一种精确监测低灌注下无创血压的前端采集设计*

王聪,肖淑绵,王慧泉,陈瑞娟,何明,邢海英△

(1.天津工业大学 电子与信息工程学院,天津 300387;2. 天津工业大学 生命科学学院,天津 300387)

0 引言

当长期处于低灌注状态时,人体血压会持续发生变动[1-2]。研究表明,无灌注受损患者的血压较高[3-6],而灌注受损患者血压较低,持续的血压变动会增加灌注受损患者的中风风险。若低灌注状态下,急剧的血压变化未得到及时治疗,会导致患者器官衰竭甚至死亡[7-12]。

恒定容积法是目前公认的基于光电脉搏波和压力脉搏波的连续无创血压监测方法[13-17]。临床上常用的基于恒定容积法的无创连续血压监测设备主要包括:基于恒定容积法的CNAP、Finapres等指式血压监测设备[18-23]。大量研究显示,指式血压监测设备可实现连续无创血压监测,但当人体血容量或体液灌注处于较低状态时,该类设备的血压监测准确性远低于临床标准[24-26]。

脉搏波信号主要由心脏搏动在动脉内驱动血液时的压力波和动脉的阻尼弹性波合成[27]。大量临床研究表明,脉搏波在形态、强度、节律等方面可反映人体心血管系统的许多生理和病理特征[28-31]。高信噪比的脉搏波采集和关键特征提取,是实现低灌注下血压监测的关键。

为突破低灌注下的光电脉搏波和压力脉搏波采集难点,进一步实现低灌注下的血压精确监测。本研究提出一种融合多光源采集和血管卸载改进技术的前端采集方案,并通过自主设计的仪器,模拟实验和低灌注动物实验,验证采集前端系统的效果。

1 方法

1.1 容积脉搏波采集前端设计

本研究采用多光源调制快速锁相技术,实现对不同灌注情况的光电脉搏波检测,使用过采样技术,以速度换取精度,在不增加硬件复杂度的前提下,提高对光电容积脉搏波的分辨率。采集过程中对发光二极管进行激励,然后使用锁相解调得到光电容积脉搏波,锁相解调相当于带通滤波,可有效抑制带外干扰。绿光与光电接收传感器并列位于同侧,红光和红外光处于另一侧,两侧夹角为120°。光电接收传感器分别接收绿光反射光、红光和红外光的透射光。指套内环绕气囊,当采集前端的指套对血管壁外施加恒定外力时,采用管道与压力传感器连接,以便实时采集气囊中反馈的血管壁内压力波动信号。本研究的脉搏波采集前端将光源与传感器集成于指套内,设计见图1。

图1 光电脉搏波采集前端设计图

1.2 前端采集算法设计

1.2.1初始压力设定算法 采集前,将指套内充盈气体压迫检测部位,至血流发生临时阻塞现象,再放气至0。在此过程中,结合光电脉搏波信号和压力信号进行初始压力设定。不同压力设定下的光电脉搏波峰峰值会经历由大到小的变化过程,本研究设定峰谷值捕捉和三次样条插值方法,实现峰峰值最大值的捕捉,同时融入自适应滤波法对前期无法处理的峰峰值异常波动进行二次剔除。峰峰值最大处的压力值即为初始压力设定,指套内会迅速充盈至该压力下进行血压追随。

1.2.2改进的血管卸载技术 本研究采集持续失血低灌注状态的恒定压力下的光电脉搏波信号。在失血过程中,实验对象会伴随心跳加速、血管弹性变化等。为最大程度地减小血管内压力以外因素对光电脉搏波波形的影响,本研究通过改进传统的血管卸载技术提出了一种光电脉搏波形态学特征提取方法。首先,对实时采集的压力维持下的光电脉搏波进行模板化处理:将脉搏波信号的长度和幅度进行归一化,模板化处理过程见图2。模板化处理过程主要包括:脉搏波单周期幅度归一化、脉搏波单周期长度归一化、滑动平均脉搏波模板波形。

