光电容积脉搏波的临床应用研究及进展

中华临床医师杂志(电子版)2013年11月第7卷第22期ChinJClinicians(ElectronicEdition),November15,2013,Vol.7,No.22·10244··综述·光电容积脉搏波的临床应用研究及进展朱娟张列亮徐磊【摘要】光电容积脉搏波是借助光电技术在活体组织中监测血液容积变化获得的波形信号。其信号特征中包含人体循环系统、呼吸系统等许多生理病理信息。通过对光电容积脉搏波的各种临床应用研究进行介绍，表明了光电容积脉搏波在血氧饱和度、脉率、心率、呼吸频率、呼吸容积、血压、血红蛋白、血流动力学、循环功能、麻醉应激、动脉硬化等参数的无创监测中具有广泛应用前景。【关键词】光电容积脉搏波；无创ResearchprogressaboutclinicalapplicationofPhotoelectricPlethysmographyZHUJuan,ZHANGLie-liang,XULei.DepartmentofAnesthesia,theAffiliatedNanjingHospitalofNanjingMedicalUniversity,Nanjing210006,ChinaCorrespondingauthor:XULei,Email:[e-mail]【Abstract】PhotoelectricPlethysmographyisakindofwavesignalbymeansofphotoelectricdetectingbloodvolumeinlivingtissue.Thesignalcontainsalotofphysiologypathologyinformationcirculatoryandrespiratorysystemetc.IntroducingallkindsofclinicalapplicationofPhotoelectricPlethysmographyindicatesagoodprospectofapplicationasanon-invasivemethodindetectingoxygensaturation,pulserate,heartrate,respiratoryfrequency,bloodpressure,respiratoryvolume,hemoglobin,bloodflowdynamics,circulatoryfunction,stressofanesthesia,atherosclerosisandotherparameters.【Keywords】Photoelectricplethysmography;Non-invasive光电容积脉搏波是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动变化的原理，利用光电手段获得的波形信号。其信号特征主要由心血管状态决定，又受检查环境如呼吸、温度、心理状态等影响。因此，光电容积脉搏波波形信号包含了人体大量病理、生理信息。通过对光电容积脉搏波波形信号变化的研究，可以实现对心血管、呼吸、心理等进行无创连续检测。由于这一检测方法具有操作简便、性能稳定、安全可靠、无创、适应性强等优点，受到国内外医学界及工程界的重视，近年来对光电容积脉搏波的临床应用进行了大量研究。本文就光电容积脉搏波的临床应用及进展进行了综述。一、血氧饱和度无创监测光电容积脉搏波最初的临床应用就是无创血氧饱和度监测。早期的透射式光电容积脉搏波测量血氧饱和度在临床上应用较广泛，由于受安装位置和人体运动状态的限制，不适合便携式实时监测。Keisuke等[1]研究了反射式光电容积脉搏波测量血氧饱和度。早期血氧饱和度监测应用于外周组织，最初为耳垂电极，后发展到指端电极、额用电极。