張欠欠，徐禮勝,2，柴蕊，王宇，劉紀(jì)紅

1.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)教育部醫(yī)學(xué)影像計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110819

體位對(duì)橈動(dòng)脈脈搏波影響的量化分析

張欠欠1，徐禮勝1,2，柴蕊1，王宇1，劉紀(jì)紅1

1.東北大學(xué) 中荷生物醫(yī)學(xué)與信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.東北大學(xué)教育部醫(yī)學(xué)影像計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110819

目的揭示和量化分析體位變化對(duì)男性和女性橈動(dòng)脈脈搏波的影響。方法選擇20名健康學(xué)生，采用雙路脈搏信號(hào)采集設(shè)備，分別測(cè)量受試者在0度、45度、90度傾斜床上的橈動(dòng)脈脈搏波，并計(jì)算其基本的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)和相應(yīng)的雙彈性腔模型參數(shù)。采用配對(duì)t檢驗(yàn)分析比較了不同體位下男性和女性的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果隨著體位的升高（即受試者隨傾斜床坐0度到45度再到90度的變化）男性和女性的心率（HR）和心內(nèi)膜下心肌活力率（SEVR）均顯著變大（P＜0.05）；男性和女性的橈動(dòng)脈下降時(shí)間（Tdown）顯著減?。≒＜0.05）；其他血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨體位變化不顯著（P＞0.05）；隨著體位的升高男性和女性的主動(dòng)脈順應(yīng)性（C1）和腹主動(dòng)脈順應(yīng)性（C2）變小、外周阻力（R）變大。男性和女性的HR、R、u-Lratio具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）；男性和女性的K值、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、C1、C2沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。結(jié)論體位變化對(duì)橈動(dòng)脈脈搏波存在明顯影響，且對(duì)男性和女性血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響有差異，應(yīng)引起臨床重視。

體位；橈動(dòng)脈；雙彈性腔模型；血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)

0 引言

脈搏波中包含了心血管系統(tǒng)的大量生理、病理信息[1]。橈動(dòng)脈是人體淺表動(dòng)脈中的一根，相對(duì)于其他部位的脈搏波，橈動(dòng)脈脈搏波的檢測(cè)比較方便[2]。橈動(dòng)脈脈搏波的信息在一定程度上也可以反映出人體的某些生理、病理特征，因此不論是中醫(yī)的切脈或是西醫(yī)的心血管參數(shù)的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，經(jīng)常是在橈動(dòng)脈處獲取信息[3-4]。目前國(guó)內(nèi)外已做了大量相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)體位改變能對(duì)人體血壓、脈搏及血液成分造成影響[5-8]。彈性腔模型可以有效估計(jì)人體的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)（血流慣性、外周阻力、主動(dòng)脈順應(yīng)性C1和腹主動(dòng)脈順應(yīng)性C2），動(dòng)脈順應(yīng)性可以反映動(dòng)脈管的彈性狀態(tài)、外周阻力是反映血管微循環(huán)通暢程度的定量指標(biāo)、血流慣性對(duì)主動(dòng)脈的開(kāi)放狀態(tài)有影響[9]；波形參數(shù)（K）可連續(xù)且獨(dú)立地預(yù)測(cè)心血管疾病[10]、降中峽幅度與主波幅度比值（LM-Pratio）反映外周阻力高低、重搏波波幅與主波幅度比值（dAI）反映動(dòng)脈順應(yīng)性與主動(dòng)脈瓣功能[11]、脈搏起始點(diǎn)到降中峽的時(shí)間（TLEVT）對(duì)應(yīng)左心室收縮期可反映心臟病變程度[12]、橈動(dòng)脈上升時(shí)間（Tup）為壓力波形的起始點(diǎn)到最大峰值[13]、橈動(dòng)脈下降時(shí)間（Tdown）為壓力波形的最大峰值點(diǎn)到下一波起始點(diǎn)、橈動(dòng)脈壓上升時(shí)間與下降時(shí)間比值（u-dratio）和橈動(dòng)脈壓上升時(shí)間與脈搏波起點(diǎn)到降中峽的時(shí)間比值（u-Lratio）可以反映一定的脈象信息、心內(nèi)膜下心肌活力率SEVR可評(píng)估心肌灌注與左心負(fù)荷供需平衡狀態(tài)[14]，這些參數(shù)都是反映人體血管功能的重要指標(biāo)。本文結(jié)合多血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)和雙彈性腔模型綜合分析體位變化對(duì)橈動(dòng)脈脈搏波的影響，對(duì)不同體位下的心血管功能狀態(tài)做出更全面的評(píng)價(jià)，對(duì)臨床正確測(cè)量脈搏波提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

