陈婉琳，江 锋，陈新忠，封 英，缪家骏，焦翠翠，陈 杭



脉搏波形态学研究及其在子痫前期的应用

陈婉琳1, 2, 3，江 锋1, 2, 3，陈新忠3, 4，封 英4，缪家骏1, 2, 3，焦翠翠4，陈 杭1, 2, 3

(1. 浙江大学生物医学工程与仪器科学学院，杭州 310027；2. 生物医学工程教育部重点实验室，杭州 310027；3. 浙江省心脑血管检测技术与药效评价重点实验室，杭州 310027；4. 浙江大学医学院附属妇产科医院，杭州 310027)

子痫前期是妊娠20周后出现的特有疾病，会导致血液系统、消化系统、神经系统等的异常改变，严重危害孕产妇和围生儿的健康．针对实际临床中存在的子痫前期检测方法复杂、不便于日常监护的问题，提出了基于光电容积脉搏波提取相关特征参数的方法．根据脉搏波下降支的形态特征及生理意义，提取出了新的特征参数——光电容积斜率指数(PSI)，通过逐段分析下降支斜率来体现外周血管阻力、血管壁弹性等生理信息的细节变化．基于临床采集的50例孕妇(23名为子痫前期患者，27名为正常孕妇)的光电容积脉搏波数据，对PSI指数区分子痫前期患者与正常孕妇的有效性进行了验证．结果表明，真阳性20例，假阳性1例，真阴性26例，假阴性3例，灵敏性和特异性分别达到87.0%和96.3%，准确性达到92.0%．PSI指数为子痫前期的无创诊断研究提供了理论依据和新的研究方法，对于实现子痫前期的早期筛查、保障孕妇和胎儿的健康有着重要意义．

光电容积脉搏波；子痫前期；光电容积斜率指数；形态学

子痫前期是一种在妊娠20周后出现的疾病，通常表现为高血压、尿蛋白，并可能伴有水肿、头痛和腹部疼痛等[1]，是导致孕产妇和围生儿死亡的主要原因[2]．在临床中，子痫前期的诊断主要通过血压和尿蛋白的检测，该方法检测操作繁琐、无法实现实时检测，不利于孕妇的日常监护．子痫前期会导致全身小动脉痉挛、外周血管阻力增加、血管顺应性下降、心输出量减少等，这些病理生理变化会改变脉搏波的波形高度、波形斜率等形态特征．因此，从形态学角度，光电容积脉搏波与子痫前期之间存在着相关性．

目前，已有一些光电容积脉搏波形态学与子痫前期相关的研究．Euliano等[3]研究发现，脉搏波波峰-重搏波波峰时长等参数在子痫前期患者和正常孕妇中差异明显；文献[4-5]研究发现，通过脉搏波传导时间变异性、波峰幅值等参数可预测高血压．但由于研究中存在数据量不足、适用范围有限等问题，这些参数仍未用在临床中．本课题组在光电容积脉搏波形态学研究方面已有一定的基础，提取出了一些新的特征参数，如脉搏波传导时间变异性、下降支衰减常数(QRC)、下降支面积比(ARD)、上升支面积比(ARA)、全周期面积比(ART)、搏动间期(PBI)等已应用于低血压预测[6]、心血管系统状态评估[7-8]、伤害感受监测[9-11]、麻醉深度监测[12-13]等临床研究中，取得了一定的成果．

本文就光电容积脉搏波的形态学进行深入研究和探讨，提取出新的特征参数——光电容积斜率指数，该参数可有效区分子痫前期患者和正常孕妇．

1 光电容积脉搏波的采集与处理

1.1 光电容积脉搏波的形态学特征

光电容积脉搏波(photoplethysmography，PPG)波形由上升支和下降支两部分组成，如图1所示．上升支表示心室快速射血期血液流过指端微血管床的流量变化情况．相比于上升支，下降支则相对更加复杂，段表示心室舒张，血液容积下降．段称为重搏波，表示“血液返流”．

