脉搏波的无创检测方式

书书书第２９卷　第４期２０１０年　８月北京生物医学工程ＢｅｉｊｉｎｇＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．２９　Ｎｏ．４Ａｕｇｕｓｔ　２０１０作者单位：北京工业大学生命科学与生物工程学院（北京　１００１２４）作者简介：王东明（１９８５—），男，硕士研究生。Ｅｍａｉｌ：[e-mail]脉搏波的无创检测方式王东明　张松　杨益民　李旭雯摘　要　脉搏波的波形特征与心血管疾病密切相关，其检测方式和传感器的选择都会对脉搏波的检测结果产生重大影响。目前脉搏波无创检测用传感器类型包括压力传感器、压电传感器和光电传感器（反射式和透射式）。检测方式有桡动脉压力脉搏波检测和指端容积脉搏波检测。实际运用结果显示不同的传感器有不同的性能指标和适应范围，检测方式也会对脉搏波的检测产生很大影响。尽管压电传感器和光电传感器都能采集信号良好的脉搏波，但压力传感器由于误差大、强噪声和检测部位难寻等原因已经逐渐被淘汰，此外临床实验证实了桡动脉压力脉搏波检测容易受检测部位和检测个体的影响，指端容积脉搏波具有检测稳定、重复性好、易于操作等优点。关键词　脉搏波；桡脉；指容脉搏；检测方式；传感器ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３２０８．２０１０．０４．２５．中图分类号　Ｒ３１８．０４　　　文献标志码　Ａ　　　文章编号　１００２－３２０８（２０１０）０４－０４３６－０４ＭｅｔｈｏｄｓｏｆＮｏｎＩｎｖａｓｉｖｅＰｕｌｓｅＷａｖｅＤｅｔｅｃｔｉｎｇＷＡＮＧＤｏｎｇｍｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＳｏｎｇ，ＹＡＮＧＹｉｍｉｎ，ＬＩＸｕｗｅｎＬｉｆｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１２４【Ａｂｓｔｒａｃｔ】　Ｐｕｌｓｅｗａｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｃａｒｄｉｏｖａｓｃｕｌａｒｄｉｓｅａｓｅ，ａｎｄｔｈｅｃｈｏｉｃｅｓｏｆｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｓｅｎｓｏｒｅｖｅｎｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔｓｏｎｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅｔｙｐｅｓｏｆｓｅｎｓｏｒｓｆｏｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｎｏｎｉｎｖａｓｉｖｅｌｙｐｕｌｓｅｗａｖｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓ，ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓ（ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｙｐｅ）．Ｔｈｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓａｒｅｕｓｕａｌｌｙｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｒａｄｉａｌａｒｔｅｒｙｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｓｏｒｆｉｎｇｅｒｔｉｐｖｏｌｕｍｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｓ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｖｅｓｅｖｅｒｙｋｉｎｄｏｆｓｅｎｓｏｒｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓａｎｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙａｒｅａ，ａｎｄｔｅｓｔｉｎｇａｐｐｒｏａｃｈａｌｓｏｉｍｐａｃｔｓｏｎｔｈｅｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｂｏｔｈｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｅｎｓｏｒｓｃａｎｃａｐｔｕｒｅｔｈｅｓｅｗａｖｅｓｗｉｔｈｇｏｏｄｗａｖｅｓｉｇｎａｌｓ，ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｇｒａｄｕａｌｌｙｂｅｉｎｇｅｌｉｍｉｎａｔｅｄｄｕｅｔｏｓｏｍｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｌａｒｇｅｅｒｒｏｒｓ，ｓｔｒｏｎｇｎｏｉｓｅａｎｄｓｅｎｓｏｒｌｏｃａｔｉｏｎｌｉｍｉｔｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｃｌｉｎｉｃａｌｔｒｉａｌｓａｌｓｏｃｏｎｆｉｒｍｔｈａｔｔｈｅｒａｄｉａｌｉｓａｒｔｅｒｉａｅｐｒｅｓｓｕｒｅｗａｖｅｓａｒｅｖｕｌｎｅｒａｂｌｅｔｏｓｅｎｓｏｒｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ．ａｎｄｔｈｅｆｉｎｇｅｒｔｉｐｖｏｌｕｍｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｓａｒｅｅａｓｉｌｙｃａｕｇｈｔｗｉｔｈｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｔｙ．【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】　ｐｕｌｓｅｗａｖｅ；ｒａｄｉａｌｉｓａｒｔｅｒｉａｐｕｌｓｅｗａｖｅ；ｆｉｎｇｅｒｔｉｐｖｏｌｕｍｅｐｕｌｓｅｗａｖｅ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｓｅｎｓｏｒｓ０　引言人体脉搏波中蕴藏着丰富的生理病理信息历来作为临床诊断和治疗的依据，大量的临床实测结果证实，脉搏波的特征与心血管疾病有着密切的关系。脉搏波所表现出来的形态（波的形状）、强度（波的幅值）、速率（波的速度）与节律（波的周期）等方面的综合信息的确在相当程度上反映出人体心血管系统的许多生理和病理特征［１］。而在脉搏波检测过程中，脉搏波检测的方式直接影响到检测信号的准确度。检测方式的不同不仅影响信号采集波形的质量和提取的难易程度，而且对于采集信号的准确度也会有较大影响，因此不同的检测方式对于信号的进一步处理具有重要的意义。目前脉搏波检测的方式很多，主要有如下几种：按照检测位置可以分为耳脉检测、肱动脉检测、桡动脉脉搏波检测和指端脉搏波检测；按检测方法分为压力脉搏波检测和容积脉搏波检测；按检测手段分为无创和有创；按实现形式又分为静态测量和动态测量。不同的检测方式有不同的优、缺点，而且不同的检测方式所得到的检测波形和各项参数都会略有差异，并且在临床检测也存在应用上的差异，在临床医学检测中人们关心的是稳定性、准确性、易操作性以及如何在医院等复杂电磁环境中的抗干扰能力。本文以下将对各种检测方式和利用的传感器做如下介绍。１　脉搏波检测方式颈动脉为浅表大动脉，脉搏较为明显，但在测量中难于寻找而且在临床检测上不容易固定，在临床监测过程中可能会因为患者的移动而使得传感器脱落丢失波形，造成监测的失败。人耳血管分布丰富，容易测量，而且对传感器的损耗小。由于人耳中分布的都是些小的毛细血管，因此耳脉较弱而且易受环境干扰，不利于检测。考虑到病患者都是体质较弱的群体因此采用无创的检测方式可以减小对病人的伤害。由于临床实际中人们比较感兴趣的只是动脉血管系中的某些浅表动脉处（如桡动脉、颈动脉）的脉搏波变化，离人体心脏越近的地方脉搏波信号越强，因此从信号的强弱和检测的难易较为常用的则是桡动脉和指脉的检测。１．１　桡动脉脉搏波的检测由于桡动脉的检测信号较强且检测较为方便，因此是历来脉诊中的首选位置，包含有心血管系统最为丰富的各种生理病理信息，是脉搏波的一个较好的检测位置，目前一般所指的脉搏波大多从桡动脉处得出。桡动脉的脉搏波检测方式有气囊式检测（图１）和压电传感器检测（图２）两种方式。气囊式检测是将传感器置于气囊中，然后将气囊固定于桡动脉处，通过加压气囊将压力加到一定程度（通常介于被测者的收缩压和舒张压之间）来测得脉搏波。由于气囊方法气路较长，有很大的气阻和气流干扰，而且气压的方向性是随机的，使得脉搏波中的一些有用信号被大大削弱和滤除了［２］。用气囊式测得的桡动脉脉搏波有很多的干扰，而且为了得到光滑的脉搏波波形需要放弃很多有用的信号，因此此种方法在临床上由于测得的波形不能真实地反应患者的实际生理病理信息而逐渐被淘汰。图１　气囊式检测Ｆｉｇｕｒｅ１　Ｂｌａｄｄｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎ图２　压电式检测Ｆｉｇｕｒｅ２　Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎ压电传感器检测方式是用压电传感器直接将桡动脉的压力信号转变为对应变化的电信号，此种测量方法可以避免上述气囊式检测所产生的气室腔道效应，可以最大限度地将桡动脉的脉搏波形通过电压的形式显示出来，且利用压电传感器提取的脉搏波信号可以将脉搏波压力通过转换芯片变为数字量，可以很方便地进行信号的计算和处理［３］。