脉搏波的解析模型及初步临床应用研究
作者：骆璇 常昌远 魏同立
单位：南京鼓楼医院 南京210008
关键词：脉搏波；解析模型；函数叠加逼近；动脉硬化
数理医药学杂志990403 摘 要 研究了脉搏波的形成机理，建立了脉搏波的解析模型，并采用该模型对动脉硬化病人的脉搏波进行分析，得到了脉搏波的特征参量。初步临床应用表明，该模型简明、直观、有效。
1 前言
脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，脉搏波的波形幅度和形态，包含了反映心脏和血管状况的重要生理信息[1]。因此从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到人们的重视，几乎世界上所有的民族都曾用“切脉”作为诊断疾病的手段，尤其是我国传统医学中的脉诊已有几千年的历史。大量的研究发现高血压和动脉粥状硬化的初期，虽然患者还没有自觉症状，但血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列心血管血流参数实际上已发生变化，并首先反映在脉搏波的幅值与波形变化之中。因此根据正常健康情况和不正常的疾病情况的脉搏波特征值比较判别，即可将心血管疾病潜在的危险尽早诊断出来，为此我们在分析脉搏波的产生机理的基础上，建立了描述脉搏波的数理解析模型，并从中提取脉搏波的特征量信息，快速简便有效地检测分析预测心血管疾病，初步的临床应用也证实了这一点。
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2 脉搏波的解析模型
通常描述分析脉搏波的方法有多种，如：特征图法[2]、频谱图法[3]、波图面积法[4]等。前二者形式复杂，特征参数太多，难以揭示脉搏波的变化实质；后者虽然只有一个参数K，但研究中我们发现相同的K值可对应两种完全不同的波形，不能准确反映其波形变化，因此我们首先从脉搏波的产生机理入手来分析其变化规律。心脏每舒张收缩一次，动脉系统发生压力和血流量的改变，即产生一个脉搏波。正常生理状况下典型的脉搏波波形如图1所示，它包括：①上升段，左心室开始收缩，主动脉瓣开启，主动脉因射血而压力迅速上升；②下降段，在A点，左心室排空量和主动脉排空量相等，射血期后动脉压开始下降，由于主切动脉受到左心室喷血的冲击形成潮波B，随后主动瓣关闭，由于血管的回弹，动脉血液由远心端向近心端回流形成重搏波C。由此可以看出，脉搏波包括丰富心血管系统的生理病理信息，尤其与动脉阻力、血管弹性密切相关。另一方面，受谱线拟合法的启发[5]，脉搏波明显可看成几个波函数的叠加。为此，我们经过比较选取高斯函数作为基函数相叠加来逼近脉搏波，以期定量地揭示其变化规律。高斯函数的一般形式为
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f(t)=(A/{W*sprt[π/2]})*exp(-2*(t-tci)∧2/W2) (1)
式中A为高斯函数的面积，W为半宽度，tc为峰值位置。用高斯函数对图1所示的典型脉搏波进行非线性多元拟合逼近，选用最小卡方值作为判别标准
(2)
上式f(k)(ti)为叠加曲线值，f(ti)为实测脉搏曲线ti点的值，k为叠加函数数目，n为波形采样点数目。
具体步骤如下：
步骤一 设置波形位置tc1,tc2,tc3和步长初始值；
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步骤二 由式(1)估算Ai，WI，并由式(2)计算f(ti)；
步骤三 由实测的脉搏曲线得到f(t)；
步骤四 若
，转步骤六；
步骤五 改变初始值，转步骤二；
步骤六 输出参数Ai,Wi,tci；
步骤七 结束。
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图1 典型的脉搏波波形
应该注意的是参数的初始值和步长不宜过大或过小，同时应结合物理意义恰当选取。图2给出了拟合副近曲线，其结果比较令人满意。
图2 拟合逼近曲线
3 初步的临床结果与分析
我们采用手腕带式桡动脉测试仪分别对健康人与动脉硬化患者进行检测，并经统计分类把脉搏波依据其动脉硬化程度分为四类[6]，依次为正常型、轻度动脉硬化型、中度动脉硬化型和严重动脉硬化型。用我们建立的解析模型进行模拟分析如图3所示，其特征量参数见附表。
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图3 不同动脉硬化状况模拟逼近结果
附表 动脉硬化程度与脉搏波特征值的关系 类型
波形
动脉硬化因子
特 点
正常人
H1-H2
5±2
主波显得高而窄，主波后潮波不明显，重搏波较明显，临床表示为血管阻力低，动脉弹性好。
轻度动
, 百拇医药
脉硬化
H1-H2
0±3
主波后潮波逐步抬高，重搏波不太明显，临床表示为血管阻力和动脉弹性适中。
中度动
脉硬化
H1-H2
-6±3
