劉煥舒 張弛 劉小麗 焦以飛

0 引言

世界衛(wèi)生組織公布的《高血壓全球概要》顯示，全球25歲以上人群中高血壓的患病率超過40%，患病總?cè)藬?shù)約為10億人，每年至少有940萬人因高血壓疾病及其并發(fā)癥致死[1-2]。根據(jù)國家心血管病中心在2018年做出的中國心血管病報告提出，中國高血壓患病率逐年遞增，其中18歲以上人群中約有2.7億人患有高血壓疾病，患病粗率高達(dá)27.9%，控制率為8%[3]。高血壓作為危害人類健康的主要慢性病之一，與其高患病率相對應(yīng)的卻是低治療率和低控制率，因此如何提早發(fā)現(xiàn)、預(yù)防高血壓的發(fā)生，已成為當(dāng)前高血壓研究領(lǐng)域的重要課題。

根據(jù)脈搏波的產(chǎn)生機(jī)制和傳播方式，可以通過脈搏波的幅值、周期、頻率、形態(tài)以及脈搏波傳導(dǎo)速度等特征反映心血管方面的生理病理等綜合信息[4]。因此可以通過脈搏波信號更深入地探尋人體血壓的相關(guān)參數(shù)及有效信息。國內(nèi)外研究顯示，脈搏波時域特征參數(shù)能夠較好地反映血壓狀態(tài)，脈搏波傳導(dǎo)速度與血壓之間具有正相關(guān)特性，表明了脈搏波特征與血壓之間的關(guān)系[4-7]。

傳統(tǒng)的與高血壓有關(guān)的脈搏波數(shù)據(jù)檢測分析集中在上肢數(shù)據(jù)，或者人體單點(diǎn)檢測的脈搏波數(shù)據(jù)[8]。研究表明，傳統(tǒng)測量的局限性小，不能完整客觀地反映受試者的心血管狀況[9]。如果沒有檢測到的部位首先出現(xiàn)動脈粥樣硬化或狹窄，還沒有涉及檢測點(diǎn)，則容易出現(xiàn)高血壓等心血管疾病的漏診；如果剛巧只有檢測到的部位出現(xiàn)動脈狹窄，則容易導(dǎo)致疾病的誤判和過度診治。而同時檢測上下肢脈搏波信號，綜合評定四肢的脈搏波狀態(tài)，可以有效避免單點(diǎn)脈搏波分析的局限性及干擾因素的影響。而且通過左右兩側(cè)的上肢和下肢脈搏波信號的顯著差異，可以研究上下肢外周血管方面疾病，也可以幫助治療小面積的血管堵塞等問題[10-11]，更準(zhǔn)確有效地預(yù)測和評價高血壓等心血管疾病狀況，為臨床診斷提供更可靠的依據(jù)[12]。

目前的研究主要集中在上肢脈搏波采集，不涉及下肢部分，存在一定的局限性。而且研究主要是針對脈搏波特征與血壓之間的關(guān)系，對于脈搏波特征之間的關(guān)系缺少比較和分析。為此本文擬在通過上下肢多點(diǎn)的脈搏波檢測和分析，闡明與高血壓相關(guān)的關(guān)鍵脈搏波特征參數(shù)，尋找脈搏波特征參數(shù)之間的關(guān)系，為高血壓的無創(chuàng)監(jiān)測技術(shù)提供有力參考，為高血壓疾病的跟蹤研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 研究對象

選取50歲左右的高血壓患者和正常人各20人作為研究對象。高血壓患者的血壓在140/90 mmHg以上，且臨床診斷為原發(fā)性高血壓。實(shí)驗(yàn)對象在實(shí)驗(yàn)前未服用治療高血壓的藥物。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

麥邦MB3000動脈硬化檢測儀。其具有四肢袖帶，可以同時采集四肢的壓力脈搏波。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

為保證實(shí)驗(yàn)的有效性，實(shí)驗(yàn)時間固定為上午9點(diǎn)到10點(diǎn)之間，實(shí)驗(yàn)環(huán)境安靜，室溫為20～26 ℃。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

