不同类型运动员桡动脉脉搏波波形及参数分析*

王安然 杨益民 杨 琳* 杨星星 孟蓝熙苏 峻② 张 松

不同类型运动员桡动脉脉搏波波形及参数分析*

王安然① 杨益民① 杨 琳①* 杨星星① 孟蓝熙①苏 峻①② 张 松①

目的：根据最大耗氧量(MaxO2)和最大肌肉自主收缩量(MVC)对运动项目进行分类，采集不同类型运动员的桡动脉脉搏波，分析其脉搏波波形及参数。方法：使用ADInstrument公司的PowerLab数据采集系统及配套软件LabChart采集304名受试者脉搏波，对所测脉搏波进行调整，使波形周期和幅度分布在0～100的范围内，分析最大值相对时间Tm，重搏波谷横纵坐标X、Y，脉搏波波形面积波形参数K值以及脉搏波年龄指数(SDPTG age index)。结果：随着MaxO2升高，MVC-1组与MVC-2组的脉搏波降支曲线逐渐下移，最大值点先右移后左移，重搏波谷点向左下方移动，K和SDPTG逐渐减小；而MVC-3组的降支曲线逐渐上移，最大值点逐渐右移，重搏波谷点向左上方移动，K和SDPTG逐渐增大。随着MVC升高，MaxO2-1组的降支曲线逐渐下移，最大值点逐渐左移，重搏波谷点向左下方移动，K和SDPTG逐渐减小；MaxO2-2组的降支曲线逐渐上移，最大值点逐渐左移，重搏波谷点向左上方移动，K和SDPTG逐渐增大；而MaxO2-3组的降支曲线先下降后抬高，最大值点先左移后右移，重搏波谷点向左侧移动，K和SDPTG先减小后增大。结论：各项运动在MaxO2相同的情况下，MVC各组的脉搏波参数变化趋势有所不同；而在MVC相同的情况下，MaxO2各组的脉搏波参数变化趋势均有不同。脉搏波参数变化可反映人体心血管功能，A类、F类和I类运动的运动员心血管功能相对较好。

运动员；脉搏波；桡动脉；波形参数

[First-author’s address]College of Life Science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.

心血管系统是人体血液循环的动力器官，负责人体的血液供应与运输。脉搏波是心脏的心室收缩和舒张引导血液在动脉血管中流动而产生的压力周期性变化的反应，其波形可以反映人体的心血管功能和血液循环状态。心血管生理变化将会引起脉搏波变化，从脉搏波中提取人体心血管的生理病理信息作为临床检测和治疗依据的相关研究，历来受到中外医学界的重视[1]。Weber等[2]研究证明，脉搏波特征参数可连续且独立地作为预测心血管疾病的一项重要指标。Shokawa等[3]对生活在夏威夷的492位日裔美国人进行了10年的随访调查显示，脉搏波波速可以预测心血管疾病的病死率。Blacher等[4]通过实验证明，主动脉脉搏波速度是预测高血压患者心血管风险的一个重要标志。Cruickshank等[5]的研究证明，主动脉脉搏波波速是预测糖尿病和葡萄糖耐受测试(GTT)病死率的有效独立指标。研究表明，脉搏波中蕴藏着丰富的心血管生理病理信息，脉搏波的波形特征如形态(波的形状)、强度(波的幅值)、速率(波的速度)和节律(波的周期)等与心血管功能有密切关系[6-8]。

长期体育锻炼可从形态和功能方面对人体心脏产生影响[9]。从事体育锻炼可有效改善人类心血管功能，而运动员是特殊的群体，其心肺功能和骨骼肌代谢功能优于普通人[10-11]。研究不同运动类型运动员的心血管功能变化对普通人群的体育锻炼和心血管功能保健具有十分重要的意义。本研究即通过检测不同运动类型运动员的桡动脉脉搏波，从脉搏波波形分析和参数计算的角度分析运动员的心血管功能。