主波后潮波突出，与主波和重搏波呈不同程度的融合，重搏波变得平坦不易区分，血管阻力和动脉弹性较差。
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重度动
脉硬化
H1-H2
小于-12
主波后的潮波与主波融合并超过主波，重搏波也与潮波混为一体，血管阻力和动脉弹性很差。
注：随机选取90例，其病情符合率大于90%。
由实测结果可看出动脉硬化程度依据动脉血管的阻力和弹性的变化非常灵敏直观地反映在解析模型及所叠加的函数曲线上，正常人其外周阻力较低血管弹性顺应性较好，表现为主波高而窄，潮波不明显，重搏波峰和波谷十分突出。随着动脉硬化程度的日趋严重，首先反映在主波不断减小，潮波不断增大抬高并逐渐与主波融合，使波形呈现馒头型，与此同时，重搏波峰和波谷由于潮波不断增大抬高而混为一体，辩认不出。因此我们把解析模型中的第一峰与第二峰高度之差H1-H2来定义动脉硬化因子，H1-H2越小，动脉硬化程度愈严重，这里我们所得到出的H1-H2正常范围为3～7。
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4 结束语
脉搏波的分析是检测心血管系统疾病的一种有效手段。本文从函数叠加角度对其进行模拟和逼近充分揭示了脉搏波的变化规律，从而使得到的特征值较准确地反映心血管系统的生理病理状况，对动脉硬化程度的初步识别研究已证实了模型的适用性，下一步我们将完善对各种病例(如高血压、冠心病、心肌梗塞等)的脉搏波形态变化的研究，以使这种快速简便、安全有效、直观的脉搏波无创检测分析方法，在医疗保健、治疗诊断、急救康复等方面得到更广泛的应用。
作者简介：常昌远 魏同立 东南大学微电子中心
参考文献
1 黄世林，孙明异.中医脉象研究.人民卫生出版社，1991.
2 甘家宝，徐子亮.微机在心功能参数测定中的应用.微小型计算机开发与应用，1993，5(1)：25～28.
, 百拇医药
3 李庆芬，瞿继恂.脉搏波的传播时差及自回归谱分析.生物医学工程学杂志，1989，6(1)：55～59.
4 罗志昌，张松，杨文鸣，等.脉搏波波形特征信息的研究.北京工业大学报，1996，22(1)：71～79.
5 Aller G C et al. Deconvolution of spectra by least-squares fitting. Analytical Chemistry Acta. 1978,103:73～108.
6 罗志昌，张松，杨益民.脉搏波检测在HHC中的应用前景.世界医疗器械.1997，3(4)：57～60.
收稿日期：1999-03-04, http://www.100md.com
单位：南京鼓楼医院 南京210008
关键词：脉搏波；解析模型；函数叠加逼近；动脉硬化
数理医药学杂志990403 摘 要 研究了脉搏波的形成机理，建立了脉搏波的解析模型，并采用该模型对动脉硬化病人的脉搏波进行分析，得到了脉搏波的特征参量。初步临床应用表明，该模型简明、直观、有效。
1 前言
脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，脉搏波的波形幅度和形态，包含了反映心脏和血管状况的重要生理信息[1]。因此从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据，历来都受到人们的重视，几乎世界上所有的民族都曾用“切脉”作为诊断疾病的手段，尤其是我国传统医学中的脉诊已有几千年的历史。大量的研究发现高血压和动脉粥状硬化的初期，虽然患者还没有自觉症状，但血压、血流、血管阻力、血管弹性和血液粘性等一系列心血管血流参数实际上已发生变化，并首先反映在脉搏波的幅值与波形变化之中。因此根据正常健康情况和不正常的疾病情况的脉搏波特征值比较判别，即可将心血管疾病潜在的危险尽早诊断出来，为此我们在分析脉搏波的产生机理的基础上，建立了描述脉搏波的数理解析模型，并从中提取脉搏波的特征量信息，快速简便有效地检测分析预测心血管疾病，初步的临床应用也证实了这一点。
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2 脉搏波的解析模型
通常描述分析脉搏波的方法有多种，如：特征图法[2]、频谱图法[3]、波图面积法[4]等。前二者形式复杂，特征参数太多，难以揭示脉搏波的变化实质；后者虽然只有一个参数K，但研究中我们发现相同的K值可对应两种完全不同的波形，不能准确反映其波形变化，因此我们首先从脉搏波的产生机理入手来分析其变化规律。心脏每舒张收缩一次，动脉系统发生压力和血流量的改变，即产生一个脉搏波。正常生理状况下典型的脉搏波波形如图1所示，它包括：①上升段，左心室开始收缩，主动脉瓣开启，主动脉因射血而压力迅速上升；②下降段，在A点，左心室排空量和主动脉排空量相等，射血期后动脉压开始下降，由于主切动脉受到左心室喷血的冲击形成潮波B，随后主动瓣关闭，由于血管的回弹，动脉血液由远心端向近心端回流形成重搏波C。由此可以看出，脉搏波包括丰富心血管系统的生理病理信息，尤其与动脉阻力、血管弹性密切相关。另一方面，受谱线拟合法的启发[5]，脉搏波明显可看成几个波函数的叠加。为此，我们经过比较选取高斯函数作为基函数相叠加来逼近脉搏波，以期定量地揭示其变化规律。高斯函数的一般形式为