脉搏波的形态特征反映了外周血管阻力大小、心输出量大小等状态．点的斜率表示血容量变化的快慢，外周阻力增大时，下降支前段的斜率较小，下降支后段的斜率较大；点、连接线的斜率表示下降支整体血流量变化快慢的平均水平．本研究将以下降支作为主要研究对象，进行特征参数的提取．

图1  光电容积脉搏波

1.2  光电容积脉搏波的采集及预处理

实验数据由浙江大学医学院附属妇产科医院提供，医护人员通过GE监护仪B650对50名孕妇进行了光电容积脉搏波的采集，其中23名患有子痫前期的孕妇设为实验组，27名正常孕妇设为对照组．处理的原始信号是从监护仪中导出的csv文件数据，采样频率为100Hz．如图2为GE监护仪B650导出的其中一例原始脉搏波数据，横坐标为采样时间，纵坐标为脉搏波相对高度．

图2  GE监护仪导出的脉搏波

1.3  特征点的检测

波峰和波谷是提取的两个主要特征点．

波峰是一个脉搏波周期中的最高点．对于最大值的检索分为两个部分，首先根据一阶导数找到极大值，其次判断该极大值在某个范围内是最大值．实验中通过“搜索窗”函数实现对某个范围内最大值的检索．“搜索窗”是以极大值点为中点的具有一定宽度的“窗”，窗函数返回的是窗内最大值的横坐标．

由于单个脉搏波周期为0.5～1.0s，为保证每个极大值能与其附近至少半个周期范围内的数据点进行比较，实验将搜索窗的宽度定义为0.6s，即检索极大值前后各0.3s范围内的最大值，并返回该最大的横坐标．当最大值的横坐标等于极大值的横坐标时，则说明该极大值为该周期脉搏波的波峰，否则该极大值为重搏波点．

完成所有波峰的检测后，波谷即为相邻两个波峰之间的最小值．

1.4 基线漂移的去除

如图3所示，以一个心动周期为例，将波谷和波谷′连接，记连接两个波谷的线段的斜率为′，记该周期中各点修正后的值为2，2和′满足公式

图3  基线漂移示意

将去除基线漂移的脉搏波起始点归零，得到处理后的脉搏波波形，记为，用于之后新的特征参数 提取．

2  新的特征参数提取——光电容积斜率指数

光电容积斜率指数(PSI)旨在通过逐段分析脉搏波下降支的斜率，体现脉搏波形态变化更多的细节．将光电容积脉搏波下降支分为横坐标相等的10段．由于脉搏波采样率有限，若等分处的横坐标不存在数据点，则向下取最近的点作为代替．这样的取点方法会对特征参数计算产生一定的误差，实验前期已进行评估分析，发现该误差对于最终子痫前期与正常孕妇的分类结果并无影响，如图4所示．

图4  光电容积斜率指数示意

式中：为点0、10连线的斜率；0和0、10和10分别为点1、10的横纵坐标；x、x为点P、P的横坐标，s；Y、Y为点P、P的纵坐标．PSI通过除以值对脉搏波斜率进行了归一化处理．

图5是斜率曲线，绿色曲线表示根据传统斜率公式计算得到的斜率，红色曲线表示归一化后的斜率PSI．从图中可以明显看出归一化后的斜率值PSI更加稳定，降低了个体差异带来的误差．

图5  斜率曲线

3 光电容积斜率指数在子痫前期研究中的 应用

通过光电容积斜率指数，进行区分子痫前期患者与正常孕妇的研究．基于先前的分析，本文选择了PSI1(7)进行了相关研究，如图6是实验组和对照组的PSI1(7)分布曲线，实验组的PSI1(7)分布在1.2～1.4之间，对照组的PSI1(7)分布在1.0～1.3之间，可明显观察到实验组的平均值大于对照组的平均值．

图6  实验组与对照组PSI1(7)分布

表1为PSI1(7)的分析参数的统计结果．PSI1(7)的Mann-Whitney检验值小于0.05，说明实验组和对照组之间的差异有统计学意义．PSI1(7)与子痫前期的相关系数s为0.780，即两者存在较高的相关性．

