的時(shí)間差即為脈搏波的傳播時(shí)間f.2.1波速參考點(diǎn)提取提取波速參考點(diǎn)前,首先對(duì)采集到的脈搏信號(hào)進(jìn)行中值濾波,濾除信號(hào)中的脈沖干擾,然后提取每個(gè)脈搏波的波峰點(diǎn)和波足點(diǎn)(如圖2所示),將波速參考點(diǎn)的搜索范圍限定在波足和波峰之間,即波形的前沿升支范圍內(nèi),最后根據(jù)該段信號(hào)中斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置確定最終波速參考點(diǎn).2.1.1中值濾波信號(hào)中的脈沖干擾極易被識(shí)別為斜率最大值點(diǎn),而中值濾波可以有效地抑止脈沖噪聲.因此,在識(shí)別波形特征點(diǎn)前,首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行中值濾波.在每1.5ms采樣一次的情況下,濾波器長(zhǎng)度取11,即將每個(gè)
10、數(shù)據(jù)點(diǎn)的值用其對(duì)稱鄰域內(nèi)11個(gè)點(diǎn)中大小居于中間的值代替.2.1.2波峰點(diǎn)提取統(tǒng)計(jì)分析采集到的脈搏波信號(hào)發(fā)現(xiàn),雖然每個(gè)脈搏波的波峰值大小并不相同,但它們總是在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)的,波動(dòng)范圍基本不會(huì)超過最大波形高度的0.3倍,因此可以認(rèn)為波峰是在整段波形的最大值附近,大于其領(lǐng)域內(nèi)所有點(diǎn)的點(diǎn).通過對(duì)大量脈搏波測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為把此鄰域長(zhǎng)度定義為90個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以有效地抑制波值附近的小波動(dòng),準(zhǔn)確地識(shí)別波峰點(diǎn).假設(shè)采集到的脈搏波為數(shù)字信號(hào)序列pj,其中jE0,N,則實(shí)際波峰P的判定條件為f(maxP一P),【pjPj,J一45,J+45式中,:(maxP一minP)0.3,為波峰點(diǎn)所在位置.信號(hào)序列的最大值
11、maxP門和最小值minP通過搜索比較整個(gè)序列中的所有信號(hào)點(diǎn)獲得.3期李婷等:基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究3232.1.3波足點(diǎn)提取從統(tǒng)計(jì)分析采集到的脈搏波信號(hào)發(fā)現(xiàn),雖然每個(gè)脈搏波的波足值大小并不相同,但它們總是在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)的,波動(dòng)范圍基本不會(huì)超過最大波形高度的0.3倍,因此可以認(rèn)為波足是在整段波形的最小值附近,小于其領(lǐng)域內(nèi)所有點(diǎn)的點(diǎn).通過對(duì)大量脈搏波測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,認(rèn)為把此領(lǐng)域長(zhǎng)度定義為90個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以有效地抑制波足附近的小波動(dòng),準(zhǔn)確地識(shí)別波足點(diǎn).假設(shè)采集到的脈搏波為數(shù)字信號(hào)序列pEj,其中_0,N,則實(shí)際波足pEj的判定條件為f(WEde一minPEj)A【PEjPEj,
12、JJ一45,J+45式中,A=(ma】(PJ一minPJ)0.3,J為波足點(diǎn)所在位置.在具體實(shí)現(xiàn)上,可以利用特征點(diǎn)之間的關(guān)系,簡(jiǎn)化計(jì)算.考慮到同一個(gè)脈搏波的波足一定出現(xiàn)在波峰的前部,而波峰識(shí)別先于波足識(shí)別,因此在識(shí)別波足時(shí)可以利用已經(jīng)識(shí)別所得的波峰,從波峰點(diǎn)開始,向前搜索,將搜索得到的第一個(gè)滿足波足條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)確定為波足點(diǎn).利用波峰輔助搜索波足算法的時(shí)問僅為不利用波峰直接搜索波形算法的1/3.2.1.4波速參考點(diǎn)確定斜率最大值點(diǎn)的范圍限定在脈搏波的前沿升支范圍內(nèi),因此對(duì)于每一個(gè)脈搏波只需從波足和波峰之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)中搜索斜率最大的點(diǎn)即可.在實(shí)際判定中,第i個(gè)脈搏波上升沿中斜率最大值點(diǎn)P.的判定準(zhǔn)則
13、為P,一P一+1=IllaxP一P_,+1fl)-(4)式中,_為第個(gè)脈搏波上升沿中斜率最大值點(diǎn)的位置,為第i個(gè)脈搏波的波足位置,為第i個(gè)脈搏波的波峰位置.實(shí)際提取所得每個(gè)脈搏波上升沿中斜率最大值點(diǎn)一般有幾個(gè)到十幾個(gè),而計(jì)算脈搏波速度的參考點(diǎn)只需一個(gè),必須根據(jù)已提取的多個(gè)斜率最大值點(diǎn),最終確定一個(gè)惟一的波速參考點(diǎn).若以1,2,n表示第i個(gè)脈搏波上升沿內(nèi)斜率最大值點(diǎn)的位置,.j表示其中第k個(gè)斜率最大值點(diǎn)的位置,k1,n,確定最終參考點(diǎn)的具體做法是:當(dāng)n8時(shí),以數(shù)據(jù)序列的位置重心:寺.k作為最終參考點(diǎn)位置;當(dāng)n>8時(shí),采用拉依達(dá)判定準(zhǔn)則確定最終參考點(diǎn)位置.(1)計(jì)算1,.2,n的平均值一一.
