橈脈和指脈脈搏傳導時間在運動期和運動恢復期的變化趨勢研究

杜麗莉，賓光宇，吳水才

北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124

橈脈和指脈脈搏傳導時間在運動期和運動恢復期的變化趨勢研究

杜麗莉，賓光宇，吳水才

北京工業大學 生命科學與生物工程學院，北京 100124

目的 本文研究了橈脈和指脈脈搏波傳導時間在運動期和恢復期隨R-R間期（R-R Interval，RRI）的變化情況。方法 通過邀請10名身體健康受試者進行蹬車運動實驗，同步采集心電信號、橈脈脈搏波信號和指端光電容積脈搏波信號，提取橈脈傳導時間（radial Artery Pulse Transit Time，r-PWTT）、指脈傳導時間（fingertip Pulse Wave Transit Time，f-PWTT）、橈-指脈傳導時間（radial-finger Pulse Wave Transit Time，rf-PWTT）和RRI，分析上述3個脈搏波傳導時間隨RRI的變化情況。結果 r-PWTT和f-PWTT的變化趨勢和RRI基本一致，而rf-PWTT在整個過程無明顯的變化。此外，在RRI的值相同時，恢復期的r-PWTT和f-PWTT明顯大于運動期的r-PWTT和f-PWTT，而rf-PWTT則不存在這種現象。結論 r-PWTT和f-PWTT與RRI有相同的變化趨勢，并且相比運動前，運動后在相同RRI下r-PWTT和f-PWTT有所增加。然而蹬車運動對橈-指脈卻沒有明顯的影響。

橈脈；指脈；脈搏波傳導時間；R-R間期

引言

脈搏波傳導時間（Pulse Wave Transit Time，PWTT）是心臟有規律的收縮和舒張時引起的動脈血管壁振動在動脈管道中前向傳播的時間[1]。通常計算脈搏波傳導時間的方法是：以心電信號的R波波峰處為起點，脈搏波信號特征點為終點的時間差，即為所測得的脈搏波傳導時間[2]。研究表明脈搏波傳導時間與血壓、心率、外周阻力、靜脈回心血量等一些生理參數有關[3-4]，因此，脈搏波傳導時間被普遍認為是評價動脈血壓和心血管功能的一個重要指標。

隨著心血管病患病率逐年上升，脈搏波檢測作為一種無創、快捷高效檢測動脈功能的方法，對心血管疾病的早期篩查有重要的應用價值，也越來越受到眾多學者的重視[5-7]。例如，通過脈搏波傳導時間連續無創快捷測量血壓的技術在今年來一直備受學者的青睞[8]。此外，一些基于脈搏波傳導時間的家庭便攜式心血管功能監測設備也陸續誕生。考慮到使用者測量時的方便性和舒適度，大多數便攜測量設備所選擇的脈搏波檢測位置為橈動脈處，或者利用光電容積傳感器測量指端的光電容積脈搏波信號。對上述兩種脈搏波信號的研究與討論，對脈搏波無創便攜檢測技術有重要的意義。

本文通過邀請10名受試者進行蹬車運動試驗，同步采集受試者的心電信號、橈脈信號、指脈信號，利用MATLAB軟件對上述3個信號進行數據處理，提取橈脈傳導時間（radial Artery Pulse Transit Time，r-PWTT），指脈傳導時間（ fi ngertip Pulse Wave Transit Time，f-PWTT），橈-指傳導時間（radial- fi nger Pulse Wave Transit Time，rf-PWTT）以及R-R間期（R-R Interval，RRI），并對提取的這4個特征參數進行分析與討論，觀察指脈脈搏波傳導時間和橈脈脈搏波傳導時間在運動期間和恢復期的變化情況。

1 對象與方法

1.1 運動試驗

本研究邀請10名志愿者進行蹬車運動試驗，年齡均在18～28歲之間。實驗儀器為多通道生理信號采集系統，可以同步采集志愿者的心電信號、橈脈脈搏波信號和指脈脈搏波信號，采樣率為100 Hz，其中橈脈信號采用壓力傳感器（制造商為北京易思醫療器械有限責任公司，產地為中國大陸），指脈信號采用指夾式光電容積脈搏波傳感器（制造商為北京榮瑞世紀科技有限公司，產地為中國大陸）。實驗開始之前先登記受試者的基本信息，如年齡、身高、體重等，詢問有無心血管病或其他疾病，閱讀并簽寫本實驗知情同意書，確認身體健康的受試者可進行實驗。具體的研究過程如下：

（1）受試者進入實驗區域，佩戴好實驗設備，開始蹬車之前，先在腳踏車上靜止2 min左右，平穩心率。

（2）2 min后開始蹬車，蹬車的速度維持在60 r/s左右。

（3）蹬車過程中，受試者可以根據自身的情況增加腳踏車的功量，使心率（Heart Rate，HR）逐漸升高，心率上升到150 bpm左右時停止蹬車。受試者在蹬車過程中需要注意自身的情況，如果出現不適，應及時告知實驗人員，并立即停止實驗。

