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《重庆大学》 2018年
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一种新型无创心血管信息采集平台及信息提取方法的研究

陈龙聪  
【摘要】:心血管疾病是我国和当今发达国家死亡率最高的一类疾病,如何积极有效地进行心血管疾病的早期风险筛查、早期预警及健康管理是非常突出的问题。近年来大量研究结果表明:许多心血管参数与心血管疾病有着极其紧密的联系,且在某些心血管疾病(如高血压、动脉硬化)的初期,虽然患者还没有自觉症状,但其血压、血管壁弹性和血液粘性等一系列心血管参数都已改变。因此,如何利用无创的方法获取更多、更准确的心血管参数一直是研究的热点。目前,虽然已有多种心血管参数无创检测仪器或设备,但其获得的心血管参数较少或体积庞大不可携带,对心血管疾病的早期风险筛查、早期预警等效果不佳或不便。基于此,本研究旨在现有研究的基础上提出一种新的心血管信息的采集方法和提取方法以获取更多的、有意义的心血管参数。在医学研究中,对器官或组织施加某种激励或刺激并观测其响应是一种研究其结构和功能的有效手段。通过对现有文献的综合分析可得出:通过无创手段在特定部位刺激血管,联合同步采集的心电、心音、特定部位的压力脉搏波、手指容积波、手指血氧饱和度双波长脉搏波等信号进行研究,应不但能获得更多有临床价值的心血管参数,还有望能提高某些心血管参数(如血压和脉搏波的传播速等)的测量精度,并为心血管模型及数值模拟等的研究提供必要的数据。还有,若心血管本身存在某些异常时,通过该刺激可能会使得其异常更突出或显现出来,尤其是单侧存在异常。基于此,本研究提出一种新型的心血管信息采集平台及信息提取方法。主要研究内容及结果如下:(1)研发了一种新型的无创心血管信息采集平台。该平台的创新点主要体现在以下两个方面:第一,信息采集平台能有效地实现在给予不同部位血管特定的刺激下,同步采集24道心血管相关信号,这是目前仪器无法实现的;第二,整个信息采集细分为22个有效的连续过程,即1个对所有气带不施压过程、9个对气带施压逐渐减小过程和12个对气带施加恒定气压过程,这有助于对不同外界刺激下所获得的心血管参数进行对比分析(包括单侧不同过程之间、左右两侧之间的对比分析),获取更多的心血管参数,这是与现有设备最大的不同之处。(2)心血管信息的采集过程及信息提取方法的研究。首先,详细阐述了本研究提出的心血管信息的具体采集过程及每一个具体采集过程的目的;其次,阐述了从时域和频率两个方面对所采集的数据进行信息提取的具体方法;最后,详细阐述了心血管相关参数的意义及具体计算方法。心血管相关参数主要包括现有研究提出的心血管参数和本研究提出的新参数。其中,现有研究提出的参数主要包括血压、K值、第一心音和第二心音的最大幅值的比值等;本研究提出的心血管相关新参数主要有:各自在单侧与两侧同时施予逐渐减小气压的整个过程中同侧脉搏波幅值差值的最大值的比值及最大变化率的比值、两侧同时施予逐渐减小气压的整个过程中右侧和左侧脉搏波最大变化率的比值、心音相关四个新参数(_/、_/、_/、_/),血氧饱和度双波长相关四个新参数(ROSdec、ROSinc、ROSmax、ROSmin),以及频域相关新参数(如1-10倍频心率各自的平均幅值与最大幅值的比值等)等。这些新参数的获得展示了本研究采集方法、研究方法的优越性。另外,值得指出的是部分心血管新参数(如腕踝脉搏传播速度waPWVmcr、、、ROSdec、ROSinc、ROSmax、ROSmin等)是现有检测方法无法获得的。(3)试验结果及讨论。本部分研究分三个方面。第一,利用该平台采集了一位被试者的心血管相关信息,详细展示了每一个过程中的每一心动周期所提取参数的结果,并对其结果进行了讨论;第二,利用该平台采集了92位被试者,并根据年龄段的分布选出了8位典型被试者的信息进行分析,对其部分重要分析结果进行综合阐述和讨论;第三,组织了三个年龄阶段的18位自愿者与临床检测进行对比测试,并对检测结果进行了对比分析及讨论。