一種精確監測低灌注下無創血壓的前端采集設計*

王聰,肖淑綿,王慧泉,陳瑞娟,何明,邢海英△

(1.天津工業大學 電子與信息工程學院,天津 300387;2. 天津工業大學 生命科學學院,天津 300387)

0 引言

當長期處于低灌注狀態時,人體血壓會持續發生變動[1-2]。研究表明,無灌注受損患者的血壓較高[3-6],而灌注受損患者血壓較低,持續的血壓變動會增加灌注受損患者的中風風險。若低灌注狀態下,急劇的血壓變化未得到及時治療,會導致患者器官衰竭甚至死亡[7-12]。

恒定容積法是目前公認的基于光電脈搏波和壓力脈搏波的連續無創血壓監測方法[13-17]。臨床上常用的基于恒定容積法的無創連續血壓監測設備主要包括:基于恒定容積法的CNAP、Finapres等指式血壓監測設備[18-23]。大量研究顯示,指式血壓監測設備可實現連續無創血壓監測,但當人體血容量或體液灌注處于較低狀態時,該類設備的血壓監測準確性遠低于臨床標準[24-26]。

脈搏波信號主要由心臟搏動在動脈內驅動血液時的壓力波和動脈的阻尼彈性波合成[27]。大量臨床研究表明,脈搏波在形態、強度、節律等方面可反映人體心血管系統的許多生理和病理特征[28-31]。高信噪比的脈搏波采集和關鍵特征提取,是實現低灌注下血壓監測的關鍵。

為突破低灌注下的光電脈搏波和壓力脈搏波采集難點,進一步實現低灌注下的血壓精確監測。本研究提出一種融合多光源采集和血管卸載改進技術的前端采集方案,并通過自主設計的儀器,模擬實驗和低灌注動物實驗,驗證采集前端系統的效果。

1 方法

1.1 容積脈搏波采集前端設計

本研究采用多光源調制快速鎖相技術,實現對不同灌注情況的光電脈搏波檢測,使用過采樣技術,以速度換取精度,在不增加硬件復雜度的前提下,提高對光電容積脈搏波的分辨率。采集過程中對發光二極管進行激勵,然后使用鎖相解調得到光電容積脈搏波,鎖相解調相當于帶通濾波,可有效抑制帶外干擾。綠光與光電接收傳感器并列位于同側,紅光和紅外光處于另一側,兩側夾角為120°。光電接收傳感器分別接收綠光反射光、紅光和紅外光的透射光。指套內環繞氣囊,當采集前端的指套對血管壁外施加恒定外力時,采用管道與壓力傳感器連接,以便實時采集氣囊中反饋的血管壁內壓力波動信號。本研究的脈搏波采集前端將光源與傳感器集成于指套內,設計見圖1。

圖1 光電脈搏波采集前端設計圖

1.2 前端采集算法設計

1.2.1初始壓力設定算法 采集前,將指套內充盈氣體壓迫檢測部位,至血流發生臨時阻塞現象,再放氣至0。在此過程中,結合光電脈搏波信號和壓力信號進行初始壓力設定。不同壓力設定下的光電脈搏波峰峰值會經歷由大到小的變化過程,本研究設定峰谷值捕捉和三次樣條插值方法,實現峰峰值最大值的捕捉,同時融入自適應濾波法對前期無法處理的峰峰值異常波動進行二次剔除。峰峰值最大處的壓力值即為初始壓力設定,指套內會迅速充盈至該壓力下進行血壓追隨。

1.2.2改進的血管卸載技術 本研究采集持續失血低灌注狀態的恒定壓力下的光電脈搏波信號。在失血過程中,實驗對象會伴隨心跳加速、血管彈性變化等。為最大程度地減小血管內壓力以外因素對光電脈搏波波形的影響,本研究通過改進傳統的血管卸載技術提出了一種光電脈搏波形態學特征提取方法。首先,對實時采集的壓力維持下的光電脈搏波進行模板化處理:將脈搏波信號的長度和幅度進行歸一化,模板化處理過程見圖2。模板化處理過程主要包括:脈搏波單周期幅度歸一化、脈搏波單周期長度歸一化、滑動平均脈搏波模板波形。

