郎曉華 俞夢(mèng)孫

1(山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

2(空軍航空醫(yī)學(xué)研究所，北京 100142)

引言

呼吸是臨床上重要的生理參數(shù)，對(duì)心率變異性有不可忽視的影響［1］，且對(duì)睡眠呼吸暫停、慢性阻塞性肺病等病癥的診斷有極其重要的作用［2-3］。目前，檢測(cè)呼吸的方法有胸阻抗法［4-5］、呼吸感應(yīng)描記法［6］、氣動(dòng)敏感床墊法［7］、氣流法等。這些方法可以應(yīng)用到不同的場(chǎng)合，但是設(shè)備比較復(fù)雜，使用不方便。

血氧計(jì)是重要的生理信號(hào)檢測(cè)設(shè)備，由其測(cè)量的光電血管容積脈搏波，(以下簡(jiǎn)稱容積脈搏波)可以計(jì)算得到血氧飽和度和心率，這在重癥監(jiān)護(hù)、睡眠監(jiān)測(cè)等場(chǎng)合有重要的診斷價(jià)值。容積脈搏波包含交流(AC)成分和直流(DC)成分［8］;交流成分即由動(dòng)脈脈搏波動(dòng)引起，變化較快，頻率較高;而直流成分主要與血容量的變化有關(guān)，相對(duì)于脈搏波動(dòng)，血容量變化微小，因此頻率較低。已有文獻(xiàn)報(bào)道，容積脈搏波中的低頻成分蘊(yùn)含了呼吸的信息，可以從此脈搏波中提取呼吸率［9-11］，此方法是一種無(wú)創(chuàng)且簡(jiǎn)便的方法，并將提升血氧計(jì)的使用價(jià)值，具有重要的臨床、科研意義。

多篇文獻(xiàn)提出，可以從血氧計(jì)采集到的容積脈搏波中提取由呼吸引起的強(qiáng)度變異(respiratoryinduced intensity variation，RIIV)［12-14］，這種變異是由于呼吸時(shí)胸腔內(nèi)壓力改變使回流心臟的靜脈血量發(fā)生變化而引起的，與呼吸密切相關(guān)。另外，呼吸還會(huì)引起容積脈搏波的其他頻率成分和幅值成分的變異［15］，其中提取了6個(gè)特征量，比較了這些特征量與呼吸的相關(guān)性。本研究在此基礎(chǔ)上，分析吸氣和呼氣對(duì)容積脈搏波的影響，比較脈搏波幅值、周期、寬度在同一呼吸周期的吸相和呼相間的變異程度及其相關(guān)性，進(jìn)一步研究由呼吸引起的容積脈搏波的變化，為呼吸疾病和其他病癥的診斷提供更多信息。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和算法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備由兩部分組成，一部分為自研血氧計(jì)，采用反射式傳感器。該傳感器一端固定2個(gè)并列放置的紅光和紅外光發(fā)光二極管，先后讓2個(gè)發(fā)光二極管按一定的時(shí)間間隔分別發(fā)光;另一端是光敏接收器件，將組織反射過(guò)的紅光和紅外光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并保存，發(fā)光二極管和光敏接收器件間的距離為16 mm。信號(hào)的采樣率為100 Hz，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADS8320，精度為16位。將該傳感器固定在黑色有彈性的寬帶子上，以便根據(jù)頭部大小調(diào)節(jié)帶子的松緊程度。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的另一部分用于檢測(cè)呼吸，以氣流法測(cè)得的呼吸波作為參考信號(hào)［16］。在面罩側(cè)面鉆一直徑為6 mm的小孔，將長(zhǎng)為50 cm、直徑剛好插入小孔的透明管子一端插入面罩小孔，另一端插入一黑盒，黑盒內(nèi)為檢測(cè)呼吸壓力的電路。電路中采用的壓力傳感器型號(hào)為SM5652，為了使更多的氣流流向該傳感器，在面罩前端的大孔內(nèi)插入一流量傳感器，增強(qiáng)平穩(wěn)呼吸時(shí)壓力傳感器的敏感程度。信號(hào)采樣率為100 Hz，AD精度為8位。

1.1.2 研究對(duì)象

研究對(duì)象為20～50歲的健康志愿者，且均知情同意，共10人，男女各5人。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)之前，被試者頭戴血氧計(jì)，將其傳感器固定在眉骨上方動(dòng)脈處，并調(diào)節(jié)黑色帶子的松緊程度。藍(lán)牙接收采集到的脈搏數(shù)據(jù)，打開監(jiān)視界面，調(diào)整傳感器位置，直到界面顯示有脈搏波形，并固定傳感器位置不變。讓被試者適應(yīng)5 min，并戴上面罩練習(xí)控制呼吸5 s/次，練習(xí)5 min。實(shí)驗(yàn)開始，打開實(shí)驗(yàn)設(shè)備電源，被試者靜息5 min，戴上面罩控制呼吸5 s/次，持續(xù)2 min，摘下面罩。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，關(guān)閉電源。記錄下實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束的時(shí)間，以便讀取數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)在安靜環(huán)境下進(jìn)行。

1.2 算法

1.2.1 特征量提取

已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道利用數(shù)字濾波法從容積脈搏波中提取呼吸波［8，17］。文獻(xiàn)［17］驗(yàn)證了 Nilsson等提出的三階巴特沃斯帶通濾波算法較好，平均誤差在每分鐘0.5個(gè)呼吸周期以內(nèi)。該算法帶通頻率為0.1～0.3 Hz，濾波器的作用是濾除高頻成分，盡量只保留呼吸信息，濾除其他干擾信號(hào)(包括脈搏波信號(hào))。本研究將原始容積脈搏波信號(hào)經(jīng)過(guò)三階巴特沃斯帶通濾波處理，帶通頻率為0.1 ～2 Hz，去除噪聲干擾，保留脈搏波的2個(gè)基本特征點(diǎn):峰點(diǎn)和谷點(diǎn)。如圖1所示，檢測(cè)濾波后脈搏波的峰點(diǎn)和谷點(diǎn)，分別用*和o標(biāo)出。定義3個(gè)特征量

式中，P(j)和V(j)分別表示峰點(diǎn)和谷點(diǎn)的幅值，P(j)和P(j－1)分別表示此刻峰點(diǎn)和前一脈搏周期峰點(diǎn)的時(shí)刻，M(j)和M(j－1)分別表示1/2脈搏波幅值對(duì)應(yīng)的脈搏波下降沿段和上升沿段的時(shí)刻。

圖1 典型的容積脈搏波形Fig.1 A typical PPG pulse waveform

對(duì)濾波后脈搏波各數(shù)據(jù)點(diǎn)作一階導(dǎo)數(shù)，求得極大值，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)插值，使包絡(luò)線數(shù)據(jù)點(diǎn)長(zhǎng)度與原始信號(hào)長(zhǎng)度一致。由此提取的包絡(luò)線波動(dòng)很劇烈，對(duì)其采用三階巴特沃斯低通濾波，低通頻率為0.3 Hz，將濾波后的包絡(luò)線作為從容積脈搏波中提取的呼吸信號(hào)。

作為參考的呼吸信號(hào)，首先需要確定其呼氣和吸氣的波形。打開監(jiān)視界面，不戴面罩時(shí)呼吸基線自動(dòng)調(diào)整為70 mV。吸氣時(shí)，面罩內(nèi)壓力降低，波形在基線以下，稱為吸相;呼氣時(shí)面罩內(nèi)壓力升高，波形在基線以上，稱為呼相。確定參考呼吸波的吸氣和呼氣時(shí)間點(diǎn)，用I(j)和E(j)表示。分別計(jì)算吸相和呼相時(shí)脈搏波的平均幅值IA和EA、平均周期IP和EP、平均寬度IW和EW，為了比較這3個(gè)特征量在同一呼吸周期(實(shí)驗(yàn)時(shí)先吸后呼為一呼吸周期)的吸氣和呼氣間的的變化程度，定義3個(gè)比值

1.2.2 方法

對(duì)每位受試者控制呼吸時(shí)的2 min數(shù)據(jù)，平均分為4段，每段30 s的波形，分別求得上述6個(gè)特征量，比較從容積脈搏波中提取的呼吸波與參考呼吸波的波形特征，并比較由呼吸引起的脈搏幅值、周期、寬度相互間的相關(guān)性，以及脈搏幅值、周期、寬度在吸相和呼相間的變異性。相關(guān)性rxy為

相關(guān)性系數(shù)在-1和1之間，絕對(duì)值越接近1，相關(guān)性越好。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2給出某一受試者30 s控制呼吸時(shí)的相關(guān)波形，分別為:參考呼吸波形、容積脈搏波形(峰點(diǎn)、谷點(diǎn)分別用*和 o標(biāo)出)、脈搏波幅值、脈搏波周期、脈搏波寬度?？梢钥闯?，呼吸波、脈搏波幅值、周期、寬度變化趨勢(shì)一致，且具有周期性，后3者比呼吸波滯后。提取圖2(b)上包絡(luò)線，與圖2(a)參考呼吸波有很好的相關(guān)性，說(shuō)明容積脈搏波的包絡(luò)線中蘊(yùn)含有與呼吸密切相關(guān)的信息，但也受其他低頻成分的影響。

圖3給出脈搏幅值、周期、寬度3者相互之間的相關(guān)性，10位受試者，共分為40段數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)表示為相關(guān)性的次數(shù)?？v坐標(biāo)分別為脈搏幅值和周期、幅值和寬度、寬度和周期間的相關(guān)系數(shù)，均取絕對(duì)值，范圍在0～1之間，相關(guān)系數(shù)越接近1相關(guān)性越好。由圖3可以看出，脈搏幅值和周期的相關(guān)性較好，基本在0.7～1之間波動(dòng)，脈搏寬度和周期的相關(guān)性次之，僅有一個(gè)點(diǎn)在0.5以下，脈搏幅值和寬度的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)在0～1之間發(fā)生明顯波動(dòng)。

圖2 相關(guān)波形。(a)參考呼吸波;(b)容積脈搏波;(c)脈搏波幅值;(d)脈搏波周期;(e)脈搏波寬度Fig.2 Related waveforms.(a)reference respiratory signal;(b)PPG signal;(c)amplitude of pulse wave;(d)period of pulse wave;(e)width of pulse wave

圖2(a)為通過(guò)氣流法測(cè)得的參考呼吸波，其基線穩(wěn)定在70 mV，波形在基線以下為吸相，基線以上為呼相。圖4給出在各呼吸周期中脈搏幅值、寬度、周期在吸相和呼相間的變異相關(guān)性，即 RA、RW、RP相互之間的相關(guān)性。

由圖4可以看出，脈搏寬度變化和周期變化相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)大多在0.6～1之間，平均為0.744 3，而脈搏幅值變化和周期變化、幅值變化和寬度變化相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)波動(dòng)很明顯。圖3、圖4綜合來(lái)看，脈搏幅值和周期相關(guān)性較好，但在吸相和呼相間的變異性差異很大。而由呼吸引起的脈搏寬度和周期的變異性不論在整個(gè)呼吸過(guò)程還是在不同時(shí)相，相關(guān)性都很好。

圖3 相關(guān)系數(shù)。(a)脈搏幅值與周期的相關(guān)系數(shù);(b)脈搏幅值與寬度的相關(guān)系數(shù);(c)脈搏寬度與周期的相關(guān)系數(shù)Fig.3 Correlation coefficients.(a)between amplitudes and periods;(b)between amplitudes and widths;(c)between widths and periods

3 討論

容積脈搏波的基線波動(dòng)，即由呼吸引起的脈搏波強(qiáng)度變異，已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道［12-14］。容積脈搏波信號(hào)是對(duì)組織血容積的量化，血氧計(jì)接收到的光強(qiáng)與血容積成反比。血容積包括多個(gè)部分，而脈搏波的包絡(luò)線主要與靜脈血容有關(guān)，呼吸時(shí)胸內(nèi)壓改變，使靜脈回流發(fā)生變化，即體現(xiàn)在脈搏波的低頻波動(dòng)上。圖2(b)上包絡(luò)線與參考呼吸信號(hào)波動(dòng)基本一致，只是在相位上會(huì)滯后，原因在于脈搏是由心臟射血活動(dòng)引起的一種血液和血管壁震蕩，而呼吸會(huì)影響心臟射血活動(dòng)，震蕩波也隨之改變。這一震蕩波沿著動(dòng)脈樹迅速向外周血管傳播，在頭部檢測(cè)時(shí)即會(huì)發(fā)生延遲。另外，濾波也會(huì)使原始信號(hào)產(chǎn)生一定的偏移。但有研究指出，靜脈回流的變化不是脈搏波中包含呼吸信息的唯一原因，呼吸影響脈搏波的機(jī)制還有待深入研究［18］。

由圖2(d)可以看出脈搏周期與呼吸的關(guān)系，吸氣時(shí)脈搏周期縮短，即心率加快;呼氣時(shí)脈搏周期延長(zhǎng)，即心率減慢。這與理論相吻合，因?yàn)槲鼩鈺r(shí)交感神經(jīng)興奮，釋放兒茶酚胺增多，使竇性P-P周期縮短，心率加快，呼氣時(shí)迷走神經(jīng)張力增高，產(chǎn)生乙酰膽堿，引起竇房結(jié)過(guò)度極化，竇房結(jié)舒張期自動(dòng)除極的坡度降低，使竇性 P-P間期延長(zhǎng)，心率減慢。

圖4 脈搏幅值、周期、寬度在同一呼吸周期的吸相和呼相間變異性的相關(guān)系數(shù)。(a)脈搏幅值和周期之間;(b)脈搏幅值和寬度之間;(c)脈搏寬度和周期之間Fig.4 Correlation coefficients ofamplitude，period and width variations between inspiration and expiration of the same respiration period.(a)between amplitudesandperiods;(b)between amplitudesand widths;(c)between widths and periods

本研究探討了容積脈搏波的幅值、周期、寬度在同一呼吸周期、不同時(shí)相間的變異性。由圖4看出，脈搏幅值和周期在不同時(shí)相間變異的相關(guān)性不大。也就是說(shuō)，由呼吸引起的脈搏波幅值和周期變化趨勢(shì)相關(guān)性很好，但是在同一呼吸周期的吸相和呼相間的變化程度不一定一致。由呼吸引起的脈搏波周期和寬度變化趨勢(shì)相關(guān)性很好，在吸相和呼相間的變化程度也基本一致。文獻(xiàn)［15］提出，由呼吸引起的脈搏波周期、幅值和強(qiáng)度變異與呼吸波有很好的相關(guān)性，可以較大程度地反映呼吸信息。本研究在此基礎(chǔ)上，分析吸氣和呼氣對(duì)容積脈搏波3個(gè)特征量的影響，能夠更好地反映呼吸信息，為各種呼吸檢測(cè)提供新的信息。

本研究將自行研制的血氧計(jì)固定在頭部，可以較大程度地避免因?yàn)槿藶榛顒?dòng)造成的信號(hào)干擾，且頭部血管分布廣泛，由此采集到的容積脈搏波信噪比較高［19-20］，可以較準(zhǔn)確地反映動(dòng)靜脈血容積的變化，而且受神經(jīng)影響最?。?1］。

4 結(jié)論

呼吸信息可以從多種生理信號(hào)中實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，比如心電信號(hào)，壓力傳感器檢測(cè)的脈搏波信號(hào)以及血氧計(jì)檢測(cè)的容積脈搏波信號(hào)。其中，血氧計(jì)檢測(cè)血氧飽和度和心率在臨床上已得到廣泛應(yīng)用，利用血氧計(jì)提取呼吸信息將擴(kuò)展其使用范圍，提升臨床診斷價(jià)值。本研究利用自研血氧計(jì)采集容積脈搏波，研究由呼吸引起的波形特征變異性，即脈搏波的幅值、周期、寬度在不同時(shí)相間的變異性，利用相關(guān)系數(shù)分析法，得到脈搏波的周期和寬度在不同時(shí)相間的變化程度最接近。因此，脈搏波周期和寬度可以粗略地反映呼吸信息，而其在吸相和呼相間的變化程度能夠更好地反映呼吸信息的細(xì)節(jié)，為各種呼吸檢測(cè)提供新的診斷信息。

本研究?jī)H對(duì)10位健康受試者在控制呼吸時(shí)的2 min數(shù)據(jù)作分析，性別差異不明顯，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不多。因此，研究不同性別、不同呼吸率、病態(tài)下的脈搏波幅值、周期和寬度在吸相和呼相間變異的相關(guān)性，將是下一步研究目標(biāo)。

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