图2 脉搏波模板化处理

本研究沿脉搏波谷值到峰值方向,拟合线性直线,以该直线为基线,求取波形上升沿曲线和基线之间的积分面积。前端的泵阀系统基于上述特征反馈血压的变化量,实时对指套进行充气或放气,从而形成负反馈调节闭环机制,见图3。

图3 前端负反馈调节闭环机制

本研究结合十折交叉验证思想,基于提出的特征和CNAP设备采集的脉搏波单周期积分面积传统特征,分别构建了2个低灌注下的血压变异辨识型。将数据集随机生成10份,每次选取1份,作为测试集。以单特征作为预测模型指标,找出模型内样本值的最小、最大值,并以此将数值分成100份,依次循环该100份数值作为分类值,根据10次测试结果(灵敏度曲线、特异性曲线和准确率曲线的交点)作为最佳分类阈值。最终选取准确率(accuracy,ACC)和曲线下面积(area under the curve,AUC)值作为模型评判结果。最后,基于光电脉搏波波形ppg(t)和实时调整的压力波形press(t)对血压波形进行追踪,见式(1)。其中,k1,k2为波形校正系数。

Bp(t)=k1+press(t)+k2×ppg(t)

(1)

1.3 实验设计

1.3.1仪器模拟实验设计 本研究通过模拟输出低灌注状态脉搏波信号,检验采集前端的信号捕捉能力,模拟设计了从人体末梢段常灌注指数到低灌注指数脉搏波检测实验,单次过程见图4。利用Fluke血氧模拟仪多次输出灌注指数PI=0.2下的脉搏波信号,血氧饱和度为98%。血氧模拟仪的模拟手指配带本研究设计的容积脉搏波采集前端指套,同时设定模拟脉搏波的脉率分别为60∶10∶200,重复上述过程15次。

图4 模拟低灌注采集仪器图

1.3.2动物实验设计 为解决血压突变和失血等极端情境下,难以获取数据样本的问题,本研究构建了低灌注状态下的动物实验模型。依据失血休克指南,设计了6头体重范围在(20±5)kg的长白猪失血性低灌注模型,本研究动物实验得到了中国人民解放军总医院医学伦理的认可(No. S2020-045-01)。实验通过采集动物在失血过程中脉搏波的变化(见图5),研究灌注从正常值至低值过程中(迈瑞监护仪监测尾部血液灌注情况,PI均从大于1下降至小于0.2,PI<0.5即代表进入低灌注状态),与血压密切相关的特征参数,同时完成本采集前端对低灌注下动物的血压监测验证。实验主要步骤包括:

图5 模拟低灌注采集实验图

(1)采集猪平稳状态下的信号

实验过程中,猪处于麻醉状态。确定猪状态平稳后,持续采用多生理参数采集器监测猪的心电和左股有创血压波形(有创血压作为研究中血压对标的“金标准”)。

(2)对动物进行失血操作

通过猪颈部放血,连续失血至猪发生血液低灌注,使用本研究设计的采集前端监测尾部的生理信号(包括尾部光电脉搏波信号和指套压力脉搏波信号)间接实现无创血压监测,失血过程中用迈瑞监护仪监测动物尾部血液PI,当PI<0.3,即为低血容量状态,停止放血。

2 结果

2.1 低灌注下的仪器模拟实验检测信号情况

在15次PI=0.2情况下,本研究采集前端的原始脉搏波情况见图6。实际检测到的脉率值和模拟仪输出的脉率值对比,见表1。实际脉率值与预设脉率值的偏差在±1 bpm内。根据脉搏波信号检测标准,脉率偏差在5%内,可证明低灌注状态下该采集前端信号检测的有效性。

