一种基于手臂位置变化的脉搏波评估动脉弹性功能的方法与流程

本发明涉及信号分析领域，具体涉及一种基于手臂位置变化的脉搏波评估动脉弹性功能的方法。

背景技术：

动脉在心血管生理学和病理生理学中扮演重要角色。动脉具有天然弹性能够反映不同压力下的动脉性能变化。动脉的弹性性能与很多的临床和生理因素有关，其中动脉容积顺应性是一个典型的定量测量动脉弹性的参数。目前评估动脉弹性功能的方法主要是采用非侵入的方式，是通过改变血管的压力得到相应的血管体积变化而获得。但是由于测量直径的不断改变，因此无法使用测量比较准确的直接测量方式。

由于脉搏波受测量系统噪声的影响较大，而且脉搏波信号本身很微弱，因此现有的测量评估方法会使脉搏信号具有较差的测量准确性，影响了评估动脉性能结果的可靠性，而且没有深入研究脉搏信号波形在不同情况下的差异。

上述问题是在研究脉搏信号的过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种基于手臂位置变化的脉搏波评估动脉弹性功能的方法，本方法操作简单、方便，易于临床应用，改善了现有方法难于测量、操作复杂等情况。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种基于手臂位置变化的脉搏波评估动脉弹性功能的方法，包括以下步骤：

步骤S1：将被测者的其中一个手臂作为参考手臂，放置于身体一侧的水平位置；另一个手臂为运动手臂，将其依次固定到不同的测试角度上；

步骤S2：同步测量两个手臂桡动脉的脉搏信号；

步骤S3：使用信号分析软件对采集到的信号进行识别；

步骤S4：对每个被测者的每个测试位置上的脉搏信号，截取设定个周期的脉搏信号，并分别对这设定个周期信号进行归一化处理形成归一化脉搏信号；

步骤S5：计算归一化脉搏信号的设定百分比的峰值处波形的宽度；

步骤S6：换被测者的另一手臂作为参考手臂进行相同的操作，重复上述步骤S1-步骤S5，再次进行实验，被测者的第一轮实验结束；

步骤S7：重复步骤S1-步骤S6，被测者的第二轮实验结束；

步骤S8：对另外的多位被测量者进行上述步骤S1-步骤S7的测量与处理，计算每个被测者两轮重复实验的设定百分比的峰值宽度的平均值和方差；

步骤S9：使用信号分析软件对不同角度位置下运动手与参考手的设定百分比的峰值宽度值进行配对对比，对参考手与运动手在不同位置时进行配对比较得到参数P值，根据参考P值判断胳膊的位置与脉搏信号的宽度的相关性，继而评估判断胳膊的位置与动脉弹性功能的相关性。

进一步的，在步骤S1中，测量两个手臂桡动脉的脉搏信号时，被测者的其中一个手臂作为参考手臂，放置于身体一侧的水平位置；另一个手臂为运动手臂，将其依次固定到与身体一侧的水平位置相对成90°、45°、0°、-45°、-90°角度上，分别测量不同角度位置时对应的手臂桡动脉的脉搏信号。

进一步的，在步骤S2中，测量两个手臂桡动脉的脉搏信号时每个角度测量时间相同。

进一步的，在步骤S2中，在测量手臂桡动脉的脉搏信号时，每个角度需要满足在该测量时间下能够获取设定个周期的脉搏信号。

进一步的，在步骤S3中，使用信号分析软件对采集到的信号进行识别，找出并标注每个脉搏周期的起点。

进一步的，在步骤S4中，根据起点截取设定个周期的脉搏信号。

进一步的，在步骤S4中，归一化处理后使这设定个周期的信号具有相同的时间和幅度，然后取平均形成归一化脉搏信号。

进一步的，在步骤S5中，计算归一化脉搏信号的设定百分比的峰值处波形的宽度时，该设定百分比为60％。

本发明的有益效果：

本发明利用手臂在不同位置时脉搏信号的波形会产生变化，通过运动手臂的脉搏信号波形与参考手臂的脉搏信号波形进行对比，对手臂在不同位置时脉搏信号的波形的变化情况进行量化，从而能根据波形的变化量对动脉弹性功能进行较为准确的评估。

本发明对双手臂在不同位置对桡动脉进行测量，能消除个体间的差异，具有操作简单易行、高准确度等优势，易于临床的应用，为后期的动脉弹性性能的研究提出了一种新的方法，并为今后研究血管疾病提供了方向。

附图说明

图1是本发明中手臂在不同位置时的测量示意图；

图2(a)-图2(e)是本发明中某一被测人的右手臂作为运动手，左手臂作为参考手，在不同位置的波形图；

图3(a)-图3(b)是本发明中重复两次实验中60％峰值宽度的总均值与方差图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

动脉硬化可以使血管壁变硬、缩小、失去弹性，继而形成血栓，由于人体脉搏信号的宽度与动脉硬化度呈负相关性，即当动脉硬化程度高时，脉搏上升和下降的速度均比硬化程度低的血管快，表现为脉搏信号的宽度变窄，再加上它的测量方法简便易行而又没有创伤，脉搏信号在60％处的宽度值对位置变化的差异最明显，因此本申请使用60％峰值处波形的宽度值作为判断动脉管壁性能的指标之一。

沿着动脉波传播的动脉波速度取决于动脉的弹性，如果忽视粘度的影响，动脉波的传播速度可由布拉姆韦尔和希尔方程(Bramwell and Hill equation)近似为：