對實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行基本信息登記和測量，測量身高、血壓和心率，記錄年齡、性別及體重。實(shí)驗(yàn)對象休息5 min后開始實(shí)驗(yàn)，且全程保持仰臥靜息狀態(tài)。設(shè)備同時控制上肢的左右臂和下肢的左右踝四個位置袖帶的充放氣過程，通過氣壓傳感器同步采集四肢的脈搏波數(shù)據(jù)和血壓參數(shù)。持續(xù)采集脈搏波數(shù)據(jù)約5 min，并傳輸至計算機(jī)進(jìn)行分析處理。

1.5 脈搏波特征的提取

為提取有效的脈搏波特征參數(shù)，選取實(shí)驗(yàn)對象連續(xù)5個穩(wěn)定的脈搏波波形，對其進(jìn)行信號處理：利用無限沖激響應(yīng)(infinite impulse response,IIR)二階低通濾波器去除高頻干擾，采用單波判別法分離計算進(jìn)行基線漂移的校正，選用三次樣條插值法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化歸一化處理[13-16]。選取全面、直觀、特征顯著的特征參數(shù)：脈搏波時域特征參數(shù)[17](脈搏波特征參數(shù)K、收縮期特征參數(shù)K1、舒張期特征參數(shù)K2、主波寬度)、踝臂指數(shù)(ankle brachial index，ABI)和肱踝脈搏波傳導(dǎo)速度(brachial ankle pulse wave velocity，baPWV)。

脈搏波特征參數(shù)可以描述脈搏波周期的脈圖面積變化，從而反映脈搏波特性。一個完整脈搏波周期分為前后收縮期和舒張期兩部分，以降中峽N點(diǎn)為分界點(diǎn)，如圖1所示。因此通過脈搏波特征參數(shù)K、收縮期特征參數(shù)K1、舒張期特征參數(shù)K2三個參數(shù)可以完整直觀地描述一個脈搏波周期狀態(tài)[18]，通過式(1)～式(3)可以依次得到。主波是脈搏波周期中幅值最大且臨床檢測效果最好的峰值點(diǎn)，其研究較有意義。主波幅值大于等于最大幅值70%的時間點(diǎn)為主波寬度。

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圖1 脈搏波波形Figure 1 Pulse wave waveform

ABI是足踝收縮壓和肱動脈收縮壓的比值[式(4)]，用來反映上肢和下肢動脈狹窄和動脈阻塞程度，正常值一般在0.9～1.3之間。出現(xiàn)下肢動脈狹窄或阻塞ABI將減小，其是判別下肢血管疾病和動脈硬化的重要臨床指標(biāo)，是早期檢查動脈粥樣硬化的適用方法[19]，其檢測方式無創(chuàng)且簡單，特異性強(qiáng)。

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baPWV是動脈管系中肱動脈和踝動脈之間脈搏波的傳導(dǎo)時間，反映肱動脈和踝動脈之間動脈管壁的情況，與血管彈性、血管容積、動脈血壓之間存在一定相關(guān)性，是無創(chuàng)性檢測動脈硬化程度常用的標(biāo)準(zhǔn)[20]。歐洲高血壓學(xué)會和歐洲心臟病學(xué)會在高血壓治療指南里將脈搏波傳導(dǎo)速度作為評價指標(biāo)來使用。脈搏波傳導(dǎo)速度不僅能在早期反應(yīng)高血壓、高脂血癥、高血糖等各種危險因素對血管壁的損傷[21]，而且是各種中晚期心血管危險事件的獨(dú)立觀測因子。通過動脈血管的位置與身高的關(guān)系，可以計算得到距離差，從而可根據(jù)式(5)得到baPWV。

(5)

1.6 評價指標(biāo)及統(tǒng)計學(xué)分析

本文的評價指標(biāo)為受試者的基本資料，以及提取的脈搏波特征參數(shù)，主要有K、K1、K2、ABI和baPWV。使用SPSS25.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn)、相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本資料比較

本研究一般資料見表1。其中高血壓組與正常對照組的性別、年齡、心率、性別、身高、體重?zé)o統(tǒng)計學(xué)差異，高血壓組的收縮壓和舒張壓均高于正常對照組，具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表1 正常組與高血壓組基本信息對比Table 1 Comparison of basic information between normal group and hypertension group