14、:i/J,.(5),一一.i,sLJL(2)計(jì)算各點(diǎn)與平均位置點(diǎn)偏差的絕對(duì)值P:1.一.(6)(3)計(jì)算1,.2,.n序列的標(biāo)準(zhǔn)偏差(7)(4)剔除偏差過大的點(diǎn)若測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差符合正態(tài)分布,則數(shù)據(jù)落入Pk2a范圍的概率為95.4%,因此可以認(rèn)為超出此范圍的點(diǎn)誤差過大,應(yīng)去除.具體作法為:若Pk2口去除k,回到第一步重新計(jì)算,直到剩下的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)滿足P.j2a為止.(5)將最終_值作為參考點(diǎn)的位置2.2脈搏速度分析對(duì)于同時(shí)測(cè)得的兩路脈搏波信號(hào),若第一路脈搏波中完整波形的個(gè)數(shù)為n.,第二路脈搏中完整波形的個(gè)數(shù)為n,兩路波形中每一對(duì)完整脈搏波都對(duì)應(yīng)著一個(gè)時(shí)間差,因此對(duì)應(yīng)于完整波形對(duì)的時(shí)間差個(gè)數(shù)為n:
15、min(n.,n),實(shí)際測(cè)得的這n個(gè)時(shí)間差并不相同,而真實(shí)的脈搏波傳播時(shí)間只有一個(gè).這些測(cè)量值只是真實(shí)傳播時(shí)間的一個(gè)反映,它們受到被測(cè)者情緒或者肌肉和血管的當(dāng)時(shí)狀態(tài)的影響而產(chǎn)生波動(dòng).考慮到它們中的大部分只是在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng),只是偶爾有一些波動(dòng)較大的時(shí)間差,因此對(duì)這n個(gè)時(shí)間差進(jìn)行處理,去掉誤差較大的值,最終得到一個(gè)最接近真實(shí)脈搏傳播時(shí)間的值.若第一對(duì)脈搏波的時(shí)間差為.,第二對(duì)脈搏波的時(shí)間差為,第n對(duì)脈搏波的時(shí)間差為,最終的確定方式如下:(1)求序列.,2,的平均值A(chǔ):奎(8)n.中國生物醫(yī)學(xué)工程26卷(2)求序列中每個(gè)時(shí)間差A(yù)t對(duì)于均值A(chǔ)t的偏差的絕對(duì)值Pf=It一tI(9)(3)求序列t.,
16、t,t的標(biāo)準(zhǔn)偏差(10)(4)剔除誤差較大的時(shí)間差若IPfI>20則認(rèn)為偏差過大,剔除t,回到第一步重新計(jì)算若IPiI2a則進(jìn)入下一步.(5)確定最終的At,若最終剩余時(shí)間差序列為t.,t,t,則Atf=1Atitd(11).i=1式中,t為兩路信號(hào)通過系統(tǒng)的延遲時(shí)間差.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證目前,醫(yī)學(xué)上對(duì)于脈搏波速度并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義,不同檢測(cè)方法對(duì)脈搏波速度的定義和算法各不相同,使得目前市面上各種儀器測(cè)得的脈搏波速度之間可比性不大.在這種情況下,穩(wěn)定性和測(cè)量的可重復(fù)性便成為了評(píng)價(jià)檢測(cè)方法的重要指標(biāo).為驗(yàn)證本研究提出的檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)的可重復(fù)性,進(jìn)行了可重復(fù)性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)對(duì)象為166個(gè)志愿者,其中男