Sygino等[2]研究发现正常灌注条件下额用电极与指端电极测量血氧饱和度无差异DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-0785.2013.22.096基金项目：南京医科大学科技发展重点基金项目（07NMUZ041）；南京市医学科技发展资金资助作者单位：210006南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）麻醉科通讯作者：徐磊，Email:[e-mail]性，在低灌注的情况下额用电极较指端电极反应快、灵敏度。Hauke等[3]设计了一种运行大功率三元LED传感器的控制单元，具有电功高流通性，并能调节合适的LED汇集时间。应用数控模拟调光技术为LED选择正确波长，可以穿透不同的人体组织。应用高分辨率的数字模拟转换器作为传感器模块可准确接收数据。从而测量深部组织血氧饱和度。国内廖国杰等[4]研究亦显示通过改变光强可以实现检测组织不同层次的血氧饱和度。二、脉率和心率无创监测脉率和心率监测是光电容积脉搏波基本应用之一。最常见于床边的监护仪器，广泛应用于手术室、重症监护室、急诊室等。脉率和心率作为重要的人体生理参数具有重要监测意义。常规监测仪较为笨重、复杂，不便于携带。刘宸[5]基于光电容积脉搏波原理，采用MSP430系列单片机设计了一种便携式指端脉搏仪，可以存储回放脉搏波形、心率、脉率，并可设置脉率上下限，进行门限报警，实时监护。颜拥军等[6]利用反射式光电容积脉搏波，采用uPSD3234单片机，及匹配滤波处理技术，可获得无创数字化心率，这一技术已广泛应用于健身跑步机中。柴波等[7]采集日常使用鼠标时的指端脉搏波信号，设计了可监测脉搏波和心率的鼠标，将健康监测与日常生活融为一体。除了应用于人体监测，光电容积脉搏波还可应用于科学研究中的实验动物脉率和心率监测。吴艳茹等[8]采用MB-6型鼠尾脉搏波传感器设计了小动物无创监测仪，可方便、可靠地无创监测大鼠、小鼠清醒状态下的心率，准确记录小动物存活期，为药理和毒理实验中记录小动物心率和存活期提供了一种简中华临床医师杂志(电子版)2013年11月第7卷第22期ChinJClinicians(ElectronicEdition),November15,2013,Vol.7,No.22·10245·单、实用的检测方法。三、呼吸频率及呼吸容积无创监测呼吸频率及呼吸容积是呼吸系统重要生理参数。随着通气变化，脉搏波的基线及搏动发生波动变化。脉搏波信号功率谱中包含与呼吸频率相关的峰值及呼吸诱发强度变化信息（respiratory-inducedintensityvariations，RIIV），其反映由呼吸引起的静脉回流到胸廓和右心时的变化[9]。因此可通过脉搏波监测呼吸频率及呼吸容积。相较于传统呼吸监测方法，可无创，实时快速监测呼吸变化。临床上常用测量呼吸频率的方法包括阻抗法、直接测量呼吸气流法和气道压力法等[10]。如何利用脉搏波信号解调出呼吸频率，国内外进行了大量研究，主要方法有数字滤波法、小波变换法和功率谱法。Nilsson等[11]采用通带为0.1～0.3Hz的三阶巴特沃斯滤波器从脉搏波中解调出呼吸频率，获得的结果和用常规方法得到的结果相比相差0.5次/min。Addison等[12]用Morlet小波对脉搏波进行小波变换分析，测量呼吸频率，结果和常规方法测得的呼吸频率相比较存在1次/min的误差，这种误差可能与基波的选择有关。李文彪等[13]采集人体指端的脉搏波，采用经验模式分解法，从功率谱中提取人体呼吸波信号，测量呼吸频率。朱慧等[14]通过计算脉搏波波峰的差分波形，找出差分波峰的间隔时间差，做傅里叶变换，发现这样得到的呼吸率的准确率大大提高，平均误差率只有3.3%。理论显示每一次正压呼吸，静脉回流回心血量受阻，导致心输出量暂时减低。当患者血容量降低时，随着静脉压降低，正压通气对动脉压的影响则加大，其对脉搏波也具有相似影响。因此，观察脉搏波的呼吸性变化有助于监测隐蔽性出血及由此产生的低血容量[15]。四、无创连续血压监测利用容积脉搏波监测血压是除血氧和脉率外的重要研究方向。利用容积脉搏波建立与血压的关系，目前有两种研究方向。