數(shù)據(jù)來(lái)源于健康在校大學(xué)生并自愿接受數(shù)據(jù)采集者20名（男性10名，女性10名），整體上男性和女性年齡無(wú)差異（P＞0.05），男性和女性的身高、體重、BMI值均有差異（P＜0.05）。受試者基本資料見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（±s）

表1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（±s）

男女P樣本量 (例) 10 10年齡 (years) 24.37±1.75 24.36±1.21 0.999身高 (m) 1.76±0.17 1.61±0.05 0.000體重 (kg) 68.77±7.43 52.32±5.44 0.000 BMI (kg/m2) 22.28±2.21 20.05±1.58 0.018

1.2 研究方法

所有受試者采用心電信號(hào)和雙路脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)，其采樣頻率為1150 Hz。由同一人員操作，數(shù)據(jù)統(tǒng)一在（18:00～20:00）時(shí)間段內(nèi)采集。測(cè)量期間脈搏信號(hào)采集系統(tǒng)的壓力傳感器綁于受試者右手腕橈動(dòng)脈處，實(shí)驗(yàn)室保持安靜狀態(tài)，以排除環(huán)境對(duì)橈動(dòng)脈波形的影響及干擾。具體流程如下：首先受試者保持放松狀態(tài)平臥于傾斜床上5 min，調(diào)節(jié)壓力傳感器上壓力使橈動(dòng)脈脈搏波的幅值最大，準(zhǔn)備好后開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，采集時(shí)間為1 min。然后將傾斜床角度調(diào)整為45度，身體姿勢(shì)調(diào)整好后保持45度休息5 min，將測(cè)量手臂自然放于傾斜床上，操作同平臥狀態(tài)，采集并保存數(shù)據(jù)。最后將傾斜床角度調(diào)整為90度，步驟同上。每個(gè)受試者連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)5次，間隔10 min，共得到15組數(shù)據(jù)。隨體位變化一次數(shù)據(jù)采集過(guò)程見(jiàn)圖1，體位1、2、3分別表示受試者位于0度、45度、90度的傾斜床上。

圖1 隨體位變化的數(shù)據(jù)采集過(guò)程

1.3 彈性腔模型

為了對(duì)血管體系中的血液流動(dòng)進(jìn)行定量分析，人們常常根據(jù)血管中血液流動(dòng)的特性建立簡(jiǎn)化的分析模型，而彈性腔模型便是這些分析模型中最直觀簡(jiǎn)單，也是最早發(fā)現(xiàn)的一種[15-17]。

早在18世紀(jì)，著名英國(guó)生理學(xué)家黑爾斯第一次提出彈性腔模型理論。在1989年Beyer等[18]提出來(lái)的模型中用單彈性腔來(lái)模擬動(dòng)脈系統(tǒng)，即將大動(dòng)脈看作一個(gè)彈性腔。由于簡(jiǎn)單的Windkessel模型沒(méi)有考慮到小動(dòng)脈和毛細(xì)血管的彈性，以及舒張期出現(xiàn)的脈搏波的一些特征如潮波、重搏波等問(wèn)題，沒(méi)有準(zhǔn)確地將動(dòng)脈波的波形細(xì)節(jié)描述出來(lái)。于是雙彈性腔模型理論在1967年被美國(guó)科學(xué)家戈特溫和瓦特共同提出，兩個(gè)腔室分別代表主動(dòng)脈及其主要分支，C1和C2分別表示其順應(yīng)性，連接兩腔體的血柱L表示血液的慣性，外周阻力R表示外周血管的總阻力[19]。根據(jù)質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律，對(duì)雙彈性腔模型建立微分方程如下[20]：

其特征方程為：

此處本文基于雙彈性腔模型，通過(guò)對(duì)20名受試者在不同體位下的實(shí)測(cè)脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，得到不同體位下的模型參數(shù)R、C1、C2。

