一種基于手臂位置變化的脈搏波評估動脈彈性功能的方法與流程

本發明涉及信號分析領域，具體涉及一種基于手臂位置變化的脈搏波評估動脈彈性功能的方法。

背景技術：

動脈在心血管生理學和病理生理學中扮演重要角色。動脈具有天然彈性能夠反映不同壓力下的動脈性能變化。動脈的彈性性能與很多的臨床和生理因素有關，其中動脈容積順應性是一個典型的定量測量動脈彈性的參數。目前評估動脈彈性功能的方法主要是采用非侵入的方式，是通過改變血管的壓力得到相應的血管體積變化而獲得。但是由于測量直徑的不斷改變，因此無法使用測量比較準確的直接測量方式。

由于脈搏波受測量系統噪聲的影響較大，而且脈搏波信號本身很微弱，因此現有的測量評估方法會使脈搏信號具有較差的測量準確性，影響了評估動脈性能結果的可靠性，而且沒有深入研究脈搏信號波形在不同情況下的差異。

上述問題是在研究脈搏信號的過程中應當予以考慮并解決的問題。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的不足，本發明公開了一種基于手臂位置變化的脈搏波評估動脈彈性功能的方法，本方法操作簡單、方便，易于臨床應用，改善了現有方法難于測量、操作復雜等情況。

為實現上述目的，本發明的具體方案如下：

一種基于手臂位置變化的脈搏波評估動脈彈性功能的方法，包括以下步驟：

步驟S1：將被測者的其中一個手臂作為參考手臂，放置于身體一側的水平位置；另一個手臂為運動手臂，將其依次固定到不同的測試角度上；

步驟S2：同步測量兩個手臂橈動脈的脈搏信號；

步驟S3：使用信號分析軟件對采集到的信號進行識別；

步驟S4：對每個被測者的每個測試位置上的脈搏信號，截取設定個周期的脈搏信號，并分別對這設定個周期信號進行歸一化處理形成歸一化脈搏信號；

步驟S5：計算歸一化脈搏信號的設定百分比的峰值處波形的寬度；

步驟S6：換被測者的另一手臂作為參考手臂進行相同的操作，重復上述步驟S1-步驟S5，再次進行實驗，被測者的第一輪實驗結束；

步驟S7：重復步驟S1-步驟S6，被測者的第二輪實驗結束；

步驟S8：對另外的多位被測量者進行上述步驟S1-步驟S7的測量與處理，計算每個被測者兩輪重復實驗的設定百分比的峰值寬度的平均值和方差；

步驟S9：使用信號分析軟件對不同角度位置下運動手與參考手的設定百分比的峰值寬度值進行配對對比，對參考手與運動手在不同位置時進行配對比較得到參數P值，根據參考P值判斷胳膊的位置與脈搏信號的寬度的相關性，繼而評估判斷胳膊的位置與動脈彈性功能的相關性。

進一步的，在步驟S1中，測量兩個手臂橈動脈的脈搏信號時，被測者的其中一個手臂作為參考手臂，放置于身體一側的水平位置；另一個手臂為運動手臂，將其依次固定到與身體一側的水平位置相對成90°、45°、0°、-45°、-90°角度上，分別測量不同角度位置時對應的手臂橈動脈的脈搏信號。

進一步的，在步驟S2中，測量兩個手臂橈動脈的脈搏信號時每個角度測量時間相同。

進一步的，在步驟S2中，在測量手臂橈動脈的脈搏信號時，每個角度需要滿足在該測量時間下能夠獲取設定個周期的脈搏信號。

進一步的，在步驟S3中，使用信號分析軟件對采集到的信號進行識別，找出并標注每個脈搏周期的起點。

進一步的，在步驟S4中，根據起點截取設定個周期的脈搏信號。

進一步的，在步驟S4中，歸一化處理后使這設定個周期的信號具有相同的時間和幅度，然后取平均形成歸一化脈搏信號。

進一步的，在步驟S5中，計算歸一化脈搏信號的設定百分比的峰值處波形的寬度時，該設定百分比為60％。

本發明的有益效果：

本發明利用手臂在不同位置時脈搏信號的波形會產生變化，通過運動手臂的脈搏信號波形與參考手臂的脈搏信號波形進行對比，對手臂在不同位置時脈搏信號的波形的變化情況進行量化，從而能根據波形的變化量對動脈彈性功能進行較為準確的評估。