2.2 高血壓與正常組特征參數(shù)比較

2.2.1 baPWV

正常組與高血壓組的baPWV見表2。由表可見，高血壓組左側(cè)和右側(cè)baPWV均高于正常對照組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；但高血壓組和正常對照的左側(cè)和右側(cè)baPWV之間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。以上結(jié)果表明，無論在高血壓組還是對照組，左右兩側(cè)的脈搏波傳導(dǎo)速度都沒有差異；而高血壓組的脈搏波傳導(dǎo)速度顯著高于對照組，說明高血壓組的動脈硬化程度顯著高于對照組。

表2 正常組與高血壓組肱踝脈搏波傳導(dǎo)速度對比Table 2 Comparison of baPWV between normal group and hypertension group

2.2.2 ABI

高血壓組與正常對比組的雙側(cè)ABI見表3。由表可見，高血壓組左、右側(cè)ABI分別低于正常對照組左、右側(cè)ABI，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；高血壓組和正常組的左側(cè)和右側(cè)之間的ABI差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。ABI指數(shù)通?？梢苑从硥毫γ}搏波傳導(dǎo)到下肢的衰減程度，出現(xiàn)動脈硬化及狹窄會使壓力脈搏波傳導(dǎo)的衰減增大，ABI指數(shù)下降。從以上結(jié)果可以看出，高血壓組左右兩側(cè)的ABI指數(shù)均較對照組減小，提示高血壓組動脈硬化及狹窄程度增加。

表3 正常組與高血壓組踝臂指數(shù)對照Table 3 Comparison of ABI between normal group and hypertension group

2.2.3 脈搏波時域特征參數(shù)

高血壓組與正常對照組脈搏波時域特征見表4。由表可見，左側(cè)和右側(cè)上、下肢的脈搏波特征參數(shù)K、收縮期特征參數(shù)K1、舒張期特征參數(shù)K2、主波寬度的差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；同組之間左側(cè)與右側(cè)差異無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。表明正常人與高血壓患者的上下肢脈搏波時域特征均存在顯著的差異。

表4 正常組與高血壓組脈搏波時域特征對比Table 4 Comparison of pulse wave characteristics in time domain between normal group and hypertension group

2.3 高血壓和正常組特征參數(shù)的相關(guān)性分析

本文所提取的20個特征參數(shù)之間的相關(guān)性矩陣，如圖2所示，紅色表示正相關(guān)數(shù)值最大，藍(lán)色表示負(fù)相關(guān)數(shù)值最大，白色為0。相關(guān)系數(shù)小于0.3為弱相關(guān)，在0.3～0.6之間為中等強(qiáng)度相關(guān)，大于0.6為強(qiáng)相關(guān)。

2.3.1 特征參數(shù)的左右相關(guān)性分析

如圖2所示，左右肱踝脈搏波傳導(dǎo)速度baPWV呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。因此左肱踝脈搏波傳導(dǎo)速度與右肱踝脈搏波傳導(dǎo)速度具有可相互代替的可能性。左右踝臂指數(shù)ABI為弱相關(guān)，因此無法通過簡單關(guān)系進(jìn)行替代。左右上肢舒張期特征參數(shù)K2、左右下肢脈搏波特征參數(shù)K、左右下肢脈搏波主波寬度，3組參數(shù)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。左右上肢脈搏波特征參數(shù)K、左右上肢收縮期特征參數(shù)K1、左右上肢脈搏波主波寬度、左右下肢收縮期特征參數(shù)K1、左右下肢舒張期特征參數(shù)K2，5組左右參數(shù)呈現(xiàn)中等強(qiáng)度相關(guān)。因此具有左右側(cè)可相互代替的可能性。

1—左baFWV；2—右baFWV；3—左ABI；4—右ABI；5—左上K；6—左上K1；7—左上K2；8—左上主波寬度；9—右上K；10—右上K1；11—右上K2；12—右上主波寬度；13—左下肢K；14—左下K1；15—左下K2；16—左下主波寬度；17—右下K；18—右下K1； 19—右下K2；20—右下主波寬度圖2 特征參數(shù)的相關(guān)性矩陣Figure 2 Correlation matrix of characteristic parameters