V是单位长度动脉的血容量，ρ是血液密度1050kg/m³，C是动脉体积顺应性。

从方程(1)可以得到，如果未知血容量或动脉半径，由PWV得不到绝对的动脉体积顺应性。

但是，根据动脉体积顺应性的定义,布拉姆韦尔和希尔方程可以写作：

依据方程(2)与动脉容积扩张性(Dv)，可以得到下面的方程：

如果外周动脉系统的弹性大,更大比例的血液将喷射到周边动脉。因此手臂举高时，血压降低，动脉弹性变大，桡动脉脉搏将有更宽的脉冲波形。在我们的研究中，观察到脉冲的宽度与上述理论相符，并在60％处的宽度值对位置变化的差异最明显，因此被作为判断动脉管壁性能的指标之一。

目前常用的用于描述在压力下动脉性能变化的模型是Hardy与Forster等提出的生理弹性指数模型及Langewouters反正切模型。作为动脉压力P的函数，动脉容积扩张性可以表示为：

弹性指数模型：

Langewouters反正切模型：

a₁，a₂，a₃，b₁，b₂是模型中未知的参数，模型参数可以采用Matlab工具箱中的曲线拟合进行计算。用最小二乘方法来评估我们的数据，我们的实验数据与模型的拟合程度很高。

基于手臂在不同位置时的脉搏波分析动脉弹性功能的方法，用于测量被测者左右双手的桡动脉处的动脉脉搏信号，进而对脉搏信号进行归一化处理得出归一化波形，所述方法主要包括以下步骤：

步骤一：选取24名男女数量不等的被测人员，准备进行实验。

步骤二：让被测者在安静、恒温的环境中静躺5min后，开始进行第一轮实验。

步骤三：把被测者的一个手臂作为参考手臂置于与身体平行的水平0°位置，另一手臂作为运动手臂，有五个测试位置：90°、45°、0°、-45°、-90°。使用设备将该被测者的运动手臂固定到某个测试位置，如图1所示，参考手臂(左手)放在与身体平行的水平0°位置上，运动手臂(右手)先放在-90°位置上，使用压电传感器同时测量左右两个手臂桡动脉上的脉搏信号，测量时间为40s。接着将运动手臂放到其他测试位置上进行测试，测量时间仍为40s，重复该步骤，直到运动手臂在5个测试位置上完成测试，本次测量结束。然后把参考手臂与动作手臂调换，重复上述5个位置的测试，第一轮测试结束。第二轮测试为第一轮测试的重复。

步骤四：使用MATLAB软件对采集到的20路信号进行脉搏起点标注，找出每一路信号的脉搏起点。

步骤五：根据起点截取11个连续周期，对每一个周期进行归一化处理：幅值为1，重采样频率为1000。

步骤六：分别对每个被测人的五个位置的11个归一化信号周期信号取平均，绘制出左、右运动手与参考手在5个位置的归一化脉搏信号，如图2(a)-图2(e)所示。

步骤七：计算步骤六中得到的归一化脉搏信号的60％峰值处波形的宽度值，并对其求平均。

步骤八：对24位被测量者进行上述步骤的测量与处理，绘制出两轮重复实验的60％峰值处波形宽度的均值和标准方差图(如图3(a)-图3(b)所示)，均值、标准方差和配对分析结果如表1所示。

表1

步骤九：使用SPSS软件对不同位置下动作手与参考手的60％峰值宽度值进行配对对比分析，判断手臂位置改变对脉搏波形改变的影响情况。

运动手臂与参考手臂在不同位置上的波形对比，其中图2(a)-2(e)分别对应当参考手在0°位置，运动手臂在90°、45°、0°、-45°、-90°五个不同位置处时的波形，虚线为参考手波形，实线为运动手波形。从图2(a)-2(e)可以看出，运动手臂在90°、45°、0°、-45°、-90°五个不同位置的时间段内，参考手臂的波形基本不变，而运动手臂的波形变化很大。在0°时，运动手臂与参考手臂的波形基本吻合；在90°、45°时，50％峰值及以上位置，运动手臂的波形明显宽于参考手的波形，在-45°、-90°时，50％峰值及以上位置，运动手臂的波形宽度小于参考手的宽度。在90°、45°、0°、-45°、-90°五个不同位置处，运动手臂的波形在峰值60％左右的宽度总体逐步减小，从而说明，手臂位置对桡动脉波形有明显的影响。

计算24位被测者的左、右手臂分别在5个位置波形的60％峰值宽度的总均值和方差，得到图3(a)-图3(b)。图3(a)是以右手为参考手臂，左手为运动手，分别在90°、45°、0°、-45°、-90°五个位置上的总均值和方差图；相应的，图3(b)是以左手为参考手臂，右手为运动手在90°、45°、0°、-45°、-90°五个位置上的总均值和方差图。从图中可以看出，运动手臂的60％峰值波形宽度在90°、45°、0°、-45°、-90°五个位置上是逐步减小的，是有规律的。

使用SPSS软件，对参考手与运动手在不同位置时进行配对比较得到参数P值，P值是为结果可信程度的一个递减指标，P值越大，越不能认为样本中变量的关联是总体中各变量关联的可靠指标。当P>0.05时，表示两者相关度不大，反之，当P<0.05时，表示两者是显著相关的。当左手在-45°和右手在0°、-45°时，P>0.05，两者是不相关的，在其它位置时，P<0.05，表现为显著相关。由此可以得出，在大部分情况下，胳膊的位置与脉搏信号的宽度是相关的，进而说胳膊的位置与动脉硬化的程度是相互联系的。

需要说明的是，本申请利用众多指标中差别最明显的一个指标(峰值60％处)，而这个差别最明显的指标不是患有血管疾病的人和健康者的区别，即使同为健康者之间，该指标的变化也是比较明显的，因此血管评估中选择该点会得到高得效率。

本发明通过对采集到的数据进行分析，探索手臂脉搏信号的影响因素。测量具有操作简单易行、高准确度等优势，为后期的脉搏信号的研究奠定了可靠的基础。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。