2 結(jié)果

2.1 定性分析法

觀察實(shí)驗(yàn)采集的20名受試者的脈搏波形可得出，不同體位下脈搏波的形態(tài)學(xué)變化主要體現(xiàn)在潮波的明顯程度上。本文根據(jù)潮波的明顯程度將實(shí)測(cè)脈搏波在形態(tài)學(xué)上分為兩種類(lèi)型[21]，類(lèi)型I：主要表現(xiàn)為主波和重搏波；類(lèi)型II：主波后的潮波十分明顯，主波、潮波和重搏波三個(gè)波峰成階梯狀。20名受試者中12（8名男、4名女）名受試者的橈動(dòng)脈脈搏波形為類(lèi)型I，8名受試者（6名女、2名男）名受試者的橈動(dòng)脈脈搏波形為類(lèi)型Ⅱ。兩種類(lèi)型的實(shí)測(cè)脈搏波形見(jiàn)圖2。

從波形上分析20名志愿者的橈動(dòng)脈脈搏波可以發(fā)現(xiàn)：類(lèi)型I的志愿者的橈動(dòng)脈脈搏波隨著體位的變化其波形變化不明顯。類(lèi)型Ⅱ的志愿者的橈動(dòng)脈脈搏波隨著體位的變化其波形變化明顯，其變化主要體現(xiàn)在潮波上。0度體位下潮波十分明顯，主波、潮波和重搏波呈階梯狀；45度體位下潮波變得不明顯但是也能看出潮波；90度體位下主要表現(xiàn)為主波和重搏波，潮波消失。兩種類(lèi)型的橈動(dòng)脈脈搏波波形隨體位的變化見(jiàn)圖3。

圖2 兩種實(shí)測(cè)橈動(dòng)脈脈搏波形類(lèi)型

圖3 三種體位下兩種類(lèi)型的橈動(dòng)脈脈搏波波形變化

2.2 定量分析法

根據(jù)橈動(dòng)脈脈搏波形分別計(jì)算出3種體位下志愿者（女性F，男性M）的基本血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)（HR、K、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、u-Lratio）。 用柱形圖直觀表示參數(shù)變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖4。結(jié)果顯示：隨著體位的升高男性和女性的HR、K值、Tup、Tdown、TLVET、SEVR、dAI、u-dratio、u-Lratio變化趨勢(shì)相同。男性和女性的LM-Pratio變化趨勢(shì)差異大。

用非線性最小二乘算法對(duì)實(shí)測(cè)脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)得到動(dòng)脈系統(tǒng)的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)（R、C1和C2）。由于表征血液慣性的L對(duì)脈搏波形的影響很小，所以本文設(shè)定L為0.025不變[20]。參數(shù)采用±s表示。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明隨著體位的升高男性和女性的彈性腔模型參數(shù)C1和C2均減小、外周阻力R增大（表2）。

采用SPSS 11.9統(tǒng)計(jì)分析軟件。對(duì)男性和女性橈動(dòng)脈脈搏波計(jì)算的同一血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表3。男性和女性的參數(shù)比較，HR、u-Lratio、R均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）；男性和女性得其他血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)K、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、C1、C2沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。

3 討論

本研究中，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)法獲得不同體位下橈動(dòng)脈脈搏波波形并計(jì)算實(shí)測(cè)波形的基本血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)；然后通過(guò)雙彈性腔模型，對(duì)不同體位下實(shí)測(cè)的橈動(dòng)脈脈搏波擬合并計(jì)算彈性腔模型參數(shù)；最后經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得出受試者體位的變化對(duì)橈動(dòng)脈脈搏波有明顯的影響，具體影響如下：

（1）分析實(shí)測(cè)波形基本的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示體位變化對(duì)橈動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)有如下影響：隨著體位的升高男性和女性的心率（HR）、心內(nèi)膜下心肌活力率（SEVR）均變大；橈動(dòng)脈壓上升時(shí)間（Tup）、下降時(shí)間（Tdown）、脈搏波起點(diǎn)到降中峽的時(shí)間（TLVET）均減?。荒行院团缘慕抵袓{幅度與主波比值（LM-Pratio）變化趨勢(shì)的不同可能受到脈搏波類(lèi)型的影響。而u-Lratio和u-dratio隨體位變化均變大說(shuō)明隨體位的變化橈動(dòng)脈壓周期的減小主要體現(xiàn)在Tdown和TLVET上。

