體位對橈動脈脈搏波影響的量化分析

張欠欠，徐禮勝,2，柴蕊，王宇，劉紀紅

1.東北大學 中荷生物醫(yī)學與信息工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學教育部醫(yī)學影像計算重點實驗室，遼寧沈陽 110819

體位對橈動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，劉紀紅1

1.東北大學 中荷生物醫(yī)學與信息工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學教育部醫(yī)學影像計算重點實驗室，遼寧沈陽 110819

目的揭示和量化分析體位變化對男性和女性橈動脈脈搏波的影響。方法選擇20名健康學生，采用雙路脈搏信號采集設備，分別測量受試者在0度、45度、90度傾斜床上的橈動脈脈搏波，并計算其基本的血流動力學參數(shù)和相應的雙彈性腔模型參數(shù)。采用配對t檢驗分析比較了不同體位下男性和女性的血流動力學參數(shù)。結果隨著體位的升高（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）和心內膜下心肌活力率（SEVR）均顯著變大（P＜0.05）；男性和女性的橈動脈下降時間（Tdown）顯著減小（P＜0.05）；其他血流動力學參數(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脈順應性（C1）和腹主動脈順應性（C2）變小、外周阻力（R）變大。男性和女性的HR、R、u-Lratio具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；男性和女性的K值、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、C1、C2沒有統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。結論體位變化對橈動脈脈搏波存在明顯影響，且對男性和女性血流動力學參數(shù)的影響有差異，應引起臨床重視。

體位；橈動脈；雙彈性腔模型；血流動力學參數(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]。橈動脈是人體淺表動脈中的一根，相對于其他部位的脈搏波，橈動脈脈搏波的檢測比較方便[2]。橈動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)的無創(chuàng)檢測，經常是在橈動脈處獲取信息[3-4]。目前國內外已做了大量相關研究，發(fā)現(xiàn)體位改變能對人體血壓、脈搏及血液成分造成影響[5-8]。彈性腔模型可以有效估計人體的血流動力學參數(shù)（血流慣性、外周阻力、主動脈順應性C1和腹主動脈順應性C2），動脈順應性可以反映動脈管的彈性狀態(tài)、外周阻力是反映血管微循環(huán)通暢程度的定量指標、血流慣性對主動脈的開放狀態(tài)有影響[9]；波形參數(shù)（K）可連續(xù)且獨立地預測心血管疾病[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）反映動脈順應性與主動脈瓣功能[11]、脈搏起始點到降中峽的時間（TLEVT）對應左心室收縮期可反映心臟病變程度[12]、橈動脈上升時間（Tup）為壓力波形的起始點到最大峰值[13]、橈動脈下降時間（Tdown）為壓力波形的最大峰值點到下一波起始點、橈動脈壓上升時間與下降時間比值（u-dratio）和橈動脈壓上升時間與脈搏波起點到降中峽的時間比值（u-Lratio）可以反映一定的脈象信息、心內膜下心肌活力率SEVR可評估心肌灌注與左心負荷供需平衡狀態(tài)[14]，這些參數(shù)都是反映人體血管功能的重要指標。本文結合多血流動力學參數(shù)和雙彈性腔模型綜合分析體位變化對橈動脈脈搏波的影響，對不同體位下的心血管功能狀態(tài)做出更全面的評價，對臨床正確測量脈搏波提供依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料

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

表1 數(shù)據統(tǒng)計（±s）

表1 數(shù)據統(tǒng)計（±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和雙路脈搏信號采集系統(tǒng)，其采樣頻率為1150 Hz。由同一人員操作，數(shù)據統(tǒng)一在（18:00～20:00）時間段內采集。測量期間脈搏信號采集系統(tǒng)的壓力傳感器綁于受試者右手腕橈動脈處，實驗室保持安靜狀態(tài)，以排除環(huán)境對橈動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，調節(jié)壓力傳感器上壓力使橈動脈脈搏波的幅值最大，準備好后開始采集數(shù)據，采集時間為1 min。然后將傾斜床角度調整為45度，身體姿勢調整好后保持45度休息5 min，將測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。最后將傾斜床角度調整為90度，步驟同上。每個受試者連續(xù)測量數(shù)據5次，間隔10 min，共得到15組數(shù)據。隨體位變化一次數(shù)據采集過程見圖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)據采集過程