2.3.2 特征參數(shù)的相關(guān)性矩陣分析

通過相關(guān)性矩陣分析發(fā)現(xiàn)，baPWV與具有較強(qiáng)相關(guān)性的脈搏波時域特征參數(shù)之間呈現(xiàn)正相關(guān)。左上肢收縮期特征參數(shù)K1和左baPWV及右下肢脈搏波特征參數(shù)K與右baPWV之間為中等強(qiáng)度相關(guān)，且兩個較強(qiáng)的相關(guān)性都為正相關(guān)，其他均呈現(xiàn)弱相關(guān)性。對于右側(cè)baPWV較高的人群，右下肢的血管彈性較差，其右下肢的脈搏波的波形相對平緩，降中峽和重搏波等拐點(diǎn)不明顯，波形在主波波峰后的下降斜率變小，使脈搏波完整周期的面積增大，表現(xiàn)為右下肢脈搏波特征參數(shù)K變大。

ABI與具有較強(qiáng)相關(guān)性的脈搏波時域特征參數(shù)之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。左上肢舒張期特征參數(shù)K2與左ABI為中等強(qiáng)度相關(guān)，右上肢收縮期特征參數(shù)K1與左ABI呈強(qiáng)相關(guān)，且兩個較強(qiáng)的相關(guān)性都為負(fù)相關(guān)，其他均呈現(xiàn)弱相關(guān)性。對于在正常范圍內(nèi)左側(cè)ABI較高者，屬于較為健康的人，其左上肢脈搏波波形的下降斜率較大，降中峽和重搏波的拐點(diǎn)較為明顯，波形在主波波峰后的驟降使脈搏波的后半周期面積減少，表現(xiàn)為左上肢舒張期特征參數(shù)K2變小。

相同方向的上下肢波形特征參數(shù)之間均呈現(xiàn)弱相關(guān)，說明上下肢的脈搏波形態(tài)相關(guān)性弱，不可相互替代。相同位置的脈搏波波形參數(shù)之間，右上肢脈搏波特征參數(shù)K和右上肢舒張期特征參數(shù)K2為強(qiáng)相關(guān)，右下肢脈搏波主波寬度和右下肢舒張期特征參數(shù)K2為中強(qiáng)度相關(guān)，其他均呈現(xiàn)弱相關(guān)。

2.4 高血壓和正常組特征參數(shù)的主成分分析

本文通過主成分分析法對高血壓組和正常組數(shù)據(jù)整合進(jìn)行降維分析。前5個特征值均大于1，其余特征值小于1；前5個主成分的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)75.224%，因此本研究取前5個主成分為宜。主成分分析的表達(dá)式如式(6)所示，X主成分矩陣可以得出各個主成分的特征向量值，進(jìn)而得到各主成分Z的表達(dá)式：Z=AX。其中，X為本文所提取的20個特征參數(shù)，如表5所示。X1為左baPWV，依此類推，X20為右下脈搏波主波寬度。根據(jù)各主成分對應(yīng)的特征向量，可以分別得到前五個主成分：Z1，Z2，…，Z5。通過主成分分析方法，將20個有一定相關(guān)性的原始指標(biāo)，在保留原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，降維到5個獨(dú)立的主成分值。

表5 相關(guān)矩陣的特征向量Table 5 Eigenvector a of correlation matrix

(6)

由表5可以得到主成分的表達(dá)式，根據(jù)各主成分所對應(yīng)的特征向量分析得出：第一主成分Z1主要反映了左右側(cè)baPWV和左下舒張期特征參數(shù)K2的信息。第二主成分Z2主要反映了右上肢脈搏波特征參數(shù)K和右下肢脈搏波特征參數(shù)K的信息。第三主成分Z3主要反映了左下肢脈搏波特征參數(shù)K的信息。第四、五主成分Z4、Z5綜合反映了全部原始指標(biāo)的信息。

利用主成分分析對采集樣本進(jìn)行綜合評價，選擇前5個主成分Z1～Z5，以每個主成分的貢獻(xiàn)率ci=λi/m作為權(quán)數(shù)，因貢獻(xiàn)率ci是Zi的方差λi占全部方差的比例，方差越大的變量越重要，具有較大的權(quán)數(shù)，可以算作客觀定權(quán)法，具有合理性。依此構(gòu)造綜合評價參數(shù)F：