圖2 脈搏波模板化處理

本研究沿脈搏波谷值到峰值方向,擬合線性直線,以該直線為基線,求取波形上升沿曲線和基線之間的積分面積。前端的泵閥系統基于上述特征反饋血壓的變化量,實時對指套進行充氣或放氣,從而形成負反饋調節閉環機制,見圖3。

圖3 前端負反饋調節閉環機制

本研究結合十折交叉驗證思想,基于提出的特征和CNAP設備采集的脈搏波單周期積分面積傳統特征,分別構建了2個低灌注下的血壓變異辨識型。將數據集隨機生成10份,每次選取1份,作為測試集。以單特征作為預測模型指標,找出模型內樣本值的最小、最大值,并以此將數值分成100份,依次循環該100份數值作為分類值,根據10次測試結果(靈敏度曲線、特異性曲線和準確率曲線的交點)作為最佳分類閾值。最終選取準確率(accuracy,ACC)和曲線下面積(area under the curve,AUC)值作為模型評判結果。最后,基于光電脈搏波波形ppg(t)和實時調整的壓力波形press(t)對血壓波形進行追蹤,見式(1)。其中,k1,k2為波形校正系數。

Bp(t)=k1+press(t)+k2×ppg(t)

(1)

1.3 實驗設計

1.3.1儀器模擬實驗設計 本研究通過模擬輸出低灌注狀態脈搏波信號,檢驗采集前端的信號捕捉能力,模擬設計了從人體末梢段常灌注指數到低灌注指數脈搏波檢測實驗,單次過程見圖4。利用Fluke血氧模擬儀多次輸出灌注指數PI=0.2下的脈搏波信號,血氧飽和度為98%。血氧模擬儀的模擬手指配帶本研究設計的容積脈搏波采集前端指套,同時設定模擬脈搏波的脈率分別為60∶10∶200,重復上述過程15次。

圖4 模擬低灌注采集儀器圖

1.3.2動物實驗設計 為解決血壓突變和失血等極端情境下,難以獲取數據樣本的問題,本研究構建了低灌注狀態下的動物實驗模型。依據失血休克指南,設計了6頭體重范圍在(20±5)kg的長白豬失血性低灌注模型,本研究動物實驗得到了中國人民解放軍總醫院醫學倫理的認可(No. S2020-045-01)。實驗通過采集動物在失血過程中脈搏波的變化(見圖5),研究灌注從正常值至低值過程中(邁瑞監護儀監測尾部血液灌注情況,PI均從大于1下降至小于0.2,PI<0.5即代表進入低灌注狀態),與血壓密切相關的特征參數,同時完成本采集前端對低灌注下動物的血壓監測驗證。實驗主要步驟包括:

圖5 模擬低灌注采集實驗圖

(1)采集豬平穩狀態下的信號

實驗過程中,豬處于麻醉狀態。確定豬狀態平穩后,持續采用多生理參數采集器監測豬的心電和左股有創血壓波形(有創血壓作為研究中血壓對標的“金標準”)。

(2)對動物進行失血操作

通過豬頸部放血,連續失血至豬發生血液低灌注,使用本研究設計的采集前端監測尾部的生理信號(包括尾部光電脈搏波信號和指套壓力脈搏波信號)間接實現無創血壓監測,失血過程中用邁瑞監護儀監測動物尾部血液PI,當PI<0.3,即為低血容量狀態,停止放血。

2 結果

2.1 低灌注下的儀器模擬實驗檢測信號情況

在15次PI=0.2情況下,本研究采集前端的原始脈搏波情況見圖6。實際檢測到的脈率值和模擬儀輸出的脈率值對比,見表1。實際脈率值與預設脈率值的偏差在±1 bpm內。根據脈搏波信號檢測標準,脈率偏差在5%內,可證明低灌注狀態下該采集前端信號檢測的有效性。