1.3 彈性腔模型

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

早在18世紀，著名英國生理學家黑爾斯第一次提出彈性腔模型理論。在1989年Beyer等[18]提出來的模型中用單彈性腔來模擬動脈系統(tǒng)，即將大動脈看作一個彈性腔。由于簡單的Windkessel模型沒有考慮到小動脈和毛細血管的彈性，以及舒張期出現(xiàn)的脈搏波的一些特征如潮波、重搏波等問題，沒有準確地將動脈波的波形細節(jié)描述出來。于是雙彈性腔模型理論在1967年被美國科學家戈特溫和瓦特共同提出，兩個腔室分別代表主動脈及其主要分支，C1和C2分別表示其順應性，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]。根據質量守恒定律和動量守恒定律，對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，通過對20名受試者在不同體位下的實測脈搏波數(shù)據進行參數(shù)辨識，得到不同體位下的模型參數(shù)R、C1、C2。

2 結果

2.1 定性分析法

觀察實驗采集的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)學變化主要體現(xiàn)在潮波的明顯程度上。本文根據潮波的明顯程度將實測脈搏波在形態(tài)學上分為兩種類型[21]，類型I：主要表現(xiàn)為主波和重搏波；類型II：主波后的潮波十分明顯，主波、潮波和重搏波三個波峰成階梯狀。20名受試者中12（8名男、4名女）名受試者的橈動脈脈搏波形為類型I，8名受試者（6名女、2名男）名受試者的橈動脈脈搏波形為類型Ⅱ。兩種類型的實測脈搏波形見圖2。

從波形上分析20名志愿者的橈動脈脈搏波可以發(fā)現(xiàn)：類型I的志愿者的橈動脈脈搏波隨著體位的變化其波形變化不明顯。類型Ⅱ的志愿者的橈動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。兩種類型的橈動脈脈搏波波形隨體位的變化見圖3。

圖2 兩種實測橈動脈脈搏波形類型

圖3 三種體位下兩種類型的橈動脈脈搏波波形變化

2.2 定量分析法

根據橈動脈脈搏波形分別計算出3種體位下志愿者（女性F，男性M）的基本血流動力學參數(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，見圖4。結果顯示：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變化趨勢相同。男性和女性的LM-Pratio變化趨勢差異大。

用非線性最小二乘算法對實測脈搏波數(shù)據進行辨識得到動脈系統(tǒng)的血流動力學參數(shù)（R、C1和C2）。由于表征血液慣性的L對脈搏波形的影響很小，所以本文設定L為0.025不變[20]。參數(shù)采用±s表示。統(tǒng)計分析結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)計分析軟件。對男性和女性橈動脈脈搏波計算的同一血流動力學參數(shù)進行配對t檢驗，其結果見表3。男性和女性的參數(shù)比較，HR、u-Lratio、R均具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；男性和女性得其他血流動力學參數(shù)K、Tup、Tdown、TLVET、LM-Pratio、dAI、SEVR、u-dratio、C1、C2沒有統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。

3 討論

本研究中，首先通過實驗法獲得不同體位下橈動脈脈搏波波形并計算實測波形的基本血流動力學參數(shù)；然后通過雙彈性腔模型，對不同體位下實測的橈動脈脈搏波擬合并計算彈性腔模型參數(shù)；最后經統(tǒng)計分析得出受試者體位的變化對橈動脈脈搏波有明顯的影響，具體影響如下：

（1）分析實測波形基本的血流動力學參數(shù)，結果顯示體位變化對橈動脈血流動力學參數(shù)有如下影響：隨著體位的升高男性和女性的心率（HR）、心內膜下心肌活力率（SEVR）均變大；橈動脈壓上升時間（Tup）、下降時間（Tdown）、脈搏波起點到降中峽的時間（TLVET）均減小；男性和女性的降中峽幅度與主波比值（LM-Pratio）變化趨勢的不同可能受到脈搏波類型的影響。而u-Lratio和u-dratio隨體位變化均變大說明隨體位的變化橈動脈壓周期的減小主要體現(xiàn)在Tdown和TLVET上。

圖4 基本血流動力學參數(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、女性計算的血流動力學參數(shù)配對t檢驗分析

（2）分析彈性腔模型參數(shù)，結果顯示體位變化對彈性腔模型參數(shù)有如下影響：隨體位升高，主動脈順應性（C1）和腹主動脈順應性（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。

（3）通過對男性和女性的血流動力學參數(shù)進行相關性和配對t檢驗分析，結果如下：男性和女性二者HR、R、u-Lratio具有統(tǒng)計學差異（P＜0.05）；其他參數(shù)不具有統(tǒng)計學差異 （P＞0.05）；這些分析說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

該項目得到國家自然科學基金項目（61374015；61202258）；遼寧省自然科學基金項目（201102067）；教育部博士點基金項目（20110042120037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費N110219001，N130404016）的支持。

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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

國家自然科學基金項目（61374015；61202258）；遼寧省自然科學基金項目（201102067）；教育部博士點基金項目（20110042120037）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費N110219001，N130404016）。

徐禮勝，博士生導師；研究方向：生物醫(yī)學信號處理。

通訊作者郵箱：xuls@bmie.neu.edu.cn