17、84人,女82人,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行4次PwV測(cè)量.實(shí)驗(yàn)證明,即使波足特征不明顯,通過本方法也可以很好地提取波速參考點(diǎn),并不影響irv的計(jì)算精度.定義4次測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值之比為偏差率,越小說明測(cè)量的可重復(fù)性越好.對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,分為三個(gè)年齡組:(1)2059歲年齡組,共46人,其中男19人,女27人;(2)6069歲年齡組,共56人,其中男29入,女27人;(3)7089歲年齡組,共64人,其中男36人,女28人.各年齡組Ir,r偏差率的具體分布情況見圖3圖5,總體偏差率的分布見圖6.從檢測(cè)結(jié)果(圖3圖5)可以看出,各年齡組岡Irv檢測(cè)的偏差率分布趨勢(shì)相同
18、,主要分布在0.03以下,其次是0.030.05;從總體檢測(cè)情況來看,岡Irv測(cè)量的總體偏差率主要分布在0.03以下,偏06o00.5o0040o0.300O.2oo0lo00O00<0030.03o050.05oIpwv偏差事圖3PWV檢測(cè)偏差率分布(2059歲年齡組JFig.3ThedistributionofPWVdeviationratio(2059agegroupJ<003003o05005-0lpwv偏差事圖4PWV檢測(cè)偏差率分布(6o一躑歲年齡組)Fig.4ThedistributionofPWVdeviationratio(6O一69agegroupJO7o006o
19、0O5o004o0零筮O3o002o0O10o00o0<003003-005005-0lPWV偏差事圖5PWV檢測(cè)偏差率分布(7089歲年齡組JFig.5ThedistributionofPr,deviationratio(7089agegroup)差率在0.05以下的樣本數(shù)約占總樣本數(shù)的90%.由于人體是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的時(shí)變系統(tǒng),不同時(shí)刻測(cè)得的Irv值不僅與血管壁本身的物理性質(zhì)有關(guān),還與被測(cè)者當(dāng)時(shí)的情緒以及血管壁周圍組織,神經(jīng),肌肉的狀態(tài)有關(guān),這使得PWV不是一成不變,而是在咖啪徹徹枷姍瑚咖OOOOOOOOOO翠筮3期李婷等:基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究07o006O005
20、o0墨04o003o002o00lo00Oo0<003003o05005-4)lPWV偏差率圖6PWV檢測(cè)的總體偏差率分布I男84人.女82人)Fig.6ThetotaldistributionofP,)r,deviationratio(84menand82women)一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng),因此,本方法對(duì)PWv的檢測(cè)結(jié)果比較真實(shí)地反映了血管的彈性程度,且檢測(cè)的可重復(fù)性基本滿足臨床檢測(cè)的要求.4結(jié)論P(yáng)Wv是評(píng)價(jià)血管彈性程度的重要指標(biāo),本研究提出了根據(jù)脈搏波前沿升支內(nèi)斜率最大值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和位置確定惟一波速參考點(diǎn)的算法.實(shí)驗(yàn)證明,該算法在波足特征不明顯的情況下也能很好地確定惟一波速參考點(diǎn),PWV計(jì)算
21、結(jié)果能夠反映血管的彈性程度,基本滿足臨床檢測(cè)的需要.參考文獻(xiàn)柳兆榮,李惜惜.血液動(dòng)力學(xué)原理和方法M.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社.1997.179180.J0hnl(J,LiYingzhu,DoreneOHara.HighpulsewavevelocityinhypertensivesareassociatedwitllincreasedvascalarstiffnessandwaverdloctionsJ.AJH,1998,11(4):161A.WomersleyJ.MathematicaltheoryofoscillatingflowinallelastictubeJ.JPhysiol,1955,
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基于壓力波的人體脈搏波傳播速度無創(chuàng)檢測(cè)研究
