基于寸口脈搏波頻譜分析的體外循環血液灌注效果研究?

千英信，湯建國，張志楓△，周昌樂，許家佗，邱勇兵，李 欣，郭 震，王寧欣

(1.上海中醫藥大學基礎醫學院,上海 201203； 2. 上海交通大學附屬胸科醫院體外循環室,上海 200030)

本課題組先期研究工作表明，體外循環搏動灌注過程中，患者“寸口”可檢測到脈搏波，不僅提示搏動血流能量能有效傳遞到外周血管，而且證明“寸口”脈搏波可以作為體外循環搏動灌注效果評價的客觀指標[1-5]。為了將研究工作引向深入，我們對脈搏波進行了頻域分析，探索建立基于“寸口”脈搏波頻譜指標的體外循環搏動灌注效果客觀評價方法，研究成果將進一步完善基于“寸口”脈搏波指標分析的體外循環搏動灌注效果的客觀評價方法。

1 資料與方法

1.1 研究對象

選取2012年9月至2015年12月上海市胸科醫院收治的需體外循環術行心臟瓣膜手術的風濕心臟病患者92例。按照區組隨機化分組方法，將研究對象分成搏動灌注組(PP組)和非搏動灌注組(NP組)各46名。隨機化分組方案由SAS統計軟件的PROC PLAN 過程產生。隨機化分組方案的隱藏方法，采用“信封法”。表1顯示，2組研究對象在年齡、身高、體質量、體表面積、左室射血分數等指標比較差異無統計學意義(P>0.05)。

表1 2組患者基線資料比較

1.2 實驗設備與材料

圖1顯示，PowerLab數據采集分析系統(ADInstrument Inc.，Australia)；Sorin Stockert S5型體外循環機(Sorin Group, Munich, Germany)、AFFINITY膜式氧合器(Medtronic Inc.，Minneapolis，USA)、體外循環管道、主動脈直插管(上海祥盛醫療器械廠，上海)、動脈濾器(寧波菲拉爾醫療用品有限公司，寧波)。

圖1 PowerLab數據采集分析系統及Labchart 8.0軟件界面

1.3 實驗方法

1.3.1 體外循環方法 患者采用胸部正中切口，行主動脈和腔靜脈插管建立體外循環，鼻咽溫度維持34 ℃，采用4∶1含血停搏液保護心肌，灌注血液流量為3.6～ 4.2 L·m-2·min-1。主動脈阻斷期間，2組患者血流灌注方式分別采用搏動灌注和非搏動灌注模式，搏動灌注模式通過改變體外循環滾壓泵轉速而實現，參數設置：基礎流量30%，搏動周期開始點30%，結束點70%，頻率75次/min；非搏動灌注模式全程采用傳統的平流灌注方式。

實驗應用labchart8.0軟件頻譜分析功能模塊，對信號進行快速傅里葉變換，獲得頻率譜圖像和相應的頻譜數值，采用以下2種頻譜處理方法分析脈搏波。(1)頻率譜幅值分析方法：截取15～20個周期的脈搏波轉化為頻率譜幅值。以頻率作為自變量，信號各個頻率成分的幅值為因變量，表示信號的幅值隨頻率的分布情況。FFT設定為8k(8192)，計算獲得頻率譜幅值。觀察指標為基波頻率值及其幅值、諧波頻率值及其幅值、諧波數、主要頻率譜范圍等；(2)功率譜密度估計分析方法：截取15～20個周期的脈搏波，應用快速傅立葉變換轉化為功率譜。FFT設定為1k(1024)，分別計算0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz功率譜密度估計值。根據脈搏波的頻譜特點，0～40 Hz范圍的能量可當作脈搏波的全部能量。在此基礎上分別計算0～5 Hz功率譜密度估計值占0～40 Hz功率譜密度估計值的比值(即0～5 Hz 譜能比)，5～10 Hz功率譜密度估計值占0～40 Hz功率譜密度估計值的比值(即5～10 Hz譜能比)。