圖4 基本血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化

表2 彈性腔模型參數(shù)變化（±s）

表2 彈性腔模型參數(shù)變化（±s）

參數(shù) 女性男性0度 45度 90度 0度 45度 90度C1(mL/mmHg) 0.661±0.295 0.593±0.282 0.496±0.223 1.259±0.525 0.764±0.282 0.628±0.233 C2(mL/mmHg) 0.115±0.061 0.077±0.038 0.061±0.031 0.209±0.061 0.096±0.014 0.075±0.013 R (mmHg.s/mL) 1.478±0.713 1.761±0.647 1.870±0.688 0.603±0.209 1.009±0.073 1.158±0.083

表3 男性、女性計(jì)算的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)配對(duì)t檢驗(yàn)分析

（2）分析彈性腔模型參數(shù)，結(jié)果顯示體位變化對(duì)彈性腔模型參數(shù)有如下影響：隨體位升高，主動(dòng)脈順應(yīng)性（C1）和腹主動(dòng)脈順應(yīng)性（C2）變小、外周阻力（R）變大。平均壓升高可以影響R升高[22]，所以這種變化可能與血壓的變化有關(guān)。

（3）通過(guò)對(duì)男性和女性的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性和配對(duì)t檢驗(yàn)分析，結(jié)果如下：男性和女性二者HR、R、u-Lratio具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.05）；其他參數(shù)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異 （P＞0.05）；這些分析說(shuō)明男性和女性群體雖然有很多相同之處但也存在差異。

致謝

該項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61374015；61202258）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201102067）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20110042120037）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)N110219001，N130404016）的支持。

[1]宋曉瑞,喬愛(ài)科.基于脈搏波檢測(cè)技術(shù)的心血管健康評(píng)測(cè)[J].醫(yī)用生物力學(xué),2015,30(5):468-473.

[2]Ma ZC,Zhang YL,Ni CM,et al.A new method for determining subendocardial viability ratio from radial artery pressure waves[J].J Mech Med Biol,2013,13(4):1-10.

[3]徐禮勝,杜尚杰,何殿寧,等.基于傳遞函數(shù)和指端脈搏波的橈動(dòng)脈脈搏波重建[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào),2014,35(11):1539-1543.

[4]龔武田,羅廷富,劉歡,等.脈搏波傳導(dǎo)速度在冠心病診斷及冠狀動(dòng)脈狹窄程度評(píng)估中的臨床應(yīng)用[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2016,16(21):4113-4115.

[6]Corina R,Lucas L,Bemard W,et al.Impact of body tilt on the central aortic pressure pulse[J].Physiological Reports,2015,3(4):1-13.

[7]Miles SC,Chou CC,Lin HF,et al.Arterial blood pressure and cardiovascular responses to YOGA practice[J].Altern Ther Health Med,2013,19(1):38-45.

[8]Vrachatis D,Papaioannou TG,Konstantopoulou A,et al.Effect of supine versus sitting position on noninvasive assessment of aortic pressure waveform:a randomized cross-over study[J].J Hum Hypertens,2014,28:236-241.

[9]胡培英,陳國(guó)強(qiáng),梅夢(mèng)寒.體位對(duì)血壓、脈搏、血常規(guī)等監(jiān)測(cè)值的影響[J].浙江實(shí)用醫(yī)學(xué),2008,13(3):220-221.

[10]徐禮勝,劉佳,何殿寧,等.基于雙彈性腔模型與整心動(dòng)周期脈搏波的血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,40(10):1570-1578.

[11]Weber T,O’Rourke MF,Lassnig E,et al.Pulse waveform characteristics predict cardiovascular events and mortality in patients undergoing coronary angiography[J].J Hypertens,2010,8(4):797-805.

[12]胡紫景.不同血壓組別的頸動(dòng)脈反射波增強(qiáng)指數(shù)與脈象參數(shù)的相關(guān)性研究[D].福州:福建中醫(yī)藥大學(xué),2012.