, 百拇医药
f(t)=(A/{W*sprt[π/2]})*exp(-2*(t-tci)∧2/W2) (1)
式中A为高斯函数的面积，W为半宽度，tc为峰值位置。用高斯函数对图1所示的典型脉搏波进行非线性多元拟合逼近，选用最小卡方值作为判别标准
(2)上式f(k)(ti)为叠加曲线值，f(ti)为实测脉搏曲线ti点的值，k为叠加函数数目，n为波形采样点数目。
具体步骤如下：
步骤一 设置波形位置tc1,tc2,tc3和步长初始值；
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步骤二 由式(1)估算Ai，WI，并由式(2)计算f(ti)；
步骤三 由实测的脉搏曲线得到f(t)；
步骤四 若
，转步骤六；步骤五 改变初始值，转步骤二；
步骤六 输出参数Ai,Wi,tci；
步骤七 结束。
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图1 典型的脉搏波波形
应该注意的是参数的初始值和步长不宜过大或过小，同时应结合物理意义恰当选取。图2给出了拟合副近曲线，其结果比较令人满意。
图2 拟合逼近曲线
3 初步的临床结果与分析
我们采用手腕带式桡动脉测试仪分别对健康人与动脉硬化患者进行检测，并经统计分类把脉搏波依据其动脉硬化程度分为四类[6]，依次为正常型、轻度动脉硬化型、中度动脉硬化型和严重动脉硬化型。用我们建立的解析模型进行模拟分析如图3所示，其特征量参数见附表。
, 百拇医药
图3 不同动脉硬化状况模拟逼近结果
附表 动脉硬化程度与脉搏波特征值的关系 类型
波形
动脉硬化因子
特 点
正常人
H1-H2
5±2
主波显得高而窄，主波后潮波不明显，重搏波较明显，临床表示为血管阻力低，动脉弹性好。
轻度动
, 百拇医药
脉硬化
H1-H2
0±3
主波后潮波逐步抬高，重搏波不太明显，临床表示为血管阻力和动脉弹性适中。
中度动
脉硬化
H1-H2
-6±3
主波后潮波突出，与主波和重搏波呈不同程度的融合，重搏波变得平坦不易区分，血管阻力和动脉弹性较差。
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重度动
脉硬化
H1-H2
小于-12
主波后的潮波与主波融合并超过主波，重搏波也与潮波混为一体，血管阻力和动脉弹性很差。
注：随机选取90例，其病情符合率大于90%。
由实测结果可看出动脉硬化程度依据动脉血管的阻力和弹性的变化非常灵敏直观地反映在解析模型及所叠加的函数曲线上，正常人其外周阻力较低血管弹性顺应性较好，表现为主波高而窄，潮波不明显，重搏波峰和波谷十分突出。随着动脉硬化程度的日趋严重，首先反映在主波不断减小，潮波不断增大抬高并逐渐与主波融合，使波形呈现馒头型，与此同时，重搏波峰和波谷由于潮波不断增大抬高而混为一体，辩认不出。因此我们把解析模型中的第一峰与第二峰高度之差H1-H2来定义动脉硬化因子，H1-H2越小，动脉硬化程度愈严重，这里我们所得到出的H1-H2正常范围为3～7。
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4 结束语
脉搏波的分析是检测心血管系统疾病的一种有效手段。本文从函数叠加角度对其进行模拟和逼近充分揭示了脉搏波的变化规律，从而使得到的特征值较准确地反映心血管系统的生理病理状况，对动脉硬化程度的初步识别研究已证实了模型的适用性，下一步我们将完善对各种病例(如高血压、冠心病、心肌梗塞等)的脉搏波形态变化的研究，以使这种快速简便、安全有效、直观的脉搏波无创检测分析方法，在医疗保健、治疗诊断、急救康复等方面得到更广泛的应用。
作者简介：常昌远 魏同立 东南大学微电子中心
参考文献
1 黄世林，孙明异.中医脉象研究.人民卫生出版社，1991.
2 甘家宝，徐子亮.微机在心功能参数测定中的应用.微小型计算机开发与应用，1993，5(1)：25～28.
, 百拇医药
3 李庆芬，瞿继恂.脉搏波的传播时差及自回归谱分析.生物医学工程学杂志，1989，6(1)：55～59.
4 罗志昌，张松，杨文鸣，等.脉搏波波形特征信息的研究.北京工业大学报，1996，22(1)：71～79.
5 Aller G C et al. Deconvolution of spectra by least-squares fitting. Analytical Chemistry Acta. 1978,103:73～108.
6 罗志昌，张松，杨益民.脉搏波检测在HHC中的应用前景.世界医疗器械.1997，3(4)：57～60.
收稿日期：1999-03-04, http://www.100md.com