（4）蹬車停止后，受試者還需在腳踏車上保持靜止15 min左右，使HR恢復到平靜時的水平。

整個運動實驗過程持續30 min左右。整個過程連續同步采集受試者的心電信號、橈脈信號和指脈信號。

1.2 數據分析

首先計算脈搏波傳導時間，脈搏波特征點為脈搏波信號主波波峰前一階導數最大值點，該點可單獨通過脈搏波信號找到，不依賴心電信號。本文以心電信號R波峰點為起點，脈搏波特征點為終點，兩點的時間差即為脈搏波傳導時間。由此，可以計算出r-PWTT和f-PWTT，二者時間差為rf-PWTT。公式如下：

同時計算出相鄰兩個R波峰的時間間隔，獲得RRI，單位為ms。由RRI我們可以計算出心率，公式為：

在本文中，我們直接研究PWTT隨RRI的變化情況。原理圖，見圖1。圖中PW1表示橈脈脈搏波信號，PW2表示指脈脈搏波信號。

圖1 計算特征值原理圖

通過對采集的數據進行處理，我們得到了以下4個特征值：r-PWTT，f-PWTT，rf-PWTT和RRI。并分析上述3個PWTT隨RRI的變化情況。

2 結果

大量的前期研究結果顯示，PWTT與HR存在高度的相關性[9-10]。運動過程中隨著HR的逐漸升高，PWTT會逐漸降低。本研究直接觀察PWTT隨RRI的變化情況。

某一名受試者在整個運動實驗過程（包括運動期和恢復期）PWTT隨RRI變化的散點圖，見圖2。為了更加清楚的觀察運動期和恢復期PWTT隨RRI的變化情況，我們以RRI最低點為節點，分別標記運動期的PWTT和恢復期的PWTT，觀察著兩段時間內PWTT的差異。從圖中可以看出，在運動期r-PWTT和f-PWTT均隨著RRI的降低而降低，在恢復期r-PWTT和f-PWTT均隨RRI升高而升高；但是在相同的RRI值處，恢復期的r-PWTT和f-PWTT明顯要大于運動期r-PWTT和f-PWTT的值，運動期和恢復期的脈搏波傳導時間出現的明顯分離的現象；而rf-PWTT則不存在上述這種現象，rf-PWTT在整個過程中沒有呈現明顯的變化趨勢。

圖2 PWTT隨RRI變化情況

為了明確3種PWTT隨RRI的變化趨勢，用回歸分析法分別擬合出在運動期和恢復期3個PWTT隨RRI變化的線性方程為：

運動期：r-PWTT=ar1RRI+br1；f-PWTT=af1RRI+bf1；rf-PWTT=arf1RRI+brf1

恢復期：r-PWTT=ar2RRI+br2；f-PWTT=af2RRI+bf2；rf-PWTT=arf2RRI+brf2

計算出每名受試者的上述線性方程的固定參數：ar1、br1、af1、bf1、arf1、brf1、ar2、br2、af2、bf2、arf2、brf2。同時，需要對線性方程進行相關性分析和顯著性檢驗，計算變量運動期的相關系數Rr1、Rr2、Rrf1，恢復期的相關系數Rr1、 Rr2、Rrf1；運動期線性方程的擬合優度恢復期線性方程的擬合優度；用T檢驗對線性方程參數進行顯著性檢驗，求出自變量RRI參數的檢驗結果Pa，和常數項的檢驗結果Pb值，當Pa和Pb＜0.05時，線性方程具有統計學意義。3種PWTT的線性方程以及檢驗結果，見表1～3。

從表1和表2可以看出，對r-PWTT和f-PWTT來說，大多數的ar2＞ar1，af2＞af1，結合與br1、br2、bf1和bf2所確定的線性方程，說明：大部分恢復期的PWTT要大于運動期的PWTT；并且在一定的時間范圍內，隨著RRI越大，上述的這種差異越明顯。但是從表3所顯示的rf-PWTT隨RRI變化擬合的方程參數來看，橈-指脈這段傳導時間并沒有上述的這種差異性，并且arf1和arf2的值都很小，幾乎可以忽略，說明rf-PWTT在整個運動過程中無明顯的變化，這說明蹬車運動并沒有對這段血管起到鍛煉的作用。