[13]黃宇.超聲速度向量成像技術(shù)評(píng)價(jià)類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者左心室收縮期心肌力學(xué)功能狀態(tài)[D].瀘州:四川醫(yī)科大學(xué),2015.

[14]任麗娜.血漿致動(dòng)脈硬化指數(shù)、脈搏波參數(shù)與冠狀動(dòng)脈病變程度的相關(guān)性研究[D].太原:山西醫(yī)科大學(xué),2016.

[15]Ekart R,Segula A,Hartman T,et al.Subendocardial Viability Ratio Is Impaired in Highly Proteinuric Chronic Kidney Disease Patients With Low Estimated Glomerular Filtration Rate[J].Ther Apher Dial,2016,20(3):281-285.

[16]Westerhof N,Lankhaar JW,Westerhof BE.The arterial windkessel[J].Med Biol Eng Comput,2009,47(2):131-141.

[17]Manning TS,Shykoff BE,Lzzo JL.Validity and reliability of diastolic pulse contour analysis (windkessel model) in humans[J].Hypertension,2000,39(5):963-968.

[18]Elira M,Nico W,Berend E,et al.Contribution of the Arterial System and the Heart to Blood Pressure during Normal Aging-A Simulation Study[J].Plos One,2016,11(6):1-12.

[19]Beyar R,Halperin HR,Tsitlik JE,et al.Circulation assistance by intrathoracic pressure variation:optimization and mechanisms studied by a mathematical model in relation to experimental data[J].Circ Res,1989,164(4):703-720.

[20]Goldwgn RM,Watt TB.Arterial pressure pulse contour analysis via a mathematical model for the clinical quantifcation of human vascular properties[J].IEEE T Biomed Eng,1967,14(1):11-17.

[21]羅志昌,張松,楊益民.脈搏波的工程分析與臨床應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006,34-35.

[22]Yan L,Yin S,Wang S,et al.Study on the Variability of Pulse Wave and ECG of Graduate Students with Different Body Positions[J].International Conference on Information &Automation,2012,43(10):658-662.

[23]丁佳.不同反復(fù)體位改變模式對(duì)人體心血管功能影響的比較研究[D].北京:北京體育大學(xué),2012.

Quantitative Analysis of the Infuence of Body Position on the Radial Pulse Wave

Objective To reveal and quantitatively analyze the infuence of postural changes on male and female radial pulse wave. Methods 20 healthy students were enrolled in this study to collect their radial pulse wave by using dual pulse signal acquisition equipment at the tilting bed with 0 degrees,45 degrees,90 degrees;and then,the basic hemodynamic parameters and the model parameters on dual Windkessel model were calculated. The hemodynamic parameters of male and female were analyzed and compared by pairedt-test. Results The results showed that with the increase of body position (The subject along with tilt bed-from 0 degrees to 45 degrees and then to 90 degrees)both male and female heart rate (HR) and sub-endocardial myocardial viability rate (SEVR) were signifcant increased (P＜0.05);radial artery pressure full time (Tdown) was signifcant decreased (P＞0.05),however,other hemodynamic parameters did not change signifcantly with body position (P＞0.05);both arterial compliance (C1) and abdominal aortic compliance (C2) became smaller with the increase of body position in male and female,peripheral resistance (R) became larger. HR,R,u-Lratioof male and female have statistical difference （P＜0.05）;there were no statistically signifcant differences inKvalue,Tup,Tdown,TLVET,LM-Pratio,dAI,SEVR,u-dratio,C1and C2between males and females (P＞0.05). Conclusion Body position has an obvious infuence on radial artery and there are differences between male and female hemodynamic parameters,which should be paid more attention in clinic.

body position;radial artery;dual Windkessel model;hemodynamic parameters

ZHANG Qian-qian1,XU Li-sheng1,2,CHAI Rui1,WANG Yu1,LIU Ji-hong1
1.Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University,Shenyang Liaoning 110819,China;2.Northeastern University Key Laboratory of Medical Image,Shenyang Liaoning 110819,China

TP274;R54

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.005

1674-1633(2016)09-0019-05

2016-08-26

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61374015；61202258）；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（201102067）；教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目（20110042120037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)N110219001，N130404016）。

徐禮勝，博士生導(dǎo)師；研究方向：生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理。

通訊作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn