王聰,肖淑綿,王慧泉,陳瑞娟,何明,邢海英△

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,天津 300387;2. 天津工業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387)

0 引言

當(dāng)長期處于低灌注狀態(tài)時,人體血壓會持續(xù)發(fā)生變動[1-2]。研究表明,無灌注受損患者的血壓較高[3-6],而灌注受損患者血壓較低,持續(xù)的血壓變動會增加灌注受損患者的中風(fēng)風(fēng)險。若低灌注狀態(tài)下,急劇的血壓變化未得到及時治療,會導(dǎo)致患者器官衰竭甚至死亡[7-12]。

恒定容積法是目前公認(rèn)的基于光電脈搏波和壓力脈搏波的連續(xù)無創(chuàng)血壓監(jiān)測方法[13-17]。臨床上常用的基于恒定容積法的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測設(shè)備主要包括:基于恒定容積法的CNAP、Finapres等指式血壓監(jiān)測設(shè)備[18-23]。大量研究顯示,指式血壓監(jiān)測設(shè)備可實現(xiàn)連續(xù)無創(chuàng)血壓監(jiān)測,但當(dāng)人體血容量或體液灌注處于較低狀態(tài)時,該類設(shè)備的血壓監(jiān)測準(zhǔn)確性遠(yuǎn)低于臨床標(biāo)準(zhǔn)[24-26]。

脈搏波信號主要由心臟搏動在動脈內(nèi)驅(qū)動血液時的壓力波和動脈的阻尼彈性波合成[27]。大量臨床研究表明,脈搏波在形態(tài)、強度、節(jié)律等方面可反映人體心血管系統(tǒng)的許多生理和病理特征[28-31]。高信噪比的脈搏波采集和關(guān)鍵特征提取,是實現(xiàn)低灌注下血壓監(jiān)測的關(guān)鍵。

為突破低灌注下的光電脈搏波和壓力脈搏波采集難點,進(jìn)一步實現(xiàn)低灌注下的血壓精確監(jiān)測。本研究提出一種融合多光源采集和血管卸載改進(jìn)技術(shù)的前端采集方案,并通過自主設(shè)計的儀器,模擬實驗和低灌注動物實驗,驗證采集前端系統(tǒng)的效果。

1 方法

1.1 容積脈搏波采集前端設(shè)計

本研究采用多光源調(diào)制快速鎖相技術(shù),實現(xiàn)對不同灌注情況的光電脈搏波檢測,使用過采樣技術(shù),以速度換取精度,在不增加硬件復(fù)雜度的前提下,提高對光電容積脈搏波的分辨率。采集過程中對發(fā)光二極管進(jìn)行激勵,然后使用鎖相解調(diào)得到光電容積脈搏波,鎖相解調(diào)相當(dāng)于帶通濾波,可有效抑制帶外干擾。綠光與光電接收傳感器并列位于同側(cè),紅光和紅外光處于另一側(cè),兩側(cè)夾角為120°。光電接收傳感器分別接收綠光反射光、紅光和紅外光的透射光。指套內(nèi)環(huán)繞氣囊,當(dāng)采集前端的指套對血管壁外施加恒定外力時,采用管道與壓力傳感器連接,以便實時采集氣囊中反饋的血管壁內(nèi)壓力波動信號。本研究的脈搏波采集前端將光源與傳感器集成于指套內(nèi),設(shè)計見圖1。

圖1 光電脈搏波采集前端設(shè)計圖

1.2 前端采集算法設(shè)計

1.2.1初始壓力設(shè)定算法 采集前,將指套內(nèi)充盈氣體壓迫檢測部位,至血流發(fā)生臨時阻塞現(xiàn)象,再放氣至0。在此過程中,結(jié)合光電脈搏波信號和壓力信號進(jìn)行初始壓力設(shè)定。不同壓力設(shè)定下的光電脈搏波峰峰值會經(jīng)歷由大到小的變化過程,本研究設(shè)定峰谷值捕捉和三次樣條插值方法,實現(xiàn)峰峰值最大值的捕捉,同時融入自適應(yīng)濾波法對前期無法處理的峰峰值異常波動進(jìn)行二次剔除。峰峰值最大處的壓力值即為初始壓力設(shè)定,指套內(nèi)會迅速充盈至該壓力下進(jìn)行血壓追隨。

1.2.2改進(jìn)的血管卸載技術(shù) 本研究采集持續(xù)失血低灌注狀態(tài)的恒定壓力下的光電脈搏波信號。在失血過程中,實驗對象會伴隨心跳加速、血管彈性變化等。為最大程度地減小血管內(nèi)壓力以外因素對光電脈搏波波形的影響,本研究通過改進(jìn)傳統(tǒng)的血管卸載技術(shù)提出了一種光電脈搏波形態(tài)學(xué)特征提取方法。首先,對實時采集的壓力維持下的光電脈搏波進(jìn)行模板化處理:將脈搏波信號的長度和幅度進(jìn)行歸一化,模板化處理過程見圖2。模板化處理過程主要包括:脈搏波單周期幅度歸一化、脈搏波單周期長度歸一化、滑動平均脈搏波模板波形。

圖2 脈搏波模板化處理

本研究沿脈搏波谷值到峰值方向,擬合線性直線,以該直線為基線,求取波形上升沿曲線和基線之間的積分面積。前端的泵閥系統(tǒng)基于上述特征反饋血壓的變化量,實時對指套進(jìn)行充氣或放氣,從而形成負(fù)反饋調(diào)節(jié)閉環(huán)機制,見圖3。

圖3 前端負(fù)反饋調(diào)節(jié)閉環(huán)機制

本研究結(jié)合十折交叉驗證思想,基于提出的特征和CNAP設(shè)備采集的脈搏波單周期積分面積傳統(tǒng)特征,分別構(gòu)建了2個低灌注下的血壓變異辨識型。將數(shù)據(jù)集隨機生成10份,每次選取1份,作為測試集。以單特征作為預(yù)測模型指標(biāo),找出模型內(nèi)樣本值的最小、最大值,并以此將數(shù)值分成100份,依次循環(huán)該100份數(shù)值作為分類值,根據(jù)10次測試結(jié)果(靈敏度曲線、特異性曲線和準(zhǔn)確率曲線的交點)作為最佳分類閾值。最終選取準(zhǔn)確率(accuracy,ACC)和曲線下面積(area under the curve,AUC)值作為模型評判結(jié)果。最后,基于光電脈搏波波形ppg(t)和實時調(diào)整的壓力波形press(t)對血壓波形進(jìn)行追蹤,見式(1)。其中,k1,k2為波形校正系數(shù)。

Bp(t)=k1+press(t)+k2×ppg(t)

(1)

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1儀器模擬實驗設(shè)計 本研究通過模擬輸出低灌注狀態(tài)脈搏波信號,檢驗采集前端的信號捕捉能力,模擬設(shè)計了從人體末梢段常灌注指數(shù)到低灌注指數(shù)脈搏波檢測實驗,單次過程見圖4。利用Fluke血氧模擬儀多次輸出灌注指數(shù)PI=0.2下的脈搏波信號,血氧飽和度為98%。血氧模擬儀的模擬手指配帶本研究設(shè)計的容積脈搏波采集前端指套,同時設(shè)定模擬脈搏波的脈率分別為60∶10∶200,重復(fù)上述過程15次。

圖4 模擬低灌注采集儀器圖

1.3.2動物實驗設(shè)計 為解決血壓突變和失血等極端情境下,難以獲取數(shù)據(jù)樣本的問題,本研究構(gòu)建了低灌注狀態(tài)下的動物實驗?zāi)Ｐ?。依?jù)失血休克指南,設(shè)計了6頭體重范圍在(20±5)kg的長白豬失血性低灌注模型,本研究動物實驗得到了中國人民解放軍總醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理的認(rèn)可(No. S2020-045-01)。實驗通過采集動物在失血過程中脈搏波的變化(見圖5),研究灌注從正常值至低值過程中(邁瑞監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測尾部血液灌注情況,PI均從大于1下降至小于0.2,PI<0.5即代表進(jìn)入低灌注狀態(tài)),與血壓密切相關(guān)的特征參數(shù),同時完成本采集前端對低灌注下動物的血壓監(jiān)測驗證。實驗主要步驟包括:

圖5 模擬低灌注采集實驗圖

(1)采集豬平穩(wěn)狀態(tài)下的信號

實驗過程中,豬處于麻醉狀態(tài)。確定豬狀態(tài)平穩(wěn)后,持續(xù)采用多生理參數(shù)采集器監(jiān)測豬的心電和左股有創(chuàng)血壓波形(有創(chuàng)血壓作為研究中血壓對標(biāo)的“金標(biāo)準(zhǔn)”)。

(2)對動物進(jìn)行失血操作

通過豬頸部放血,連續(xù)失血至豬發(fā)生血液低灌注,使用本研究設(shè)計的采集前端監(jiān)測尾部的生理信號(包括尾部光電脈搏波信號和指套壓力脈搏波信號)間接實現(xiàn)無創(chuàng)血壓監(jiān)測,失血過程中用邁瑞監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測動物尾部血液PI,當(dāng)PI<0.3,即為低血容量狀態(tài),停止放血。

2 結(jié)果

2.1 低灌注下的儀器模擬實驗檢測信號情況

在15次PI=0.2情況下,本研究采集前端的原始脈搏波情況見圖6。實際檢測到的脈率值和模擬儀輸出的脈率值對比,見表1。實際脈率值與預(yù)設(shè)脈率值的偏差在±1 bpm內(nèi)。根據(jù)脈搏波信號檢測標(biāo)準(zhǔn),脈率偏差在5%內(nèi),可證明低灌注狀態(tài)下該采集前端信號檢測的有效性。

表1 低灌注下采集前端脈率分析表

圖6 PI=0.2下的脈搏波信號

2.2 低灌注下的動物實驗樣本監(jiān)測信號情況

基于前期動物實驗,30例監(jiān)護(hù)儀檢測脈搏波灌注指數(shù)PI<0.5樣本數(shù)據(jù)頻譜分析情況,見圖7。由圖7可知,樣本的脈搏波信號和持續(xù)監(jiān)測的有創(chuàng)血壓波形的主頻一致,表明低灌注下前端檢測的動物臨床信號準(zhǔn)確可靠。

圖7 動物低灌注下脈搏波頻譜分析

2.3 低灌注下的動物實驗樣本血壓監(jiān)測

2.3.1改進(jìn)血管卸載技術(shù)的血壓變異辨識結(jié)果 基于1.2.2中的方法對動物低灌注血壓變異數(shù)據(jù)集進(jìn)行血壓變化辨識,血壓(平均壓)辨識范圍為5～15 mmHg?；诒狙芯糠椒ê蛡鹘y(tǒng)方法所提特征的辨識模型下的血壓(舒張壓、平均壓、收縮壓)在5、10、15 mmHg的變異辨識準(zhǔn)確率和 AUC值及5～15 mmHg下的平均變異辨識準(zhǔn)確率和AUC值見表2-表4。

表2 不同模型下的舒張壓辨識結(jié)果

表3 不同模型下的平均壓辨識結(jié)果

表4 不同模型下的收縮壓辨識結(jié)果

由表2-表4可知,基于本研究提取的特征相較于傳統(tǒng)特征更適用于低灌注下的血壓變異辨識,對于舒張壓和收縮壓的辨識ACC和AUC提高了5%;對于平均壓的辨識ACC和AUC提高了10%。相較于低灌注下的舒張壓和收縮壓波動辨識,本研究提取的特征對平均壓的變異辨識結(jié)果更好。

2.3.2血壓波形監(jiān)測結(jié)果 基于采集前端對動物低灌注下的尾部血壓波形進(jìn)行檢測,當(dāng)尾部血壓發(fā)生改變時,根據(jù)上述提出的新型脈搏波特征,對指套的壓力進(jìn)行實時調(diào)整,重新追蹤新狀態(tài)下的血壓。本研究對30例低灌注下不同血壓范圍內(nèi)的血壓進(jìn)行監(jiān)測,30例樣本的血壓(舒張壓、平均壓、收縮壓)誤差為±10 mmHg。圖8為其中6例無創(chuàng)血壓波形和有創(chuàng)血壓波形的波形對比。紅色波形為有創(chuàng)監(jiān)測的血壓波形,藍(lán)色為基于本采集前端監(jiān)測到的血壓波形。圖9為相關(guān)性分析雷達(dá)圖,每個樣本波形與金標(biāo)準(zhǔn)有創(chuàng)波形,即兩條曲線間的相關(guān)性均在80%～100%,波形具有強相似性。

圖9 波形相關(guān)性分析結(jié)果

3 分析與討論

隨著連續(xù)無創(chuàng)血壓監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外學(xué)者利用各項技術(shù)對健康人群的血壓檢測展開了詳細(xì)研究,但對于低灌注下血壓異變的臨床數(shù)據(jù)難以獲取。對本研究設(shè)計的采集前端采集的信號進(jìn)行時域和頻域分析可知,其在灌注PI<0.3情況下,仍可精確檢測脈搏波信號,是實現(xiàn)連續(xù)無創(chuàng)血壓監(jiān)測的關(guān)鍵。

本研究基于自研的采集前端,結(jié)合改進(jìn)的血管卸載技術(shù)建立的血壓變異辨識模型相較于傳統(tǒng)模型,能進(jìn)一步提高低灌注狀態(tài)下血壓變異捕捉的準(zhǔn)確率和敏感度,并能提取不同血壓等級下的血壓辨識結(jié)果,可為不同臨床應(yīng)用場景的患者提供無創(chuàng)連續(xù)血壓預(yù)警監(jiān)測。平均壓作為失血狀態(tài)下的心血管狀態(tài)的關(guān)鍵反饋指標(biāo),變異辨識準(zhǔn)確率最高可達(dá)93%。

當(dāng)血壓變動時,有效的預(yù)測參數(shù)可起到?jīng)Q策作用,結(jié)合準(zhǔn)確的血壓變異辨識,采集前端的壓力將隨脈搏波的特征反饋去補償個體的血壓變化。由30例樣本可知,低灌注狀態(tài)下,本研究設(shè)計前端可實現(xiàn)實時、準(zhǔn)確的無創(chuàng)血壓波形監(jiān)測和有效的曲線趨勢追蹤。

4 結(jié)論

本研究基于自研的可充放氣光電指套,通過人體和儀器模擬實驗,分別實現(xiàn)了健康狀態(tài)下和低灌注下脈搏波信號的高精度采集和無創(chuàng)血壓波形的監(jiān)測。同時,基于本研究提出的新特征提取方法,更新了閉環(huán)下的采集前端負(fù)反饋調(diào)節(jié)算法。當(dāng)生命體處于低灌注狀態(tài)時,采集前端可精確實現(xiàn)對不同灌注情況下的血壓監(jiān)測。本研究提出的采集前端可為患者失血等臨床應(yīng)用場景下的無創(chuàng)連續(xù)血壓監(jiān)測預(yù)警設(shè)備提供可靠方案。大量研究表明,脈搏波和心血管狀態(tài)間存在顯著關(guān)聯(lián)性,因此,本采集前端的動態(tài)和弱灌注信號檢測功能還可進(jìn)一步為其他潛在心血管疾病診斷擴(kuò)展思路。