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 脈搏波頻率譜幅值分析結果

2.1.1 阻斷前頻率譜分析結果 脈搏波頻率主要分布在5 Hz以內，基波前0.2～0.4 Hz處的波為呼吸波。

2.1.2 阻斷后頻率譜分析結果 (1)搏動灌注頻率譜分析結果：脈搏波頻率主要分布在5 Hz以內，基波前0.2～0.4 Hz處的波為呼吸波‘(2)非搏動灌注頻率譜分析結果：脈搏波波形微小，頻率在4 Hz左右；(3)搏動灌注和非搏動灌注頻率譜計算結果：表1顯示，計算分析搏動灌注和非搏動灌注脈搏波頻率譜幅值結果。

表1 搏動灌注組和非搏動灌注組脈搏波幅值計算結果

結果表明，體外循環開始前的脈搏波頻率譜波形與體外循環開始后的搏動灌注組脈搏波頻率譜波形基本相同。體外循環過程中，頻率0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz的搏動灌注組脈搏波頻率譜幅值明顯高于非搏動灌注組(P<0.05)，提示搏動灌注產生的脈搏波能量明顯高于非搏動灌注。

2.2 脈搏波功率譜密度估計值計算結果

2.2.1 泵壓功率譜密度估計值計算結果 表2顯示，取體外循環機搏血泵泵壓不同頻率的功率譜密度估計值的平均值, 計算搏動灌注組與非搏動灌注組血泵泵壓功率譜密度估計值的比值。

表2 搏動灌注組和非搏動灌注組血泵泵壓功率譜密度估計值比值

結果表明，搏動灌注組0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz泵壓功率譜密度估計值是非搏動灌注的2.26～3.19倍，提示搏動灌注組血泵輸出的能量高于非搏動灌注組。

2.2.2 血泵與脈搏波功率譜密度估計值比值計算結果 表3顯示，計算血泵與脈搏波功率譜密度估計值的比值，觀察體外循環不同血液灌注模式脈搏波能量衰減情況。

表3 血泵與脈搏波功率譜密度估計值比值

結果表明，頻率0～5 Hz搏動灌注組脈搏波的能量是血泵能量的3.6%，非搏動灌注組脈搏波的能量是血泵能量的2.1%；頻率5～10 Hz搏動灌注組脈搏波的能量是血泵能量的0.7%，非搏動灌注組脈搏波的能量是血泵能量的0.6%；頻率0～40 Hz搏動灌注組脈搏波的能量是血泵能量的2.4%，非搏動灌注組脈搏波的能量是血泵能量的1.4%，提示盡管搏動灌注組和非搏動灌注組血泵能量在體外循環傳遞過程中均有衰減，但是搏動灌注組血泵能量傳遞的衰減度要低于非搏動灌注組(低頻能量尤為明顯)。

2.2.3 阻斷前后脈搏波功率譜譜能比計算結果 表4顯示，計算阻斷前后脈搏波功率譜譜能比值，觀察體外循環前后不同血液灌注模式的脈搏波能量分布情況。

表4 搏動灌注組和非搏動灌注組脈搏波譜能比計算結果

實驗結果表明，升主動脈阻斷前，搏動灌注組與非搏動灌注組脈搏波譜能比值差異無統計學意義(P>0.05)。阻斷后搏動灌注組脈搏波0～5 Hz譜能比顯著高于非搏動灌注組(P<0.05)；阻斷后搏動灌注組脈搏波5～10 Hz譜能比顯著低于非搏動灌注組(P<0.05)，提示搏動灌注脈搏波能量主要分布在0～5 Hz頻率范圍，脈搏波0～5 Hz譜能比可作為搏動灌注有效性評價指標。

3 討論

3.1 體外循環監測脈搏波的意義

“體外循環”技術是用一組特殊裝置臨時替代人體的心肺功能，輔助進行血液循環及氣體交換的1項技術，已廣泛應用于先天性心臟病、瓣膜病、冠狀動脈病和主動脈瘤等心胸外科疾病手術中，成為心胸手術成功的重要保障，挽救了許多危重患者的生命。

