一種評估肱動脈內皮功能的電阻抗信號檢測與分析系統

李思琦，申華,2，朱勇，梁舜，覃開蓉

1.大連理工大學 電信學部生物醫學工程系，遼寧 大連 116024；2.大連東軟信息學院 電子工程系，遼寧 大連 116023

一種評估肱動脈內皮功能的電阻抗信號檢測與分析系統

李思琦1，申華1,2，朱勇1，梁舜1，覃開蓉1

1.大連理工大學 電信學部生物醫學工程系，遼寧 大連 116024；2.大連東軟信息學院 電子工程系，遼寧 大連 116023

動脈內皮功能受損或者功能障礙是動脈硬化早期的主要表現。定量評估肱動脈內皮功能有助于及時發現心血管功能異常，從而為心腦血管疾病的早期診斷和治療提供一定的依據。目前臨床上主要采用彩色超聲多普勒技術檢測肱動脈血流介導擴張（FMD）來評估肱動脈內皮功能。雖然這種檢測方法精確度與分辨率更高，但設備相對昂貴，操作復雜。本文提出一種基于前臂電阻抗信號的肱動脈內皮功能檢測與分析系統。該系統通過檢測FMD實施前后前臂的生物電阻抗信號，并運用小波分析技術對前臂生物電阻抗信號的特征參數進行分析計算，包括特征頻率、絕對能量、平均幅值，以及FMD實施前后這些特征量的相對變化率。由于FMD實施前后前臂電阻抗信號的變化主要由前臂動脈管徑的變化引起，因此，本文提出的前臂電阻抗信號檢測與分析系統為定量評估肱動脈內皮功能提供了一種新思路。與目前臨床上使用的內皮功能檢測方法相比，本文提出的電阻抗信號檢測與分析系統具有操作簡單、經濟實用、快速便捷的特點，不僅能用于家庭或社區醫療的監測，并且可以實現在線檢測，為進一步研制智能可穿戴電阻抗動脈功能監測儀器提供了一定的方法學基礎。

肱動脈內皮功能；生物電阻抗信號；小波分析；特征頻率；絕對能量；平均幅值

1 研究背景

近年來，因心腦血管疾病發病和死亡人數急劇增多，治療費用也急劇增加，給患者家庭和社會帶來了沉重的負擔。動脈硬化作為一種全身性的病理變化過程，會直接導致重要臟器的損壞，已成為心腦血管疾病的獨立危險因子之一[1-6]。動脈內皮功能受損或者功能障礙是動脈硬化早期的主要表現[7]。

動脈內皮作為血管流動和血管壁之間的功能性屏障，不僅維持血管結構的完整，還在調節血管細胞生長、調節抗凝及纖溶系統、介導炎癥與免疫、調節白細胞與血小板在血管內皮粘附、調節脂質氧化、調節血管通透性等方面扮演十分重要的角色[7-9]。如果動脈內皮功能受損或者功能障礙，血液中的脂肪會進入血管壁，與中膜的平滑肌細胞相互作用，最終在動脈壁形成動脈粥樣硬化斑塊[10]。因此，正確評價動脈內皮功能、及時發現動脈內皮功能異常，對于心腦血管疾病的早期預警起著至關重要的作用[11-12]。

肱動脈不僅是測量血壓的部位，也是檢測全身動脈功能的一個重要“窗口”。Celermajer等[13]使用超聲多普勒技術無創傷檢測肱動脈血流介導性擴張（Flow-Mediated Dilation，FMD）引起的動脈管徑擴張率評估動脈內皮功能。隨后的一系列研究[11,14]表明通過FMD評估的肱動脈內皮功能與心臟冠狀動脈的功能緊密相關。目前，利用高空間分辨率的超聲多普勒技術測量肱動脈FMD評估內皮功能被美國心臟學會認為是一項“有前途的技術”，已成為臨床診斷的“金標準”[8]。然而，用該方法檢測動脈管徑的變化需要對動脈管徑進行精確定位，不僅操作程序煩瑣、耗時，而且相關的儀器設備笨重、價格昂貴，不便于推廣到社區或者家庭簡單使用。