一是根据容积脉搏波和压力脉搏波之间的转换关系得到血压；二是利用脉搏波传导时间测量血压。前者无法摆脱充气袖带的束缚和压力不断变化对人体的影响，后者是近年来出现的新思路[16]。丁有得等[17]采用指端一点检测脉搏波传导时间的方法，减少了测量过程中传感器对受试部位影响，提高了舒适性和方便性。梁永波等[18]提出了数据分割与区间搜索的传导时间提取算法计算脉搏波传导时间，结果显示测得血压与水银血压计测得的血压具有较好的一致性。同时研究中发现，脉搏波传导时间每变化1ms，血压变化约1mmHg，因此脉搏波传导时间的采样率决定了最终血压结果的准确性。五、无创连续血红蛋白监测研究显示[19]利用容积脉搏波得出的血红蛋白含量与血气分析得出的得出的血红蛋白含量有显著相关性，相关系数为0.98。动脉血气分析是侵入性的、间断的、耗时的，对于小儿患者技术难度较高，而容积脉搏波可实现无创连续监测血红蛋白。由于脉搏波信号易受干扰，获得高信噪比的脉搏波信号是实现无创血红蛋白精确测量的前提[20]。目前，光谱去噪常用的算法主要有Savitzky-Golay平滑、移动窗口平滑、傅里叶变换和小波变换等。其中平滑方法可以有效去除高频噪声，提高数据信噪比，但容易造成信号失真；傅里叶变化方法以信号不变的频率特性为前提，主要应用于平稳信号的去噪处理；小波变换方法虽然对非平稳信号有良好的去噪效果，但运算复杂，实现速度较慢。樊亦辰等[20]以平滑算法为参照，应用EMD算法去除光谱噪声有效提高脉搏波信号信噪比，无创测量血红蛋白，预测相关系数由0.74提升到0.87。六、无创血流动力学及循环功能监测脉搏波波形变化是估测血容量及前负荷改变的敏感指标，脉搏波包括心脏泵血的快波（血液自主动脉根沿血管壁推至终末动脉）和呼吸波形的慢波（反映通气变化所致胸内压变化至外周），慢波上的切迹类似于动脉波上的重搏切迹。研究显示[21]在正压通气时动脉收缩压变化（SPV）及其下降幅度（dDown）与脉搏波波形变化（SPVplet）及其下降（dDownplet）呈显著正相关，可有效估测肺小动脉楔压（PAWP），甚至较PAWP更能准确地反映左室舒张末容积（LVEDV）的变化。脉搏波的振幅变化（ΔPOP）已被证实与脉压（ΔPP）有显著相关[22]，对心脏前负荷的变化较为敏感[23]，可以精确预测机械通气患者的流体反应[24]。容积变异指数（PVI）是测量一段时间内脉搏波振幅的最大最小值，并计算两者之间的百分数差。Cannesson等[25]研究发现PVI与ΔPP、ΔPOP与ΔPP、PVI与ΔPOP均显著相关，相关系数分别为0.72、0.86、0.92；PVI＞11.5%可以预测ΔPOP＞13%，具有很好的灵敏度（93%）和特异度（97%）。Fu等[26]对55例肿瘤切除术的全麻患者测量了术中心搏量变化（strokevolumevariation，SVV）、容积变异指数（plethvariabilityindex，PVI）、中心静脉压（centralvenouspressure，CVP）、心脏指数（cardiacindex，CI）、每搏指数（strokevolumeindex，SVI）；ROC结果显示SVV、PVI曲线下面积高于CI、CVP，SVV与PVI两者之间无统计学差异，SVV、PVI更适合预测术中患者血流动力变化及流体反应性。张伯英[27]对110例骨科手术患者进行术中监测，发现指端脉搏波不同峰形波形组合反映不同的循环功能状态；通过截取脉搏波波峰形态和血流曲线上Y1、Y2、Y3三个特征参数，将主波峰Y1大致归为五种形态：锐锋l、锐锋2、前钝后锐峰、钝固峰、前锐后钝峰，发现其动态变化与小动脉和微动脉的紧张性和弹性直接相关，Y1、Y2、Y3三个特征参数值的动态变化在一定范围内与失血量及失血速度密切相关。七、无创麻醉应激监测研究显示随着交感兴奋性的增加，动脉压显著增高，在这过程中，脉搏波振幅通常是降低的。通过建立一个测量基线，脉搏波振幅可用来测量交感紧张性[28]。脉搏波的一个潜在的利用价值就是作为交感反应的指示器[29]。对于麻醉过程中接受伤