基于外周动脉压力波形的脉搏传导时间获取方法研究及应用

摘要

通过外周动脉压力波形获取脉搏传导时间PTT，进而能够计算出脉搏波传播速度PWV，用来正确评估人体的心脑血管现状或生理及病理等相关信息，具有无创、廉价、安全和操作简单等特点，医生和病人较容易接受，具有广泛的医学临床应用价值和重要的社会意义。
　　 外周动脉压力波形受到血液动力学参数、血液成分、血细胞生理状况、年龄和生理病理等诸多个体差异因素的影响，其波形的获取也容易受到测量传感器、测量部位和环境温度状况等测量条件因素的影响，因此获取的波形是多样变异性的，通过波形计算出的PTT数值精度难以提高，由此导致结果的重复性也较差，严重阻碍了脉搏波传导时间PTT在临床上的应用。本文以不同年龄段人群的桡动脉压力波形数据为研究对象，在总结前人研究工作的基础上，分别提出了在时域、频域和时-频域计算PTT的相关理论和方法，并对三种方法获取的结果进行了相关性分析和Bland-Altman分析，为无创法计算PTT在临床医学上的广泛应用做了一些深入性的理论工作。
　　 本论文首先对国内外近年内发展起来的计算PTT的各种方法进行了分类与总结，并且针对不同方法的特点进行了比较，探讨了各种方法存在的问题。从而引入本课题研究的科学问题和技术难点。
　　 第二，分析了桡动脉压力波形信号的时域特征以及相关研究应用的现状，概括说明了对外周动脉压力波形测试获取的自助式脉搏测量仪器的特点。重点介绍了波形分析体系的软件系统，包括嵌入式软件工作的过程和PC机软件的总体框架等操作窗口。最后给出了严格按照测量步骤获取的桡动脉、颈动脉、股动脉和足部动脉压力波形的输出结果以及各个波形的特征差异，为下一步研究外周动脉压力波形奠定了基础。
　　 第三，依据用于雷达和通信信号处理数据重叠的方法能够复合噪声的特点，在时域中提出一种对桡动脉压力波形进行单周期重叠的方法确定关键点e的位置，介绍了其操作理论与方法，并且用该方法计算出289位研究对象的脉搏波传导时间PTT的数值，接着对计算结果跟年龄等参数的相关性和PTT的应用展开了讨论。结果表明用该方法在馒头波形中准确识别出e点的位置存在缺陷，为此考虑了从频域入手做进一步的研究和探索。
　　 第四，以傅里叶变换理论为基础，介绍了改进频域分析算法的基本原理，在此基础上提出了评估动脉硬化新的评估指标，即第一峰值F1、第二峰值F2及两者的相位迁移时间τ，重点考察了138位研究对象的频域特征值（F1、F2和τ）跟年龄的相关性，结论证明提出的新参数可以作为一种简易的无创评估指标。为了更深入的研究外周动脉的频域特征，同时还研究分析了典型外周动脉的功率谱特征，如桡动脉、颈动脉、股动脉和足背动脉的生理布局特征和功率谱线特点等。
　　 第五，在上述对外周动脉压力波形信号频域特征研究的基础上，提出了一种利用桡动脉波形数据的频谱特性，经过巴特沃兹带通滤波去除不需要的频谱成分后，重构波形数据的方法定位关键点c和e的位置来计算脉搏波传导时间PTT。同时对频域重构法和波形重叠法计算出的PTT数据做对比分析，采用SPSS软件进行组内相关性和Bland-Altman分析，结果证明两种方法获取的PTT数值基本趋于一致，可以作为一种获取PTT的计算方法，但是频域重构法计算得出的PTT数值普遍偏大。
　　 第六，借鉴多分辨率小波分解和系数重构的方法，已成功应用于ECG信号的QRS波检测等方面的研究经验，引入该方法对桡动脉波形信号进行多分辨率分解获取多层细节信息，优选提取出关键层的小波系数，然后重建这些小波系数对波形c点和e点的位置识别，计算出脉搏波传导时间PTT的数值。
　　 最后选择时间域桡动脉波形重叠的方法作为参考标准，分别用频域重构法和多分辨率小波系数重构法计算出24位年轻人研究对象的PTT数值做比较分析，结果证明多分辨率小波系数重构算法计算出的PTT数值跟波形重叠的方法的相关性较好(R=0.910，P＜0.001)，优于频域带通滤波重构算法(R=0.689，P＜0.001)。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 脉搏波传导时间的意义

1.2 获取PTT方法的研究现状

1.3 论文研究的思路

1.4 论文内容与章节安排

第二章 外周动脉压力波形的测试分析体系研究

2.1 桡动脉压力波形的时域特征

2.2 对外周动脉压力波形的获取处理

2.2.1 自助式多功能脉搏测量仪

2.2.2 采集的步骤

2.2.3 处理显示

2.3 测试硬件系统

2.4 软件分析体系

2.4.1 嵌入式软件

2.4.2 分析测量软件系统

2.5 本章小结

第三章 桡动脉压力波形重叠的方法计算PTT

3.1 波形重叠的方法

3.1.1 理论与方法

3.1.2 算法的实现过程

3.2 计算PTT结果与分析

3.2.1 样本的选取

3.2.2 处理结果

3.2.3 讨论

3.3 本章小结

第四章 频域重构与差分相结合的方法

4.1 改进频域分析法

4.2 典型外周动脉的功率谱特征

4.2.1 桡动脉

4.2.2 颈动脉

4.2.3 股动脉

4.2.4 足背动脉

4.3 桡动脉频域特征与年龄的关系

4.3.1 样本的选取

4.3.2 结果与分析

4.3.3 相关讨论

4.4 基于频域重构的方法计算PTT

4.4.1 频域重构的思想

4.4.2 算法实现原理

4.5 获取PTT结果

4.5.1 样本的选取

4.5.2 处理结果

4.6 本章小结

第五章 基于多分辨率小波分解的系数重构法

5.1 小波基础理论

5.1.1 小波基函数和小波变换

5.1.2 多分辨率分析

5.1.3 Daubechies小波系

5.2 系数重构法的实现

5.2.1 位置c点的识别

5.2.2 位置e点的识别

5.3 计算PTT结果

5.3.1 样本的选取

5.3.2 三种方法计算PTT结果对比

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 本文主要创新性工作

6.3 未来研究工作展望

参考文献

附录 缩略语表

完成的学术论文及科研工作

致谢