本發明對雙手臂在不同位置對橈動脈進行測量，能消除個體間的差異，具有操作簡單易行、高準確度等優勢，易于臨床的應用，為后期的動脈彈性性能的研究提出了一種新的方法，并為今后研究血管疾病提供了方向。

附圖說明

圖1是本發明中手臂在不同位置時的測量示意圖；

圖2(a)-圖2(e)是本發明中某一被測人的右手臂作為運動手，左手臂作為參考手，在不同位置的波形圖；

圖3(a)-圖3(b)是本發明中重復兩次實驗中60％峰值寬度的總均值與方差圖。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明進行詳細說明：

動脈硬化可以使血管壁變硬、縮小、失去彈性，繼而形成血栓，由于人體脈搏信號的寬度與動脈硬化度呈負相關性，即當動脈硬化程度高時，脈搏上升和下降的速度均比硬化程度低的血管快，表現為脈搏信號的寬度變窄，再加上它的測量方法簡便易行而又沒有創傷，脈搏信號在60％處的寬度值對位置變化的差異最明顯，因此本申請使用60％峰值處波形的寬度值作為判斷動脈管壁性能的指標之一。

沿著動脈波傳播的動脈波速度取決于動脈的彈性，如果忽視粘度的影響，動脈波的傳播速度可由布拉姆韋爾和希爾方程(Bramwell and Hill equation)近似為：

V是單位長度動脈的血容量，ρ是血液密度1050kg/m³，C是動脈體積順應性。

從方程(1)可以得到，如果未知血容量或動脈半徑，由PWV得不到絕對的動脈體積順應性。

但是，根據動脈體積順應性的定義,布拉姆韋爾和希爾方程可以寫作：

依據方程(2)與動脈容積擴張性(Dv)，可以得到下面的方程：

如果外周動脈系統的彈性大,更大比例的血液將噴射到周邊動脈。因此手臂舉高時，血壓降低，動脈彈性變大，橈動脈脈搏將有更寬的脈沖波形。在我們的研究中，觀察到脈沖的寬度與上述理論相符，并在60％處的寬度值對位置變化的差異最明顯，因此被作為判斷動脈管壁性能的指標之一。

目前常用的用于描述在壓力下動脈性能變化的模型是Hardy與Forster等提出的生理彈性指數模型及Langewouters反正切模型。作為動脈壓力P的函數，動脈容積擴張性可以表示為：

彈性指數模型：

Langewouters反正切模型：

a₁，a₂，a₃，b₁，b₂是模型中未知的參數，模型參數可以采用Matlab工具箱中的曲線擬合進行計算。用最小二乘方法來評估我們的數據，我們的實驗數據與模型的擬合程度很高。

基于手臂在不同位置時的脈搏波分析動脈彈性功能的方法，用于測量被測者左右雙手的橈動脈處的動脈脈搏信號，進而對脈搏信號進行歸一化處理得出歸一化波形，所述方法主要包括以下步驟：

步驟一：選取24名男女數量不等的被測人員，準備進行實驗。

步驟二：讓被測者在安靜、恒溫的環境中靜躺5min后，開始進行第一輪實驗。

步驟三：把被測者的一個手臂作為參考手臂置于與身體平行的水平0°位置，另一手臂作為運動手臂，有五個測試位置：90°、45°、0°、-45°、-90°。使用設備將該被測者的運動手臂固定到某個測試位置，如圖1所示，參考手臂(左手)放在與身體平行的水平0°位置上，運動手臂(右手)先放在-90°位置上，使用壓電傳感器同時測量左右兩個手臂橈動脈上的脈搏信號，測量時間為40s。接著將運動手臂放到其他測試位置上進行測試，測量時間仍為40s，重復該步驟，直到運動手臂在5個測試位置上完成測試，本次測量結束。然后把參考手臂與動作手臂調換，重復上述5個位置的測試，第一輪測試結束。第二輪測試為第一輪測試的重復。