生物電阻抗（Electrical Bio-Impedance，EBI）技術[15]是利用生物組織與器官的電特性及其變化規律提取與人體生理、病理狀況相關的生物醫學信息的檢測技術，基本測量方式是在體外（表）向檢測對象施加安全的電磁激勵（電流、電壓、電磁場），在體外（表）檢測相應電阻抗的變化獲取相關的信息。其特點是無創、無害，廉價、操作簡單和功能信息豐富，盡管精度較低，但易于被受試者接受。本文利用生物電阻抗技術測量肱動脈FMD實施前后前臂生物電阻抗信號，對檢測的生物電阻抗信號進行小波分析，提出了一種能夠分析肱動脈內皮功能的簡便方法。基于該方法，設計出一種具有操作簡單、價格低廉等優點的動脈內皮功能的電阻抗信號檢測分析裝置。

2 原理與方法

用氣袖無創傷阻斷肱動脈血流3～5 min后釋放，將引起下游前臂動脈的血流動力學環境特別是作用于動脈內皮的壁面剪應力發生改變，改變的剪應力將誘發前臂動脈內皮釋放血管舒張因子一氧化氮（NO），進一步引起前臂動脈的管徑發生改變，這一過程稱為FMD。在該過程中前臂動脈管徑的變化引起前臂動脈的總電阻抗發生改變。通過檢測靜息狀態和FMD實施后電阻抗信號的變化情況可以反映FMD引起的動脈管徑變化，從而達到間接評估動脈內皮功能的目的。

前臂可看成一個電導體，其電阻抗由前臂內所有動脈、靜脈、皮膚、肌肉、骨骼和其他組織的電導特性共同決定。由于FMD過程中只有動脈血流的電阻抗特性才發生明顯變化，因此所測量的前臂電阻抗的改變就是前臂動脈段電阻抗的改變。將前臂內的動脈等效于一個縱向長度L不變的圓筒形腔室，其半徑R則在動脈正常搏動和FMD實施過程中發生改變（圖1），該動脈段的電阻抗Za表達為

式中，σ為血液電導率。

假定除動脈外的組織和器官總阻抗為常量Zp，則前臂總電阻抗Z為Zp和Za的并聯，表示為

進一步假定外圍組織和器官的阻抗Zp在FMD實施前后保持不變，則對公式(2)兩邊微分可得到

由于Zp＞＞Za，可近似為

即，前臂電阻抗Z的改變就是前臂內動脈電阻抗Za的改變。另外，從公式(1)可以看出，前臂動脈電阻抗Za的變化主要取決于動脈內半徑R的變化。

圖1 前臂動脈的等效圓筒模型

假定靜息狀態的前臂電阻抗信號為Z0(t)，FMD實施后的前臂電阻抗信號為ZF(t)，選擇Morlet母小波對連續的電阻抗波形Z0(t)和ZF(t)進行小波分析，可得到具有五個特征峰的頻譜圖，頻率區間為0.01～5.0 Hz，每個特征峰對應不同的頻率區間，反映了五種不同的生理活動[16-17]。其中，頻率區間0.01～0.1 Hz對應動脈內皮的生理活動[16-17]，計算頻譜圖中該頻率區間的特征頻率fc，絕對能量Ec，平均幅值Ac。分別表達如下[18]

（1）特征頻率fc

則fc為頻率區間[fc1,fc2]內的特征頻率。

（2）絕對能量Ec

（3）平均幅值Ac

其中，Ec(fc1,fc2)表示信號在頻率間隔[fc1,fc2]和時間間隔[t1,t2]內的能量。Ac(fc1,fc2)表示在頻率間隔[fc1,fc2]和時間間隔[t1,t2]內的平均小波幅值。

這樣，利用上述方法對FMD實施前的電阻抗信號Z0(t)進行分析，可得FMD實施前的3個特征參數：fc0，Ec0，Ac0，對FMD實施后的電阻抗信號ZF(t)進行類似分析，可得FMD實施后的另外3個特征參數：fcF，EcF，AcF，進一步，計算特征頻率、絕對能量、平均幅值在FMD實施前后的相對變化百分比，分別表示為