1 不同类型运动员脉搏波波形分析

1.1 运动员分类标准

目前，较常用的运动员分类是根据各项运动中所涉及动态和静态运动的程度。运动员分类标准认为，每个运动项目具有两种分量，即动态运动分量和静态运动分量，根据其在运动过程中动态和静态运动分量的强度(即：低、中、高)进行分类[12-13]。其中，动态运动分量对应于其运动最大耗氧量(maximal oxygen uptake，MaxO2)：当MaxO2＜40%时其动态运动分量强度为低；当MaxO2为40%～70%时为中；当MaxO2为＞70%时为高。而静态运动分量对应于其运动中最大肌肉自主收缩(muscular voluntary contraction，MVC)量：当MVC＜20%时其静态运动分量强度为低；当MVC为20%～50%时为中；当MVC＞50%时其为高。根据上述对各运动项目的分类标准将运动分为A～I共9组，如图1所示。

图1 基于动态和静态运动分量的运动分类

(1)根据运动最大肌肉自主收缩量的大小，将A～I类型的9组运动员分为3组：①低最大肌肉自主收缩量组MVC-1(A、B和C类型)： MVC＜20%；②中最大肌肉自主收缩量组MVC-2(D、E和F类型)： 20%≤MVC≤50%；③高最大肌肉自主收缩量组MVC-3(G、H和I类型)： MVC＞50%。

(2)根据运动最大耗氧量的大小，将A～I的9组运动员分为3组：①低最大耗氧量组MaxO2-1(A、D和G类型)：MaxO2＜40%；②中最大耗氧量组MaxO2-2(B、E和H类型)：40%≤MaxO2≤70%；③高最大耗氧量组MaxO2-3(C、F和I类型)：MaxO2＞70%。

1.2 数据采集

研究不同运动类型运动员的桡动脉脉搏波波形及参数变化，对304名训练长达3年以上的专业运动员进行桡动脉脉搏波检测及相关信息的采集。使用的脉搏波检测硬件为ADInstrument公司的PowerLab数据采集系统，软件为配套的LabChart 7。数据通道使用30 Hz数字低通滤波，通道采样频率为1 kHz。传感器采用应变片式桡动脉压力脉搏波传感器，外部独立5 V电源供电，通过同轴电缆接入PowerLab8/35的模拟信号输入端。各类运动员的基本信息见表1。

表1 运动类型A～I的受试者基本情况信息

受试者静坐3 min后使用PowerLab数据采集系统检测运动员的桡动脉。实验时受试者正坐，使用绑带将传感器固定于右手桡动脉脉搏搏动最强点，既不能过松使传感器脱落，又不能过紧使得波形失真。获取30 s稳定脉搏波数据后存入计算机。整个实验过程中受试者保持静息状态。

1.3 数据处理

对每例受试者的脉搏波数据按照实际测量的脉搏波个数求平均，得到一个平均后的脉搏波波形，然后对其进行标准化处理得到标准单波，使波形的周期和幅值都分布在0～100的范围内。将9组受试者的标准单波按组分别平均，即每组所有受试者的标准单波求平均，得到9组受试者桡动脉脉搏波标准单波。

在脉搏波标准单波中，最大值点是十分重要的特征点，波形不同，最大值点的位置也可能不同。本研究将从起点至最大值点的横坐标点计为最大值相对时间Tm，作为描述最大值点相对位置的参数。

重搏波谷点同样是十分重要的波形特征点，其波形不同重搏波波谷的位置也不同，本研究记录重播波谷的横纵坐标为X和Y。

由脉搏波波图面积提取的波形参数K值，能从宏观上描述出脉搏波的平均特征[14]。标准化脉搏波的K值计算为公式1：

Takazawa等[15]对光电脉搏波的二阶导数波形图(Second derivative of photoplethysmogram waveform，SDPTG)进行分析后认为，不同生理人群的脉搏波具有不同的二阶导数图形，并提出脉搏波年龄指数(SDPTG age index)。

2 结果

2.1 脉搏波波形参数随MaxO2变化的趋势

MVC-1组的桡动脉脉搏波标准单波如图2(a)所示，各组波形参数Tm、X、Y、K和SDPTG见表2，图2显示，随着MaxO2升高，桡动脉脉搏波降支曲线(从最大值点至终点)逐渐上移；最大值点逐渐右移(Tm_A＜Tm_B＜Tm_C)，重搏波谷逐渐向左上方移动(X_A＞X_B＞X_C，Y_A＜Y_B＜Y_C)；波形面积逐渐增大(K_A＜K_B＜K_C)；脉搏波年龄指数SDPTG_B＞SDPTG_C＞SDPTG_A。