对PSI1(7)的均值和标准差做进一步分析，如图7所示．图中实验组的平均值明显大于对照组，与前面分析结果相符．同时，相比于子痫前期，正常孕妇数据的标准差相对更大，分布更加离散．

表1  PSI1(7)的分析参数

Tab.1  Analysis parameters of the PSI1(7)

图7  PSI1(7)的平均值和标准差的关系

将PSI1(7)的分析结果与医院诊断结果进行对照．50例数据中，真阳性20例，假阳性1例，真阴性26例，假阴性3例，即灵敏性为87.0%，特异性为96.3%，准确性为92.0%．可见，通过光电容积斜率指数PSI1(7)可有效地区分子痫前期患者与正常孕妇．

4  结 论

(1) 通过光电容积脉搏波的形态学分析，根据下降支的斜率特征提取出了新的特征参数——光电容积斜率指数，用以表征血管壁弹性和外周血管阻力等生理状况．

(2) 实验结果表明，通过光电容积斜率指数可有效地区分子痫前期患者和正常孕妇，为子痫前期的无创诊断研究提供了有力的理论依据和新的研究方法．

(3) 由于子痫前期脉搏波缺乏标准数据库，文中所涉及的临床数据均是本次研究期间在合作医院实际采集得到，实验样本数据量较少．随着研究的推进，数据将不断补充，继而增强实验结果的可靠性，提高子痫前期与正常孕妇分类的正确率．

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Morphology of Photoplethysmography and Its Application in Preeclampsia

Chen Wanlin1, 2, 3，Jiang Feng1, 2, 3，Chen Xinzhong3, 4，Feng Ying4，Miao Jiajun1, 2, 3，Jiao Cuicui4，Chen Hang1, 2, 3

(1. College of Biomedical Engineering and Instrument Science，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2. Key Laboratory of Biomedical Engineering of Ministry of Education，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Cardio-Cerebral Vascular Detection Technology and Medicinal Effectiveness Appraisal，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；4. Women’s Hospital，School of Medicine，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

Preeclampsia(PE)is a disorder that may develop after 20 weeks of pregnancy，which could increase the risk of poor outcomes for both the mothers and the fetuses．Specifically，it could lead to abnormal changes in the hematologic，digestive，and nervous systems．As the diagnostic method of PE used in clinical practice is quite complex，there is an urge demand that a more convenient method should be proposed．In this thesis，a novel parameter extracted from the photoplethysmography (PPG) was proposed to improve the situation above．The new characteristic parameter，photoplethysmography slope index(PSI)，was conducted from both the morphological features and the physiological significances of PPG．By analyzing the slope of a segmented descending curve，the diversity of the PPG was evaluated，which contained detailed physiological information including perivascular resistance and vascular wall elasticity．The ability of PSI to distinguish PE from normotensive pregnancies was also assessed in this thesis．The PSI was contrasted，which were calculated from the PPG data of 50 pregnancies (27 without and 23 with PE)．The results revealed that there were 20 true positives，1 false positive，26 true negatives，and 3 false negatives．The receiver operating characteristic analysis indicated that the PSI could predict PE with a sensitivity of 87.0%，a specificity of 96.3%，and an accuracy of 92.0%．The PSI provided a new noninvasive method for PE diagnosis．It was suggested that PSI might be of significance for early PE screening and for the health of the mothers and fetuses．

photoplethysmography(PPG)；preeclampsia(PE)；photoplethysmography slope index(PSI)；mor-phology

TK448.21

A

0493-2137(2019)08-0857-05

10.11784/tdxbz201807036

2018-07-26；

2019-01-11.

陈婉琳（1994—  ），女，博士研究生，chenwanlin@zju.edu.cn.

陈 杭，ch-sun@263.net.

国家自然科学基金资助项目(81870868).

the National Natural Science Foundation of China(No.81870868).

(责任编辑：孙立华)