心電圖R波法與生物雷達法測量脈搏波傳導時間的對比研究

拜 軍，梁 忠，張保華，黃海濤

（陸軍第九五二醫院，青海格爾木 816000）

0 引言

心臟搏動引起動脈血管規律性擴張和收縮，脈搏波是這種生理活動沿動脈隨血流向外周血管傳播而形成的波動[1]。脈搏波傳導時間（pulse wave transit time，PWTT）是指脈搏波在動脈血管兩點間傳導所需要的時間。PWTT取決于動脈血管壁彈性、厚度及管腔直徑、血液黏稠度等物理、生理和幾何特性[2]。動脈僵硬度（arterial stiffness，AS）是衡量動脈粥樣硬化的亞臨床期生物標志[3]，是心血管病變的重要指標，而人體頸-股間PWTT為評價AS的金標準[4]。

PWTT作為重要的生理參數，臨床上常用的提取方法是心電圖（electrocardiogram，ECG）R波法[5]，該方法以ECG R波峰值為起始時刻，指尖或股動脈處采集到的脈搏信號波峰為終止時刻，2個時刻的時間差即為PWTT。但通過該方法獲得的PWTT存在以下2點不足：（1）所得結果包含了射血前期（preejection period，PEP）的一段時間[6]；（2）對于胸腹部嚴重燒傷患者、精神疾病患者及傳染病患者而言，貼敷電極產生諸多不便，甚至無法實現。

生物雷達技術是一種新型的非接觸探測技術，主要用于生命信息（呼吸、心率、血流與腸蠕動等）的檢測。該技術在信息提取時無需任何電極或貼敷式傳感器，可間隔一定距離穿透非金屬介質提取生理信號。生物雷達技術廣泛應用于軍事醫學、災害醫學及城市反恐等領域[7]，已成為生物醫學工程領域的研究熱點。本研究基于生物雷達技術采用一種非接觸的方法準確捕捉主動脈瓣開放時間點，獲得無PEP干擾的PWTT，實現特殊情況下非接觸信號的采集及參數分析，通過與傳統ECG R波法對比來驗證該方法的可行性和優勢。

1 硬件平臺搭建

本研究使用多導生理記錄儀，采用多接口多通道同時采集的方式進行。信號輸入端共有4路，包括ECG通道、生物雷達通道、指尖脈搏通道和呼吸綁帶通道，多導生理記錄儀采集到以上4路信號并經過處理后，在計算機端進行分析。

多導生理記錄儀為ADInstruments公司PL35161P型16/35生理記錄儀，最大采樣率可達40萬點/s，有螺母連接器（bayonet nut connector，BNC）單端輸入以及差分輸入接口可供選擇，16位模擬數字轉換，內置數字模擬通用放大器和ECG心電放大器，USB連接接口可與計算機連接。生物雷達運行頻率24 GHz、功率10 mW、波束寬度±6°，ECG采集使用Ⅱ導聯法，呼吸綁帶為胸腹帶拉力式傳感器，指尖脈搏傳感器為高靈敏壓力傳感器，數據處理平臺為MATLAB，統計分析使用MedCalc軟件。

2 同步性測試

查閱PL35161P型生理記錄儀使用手冊可知，ECG通道、指尖脈搏通道、呼吸綁帶通道3個接觸式通道具有較強的同步性，因此實驗前需要對非接觸式生物雷達通道與其他接觸式傳感器通道中的某一通道（本研究選用呼吸綁帶通道）采集到的信號進行對比測試，以檢驗各通道信號是否具有可靠的同步性。

同步性測試實驗對象為1名28周歲的健康男性（體質量68 kg，平均心率80次/min），測試中實驗對象為坐姿，正常呼吸，生物雷達放置距腹部正前方0.5 m處，信號通道選用生物雷達通道（非接觸式）和呼吸綁帶通道（接觸式），采樣頻率均為1 kHz。采集的信號為人體呼吸信號，在MATLAB上做相關分析以及相位差估算。

2路信號可以用以下公式表示：

式中，f1為信號基波頻率；Ai和Bi為信號幅值；αi和βi為相位；P為諧波次數。2路信號的相位差為αi-βi，加窗后可得：最終可得相位差為

式中，X1Im、X2Im、X1Re、X2Re分別為信號1傅里葉變換后的虛部、信號2傅里葉變換后的虛部、信號1傅里葉變換后的實部、信號2傅里葉變換后的實部。

圖1、2分別為生物雷達通道、呼吸綁帶通道采集的信號及頻譜分布。如圖1～2所示，該頻譜中得出呼吸間隔時間為0.25 s，呼吸率為15次/min（0.25×60）。通過分析計算，所獲得兩通道信號的相關系數為0.998 6。

圖1 生物雷達通道采集的信號及頻譜分布

如圖3所示，對比2路信號的基波、一次諧波及三次諧波的相位差，相位差的絕對值均在0.05°以下，根據PWTT誤差允許值Δtmax為1 ms，信號頻率f約為0.25 Hz，可得周期T為4 s，相位角允許最大誤差Δθ為