总体结果表明:1)该平台能有效地实现在22个有效过程中对两侧手臂、手腕及踝关节处共6个气带中气带压的控制及实现24道动态信号的同步采集,且具有很好的稳定性和可靠性。2)对于每一位被试者,本平台除了能有效地按22个过程分别提取相关信息外,还能将相关部分重要信息进行综合分析,并可将个人基本信息及综合分析的重要信息进行汇总,为利用其它软件进行心血管信息的进一步挖掘提供方便。3)对单一被试者信息的采集和分析结果表明:应用该平台及本研究提出的信息采提取法可获得较多的心血管相关参数。其中,有些参数在特定刺激条件下表现相对稳定,有些呈现有规律变化。如,在每一个分析周期内,心电R波到8道信号的最大变化率处的时间具有较好的稳定性;在同等刺激条件下,被试者左右两侧各信号在时域和频率的多数参数分布具有较好的一致性;对其中一侧手臂及手腕施压时,另外一侧手指血氧饱和度双波长信号的直流随时间会产生明显的变化,其变化的幅度及速率,可能能反映人体自身左右臂供血的调节等。4)对8位典型被试信息的采集和分析的结果表明:第一,利用心电R波到脉搏正向最大变化率的时间为基础计算baPWVmcr具有更好的稳定,且随年龄的增加其值呈增加的趋势,这和臂踝脉搏波传播速度baPWV与年龄的变化趋势一致;第二,对于SP1过程,容积波信号在频域中,其心率倍频左右的平均幅值与最大幅值的比值的分布可能很好地反映血管硬化情况;第三,相同气带压对不同被试者的脉搏的影响存在差值,这种差异应与被试者的血流、血管弹性等相关,通过分析这些差异有望获得一些新的心血管参数。5)与临床进行对比测试的结果表明:a)本研究提出的baPWVmcr、waPWVmcr均具有较好的稳定性,且与临床BP-203RPE III测得的baPWV具有较好的一致性,但测量waPWVmcr更为方便;另外,本研究测得的ABI、心率与BP-203RPE III测的ABI及心率也基本一致;测得的收缩压和舒张压与利用欧姆龙电子血压计HEM-8102A测量被试者的收缩压和舒张压也基本一致。这证实本研究提出的心血管信息采集平台的性能是稳定的、可靠的,及信息提取方法是可行性的、正确的。b)本研究提出的一些新参数的值与被试者的某些异常相关,这值得进一步研究其临床意义。如,被试者6在同龄中的baPWV表现异常大,而在较多新参数(TP、TP、及RA等)均中表现出异常;被试者4左右两侧手臂、手腕及手指脉搏的多个新参数(1倍频的最大幅值、1倍频的平均幅值、某些过程0.5-6.5倍心率的能量与相应过程总能量的比值等)表现出较大的差异,这预示被试者4上肢左右两侧的血管弹性或血流有较大的差异;被试者13和17存在主动脉瓣有轻度关闭不全,其新的参数_/相对较大,而被试者13还出现心音中的其它两个新参数_/、_/均相对偏大,这预示着被试者13还存在其它的异常。综上所述,本文提出的新型无创心血管信息采集平台能有效地给予血管相应的刺激和同步采集24道动态信号,利用本研究提出的信息提取方法能从中提取较多的心血管相关参数,且有部分新参数是值得进一步深入研究的。因此,本研究成果不仅可用于深入研究特定的刺激与心电、心音、脉搏及容积波等信号之间的内在联系,还可用于研究某些心血管参数、心血管疾病与所采集的信号的关系。在与更多临床检测结果对比的基础上有望建立一种新的数据分析模型,为心血管模型等的研究提供必要的基础。另外,本信息采集平台也可为研发一种更有效、无创、安全可靠的基于物联网的、适用于社区医院和家庭的心血管功能检测系统或装置奠定理论和实践基础。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R318.6

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