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玉荆泉1，付强2，姚阳2，柳程奕1，赵军超2，王璐3，郝丽玲2，徐礼胜2

1.沈阳恒德医疗器械研发有限公司，辽宁沈阳 110179；2.东北大学中荷生物医学与信息工程学院，辽宁沈阳110167；3.东北大学计算机科学与工程学院，辽宁沈阳 110819

[摘要]目的运用传递函数法通过外周肱动脉脉搏来估测中心动脉压力波，并联合心音、心电信号辅助估测中心动脉的血流动力学重要参数。方法中心动脉压力波对分析人体心血管系统功能至关重要，然而它却不能直接无创测量。本文首先针对每个个体建立了从肱动脉到中心动脉的个体化传递函数模型，然后将个体模型整合成为通用的传递函数模型。结果通过临床实验评估，发现运用传递函数法能很好的重建中心动脉压力波形。结论该方法提供了一种实现无创检测中心动脉参数的简单手段。

[关键词]传递函数法；肱动脉；中心动脉压力波；无创检测仪；ARX模型

0 引言

心脑血管疾病一直是危害人类健康的重要因素，如何有效地检测和预防心脑血管疾病是全世界一直努力解决的重大课题[1]。相比于常被用来评估人体血压水平的上臂肱动脉压，中心动脉压（Central Aortic Pressure，CAP）能够更直接准确地反映左心室、冠状动脉和脑血管的负荷情况，从而预测主要心血管事件的发生和靶器官的损害[2]。研究表明，中心动脉压比外周动脉压具有更强的心血管病理生理联系[3]。然而，测量主动脉需要有创介入压力导丝不仅使病人承受很大的创伤和风险，而且需要巨额的花费，这给患者家庭带来沉重的医疗负担。因此，中心动脉脉搏波的无创检测具有重要意义。

Chen 等[4]和Yoshinori[5]等都曾对传递函数方法进行了研究，他们在假定的模型架构基础上，通过反复的训练得到模型参数，然后利用外周桡动脉血压重建得到了中心动脉压。在此方法的基础上也形成了具有代表性的商业化产品，如AtCor Medical 公司（澳大利亚）的SphygmoCorTM 系统、欧姆龙公司（日本）的HEM-9000AI脉波分析仪，图1展示了产品实物图。

SphygmoCorTM系统采集桡动脉脉搏波，采用Pauca建立的传递函数[6]来估测中心动脉脉搏波。中心动脉脉搏波形同样采用检测前听诊器测得的袖带肱动脉压力进行校正。其传感器的设计虽然可以采集不同位置的脉搏波，但实际应用时测量结果与操作者的熟练使用程度有很多关系给用户带来了很大不便，更难以实现临床的自动化实时测量。欧姆龙的HEM-9000AI脉波分析仪则是通过拥有40个频道的微型传感器自动获取桡动脉脉搏波，并通过桡动脉脉搏波的重搏波波峰推断中心动脉血压[7]。这个系统在采集桡动脉脉搏波的同时采用袖带检测肱动脉压力，校准桡动脉脉搏波并估测中心动脉压。

这两款产品都是通过采集桡动脉脉搏波来估测中心动脉，并且采用检测前袖带测得的肱动脉压力进行波形校正。但是一方面由于其昂贵的价格这两款产品一直都没有得到广泛的应用，另外他们在临床上应用采集桡动脉数据时需要人工手动干预相比于本设备直接绑附袖带采集较烦琐，另一方面上面两种方法都是采取单个部位外周动脉（Peripheral Artery Pulse Wave，PAP）估测中心动脉压并单独用估测压力波计算CAP参数并没有考虑人体信号的相互联系性[8]。

本设备采用心音、心电辅助中心波形联合提取估测和有创中心动脉部分参数，结果更加可靠稳定。本系统采用传递函数法通过无创测量外周肱动脉的脉搏压力波，利用函数转换关系间接推导出CAP 波形，然后联合心音、心电辅助提取中心动脉重要的12项心血管参数（图2）。