图2 随MaxO2变化的桡动脉脉搏波标准单波图

表2 9种类型运动员脉搏波参数(A～I)

MVC-2组的桡动脉脉搏波标准单波如图2(b)所示，各组波形参数Tm、X、Y、K和SDPTG见表2。随着MaxO2升高，桡动脉脉搏波降支曲线逐渐下移；重搏波谷逐渐向左下方移动(X_D＞X_E＞X_F，Y_D＞Y_E＞Y_F)；波形面积逐渐减小(K_D＞K_E＞K_F)。而最大值点位置从左至右依次为F、D、E(Tm_F＜Tm_D＜Tm_E)；脉搏波年龄指数SDPTG_D＞SDPTG_E＞SDPTG_F。

MVC-3组的桡动脉脉搏波标准单波如图2(c)所示，各组波形参数Tm、X、Y、K和SDPTG见表2。随着MaxO2升高，桡动脉脉搏波降支曲线逐渐下移；波形面积逐渐减小(K_G＞K_H＞K_I)；而最大值点位置从左至右依次为I、G、H(Tm_I＜Tm_G＜Tm_H)；重搏波谷位置先向右下移动再向左上移动(X_I＜X_G＜X_H，Y_H＜Y_I＜Y_G)；脉搏波年龄指数SDPTG_G＞SDPTG_H＞SDPTG_I。

2.2 脉搏波波形参数随MVC变化的趋势

MaxO2-1组的桡动脉脉搏波标准单波如图3(a)所示，各组波形参数Tm、X、Y、K和SDPTG见表2。随着MVC升高，桡动脉脉搏波降支曲线逐渐下移；最大值点逐渐左移(Tm_A＜Tm_D＜Tm_G)；重搏波谷逐渐向左下方移动(X_A＜X_D＜X_G，Y_A＜Y_D＜Y_G)；波形面积逐渐减小(K_A＜K_D＜K_G)；脉搏波年龄指数SDPTG_A＜SDPTG_D＜SDPTG_G。

图3 随MVC变化的桡动脉脉搏波标准单波图

MaxO2-2组的桡动脉脉搏波标准单波如图3(b)所示，各组波形参数Tm、X、Y、K和SDPTG见表2。随着MVC升高，桡动脉脉搏波降支曲线逐渐上移；最大值点逐渐左移(Tm_B＜Tm_E＜Tm_H)；重搏波谷逐渐向左上方移动(X_B＜X_E＜X_H，Y_B＞Y_E＞Y_H)；波形面积逐渐增大(K_B＞K_E＞K_H)；脉搏波年龄指数SDPTG_B＞SDPTG_E＞SDPTG_H。

MaxO2-3组的桡动脉脉搏波标准单波如图3(c)所示，各组波形参数Tm、X、Y、K和SDPTG见表2。随着MVC升高，桡动脉脉搏波降支曲线先下降后抬高；最大值点位置从左至右依次为F、I、C(Tm_F＜Tm_I＜Tm_C)；波形面积从小至大依次为F、I、C(K_F＜K_I＜K_C)；随着MVC升高，重搏波谷逐渐左移(X_C＜X_F＜X_I，Y_F＜Y_I＜Y_C)；脉搏波年龄指数SDPTG_C＞SDPTG_I＞SDPTG_F。

3 讨论

在研究桡动脉脉搏波波形参数随MaxO2变化的趋势时发现，随着MaxO2升高，MVC-1和MVC-2组的脉搏波降支曲线(从最大值点至终点)逐渐下移，最大值点(其位置由最大值相对时间Tm描述)先右移后左移，重搏波谷点大致向左下方移动，脉搏波波形面积K逐渐降低，脉搏波年龄指数SDPTG逐渐减小。而MVC-3组的脉搏波降支曲线逐渐上移，最大值点逐渐右移，重搏波谷点大致向左上方移动，面积K逐渐升高，SDPTG逐渐增大(如图4所示)。