3 系統設計與實現

基于以上所述的原理和方法，本文設計和實現的評估肱動脈內皮功能的電阻抗信號檢測與分析裝置，見圖2。該裝置包括檢測系統和分析系統兩部分（圖3），其中檢測系統主要用于檢測前臂生物電阻抗信號；而分析系統主要基于小波分析技術分析計算各項生物電阻抗信號特征參數[18]。圖3(a)用于檢測前臂生物電阻抗信號的測量裝置包括前臂上雙電極、前臂下雙電極、高頻低幅恒流源發生器、交流電壓檢測電路、信號放大器、濾波電路、A/D轉換電路和計算機。該測量裝置的前臂上雙電極置于待測手臂的上部，前臂下雙電極置于待測手臂的下部見圖3(b)；高頻低幅恒流源發生器和一對前臂上下電極構成電流回路；另一對前臂上下電極和交流電壓檢測電路構成回路檢測電壓變化。高頻低幅恒流源發生器給前臂上電極和前臂下電極加一個一定頻率ω的高頻低幅的恒流電源，使前臂通過一個強度恒定的交流電流I，這樣在前臂長度為L段兩端就建立起一定的交流電壓U。交流電壓檢測電路檢測到的交流電壓U經放大器、濾波、A/D轉換將模擬的電壓信號轉換成數字信號輸入計算機，并根據如下公式(12)計算電阻抗Z隨時間的變化曲線：

由公式(12)計算的電阻抗信號存入計算機。

圖2 評估肱動脈內皮功能的電阻抗信號檢測與分析裝置實物圖

圖3 系統設計與實現

分析系統主要由計算機、肱動脈內皮功能參數計算模塊、顯示屏、硬盤等構成。將檢測系統輸出的電阻抗信號作為原始數據，并對其進行小波分解去噪，基于去噪后的前臂電阻抗信號，根據公式(5)～(11)分別計算描述肱動脈內皮功能的信號特征參數，包括fc0，Ec0，Ac0，fcF，EcF，AcF，Δf，ΔE，ΔA。本系統的軟件部分采用C++實現，可實現病例創建、電阻抗波形顯示、性能選擇（包括量程、增益、采樣率和采樣時間的選擇）、以及分析計算結果的保存和打印。

4 實驗驗證

4.1 實驗方案

隨機選擇7名年齡22～23歲的健康大學生作為受試者，所有受試者血壓、心率正常，沒有心腦血管疾病。受試者在實驗前了解本實驗的詳細流程以及可能存在的風險，并簽署書面知情同意書。

整個實驗檢測過程中，將檢測裝置的電極置于待測前臂的上下兩端，上下電極距離1.5 cm，用常規水銀血壓計自帶的氣袖作為肱動脈加壓裝置。首先檢測并記錄FMD實施前靜息狀態前臂電阻抗信號Z0(t)；用血壓計自帶的氣袖給肱動脈加壓，阻斷肱動脈血流3分鐘后釋放，記錄釋放后的前臂電阻抗信號ZF(t)。

4.2 實驗結果與討論

圖4顯示的是利用本文裝置所檢測的受試者1在FMD實施前后一段前臂電阻抗信號的對比。FMD實施后前臂電阻抗信號的幅值小于FMD實施前的幅值，根據公式(1)可知，FMD實施后前臂動脈管徑增大，這符合血流介導的肱動脈擴張現象。圖4所示的電阻抗信號進行小波變換，得到的受試者1在FMD實施前后電阻抗信號頻譜圖的比較見圖5。

圖4 受試者No. 1在FMD實施前后一段前臂電阻抗信號的對比

圖5 受試者No.1在FMD實施前后電阻抗信號頻譜圖的比較

研究表明[16-17]，人體血流信號的頻譜可劃分出五個頻帶，每個頻帶代表不同的生理活動見表1。觀察圖5可發現，頻帶II、III和IV的特征峰不夠明顯，說明神經活動、肌源性活動和呼吸活動對應的前臂電阻抗信號頻譜特征峰不明顯，造成這種現象的原因還有待于進一步探究；而頻帶I和頻帶V的特征峰明顯，且FMD實施前后特征峰值可產生明顯變化，說明內皮活動和心臟活動對應的前臂電阻抗信號頻譜特征峰明顯，且在FMD實施前后變化明顯。鑒于本文系統主要用于評估肱動脈內皮功能，因此只對圖5中頻帶I對應的內皮細胞活動進行分析。

表1 人體血流信號頻譜的頻帶劃分[16-17]

表2列出了7名受試者在FMD實施前后前電阻抗信號9個特征參量，包括FMD實施前的特征頻率fc0、絕對能量Ec0和平均幅值Ac0，FMD實施后的特征頻率fcF、絕對能量EcF和平均幅值AcF，以及特征頻率、絕對能量和平均幅值在FMD實施前后的相對變化百分比Δf、ΔE和ΔA。從表2中可以看出，在FMD實施前后，特征頻率的相對變化絕對值在3.16%以內；FMD實施后絕對能量和平均幅值均減小。但由于個體差異，不同的受試者性別、年齡、身高、體重不同，導致其身體狀況、健康程度、生理功能都不同，因此動脈內皮細胞活動對應的絕對能量和平均幅值的相對減小量存在較大的差異。

