一种新型血压脉搏波速度传感器的设计与功能测试

引言

在全球范围内，心血管疾病（CVDs）是导致死亡的首要原因。吸烟、不健康饮食、缺乏身体活动和过量饮酒是心血管疾病最重要的行为危险因素。由此，个体可能发展为高血压、糖尿病、心力衰竭或动脉粥样硬化，其中大多数疾病均与动脉僵硬度的变化相关。动脉僵硬度通常用于表达动脉壁的黏弹性特性，表现为压力变化与容积变化之间的关系 [1]。因此，动脉僵硬度或其倒数即动脉顺应性，是成人人群中预测心血管发病率和死亡率的可靠指标 [2–4]。动脉僵硬度增加的影响是压力脉搏波（PWs）在血管中传播的传播时间缩短，从而导致脉搏波速度（PWV）增加 [5,6]。血管的动脉僵硬度非常重要，因为动脉的弹性壁可衰减每次心跳的收缩期压力波。储存在血管壁中的势能可用于在连续心跳之间的舒张期继续推动血液 [1]。

为了确定动脉僵硬度，金标准是测量脉搏波速度，因为脉搏波在血液中传播的速度与增量弹性模量Einc,vessel、血管壁厚度h vessel 和血管半径r vessel 直接相关，其关系由Moens‐Korteweg方程给出（其中qblood 为血液密度）[7]

$$
PWV = \sqrt{\frac{E_{inc,vessel} \cdot h_{vessel}}{2r_{vessel} \cdot \rho_{blood}}}
$$

脉搏波速度（PWV）是测量脉搏波在身体两个位置之间的平均传播速度。需要注意的是，PWV 并不是血液的流速，而是压力脉冲在流动血液中传播的速度（类似于声波）。PWV 可通过有创和无创方式测量，且具有高度可重复性[8]。在临床实践中，PWV 通常确定为颈动脉‐股动脉路径或肱动脉‐踝动脉路径上的平均速度。根据年龄的不同，健康受试者在颈动脉‐股动脉路径上的 PWV 约为 6–10 米/秒。而在心血管风险患者中，同一路径上的 PWV 可高达 20 米/秒[6,9,10]，约为健康受试者的两到三倍。

临床上已有多种无创测量脉搏波速度（PWV）的技术，例如多普勒超声[11]、张力测量法（SphygmoCor）、振荡测量法（Arteriograph）和压电电子法（Complior）技术 [12]。据我们所知，仅有一组研究人员报告了相对外周的 PWV，即利用霍尔效应和光电容积描记法（PPG）测量手腕和手指之间路径上的平均PWV[13]。这些方法的缺点是需要使用两种独立的设备。这些技术的局限性包括传感器准确定位困难，以及传感器之间的距离与脉搏波实际传播路径长度之间的差异。此外，这些方法并不总是让患者感到舒适；例如，血压袖带动脉造影技术的使用就十分不便。此外，多普勒超声需要经验丰富的操作员来进行测量。临床实践迫切需要一种能够可靠地测量短距离、精确已知路径上PWV的设备，使用一种临床医生已经熟悉的简单技术。该测量最好不需要经验丰富的操作员，应允许连续监测，不应引起患者不适，并且有可能轻松集成到现有的临床监测系统中。

我们设计了一种设备，后文称之为多光电二极管阵列 （MPA），该设备可实现沿12.0mm轨迹的外周无创PWV测量，且避免了当前可用替代方法的缺点。MPA有望通过单一、简单的设备实现舒适测量，且无需高度训练的操作人员。MPA的工作原理基于PPG——一种广泛使用的无创光学技术，用于测量血管的容积扩张和收缩（图1）[14]。当脉搏波峰值通过血管沿线的任意一点时，该点达到最大容积扩张。因此，可通过检测在已知间距的连续点处测得的脉搏波峰值之间的时间差来计算外周PWV。目前尚不清楚在例如手指中测得的这种外周PWV与血管系统其他部位的PWVs的相关性程度如何。然而，为研究这一点，首先应验证MPA是否可用于准确测量外周PWV。如果证明可行，并且与传统测量技术具有良好的相关性，则使用MPA进行PWV测定将为快速、简单的基于PWV的诊断开辟道路，且不会给患者带来任何负担。此外，通过对设计进行一些小的修改，MPA还可用于反射式测量，使其适用于例如颈动脉的无创PWV测量。本研究的目的是验证MPA的功能，更具体地说，是确定MPA是否能准确测量光脉冲在其上传播的速度。