表1 低灌注下采集前端脉率分析表

图6 PI=0.2下的脉搏波信号

2.2 低灌注下的动物实验样本监测信号情况

基于前期动物实验,30例监护仪检测脉搏波灌注指数PI<0.5样本数据频谱分析情况,见图7。由图7可知,样本的脉搏波信号和持续监测的有创血压波形的主频一致,表明低灌注下前端检测的动物临床信号准确可靠。

图7 动物低灌注下脉搏波频谱分析

2.3 低灌注下的动物实验样本血压监测

2.3.1改进血管卸载技术的血压变异辨识结果 基于1.2.2中的方法对动物低灌注血压变异数据集进行血压变化辨识,血压(平均压)辨识范围为5～15 mmHg。基于本研究方法和传统方法所提特征的辨识模型下的血压(舒张压、平均压、收缩压)在5、10、15 mmHg的变异辨识准确率和 AUC值及5～15 mmHg下的平均变异辨识准确率和AUC值见表2-表4。

表2 不同模型下的舒张压辨识结果

表3 不同模型下的平均压辨识结果

表4 不同模型下的收缩压辨识结果

由表2-表4可知,基于本研究提取的特征相较于传统特征更适用于低灌注下的血压变异辨识,对于舒张压和收缩压的辨识ACC和AUC提高了5%;对于平均压的辨识ACC和AUC提高了10%。相较于低灌注下的舒张压和收缩压波动辨识,本研究提取的特征对平均压的变异辨识结果更好。

2.3.2血压波形监测结果 基于采集前端对动物低灌注下的尾部血压波形进行检测,当尾部血压发生改变时,根据上述提出的新型脉搏波特征,对指套的压力进行实时调整,重新追踪新状态下的血压。本研究对30例低灌注下不同血压范围内的血压进行监测,30例样本的血压(舒张压、平均压、收缩压)误差为±10 mmHg。图8为其中6例无创血压波形和有创血压波形的波形对比。红色波形为有创监测的血压波形,蓝色为基于本采集前端监测到的血压波形。图9为相关性分析雷达图,每个样本波形与金标准有创波形,即两条曲线间的相关性均在80%～100%,波形具有强相似性。

图9 波形相关性分析结果

3 分析与讨论

随着连续无创血压监测技术的发展,国内外学者利用各项技术对健康人群的血压检测展开了详细研究,但对于低灌注下血压异变的临床数据难以获取。对本研究设计的采集前端采集的信号进行时域和频域分析可知,其在灌注PI<0.3情况下,仍可精确检测脉搏波信号,是实现连续无创血压监测的关键。

本研究基于自研的采集前端,结合改进的血管卸载技术建立的血压变异辨识模型相较于传统模型,能进一步提高低灌注状态下血压变异捕捉的准确率和敏感度,并能提取不同血压等级下的血压辨识结果,可为不同临床应用场景的患者提供无创连续血压预警监测。平均压作为失血状态下的心血管状态的关键反馈指标,变异辨识准确率最高可达93%。

当血压变动时,有效的预测参数可起到决策作用,结合准确的血压变异辨识,采集前端的压力将随脉搏波的特征反馈去补偿个体的血压变化。由30例样本可知,低灌注状态下,本研究设计前端可实现实时、准确的无创血压波形监测和有效的曲线趋势追踪。

4 结论

本研究基于自研的可充放气光电指套,通过人体和仪器模拟实验,分别实现了健康状态下和低灌注下脉搏波信号的高精度采集和无创血压波形的监测。同时,基于本研究提出的新特征提取方法,更新了闭环下的采集前端负反馈调节算法。当生命体处于低灌注状态时,采集前端可精确实现对不同灌注情况下的血压监测。本研究提出的采集前端可为患者失血等临床应用场景下的无创连续血压监测预警设备提供可靠方案。大量研究表明,脉搏波和心血管状态间存在显著关联性,因此,本采集前端的动态和弱灌注信号检测功能还可进一步为其他潜在心血管疾病诊断扩展思路。