1 仪器的硬件及平台设计

无创检测仪的硬件架构见图3。整台仪器以一块基于ARM的嵌入式硬件平台为核心，包括MCU处理器（STM32F4系列）、心音采集电路、心电采集电路、肱动脉脉搏采集放大电路与血压测量电路。

STM32F4系列是高集成度、高性能的嵌入式存储器，主要用在医疗、工业与消费类应用。具有丰富的连接功能：通信接口多达15个（包括6个速度高达10.5 Mb/s的USART、3个速度高达42 Mb/s的SPI、3个I2C、2个CAN和1个SDIO），2个12位DAC、3个速度为2.4 MSPS或7.2 MSPS（交错模式）的12位ADC，定时器多达17个：频率高达168 MHz的16和32位定时器，可以利用支持Compact Flash、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存储器的灵活静态存储器控制器轻松扩展存储容量。

采用双极点高通滤波器来消除运动伪像及肌电信号，利用有源低通滤波器滤除基线漂移。该滤波器与仪表放大器结构紧密结合，使用半电池电位作为心电信号的基线，可实现单级高增益及高通滤波，从而降低了电路供电电压节约了空间和成本。为了提高系统线路频率和其他不良干扰的共模抑制性能，使用一个放大器，用于右腿驱动（Right-Leg Driven，RLD）等受驱导联。

通过高灵敏度拾音头获取心音，通过音频前置放大器进行放大后经过带通滤波器对环境噪音进行滤除。

使用恒流源进行驱动压力传感器，通过仪表放大器将压力传感器的差分电信号放大，通过IIR低通滤波器提取袖带压力直流分量，通过FIR数字滤波器提取袖带压交流分量即肱动脉波。利用示波法与波形特征法计算人体血压。

无创检测仪通过人机交互界面，实现受试者信息输入、血压测量和多生理信号波形采集等功能，图4为用户操作界面，在该界面上可查看受试者姓名、性别、年龄、身高、体重；首先点击开始测量血压，来得到受试者的血压信息，舒张压、收缩压、心率和袖带加压上限等值；然后点击开始采集波形按钮框可开始进行心音、心电、脉搏波形数据记录；图4(b) 为测量结果显示界面，该界面上显示了受试者的血压、心率及心电、心音、脉搏波波形。

通过与电脑连接的无线发射器把无创检测仪采集到的信号存储在电脑里，最后通过我们建立的模型进行中心动脉压力波形估测及重要血流动力学参数的提取。

2 血流动力学参数及算法

本文研究的血流动力学参数包括SBP、DBP 、MBP、 HR、K值、SV、CO、Rs、PEP、LEVT/ED、SEVR、PWV。其中SBP、DBP 、MBP、HR、K值、SV、CO、Rs、ED、SEVR可从中心动脉直接获取或计算得到（图5）用来做估测波形和有创中心的对比分析，PEP、LEVT通过心音、心电信号计算得到（图6）。PWV计算的是由肱动脉沿管壁传播至心脏升主动脉脉搏波的速率，通过臂部肱动脉处袖带中心点到心脏升主动脉点的距离（手动皮尺测量）与脉搏波传导时间（肱动脉起始点与中心动脉起始点的时间差）的比值得到。

3 实验设计与结果分析

由于人体的血流动力学参数时刻都在一个范围内变化，考虑到仪器对同一个个体在不同条件下测量结果的重复性与再现性，依据JJF1033-2008计量标准考核规范[22]本文通过设计的一个重复性实验来证明本系统的可靠性（表1）。