步驟四：使用MATLAB軟件對采集到的20路信號進行脈搏起點標注，找出每一路信號的脈搏起點。

步驟五：根據起點截取11個連續周期，對每一個周期進行歸一化處理：幅值為1，重采樣頻率為1000。

步驟六：分別對每個被測人的五個位置的11個歸一化信號周期信號取平均，繪制出左、右運動手與參考手在5個位置的歸一化脈搏信號，如圖2(a)-圖2(e)所示。

步驟七：計算步驟六中得到的歸一化脈搏信號的60％峰值處波形的寬度值，并對其求平均。

步驟八：對24位被測量者進行上述步驟的測量與處理，繪制出兩輪重復實驗的60％峰值處波形寬度的均值和標準方差圖(如圖3(a)-圖3(b)所示)，均值、標準方差和配對分析結果如表1所示。

表1

步驟九：使用SPSS軟件對不同位置下動作手與參考手的60％峰值寬度值進行配對對比分析，判斷手臂位置改變對脈搏波形改變的影響情況。

運動手臂與參考手臂在不同位置上的波形對比，其中圖2(a)-2(e)分別對應當參考手在0°位置，運動手臂在90°、45°、0°、-45°、-90°五個不同位置處時的波形，虛線為參考手波形，實線為運動手波形。從圖2(a)-2(e)可以看出，運動手臂在90°、45°、0°、-45°、-90°五個不同位置的時間段內，參考手臂的波形基本不變，而運動手臂的波形變化很大。在0°時，運動手臂與參考手臂的波形基本吻合；在90°、45°時，50％峰值及以上位置，運動手臂的波形明顯寬于參考手的波形，在-45°、-90°時，50％峰值及以上位置，運動手臂的波形寬度小于參考手的寬度。在90°、45°、0°、-45°、-90°五個不同位置處，運動手臂的波形在峰值60％左右的寬度總體逐步減小，從而說明，手臂位置對橈動脈波形有明顯的影響。

計算24位被測者的左、右手臂分別在5個位置波形的60％峰值寬度的總均值和方差，得到圖3(a)-圖3(b)。圖3(a)是以右手為參考手臂，左手為運動手，分別在90°、45°、0°、-45°、-90°五個位置上的總均值和方差圖；相應的，圖3(b)是以左手為參考手臂，右手為運動手在90°、45°、0°、-45°、-90°五個位置上的總均值和方差圖。從圖中可以看出，運動手臂的60％峰值波形寬度在90°、45°、0°、-45°、-90°五個位置上是逐步減小的，是有規律的。

使用SPSS軟件，對參考手與運動手在不同位置時進行配對比較得到參數P值，P值是為結果可信程度的一個遞減指標，P值越大，越不能認為樣本中變量的關聯是總體中各變量關聯的可靠指標。當P>0.05時，表示兩者相關度不大，反之，當P<0.05時，表示兩者是顯著相關的。當左手在-45°和右手在0°、-45°時，P>0.05，兩者是不相關的，在其它位置時，P<0.05，表現為顯著相關。由此可以得出，在大部分情況下，胳膊的位置與脈搏信號的寬度是相關的，進而說胳膊的位置與動脈硬化的程度是相互聯系的。

需要說明的是，本申請利用眾多指標中差別最明顯的一個指標(峰值60％處)，而這個差別最明顯的指標不是患有血管疾病的人和健康者的區別，即使同為健康者之間，該指標的變化也是比較明顯的，因此血管評估中選擇該點會得到高得效率。

本發明通過對采集到的數據進行分析，探索手臂脈搏信號的影響因素。測量具有操作簡單易行、高準確度等優勢，為后期的脈搏信號的研究奠定了可靠的基礎。

上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發明保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發明的保護范圍以內。