方法与材料

多光电二极管阵列（MPA）

MPA是一种透射式PPG传感器，用于测量PWV，例如通过在短路径上多个点测量手指中的光透射率来实现。PPG传感器元件为一个Si PIN S8558光电二极管阵列（滨松光子学株式会社，日本滨松），包含16个高灵敏度光电二极管，峰值灵敏度波长为960 nm，排列成单行。每个光电二极管的有效面积为0.7 × 2.0 mm。选择具有两个以上光电二极管的阵列，是因为这能够评估光电二极管数量及其之间距离的何种组合可提供最精确的PWV测量。选用16个光电二极管的阵列主要是出于可获得性以及实现研究目标的考虑，该数量的选择较为随意。MPA的光源由两个红色（620 nm）和两个红外发光二极管（880 nm）。这两种波长已知可提供非常好的信号穿透手指并到达光电二极管阵列[15]。来自光电二极管阵列的全部16路模拟信号通过NI‐USB 6229多功能数据采集系统和LabVIEW 2010软件（两者均由国家仪器公司，德克萨斯州奥斯汀提供）转换为数字信号。该数据采集系统具有250kHz采样率和32路模拟、16位输入通道。

验证装置与协议

为了对MPA进行功能验证，构建了一套装置（图2），使激光点以已知且恒定的扫描速度周期性地扫过MPA。使用功率为0.5毫瓦的线偏振实验室氦氖激光器（25‐LHP‐213，Melles Griot公司，加利福尼亚州卡尔斯巴德）提供连续的632.8纳米波长红光激光点，光束直径为0.46毫米（1/e2）。选择该激光器的波长是因为其光谱透射特性类似于使用商用PPG传感器时透过手指的光谱。通过旋转镜使激光点在MPA上进行扫描，旋转镜由步进电机驱动，从而实现激光点在MPA上以不同速度扫描。

使用了四种不同的扫描速度，每种扫描速度进行24次扫描（24次完整的镜面旋转）。这些扫描速度的选择涵盖了在健康人群中通过颈动脉‐股动脉路径测得的脉搏波速度（PWV）正常范围两倍以上的速度，以确保包含在颈动脉局部测量时可能遇到的速度值，并充分探索MPA的潜力。所选的扫描速度分别为12.9、25.8、36.0或46.7米/秒。这些扫描速度通过将驱动镜子的电机设定为相应的转速X，利用关系式预设。

$$
X = \frac{v_{set}}{2\pi \cdot r_{path}}
$$

其中 $v_{set}$ 为所需的扫描速度，$r_{path}$ 为镜面中心到MPA的距离（图3）。为了在整个MPA上实现恒定的扫描速度，需要将$r_{path}$ 设置为较大的1390毫米（图3）。为了避免因增大$r_{path}$ 而需要非常大的空间，在激光束到达MPA之前，使其在两条镜带之间来回折返五次（图2）。因此，MPA上的激光点速度变化仅为约0.0001%。

MPA被放置在一个支架中，该支架允许进行精确的水平、垂直和旋转定位与定向。在MPA的整个宽度上覆盖了一个带有（1.006±0.05 mm）高狭缝的遮罩，以限制激发光电二极管的光量。由于激光点在MPA上的扫描，光电二极管连续接收到强度呈正弦变化且具有明确定义峰值的光脉冲。

MPA处的实际扫描速度（$v_{scan}$（米/秒））取决于设定的X轴和$r_{path}$ 的精度。因此，通过测量光电二极管1在MPA处接收到的信号中连续峰值之间的时间周期T，对每次镜面旋转的$v_{scan}$ 进行持续验证。

$$
v_{scan} = \frac{2\pi \cdot r_{path}}{T}
$$

使用现成的 MATLAB （The MathWorks公司，马萨诸塞州纳提克）函数“Peakdet”[16]检测光电二极管1信号的峰值。

为了不高估MPA的精度，确定并考虑了验证装置和 MPA中四个最关键的公差（T1至T4）。首先，通过以下方式确定了验证装置的扫描速度公差
- T1—旋转镜与MPA之间距离的精度
- T2—旋转镜转速的精度

其次，通过MPA测量的脉冲速度的精度被确定为
- T3—相邻光电二极管之间的距离的公差
- T4—光电二极管接收到的光脉冲峰值检测的精度，主要由数据采集的采样频率（SF）决定

这些公差是根据组件制造商的规格以及所用测量设备的规格确定的。

由于数据采集系统中的多路复用，MPA 数据的实际采样频率取决于被读取的光电二极管数量。为了验证 MPA 在不同采样频率和光电二极管间距下的工作性能，所有扫描速度均使用三种协议各重复24次。
- 协议1：在125千赫兹采样频率下使用两个光电二极管（编号1和16）
- 协议2：在62.5千赫兹采样频率下使用四个光电二极管（编号1、6、11和16）
- 协议3：在15.6千赫兹采样频率下使用全部16个光电二极管