表1 r-PWTT隨RRI變化線性方程的參數及檢驗結果

表2 f-PWTT隨RRI變化線性方程的參數及檢驗結果

表3 rf-PWTT隨RRI變化線性方程的參數及檢驗結果

3 討論

本文通過邀請身體健康受試者進行運動實驗，同步采集受試者的心電信號、橈脈信號和指脈信號，通過對數據進行處理分析研究了r-PWTT、f-PWTT和rf-PWTT在運動期和恢復期的隨RRI的變化情況。結果表明，在運動期r-PWTT和f-PWTT隨RRI的減小而減小，在恢復期r-PWTT和f-PWTT隨RRI的升高而升高，這說明人體在運動過程中，交感神經興奮，腎上腺素水平增加，使心收縮力增強，心率增快，心排出量增加，總外周阻力降低，收縮壓增高，脈搏波傳導時間減少[11]。但是，在分析橈脈與指脈之間的傳導時間rf-PWTT隨RRI的變化情況時，卻沒有發現上述的現象，本研究結果表明rf-PWTT在整個過程中無明顯的變化，該段傳導時間并不像橈脈傳導時間一樣會隨心率（或RRI）變化。人在運動過程中心收縮力增強，心率血壓同時升高，但是rf-PWTT卻幾乎不變化，這表明rf-PWTT對壓力變化不敏感。在一些基于脈搏波傳導時間估算血壓的研究中，為了測量方便，選取指脈傳導時間作為計算血壓的參數，由此看來，在這些研究中，橈脈-指脈傳導時間是造成計算結果不準確的一個重要的原因。

此外，本文研究結果顯示：r-PWTT和f-PWTT在運動期和恢復期隨RRI變化研究結果顯示，在RRI的值相同時，運動期與恢復期的傳導時間有明顯的差異，表現為恢復期的傳導時間大于運動期的傳導時間；rf-PWTT在運動期和恢復期隨RRI變化研究結果顯示，不存在上述中的現象，rf-PWTT在運動期和恢復期沒有明顯的分離，rf-PWTT在整個運動試驗過程中的值比較穩定，沒有明顯的波動。PWTT在相當程度上反映了血管內皮細胞（Vascular Endothelial Cells，VEC）、 血管平滑肌 細胞（Vascular Smooth Muscle Cells，VSMC）功能，而這些參數與血管彈性程度密切相關[12-14]。PWTT越小，說明血管彈性越差，動脈僵硬程度越嚴重[15-17]。運動可加速血流搏動力對VEC釋放NO的速度，而NO可舒張VSMC，抑制血小板聚集、白細胞黏附滲透、VSMC 增殖，并能阻止低密度脂蛋白的氧化修飾，改善動脈僵硬度，這就說明通過適當強度的運動對改善血管硬度具有積極地作用[18-20]。由研究結果可以看出，蹬車運動可以改善橈脈的傳導時間，但是對于橈-指這段血管來說，該段血管已經不屬于主動脈，屬于微循環系統，也許蹬車運動并不能對這段血管起到鍛煉的作用，又或者是橈-指脈傳導時間不足以反應心血管功能。

本文主要研究了在運動期和運動恢復期，rf-PWTT不同于r-PWTT和f-PWTT隨RRI的變化趨勢，表明了rf-PWTT對壓力變化不敏感以及運動前后不明顯分離的特點，為基于脈搏波傳導時間精確檢測技術提供了理論依據。但是實驗數據的不足，對研究結果有一定的限制，今后的工作還需增加實驗數據，對這個問題進行更加深入的研究，確定橈-指脈傳導時間在心血管功能監測中的應用價值，為將來基于脈搏波傳導時間的便攜式心血管功能檢測設備提供更加可靠的理論支持。

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本文編輯 袁雋玲

Study on the Variation Trend of Pulse Wave Transit Time of Radialartery and Fingertip During Exercise and Recovery

D U L i-l i, B I N G u a n g-y u, WU S h u i-c a i

College of Life Science and Biomedical Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

O b j e c t i v e This study aimed to research the variability of radial-artery and fingertip pulse wave transit time (rf-PWTT) during exercise and recovery. Me t h o d s Ten healthy young volunteers were enrolled in this study to perform bicycle ergometer exercise test, with their electrocardiogram, radial artery pressure pulse waves and fi ngertip photo plethysmography being gathered synchronously. Parameters of radial artery pulse transit time (r-PWTT), fi ngertip pulse wave transit time (f-PWTT), rf-PWTT and R-R interval (RRI) were extracted, and the situations of these PWTTs change with RRI were analyzed. R e s u l t s The results indicated that the trend of r-PWTT and f-PWTT with RRI were basically identical, but rf-PWTT had no obvious trend in the process of the whole movement. Moreover, the data also revealed when RRI was the same on the period of exercise or recovery, r-PWTT and f-PWTT during exercise were higher than the two PWTTs during recovery. However, rf-PWTT had no such phenomenon. There was no signi fi cant difference during exercise or recovery. C o n c l u s i o n Both r-PWTT and f-PWTT had the same trend with RRI. Compared with before exercise, the r-PWTT and f-PWTT under the same RRI increased after exercise. However, there was no signi fi cant effect of pedaling exercise on radialartery to fi nger pulse.

radial artery pulse; fi nger pulse; pulse wave transit time; R-R interval

TN911.7

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.07.006

1674-1633(2017)07-0021-04

2016-12-08

2017-02-14

國家自然科學基金（71661167001）。

賓光宇，副教授，主要研究方向為生物醫學電子與信號處理。

通訊作者郵箱：guangyubin@qq.com