血泵是體外循環機的重要裝置，具有替代心室搏血的功能。根據泵的排血方式分為“無搏動泵”和“搏動泵”2種，故體外循環灌注方式分為“非搏動灌注”(nonpulsatile perfusion，NP)與“搏動灌注”(pulsatile perfusion,PP)2種。1953年Gibbon在1例臨床體外循環術中成功使用了“搏動泵”，開啟了體外循環“搏動灌注”之先河。20世紀80～90年代，體外循環“搏動灌注”技術日趨成熟并開始應用于臨床。目前支持體外循環搏動灌注的理論支柱主要有以下3個。

臨床研究結果也證明，“搏動灌注”所產生的搏動血流更接近人體平時的生理狀態，對手術者有明顯的益處。如對紅細胞損傷小[9]，能顯著降低肺血管阻力[10]，改善微循環而抑制水腫發生[11]，降低兒茶酚胺[12]、腎素、血管緊張素Ⅱ及血栓素水平[13]，改善大腦[14-17]、心臟[18]、肝臟[19]、胰腺[20-21]、腎臟[22-23]、胃腸道系統[24]等生命器官的血液循環，有利于術后器官功能的恢復[25-26]，“搏動灌注”還能減少炎癥并發癥，降低術后死亡率[27-29]。

仿人體生理的“搏動灌注”有很多臨床優勢，也是體外循環血液灌注技術發展的一個趨勢。但是一些問題制約了“搏動灌注”技術普及和推廣，其中一個關鍵的問題是，目前對“搏動灌注”所形成的血流搏動波進行量化分析和效果評價的方法非常復雜且成本高、不易推廣[30]。因此，體外循環“搏動灌注”缺乏簡便、經濟的效果評價方法，是制約該技術推廣的一個瓶頸問題。

本課題探索將脈搏波頻譜分析技術運用于體外循環效果的評價，該工作具有重要的基礎和臨床研究價值。

3.2 體外循環監測脈搏波的依據

在臨床上應用了數千年的中醫“寸口”脈診方法和已成熟的脈搏波信號檢測、處理技術，為我們建立體外循環“搏動灌注”簡便、經濟的客觀評價方法提供了理論依據和技術支持。

“寸口”指橈骨莖突內側橈動脈搏動處?！秲冉洝氛J為診“寸口”脈，可以了解人體五臟六腑生理、病理變化，因為“五臟六腑之氣味，皆出于胃，變見于氣口”?！峨y經》則開宗明義地提出“獨取寸口以決五臟六腑死生吉兇”，首創“獨取寸口”診脈法?！按纭痹诠糯鴮Ｖ笜飫用}搏動處，“寸”的古文字從又從一?！坝帧笔鞘值男蜗?，“一”是指事符號，指示寸口的部位。先秦六國文字就有，由此推斷先秦時(公元前481-221年)人們已經注意到“寸口”動脈搏動的現象，這種動脈搏動的現象(即“脈象”)最終成為中醫觀測、診察人體生理病理狀況的一種生命表征。而診察脈象的方法脈診成為中醫所特有的對人體內臟、器官、組織狀況評估的一種方法。

隨著脈診客觀化、標準化、信息化研究成果在臨床上的推廣應用，“寸口”脈象描記和脈象信號時域、頻域分析技術已廣泛應用于心腦血管、血液疾病、腫瘤等診斷及人體生理、健康狀況的評估[31-37]，甚至應用于航天醫學領域。

脈象儀描記的脈搏波，實際上是主動脈近心端傳出(離心方向)的波與向心方向的反射波疊加而成的復合波[38]。從脈搏波的波形來看，橈動脈脈搏波信號曲線的拐點最多，即所攜帶的信息最為豐富[39]，因此“寸口”是表達動脈搏動復合波信息最為理想的一個部位。