图4显示了当激光点使用协议2对MPA进行单次扫描时测得的信号示例。

数据分析

在获得MPA数据后，使用 MATLAB R2010a进行数据分析并计算速度。激光点（“测量的脉冲速度”）由MPA接收到的信号得出。测量的脉冲速度计算方式为：两个光电二极管之间的距离除以在这些光电二极管测得的信号上检测到的峰值之间的时间差。峰值通过一个现成的MATLAB函数Peakdet [16]进行检测。对于每个协议，对所用的任意两个光电二极管的每种组合均执行此操作。这样可以平均掉由于MPA相对于激光点行进路径可能存在的未对准而导致的MPA上激光点速度的微小变化，以及传感器光电二极管间距离的几何公差（2%）带来的影响。最后，通过对所有24次扫描中所有两个光电二极管组合得到的测量的脉冲速度取平均，计算出平均测得的脉冲速度。

使用协议2获得的数据表明，62.5千赫兹采样频率对于准确测量最高模拟的45.0 米/秒脉搏波速度来说过低。因此，这些数据通过 MATLAB函数“v5立方插值”在时间上进行了插值。v5立方插值函数基于相邻点处数值的保形分段三次插值来确定某一点的插值值。由于考虑了波形的形状，这种方法能够更准确地近似波峰。

对于协议3，15.6千赫兹采样频率过低，无法在任何施加的扫描速度下通过数据采样点拟合出合适的曲线。因此，协议3的数据集被排除在进一步分析之外。对于协议1和2，验证了测得的脉冲速度是否与施加的扫描速度相匹配。

体内 pilot 研究

为了说明MPA在实际应用中的适用性，对第一作者（Marit H. N. van Velzen）作为健康志愿者的右手手指进行了体内初步试验，采用血流介导舒张（FMD）技术[17]，该技术可诱发一氧化氮释放，引起血管舒张，导致血压袖带松开后脉搏波幅度（PWA）增加，同时使脉搏波速度（PWV）降低。荷兰鹿特丹伊拉斯谟医学中心伦理委员会确认，涉及人体受试者的医学研究法案（又称其荷兰缩写 WMO）中的规定不适用于本次体内初步试验。因此，该研究无需进一步审查即可进行。

MPA被放置在右手手指上，并设置为使用协议1。健康志愿者坐在安静房间内的椅子上，双手平放在桌子上，在测量过程中保持平静状态，不说话也不移动。首先，测量1分钟的PWV以获得基线值。接着，将血压袖带（位于上臂）充气至150毫米汞柱压力，以阻断前臂的血流。5分钟后，迅速释放血压袖带。在整个过程中持续测量PWV。释放血压袖带后，继续测量PWV和PWA共5分钟，并每30秒取一次平均值。

结果

功能验证

验证装置的扫描速度公差由以下因素确定
- T1——旋转镜与多光子显微镜之间的距离的精度
- T2——旋转镜速度的精度

旋转镜与多光子显微镜之间的距离公差确定为1%（使用带有安装孔间0.25mm公差的实心铝制光具座）。对于峰值检测，两个最低扫描速度下的精度为61个采样点，两个最高扫描速度下的精度为62个采样点。T1和T2共同导致两个最低扫描速度的扫描速度不确定性为±0.5 米/秒，两个最高扫描速度的不确定性为±1.1 米/秒。表1显示了扫描速度的平均值±标准差。

MPA通过以下方式确定了测量的脉冲速度公差：
- T3—相邻光电二极管之间的距离的公差
- T4—光电二极管接收到的光脉冲峰值检测的精度

制造商对光电二极管1和16之间的距离规定的公差为 ±0.25 mm，覆盖整个12.0 mm的距离。因此，由T3和T4引起的测得脉冲速度的不确定性分别为±0.2%、0.3%、0.5% 和0.6%，对应连续测得的脉冲速度。表1显示使用协议1和2测得的脉冲速度的均值±标准差。

图5显示了扫描速度与测量的脉冲速度之间的相对差异及其变化。当使用四个光电二极管以最高扫描速度时，最大差异为3.0%。对于使用两个光电二极管的协议1，最大差异为1.7%。上述报告的精度均包含了由系统公差引起的额外潜在偏差。

扫描速度 均值±标准差	协议1测量的脉冲速度均值±标准差	协议2 测量的脉冲速度 平均值±标准差
12.9±0.02	13.1±0.16	13.2±0.28
25.8±0.06	25.9±0.14	26.0±0.52
36.0±0.04	36.0±0.11	36.8±0.78
46.7±0.09	46.7±0.19	48.1±1.23