F=c1Z1+c2Z2+c3Z3+c4Z4+c5Z5

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c1=λ1/m=8.925/40=0.223125，c2=0.051575，c3=0.040675，c4=0.0352，c5=0.025525?？梢苑謩e計算得到20名高血壓患者和20名正常人的評價函數(shù)值F。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)化后的F值為0表明該受試者符合平均水平。F值越大表明該受試者的綜合評價效果越好。兩組數(shù)值的均值及范圍如圖3、圖4所示，分別找到高血壓組第11、13、17位和正常組第9、13、18位是最接近平均值的三個受試者。

圖3 20名高血壓患者的綜合評價結(jié)果Figure 3 Comprehensive evaluation results of 20 hypertensive patients

圖4 20名正常人的綜合評價結(jié)果Figure 4 Comprehensive evaluation results of 20 normal people

本研究利用主成分分析方法，將原提取的20個參數(shù)進(jìn)行降維，得到5個綜合主成分反映檢測參數(shù)與血壓直接的關(guān)系，在極大地減少統(tǒng)計分析指標(biāo)的同時保留原始數(shù)據(jù)信息。并通過綜合評價，分別對高血壓患者和正常人選取平均水平，以此作為典型脈搏波進(jìn)行后續(xù)分析，為進(jìn)一步探尋脈搏波參數(shù)與高血壓的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。

2.5 高血壓和正常組典型脈搏波波形對比

使用主成分分析法對本研究采集的20例正常脈搏波參數(shù)和20例高血壓脈搏波參數(shù)進(jìn)行綜合評價計算，分別得出正常組和高血壓組的評價函數(shù)均值。分別選取高血壓組和正常組評價得分最接近該組評價均值的3個受試者的上肢脈搏波波形作為典型波形，其典型脈搏波實(shí)例圖具有明顯特征差異，如圖5所示。

圖5 典型脈搏波實(shí)例圖對比Figure 5 Comparison of typical pulse wave examples

一般來說，原發(fā)高血壓病一般好發(fā)于中老年群體，與年輕健康人群相比，其心臟及外周血管功能相對退化，隨著射血能力減弱、動脈血管彈性變差，脈搏波波形可以明顯看出差異。如圖5所示，高血壓相比正常人的波形，從主波方面分析：脈搏波從起始點(diǎn)到達(dá)主波波峰的時間變長，主波形狀變寬，上升支斜率降低。因此高血壓患者的主波寬度較大，收縮期特征參數(shù)K1較大。從重搏波方面分析，從起始點(diǎn)到達(dá)降中峽的時間變長，脈搏波波形中的特征點(diǎn)潮波、降中峽和重搏波愈加不明顯。因此高血壓患者的舒張期特征參數(shù)K2較大，脈搏波特征參數(shù)K相對較大。這些特征在高血壓組與正常組脈搏波波波形對比中非常明顯。

由主成分分析的表達(dá)式可以看出，脈搏波時域特征中左下舒張期特征參數(shù)K2、右上肢脈搏波特征參數(shù)K、右下肢脈搏波特征參數(shù)K和左下肢脈搏波特征參數(shù)K對主成分的貢獻(xiàn)值相對較大。從脈搏波波形對比圖可以看出脈搏波特征參數(shù)K和舒張期特征參數(shù)K2的差異較為明顯。

3 結(jié)論

本研究通過高血壓患者和正常人的對照實(shí)驗(yàn)，對上下肢提取的20個脈搏波特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，結(jié)果表明，脈搏波傳導(dǎo)速度、踝臂指數(shù)及上下肢脈搏波特征參數(shù)K對血壓水平估計具有重要意義，可為無創(chuàng)血壓監(jiān)測和預(yù)防高血壓提供參考。但是本研究的數(shù)據(jù)量較小，僅有20例高血壓患者和20例正常人樣本，覆蓋范圍有限，所得結(jié)論的外延有一定的局限性。今后可以通過大量的臨床試驗(yàn)豐富樣本庫，以進(jìn)一步驗(yàn)證本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果。