图4 脉搏波参数随MaxO2的变化

在研究桡动脉脉搏波波形参数随MVC变化的趋势时发现，随着MVC升高，MaxO2-1组的脉搏波降支曲线(从最大值点至终点)逐渐下移，最大值点逐渐左移，重搏波谷点大致向左下方移动，脉搏波波形面积K逐渐降低，脉搏波年龄指数SDPTG逐渐减小。MaxO2-2组的脉搏波降支曲线逐渐上移，最大值点逐渐左移，重搏波谷点大致向左上方移动，面积K逐渐升高，SDPTG逐渐增大。而MaxO2-3组的脉搏波降支曲线先下降后抬高，最大值点先左移后右移，重搏波谷点大致向左移动，面积K先降低后升高，SDPTG先减小后增大(如图5所示)。

图5 脉搏波参数随MVC的变化

4 结语

9种类型运动员中，A，F和I三类运动员的脉搏波波形面积K值以及脉搏波年龄指数SDPTG最小。而K值的减小在一定意义上可反映出人体心血管功能的提高。研究显示，从事低肌肉自主收缩量组MVC-1，MVC-2中高耗氧量运动的运动员，其心血管功能相对较好，如F类的跑步、游泳；I类的羽毛球、曲棍球、竞走、网球、长跑等。而从事高肌肉自主收缩量组MVC-3中低耗氧量运动的运动员，其心血管功能较好，如A类的投掷、体操、武术等。

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Analysis on radial pulse waveform and parameters in different types of athletes/

WANG An-ran, YANG Yi-min, YANG Lin, et al// China Medical Equipment,2014,11(6):27-31.

Objective:Classify the sports events by the maximal oxygen uptake (MaxO2) and the maximal muscular voluntary contraction (MVC). Collect the radial pulse wave of different sports events and discuss the pulse waveform and characteristic parameters.Methods:Radial pulse waveform on 304 subjects was collected, by using PowerLab and its bundled software LabChart 7, developed by ADInstrument. Normalize each radial pulse waveform and let the waveform cycle and amplitude distribute in the range of 0-100. Analyze the relative time of the maximum point Tm, the abscissa X and ordinate Y of dichotic notch, the pulse waveform area K and the pulse wave age index SDPTG.Results:With increasing MaxO2, the pulse wave descending curve of MVC-1 and MVC-2 group gradually moves down, the maximum point first moves to the right and then left, the dichotic notch point moves to the lower-left corner, K and SDPTG gradually decreasing; And the pulse wave descending curve of MVC-3 group gradually moves up, the maximum point gradually moves to the right, the dichotic notch point moves to the top-left corner, K and SDPTG gradually increasing. With increasing MVC, the pulse wave descending curve of MaxO2-1 group gradually moves down, the maximum point gradually moves to the left, the dichotic notch point moves to the lower-left corner, K and SDPTG gradually decreasing; The pulse wave descending curve of MaxO2-2 group gradually moves up, the maximum point gradually moves to the left, the dichotic notch point moves to the top-left corner, K and SDPTG gradually increasing; And the pulse wave descending curve of MaxO2-3 group first moves down then up, the maximum point first moves to the left and then right, the dicrotic notch point moves to left, K and SDPTG first decreasing then increasing.Conclusion:The pulse wave changing trend of MVC groups are different while the sports have the same MaxO2. And the pulse wave changing trend of MaxO2groups are as well as different while the sports have the same MVC. Pulse waveform parameters can reflect the cardiovascular function, and the cardiovascular function of athletes in Types A, F and I is relatively well.

Athlete; Pulse wave; Radial artery; Waveform parameter

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.06.009

1672-8270(2014)06-0027-05

R87

A

2014-02-12

北京市教委科技成果转化和产业化项目(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能无创检测技术(糖尿病足检测仪)的产业转化”；北京工业大学星火基金项目(XH-2013-10-13)“不同类型运动员的心血管参数分析”

①北京工业大学生命科学与生物工程学院 北京 100124

②北京市木樨园体育运动技术学校 北京 100075

*通讯作者：yanglin@bjut.edu.cn

王安然，女，(1993- )，本科在读。北京工业大学生命科学与生物工程学院，研究方向：血流动力学无创检测。