通过量化的数字信号可以计算出心率、心搏出量、血管顺应性、血氧等血流信息。虽然这两种方法都可以得到较为理想的脉搏波波形，而且在测量过程中各有优缺点［４］。但是，无论选择哪种检测方式，对检测部位的选择都至关重要，选位的准确对于脉搏波的信号的采集极为关键。一般来说应将压电传感器置于桡动脉波动的最强点，但是往往在临床中会碰到少数病人生理异常或测试者人为的因素造成脉搏波信号畸变或没有任何信号特征。此外，对于不同的·７３４·第４期　　　　　　脉搏波的无创检测方式测试者由于性别、生理条件、地域差别、种族及体表皮脂层的厚度不同对测量的效果也会有所不同。在临床中，医生可以根据经验找到病人桡动脉的最强点，因此这种方式在临床中也得到了广泛的应用。随着传感器研制技术的不断改进和专门针对脉搏波信号传感器的出现，如弧面传感器，它可以最大面积地与桡动脉接触，减少与周边皮肤的接触而带来的干扰。也有专家设计了一种光电传感器，当脉搏波波动时，传感器随着脉搏一起振动而带来光的变化，通过光电传感器就可以得到所需的脉搏波信号［５］。总之桡动脉脉搏波的检测须将传感器固定于被测者的桡脉处，这种测试方法对测试的部位要求较严，而且在测量的过程中也会有较大的干扰。１．２　指脉血液容积脉搏波检测在心脏搏动的过程中血液随着心室射血而流遍全身，当心脏收缩时指端血液容积最大，而心脏舒张时，血液容积最小。血液容积的这种脉动变化反映出心搏功能、血液流动、外周血管和微循环等诸多心血管的重要信息，北京工业大学罗志昌教授通过多年的研究，称此为容积脉搏波。容积脉搏波是压力脉搏波经末梢微血管的阻力和毛细血管网的多次泄漏以及微血管周围组织等对波形滤波等影响造成的，因而与压力脉搏波相比，容积脉搏波可能会丢失心血管某些信息，但却使它包含有许多有关微循环方面的信息。指脉的血液容积脉搏波检测按传感器分为透射式和反射式两种两种。透射式检测采用光电传感器，光电传感器能够将可见光转换成某种电量。光从光源发出后，透过皮肤和组织，除一部分光被皮肤、肌肉、血液和指甲等吸收外，一部分由血液反射后回，其余部分则透射过来，由光敏接受装置接收，这种方法可以较好地反映心血管的血流信息和微循环的状态，可用于脉搏波的测量［６］。图３　透射式容积脉搏波检测Ｆｉｇｕｒｅ３　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｙｐｅｖｏｌｕｍｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ虽然容积脉搏波其在临床应用上有精度不够高的缺点，但可以较好地揭示心律信息和微循环状态，能够直接反应病人的生理信息，具有重要的检测意义。反射式的检测与透射的原理基本相同，差别只是前者接收的是反射回来的光，此信号可精确地测得心血管积的变化［７］。图４　反射式容积脉搏波检测［８］Ｆｉｇｕｒｅ４　Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅｖｏｌｕｍｅｐｕｌｓｅｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ有一种ＨＧ４０系列反射式传感器，砷化镓红外发光二极管作为快速光源，采用输出电流大、暗电流很小、响应速度快的３ＤＵ５系列光电三极管作为接收管，组成红外发射－接收对管，并使其处于最佳工作状态。此传感器对血流的变化十分敏感，检测灵敏度很高，线性好。因此反射式传感器能很好地运用于脉搏波的测量中并能取得较理想的效果。１．３　几种新型脉搏波传感１．３．１　新型自检脉搏波传感器新型自检脉搏传感器在传统传感器基础上加了改进。传统脉搏波传感器多采用平面接触圆形头，这样所产生的周边支持会造成平面的压力减小，带来的非线性和迟滞增大。采用弧面接触圆敏感头仿人手指探触状态，这样尽量减少了周边支撑所带来的干扰，确保准确测量到脉搏波，其结构如图５所示。图５　新型传感器敏感头结构图Ｆｉｇｕｒｅ５　Ｎｅｗｓｅｎｓｉｔｉｖｅｓｅｎｓｏｒ敏感头部分、高通滤波前置放大电路、低通滤波电路将脉搏波变换为所需电信号，整形驱动显示电路以实现自检功能。所谓自检功能，就是整形驱动显示电路将输入脉搏波波形整形后驱动发光二极管点亮与桡动脉搏波同步。人体除了动脉外，还有·８３４·北京生物医学工程　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第２９卷静脉以及毛细血管等，当测量桡动脉搏时，会有一些其他干扰，自检功能就是基于这个问题而设置的。当发光二极管发光与挠动脉搏波同步时，是正确位置；当发光二级管发光与桡动脉博波不同步时，不是正确位置。此新型自检脉搏传感器频带宽、线性度好，更能真