圖3 相位差分布圖

圖2 呼吸綁帶通道采集的信號及頻譜分布

綜上，對于同一測試對象，通過生物雷達通道（非接觸式）和呼吸綁帶通道（接觸式）采集到的呼吸信號具有較強的相關性（相關系數為0.998 6）和較小的相位誤差（相位差為0.09°），說明該平臺符合同步性要求。

3 ECG R波法與生物雷達法對比實驗

3.1 信號處理方法

對比實驗中提取的數據采用小波變換，以Daubechies小波作為小波基分別對ECG信號中的R波、生物雷達信號中的波峰值和指尖脈搏信號的峰值進行提取，圖4～6分別為ECG通道信號、指尖脈搏通道信號、生物雷達通道信號及小波重建后的波形。

圖4 ECG通道信號及小波重建后波形

3.2 對比實驗

實驗對象共計4人，男、女各2名，年齡在25～30歲，基本信息與生理參數詳見表1。

圖5 指尖脈搏通道信號及小波重建后波形

圖6 生物雷達通道信號及小波重建后的波形

表1 對比實驗對象基本信息與生理參數

對比實驗選擇系統中的1～4全通道，其中第4通道（呼吸綁帶通道）為參考信號，用來觀察實驗對象呼吸狀態（判別屏氣或正常呼吸），為截取數據段提供參照。實驗對象為坐姿，背對生物雷達傳感器，雷達距離人體背部0.5 m，與心臟同高，同時連接ECG導聯、指尖脈搏傳感器和呼吸綁帶傳感器，如圖7所示。

圖7 傳感器連接實景圖

對比實驗開始后，實驗對象盡量保持身體靜止并處于自主呼吸的狀態，待信號平穩后屏住呼吸，此時生物雷達采集到的信號去除了呼吸信號的干擾，然后對該段四通道信號進行分析。

對圖8所示數據進行濾波和小波處理，獲得生物雷達信號、ECG信號和指尖脈搏信號峰值點并進行PWTT計算。PWTTECG為基于ECG R波法測得的PWTT，即ECG信號峰值與指尖脈搏信號峰值對應時間差（如圖9中的T1）；PWTTBioR為基于生物雷達法測得的PWTT，即生物雷達信號峰值與指尖脈搏信號峰值對應時間差（如圖9中的T2），T1-T2即為PEP。PEP又叫張力期[8]，是心室非同步性收縮的時間，該指標是標識左心室功能的重要指標之一，PEP會因人體服用某些藥物而發生改變。圖9為基于2種方法測量PWTT示意圖。圖10為實驗測得基于ECG R波法及生物雷達法的PWTT分布曲線。

圖8 四通道采集信號

圖9 生物雷達信號、ECG信號及指尖脈搏信號三通道波形重疊圖

圖10 基于ECG R波法和生物雷達法獲得的PWTT分布曲線

在非連續屏氣的前提下獲得多段數據，然后對計算所得的PWTT進行Bland-Altman一致性分析，如圖11所示。在臨床實驗中，Bland-Altman法[9]常用來對2種檢測系統所得到的結果進行一致性評價，依此對結果的一致性、等價性及可交換性進行驗證。如圖11（c）所示（實驗對象3的數據），PWTTECG和PWTTBioR數據的Bland-Altman一致性分析顯示：2組信號具有較高的一致性，最大差值為0.061 s，平均差值為0.055 s，其中98.41%的點均分布在區間內，其余3名實驗對象分析結果如圖11（a）、（b）、（d）所示。根據差值可以看出，2種方法獲得的3名實驗對象的PWTT均具有較高的一致性。

圖11 4名實驗對象的PWTTECG和PWTTBioR Bland-Altman一致性分析結果

4 結語

基于生物雷達技術提取的PWTT與傳統ECG R波法所獲得的數據具有較高的一致性。生物雷達技術由于其非接觸、遠距離測量的特點，為臨床生理信號在特殊環境下（燒傷、傳染、戰場[10]等）的采集提供了一種有效手段[11-12]。同時，由于信號發生原理的不同，基于生物雷達技術提取PWTT還有效地去除了PEP的干擾，測量所得數據較傳統ECG R波法更為準確。實驗雖然得到了較為理想的結果，但是存在諸多不足：首先，由于生物雷達信號中呼吸信號的強干擾加之心跳呼吸混合信號分離技術的局限，對比實驗采用屏氣多段采集的方式，對測試者存在一定的呼吸限制，下一步需深入研究信號分離技術，有效剝離噪聲干擾；其次，本研究樣本量較少而且均為年輕健康人群，在以后的研究中，需加大樣本量、豐富樣本多樣性并擴大年齡覆蓋范圍，從而得到更廣泛的數據支持。相信隨著電磁技術和數據處理技術的不斷發展，生物雷達技術將會在生物醫學研究領域發揮更大的作用。