5 結論與展望

正確評價動脈內皮功能心腦血管疾病的預警起著至關重要的作用，本文利用生物電阻抗技術測量肱動脈FMD實施前后前臂生物電阻抗信號，并基于小波分析的方法設計出一種具有操作簡單、價格低廉等優點的動脈內皮功能的電阻抗信號檢測分析裝置。

針對測量的前臂電阻抗信號進行頻譜分析，可以提取到5個頻段的特征參數，分別是內皮細胞活動、神經活動、肌原性活動、呼吸活動和心臟活動，其中與肱動脈內皮功能相關的是內皮細胞活動。通過對比計算FMD實施前后的特征參數變化量，發現FMD實施后特征頻率基本不變，絕對能量、平均幅值均發生了不同程度的減小。由于FMD實施前后前臂電阻抗信號的變化主要由前臂動脈管徑的變化引起，因此，可以認為前臂電阻抗信號的變化反映了前臂動脈管徑的變化，即內皮的功能。本文提出的前臂電阻抗信號檢測與分析系統為定量評估肱動脈內皮功能提供了一種新思路。盡管本文初步的研究結果表明，FMD實施前后前臂電阻抗信號的這些特征參數發生了不同程度的變化，然而，我們仍需要對更多的樣本進行測量與分析，通過對比健康對照人群與有動脈功能受損的疾病患者的前臂生物電阻抗信號，獲得健康對照人群的各個特征參數變化量和不同患者的特征參數變化量，以便建立評估規則，為進一步臨床評估肱動脈內皮功能提供參考。

本文提出的檢測與分析系統具有操作簡單、價格低廉等優點，可應用于家庭及社區的醫療檢測。隨著智能手機與可穿戴醫療設備的快速發展和廣泛應用，本文研究也為進一步研制智能可穿戴電阻抗動脈功能監測儀器提供了一定的方法學基礎。

表2 FMD實施前后前臂電阻抗信號特征量的比較

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Detecting and Analyzing System for Brachial Artery Endothelial Function

The damage or dysfunction of arterial endothelial function is the primary performance at the early stage of atherosclerosis. Quantitative evaluation of brachial artery endothelial function is helpful to discover the cardiovascular dysfunction in time,thus provides some evidence for the early diagnosis and treatment of cardiovascular and cerebrovascular diseases. To date,brachial artery endothelial function is evaluated at clinic by measuring the brachial fow-mediated vasodilation (FMD) with a Color Doppler Ultrasonography. Although the accuracy and resolution of this method are much higher,its equipment is relatively expensive,and its operation is very complicated. In this study,a detecting and analyzing system is proposed for evaluating brachial artery endothelial function based on forearm biological electrical impedance signal. By detecting forearm biological impedance signal before and after brachial FMD,the characteristic parameters of biological electro-impedance signals,including characteristic frequency,absolute energy,average amplitude and their relative alteration rate,are calculated using wavelet analysis technology. As the changes in the forearm biological electro-impedance before and after FMD are mainly caused by the changes in the brachial arterial diameter,the detecting and analyzing system of forearm biological electro-impedance signal would provide a new idea for evaluating quantitatively brachial artery endothelial function. In comparison with existing methods at clinic,the detecting and analyzing system of forearm biological electro-impedance signal is detection-simpler,cheaper,more practical and convenient,it can not only be used in the family or community medicine,but also realize on-line detection and provide with a methodology base for further development of the intelligent and wearable electrical impedance analyzer for monitoring arterial function.

arterial endothelial function;biological impedance signal;wavelet analysis;characteristic frequency;absolute energy;average amplitude

LI Si-qi1,SHEN Hua1,2,ZHU Yong1,LIANG Shun1,QIN Kai-rong1
1.Department of Biomedical Engineering,Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China;2.Department of Electronic Engineering,Dalian Neusoft University of Information,Dalian Liaoning 116023,China

TP274;R54

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.003

1674-1633(2016)09-0009-05

2016-08-26

國家自然科學基金項目（31370948）；遼寧省公益研究科學基金項目（2014001027）。

覃開蓉，教授。

通訊作者郵箱：krqin@dlut.edu.cn