表1 低灌注下采集前端脈率分析表

圖6 PI=0.2下的脈搏波信號

2.2 低灌注下的動物實驗樣本監測信號情況

基于前期動物實驗,30例監護儀檢測脈搏波灌注指數PI<0.5樣本數據頻譜分析情況,見圖7。由圖7可知,樣本的脈搏波信號和持續監測的有創血壓波形的主頻一致,表明低灌注下前端檢測的動物臨床信號準確可靠。

圖7 動物低灌注下脈搏波頻譜分析

2.3 低灌注下的動物實驗樣本血壓監測

2.3.1改進血管卸載技術的血壓變異辨識結果 基于1.2.2中的方法對動物低灌注血壓變異數據集進行血壓變化辨識,血壓(平均壓)辨識范圍為5～15 mmHg。基于本研究方法和傳統方法所提特征的辨識模型下的血壓(舒張壓、平均壓、收縮壓)在5、10、15 mmHg的變異辨識準確率和 AUC值及5～15 mmHg下的平均變異辨識準確率和AUC值見表2-表4。

表2 不同模型下的舒張壓辨識結果

表3 不同模型下的平均壓辨識結果

表4 不同模型下的收縮壓辨識結果

由表2-表4可知,基于本研究提取的特征相較于傳統特征更適用于低灌注下的血壓變異辨識,對于舒張壓和收縮壓的辨識ACC和AUC提高了5%;對于平均壓的辨識ACC和AUC提高了10%。相較于低灌注下的舒張壓和收縮壓波動辨識,本研究提取的特征對平均壓的變異辨識結果更好。

2.3.2血壓波形監測結果 基于采集前端對動物低灌注下的尾部血壓波形進行檢測,當尾部血壓發生改變時,根據上述提出的新型脈搏波特征,對指套的壓力進行實時調整,重新追蹤新狀態下的血壓。本研究對30例低灌注下不同血壓范圍內的血壓進行監測,30例樣本的血壓(舒張壓、平均壓、收縮壓)誤差為±10 mmHg。圖8為其中6例無創血壓波形和有創血壓波形的波形對比。紅色波形為有創監測的血壓波形,藍色為基于本采集前端監測到的血壓波形。圖9為相關性分析雷達圖,每個樣本波形與金標準有創波形,即兩條曲線間的相關性均在80%～100%,波形具有強相似性。

圖9 波形相關性分析結果

3 分析與討論

隨著連續無創血壓監測技術的發展,國內外學者利用各項技術對健康人群的血壓檢測展開了詳細研究,但對于低灌注下血壓異變的臨床數據難以獲取。對本研究設計的采集前端采集的信號進行時域和頻域分析可知,其在灌注PI<0.3情況下,仍可精確檢測脈搏波信號,是實現連續無創血壓監測的關鍵。

本研究基于自研的采集前端,結合改進的血管卸載技術建立的血壓變異辨識模型相較于傳統模型,能進一步提高低灌注狀態下血壓變異捕捉的準確率和敏感度,并能提取不同血壓等級下的血壓辨識結果,可為不同臨床應用場景的患者提供無創連續血壓預警監測。平均壓作為失血狀態下的心血管狀態的關鍵反饋指標,變異辨識準確率最高可達93%。

當血壓變動時,有效的預測參數可起到決策作用,結合準確的血壓變異辨識,采集前端的壓力將隨脈搏波的特征反饋去補償個體的血壓變化。由30例樣本可知,低灌注狀態下,本研究設計前端可實現實時、準確的無創血壓波形監測和有效的曲線趨勢追蹤。

4 結論

本研究基于自研的可充放氣光電指套,通過人體和儀器模擬實驗,分別實現了健康狀態下和低灌注下脈搏波信號的高精度采集和無創血壓波形的監測。同時,基于本研究提出的新特征提取方法,更新了閉環下的采集前端負反饋調節算法。當生命體處于低灌注狀態時,采集前端可精確實現對不同灌注情況下的血壓監測。本研究提出的采集前端可為患者失血等臨床應用場景下的無創連續血壓監測預警設備提供可靠方案。大量研究表明,脈搏波和心血管狀態間存在顯著關聯性,因此,本采集前端的動態和弱灌注信號檢測功能還可進一步為其他潛在心血管疾病診斷擴展思路。