不論是從傳統的中醫學還是從現代生物學角度，都證明“寸口”脈象能較全面、真實地反映人體生理病理信息。因此，選擇“寸口”脈搏波來觀察和評價體外循環“搏動灌注”的臨床效果，具有一定的學理依據。

實驗結果表明，體外循環搏動灌注過程中能夠采集到脈搏波，提示體外循環搏動血流能量能夠向外周有效傳遞，證明在體外循環“搏動灌注”過程中尋找其“寸口”脈搏波波形和參數，作為體外循環搏動灌注效果評價指標的思路[3,4,40]是可行的。

3.3 體外循環脈搏波頻譜特征

3.3.1 幅值頻率譜特征 體外循環搏動灌注脈搏波頻率主要分布在5 Hz以內，基波前0.2～0.4 Hz處的波為呼吸波。非搏動灌注脈搏波波形微小，頻率在4 Hz左右。結果表明，體外循環過程中頻率0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz的搏動灌注組脈搏波頻率譜幅值明顯高于非搏動灌注組(P<0.05)，提示搏動灌注產生的脈搏波能量明顯高于非搏動灌注。

3.3.2 功率譜特征 體外循環搏動灌注組0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz泵壓功率譜密度估計值是非搏動灌注的2.26～3.19倍，提示搏動灌注組血泵輸出能量高于非搏動灌注組，搏動灌注模式產生的富余能量是有臨床意義的。

根據對脈搏波頻率譜的觀察我們認為，脈搏波頻率40 Hz以內的能量可以作為脈搏波的全部能量。通過對0～5 Hz、5～10 Hz譜能比計算，結果表明，升主動脈阻斷前，搏動灌注組、非搏動灌注組譜能比差異無統計學意義(P>0.05)。阻斷后搏動灌注組脈搏波0～5 Hz普能比顯著高于非搏動灌注組(P<0.05)，阻斷后搏動灌注組脈搏波5～10 Hz普能比顯著低于非搏動灌注組(P<0.05)，提示搏動灌注能量主要分布在0～5 Hz頻率范圍，脈搏波0～5 Hz普能比可作為搏動灌注有效性評價指標。

3.4 體外循環脈搏波能量傳遞特點

我們通過對泵壓與脈搏波的功率譜密度比值研究，來了解血泵有多少能量能夠傳遞到外周脈搏波。研究結果表明，搏動灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的0～5 Hz能量衰減為原來能量的3.6%，非搏動灌注組血泵能量傳遞到脈搏波時0～5 Hz能量衰減為原來的2.1%；搏動灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的5～10 Hz能量衰減為原來能量的0.7%，非搏動灌注組血泵能量傳遞到脈搏波時5～10 Hz能量衰減為原來的0.56%；搏動灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的0～40 Hz能量衰減為原來能量的2.4%，非搏動灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的0～40 Hz能量衰減為原來能量的1.4%。提示體外循環血泵輸出能量在向外傳遞過程中有明顯衰減現象，但是搏動灌注組能量傳遞的衰減度要低于非搏動灌注組，其中低頻能量的衰減度低于高頻能量。

呼吸波是頻率很低的波，由于它在脈搏波傳遞中衰減小、傳遞性好，所以出現呼吸波相對抬高的現象?！胺沃鳉猓竞粑薄胺纬倜}”，說明肺與“百脈”存在密切關系。通過脈搏波的頻域分析可以看到，低頻的呼吸波參與“百脈”脈搏波的能量傳遞，提示呼吸波作為脈搏波的組成部分之一，對中醫脈象的形成機理有著重要的影響，佐證了中醫診脈獨取手太陰肺經“寸口”的科學性。

4 結論

搏動灌注產生的脈搏波能量高于非搏動灌注脈搏波能量。頻域參數0～5 Hz譜能比值可以作為體外循環搏動灌注有效性的量化評價指標。低頻的呼吸波參與脈搏波中的能量傳遞，呼吸波對寸口脈搏波的形成機理有著重要的影響，佐證了中醫診脈獨取手太陰肺經“寸口”的科學性。