表1 相关血流动力学参数的缩写符号、参数意义、计算公式及常用单位一览表

为了评估无创检测仪的稳定性，选取了6名身体健康正常人（年龄：34±5.3；性别：男：女=3:3）作为受试者。每个人每隔5分钟测试一次每个人测量三次，共得到测试数据18组。在每次测试前，受试者需要静息5 min。测试时，受试者平躺在实验床上，安放袖带、心电导联及心音传感器（将臂带系在肘部，心电粘扣贴在两肩与左下腹处，心音器放在胸沟偏左），见图7。测量过程中，受试者需要放松并保持安静，测量过程大约3 min。这样得到18组数据，每组12项参数。使用MATLAB软件计算HR、SBP、DBP、MBP、K、SV、CO、Rs、LVET、PEP、SEVR、PWV的重复性（重复率=1-标准差/均值）；对同一名受试者的测量结果进行统计学分析，求出每个人三次测量间的均值标准差及个体重复性（表2）。

通过每个人三次测量结果的均值标准差，最后求出各个参数总体的测量结果重复性。表3是总体重复率实验结果，SV、CO、Rs三个参数的重复率在90%～95%之间相对比较低，其原因是由于目前血压测量变化较大，SV、CO、Rs三个参数的计算结果与血压值直接相关受其影响严重。除了这三个参数外，其他参数的重复率结果都在95%以上，可靠性较高。

表2 选取的HR、SBP、DBP重复性实验的分析方法及结果

本研究的32例有创中心动脉数据，来源于中国医科大学附属第一医院介入导管室，有创中心动脉数据采集所用设备为St.Jude Medical公司的RadiAnalyzer Xpress，介入动脉导管直接测压法[23]来测量升主动脉的压力波形，作为中心动脉压力的金标准（表4）。于此同时采用我们自己设计的血压、心音、心电一体测量模块，实时测量无创的肱动脉、心音、心电波形。然后通过ARX模型对中心动脉数据进行波形估计，最后联合心音心电进行中心动脉参数HR、SBP、DBP、MBP、K值、SV、CO、Rs、ED、SEVR的提取并对比。

本论文通过提取并计算与中心动脉压力波形直接相关的参数包括HR、SBP、DBP、MBP、K值、SV、CO、Rs、ED、SEVR，通过验证估测与有创中心动脉的这些参数的相关性见表5，来证明本论文所建模型对有创方法的可代替性。

表5为通过统计学软件SPSS对估测的中心动脉脉搏波参数与有创的中心脉搏波参数进行对比分析结果。估测的中心动脉脉搏波参数与有创的中心脉搏波参数Pearson相关性显著性（双侧）检验结果显示，HR、SBP、MBP、DBP、ED、SEVR的相关系数较高在0.91以上，估测方法能够代替有创方法。SV、CO、K值由于受血压影响较严重，其计算结果来自于血压的平方或者倒数误差很容易受到放大产生了一些偏差，但其估测值都在正常范围内并没有产生误报的情况在要求较低的情况下可以替代，作为一个参考值。对HR采用相关性分析的结果见图8。

模型计算的心率与有创得到的心率散点图如图8，通过计算，得出相关系数r=0.986,双侧Pearson检验P＜0.001,有统计学意义，说明两种方法测得的心率值高度相关。

其他参数SBP、DBP 、MBP、K值、SV、CO、Rs、ED、 SEVR模型计算与金标准Bland-Altman 图示法比较见图9。

32例模型估测与有创数据差值的Bland-Altman分析结果显示：从图9(a)中看出，SBP差值的均值Mean=1.1 mmHg，差值的标准差SD=8.1 mmHg，95%一致性界限为1.1± 15.8 mmHg，同时3.12%（1/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(b)中看出，DBP差值的均值Mean=1.8 mmHg，差值的标准差SD=5.1 mmHg，则95%一致性界限为1.8±9.9 mmHg，同时3.12%（1/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(c)中看出，MBP差值的均值Mean=-0.3 mmHg，差值的标准差SD=7.1 mmHg，则95%一致性界限为-0.3±14 mmHg，同时（0/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(d)中看出，K值差值的均值Mean=-0.04，差值的标准差SD=0.06，则95%一致性界限为-0.04±0.12，同时（0/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(e)中看出，SV差值的均值Mean=0.4 mL，差值的标准差SD=28.57 mL，则95%一致性界限为0.4±56 mL，同时3.12%（1/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(f)中看出，CO差值的均值Mean=0.3 L/min，差值的标准差SD=2.14 L/min，则95%一致性界限为0.3±4.2 L/min，同时6.24%（2/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(g)中看出，Rs差值的均值Mean=0 mmHg.s/mL，差值的标准差SD=0.85 mmHg.s/mL，则95%一致性界限为0±1.67 mmHg.s/mL，同时3.12%（1/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(h)中看出，ED差值的均值Mean=0 s，差值的标准差SD=0.005 s，则95%一致性界限为0±0.009 s，同时9.36%（3/32）的点在95%一致性界限以外；从图9(i)中看出，SEVR差值的均值Mean=-1.1%，差值的标准差SD=11.7%，则95%一致性界限为-1.1%±23%，同时（0/32）的点在95%一致性界限以外。因此认为传递函数法与有创方法测量的结果具有较好的一致性，在临床上可以相互替代。

表5 估测的中心动脉脉搏波参数与有创的中心脉搏波参数相关性检验结果

注：参数给出为mean±SD的形式。其中，相关系数一列aP＜0.05，bP＜0.01；dP＜0.001，如0.964d表示在0.001水平（双侧）上显著相关，相关系数为0.964。

4 结语

本文设计并实现了一种基于肱动脉的中心动脉压力波无创检测仪，该系统具有参数多样、体积小、操作方便、成本低等优点。特别适合家庭健康医疗及小型医疗单位的动脉硬化程度和心血管功能的无创检测。预计在下一步的研究中通过心血管专家的指导，实现自动检测的同时能够智能化的给出患者的心血管状态类似专家建议诊断结果。

该项目得到国家自然科学基金项目（61374015“基于弹性管非线性模型盲辨识的中心动脉波无创动态重建研究”和61202258“面向智能视频监控的多目标检测与跟踪技术研究”）；辽宁省自然科学基金项目（201102067）；教育部博士点基金项目（20110042120037）；中央高校基本科研业务费（N110219001，N130404016）的支持。

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YU Jing-quan1, FU Qiang2, YAO Yang2, LIU Cheng-yi1, ZHAO Jun-chao2, WANG Lu3, HAO Li-ling2, XU Li-sheng2
1. HENG DE Medical Equipment Development Co.Ltd, Shenyang Liaoning 110179, China; 2. Sino-Dutch Biomedical and Information Engineering School of Northeastern University, Shenyang Liaoning 110167, China; 3. School of Computer Science and Technology, Northeastern University, Shenyang Liaoning 110819, China

Abstract：ObjectiveTo adopt the transfer function method to estimate the central aortic pressure wave through peripheral brachial pulse wave, and to estimate the main parameters of the hemo-dynamics of the central artery in combination with the heart sound and ECG signals.MethodsCentral aortic pressure wave is essential to the analysis of the function of cardiovascular systems, but it cannot be measured noninvasively. In this paper, the Individualized Transfer Function (ITF) model of the vascular system from the brachial artery to the central artery is established for each individual. Then the individual models are integrated into a Generalized Transfer Function (GTF) model.ResultsBy means of clinical laboratory evaluation and the comparison between estimated central aortic waveform and the invasively measured central artery waveforms, it is found that the use of the transfer function method can well reconstruct the central artery pressure waveform, and its parameters are estimated accurately.ConclusionThis paper provides an efficient and feasible method to obtain the parameters of central aortic pulse wave noninvasively.

Key words：transfer function; brachial artery; central aortic pressure wave; noninvasive analyzer; ARX model

基金项目：国家自然科学基金项目（61374015“基于弹性管非线性模型盲辨识的中心动脉波无创动态重建研究”和61202258“面向智能视频监控的多目标检测与跟踪技术研究”）；辽宁省自然科学基金项目（201102067）；教育部博士点基金项目（20110042120037）；中央高校基本科研业务费（N110219001，N130404016）。