表1 扫描速度和测量的脉冲速度（米/秒）（每个速度下24次扫描的平均值）

讨论

据我们所知，本研究是首个基于单个光电二极管阵列的光电容积描记法来测量脉搏波速度的。所采用的验证装置能够评估在自然发生的压力脉搏波速度范围内及更高范围内的脉冲速度测量的最大技术精度。

扫描速度。用于验证MPA功能的扫描速度相较于健康受试者或患者中通常报道的平均脉搏波速度较高。然而，选择这些速度是为了确保在PWV异常高的患者中也能获得准确的脉搏波速度测量结果，并探索所设计传感器的全部潜力，既可用于主要预期的四肢透射测量，也可用于未来如颈动脉等部位的反射式测量。此外，随着脉搏波速度的增加，测量误差也随之增大，因此所选的速度提供了非常严格的最坏情况验证。尽管公差导致施加的扫描速度存在不确定性，但验证装置已被证明对于我们的目的而言具有足够的准确性。

测量的脉冲速度。在所有扫描速度下，MPA的精度均足以提供可靠结果。在MPA中，测量的脉冲速度的任何不准确原则上可能由以下因素引起： (a) 光电二极管间距的公差，这是一种系统误差，因为光电二极管间距从不改变；(b) MPA 光电二极管的响应时间，这不太可能是造成精度下降的原因，因为所有测量速度下的幅值均相近；(c) 采样频率，其相对效应大小取决于待测脉冲速度。

人们可能会注意到图4中光电二极管16的响应幅值高于其他光电二极管。这种系统性偏差的原因尚未找到，但可能是由于MPA前方激光切割掩模存在微小不规则性所致，这可能导致反射或有稍多的光通过遮罩。然而，无论幅值变化的原因是什么，不同光电二极管之间这种系统性的响应幅值变化不会影响速度计算，因为它不会改变幅值峰值在时间轴上的位置。

MPA显示，在使用两个光电二极管（相距12.0 mm）且采样频率为125 kHz时，能够准确测量高达45.0 米/秒的脉搏波速度（PWV）。当使用四个光电二极管（相距4 mm）且采样频率为62.5 kHz时，MPA可在无需插值的情况下准确测量高达25.0 米/秒的脉搏波速度，在采用插值时可测量高达45.0 米/秒的脉搏波速度。在临床实践中，脉搏波速度不太可能超过20.0 米/秒[6,9,10]。因此，当使用四个光电二极管时，MPA在临床上的应用已具备足够的准确性。与使用两个光电二极管相比，使用四个或更多光电二极管在局部伪影干扰脉搏波形状并阻碍正确检测脉搏波峰值时可能具有潜在价值，这在临床实践中经常被观察到。在这种情况下，可通过忽略返回异常脉搏波信号的光电二极管，并对阵列多个区段测得的速度进行平均，从而提高速度测量的鲁棒性。此外，使用超过两个光电二极管可以研究在短距离路径上脉搏波速度是否发生变化；这可能具有用于确定特定区域是否存在动脉硬化。

当对全部16个光电二极管进行采样时，MPA无法准确测量任何应用扫描速度下的脉搏波速度。由于采样频率（在所有通道上复用）过低，即使经过插值处理，也无法准确提供真实的峰值位置。选择16个光电二极管阵列是出于可获得性考虑，但实际上仅需两个光电二极管即可测量PWV，而使用四个光电二极管则可提高PWV测量的鲁棒性。然而，采用多个光电二极管可能在面对表现出高比例受干扰脉搏波的患者时，最大程度地提升速度测量的稳健性。显然，通过使用更高的采样频率可以改善MPA在16个光电二极管配置下的性能，但这将需要更昂贵的设备。一种在低采样频率下改善测量的方法是采用互相关法而非峰值检测法来确定脉搏波到达不同二极管的时间差。然而，本研究专注于峰值检测方法，因为这是一种简单且易于在多种软件包和分析工具中应用的方法。此外，与互相关方法相比，峰值检测所需的计算能力较少，因此更适合快速的实时测量。

使用两个或四个光电二极管测量的脉冲速度与相应的相比，偏差最多为3.0%。在一项体内研究中，Boutouyrie 和 Vermeersch 测量的PWV在健康志愿者（最佳状态）和心血管疾病患者（II/III级高血压）之间差异超过25%（对于 30岁的人群，平均 PWV分别为6.0 m/s和7.6 m/s）[6]，这再次表明，当使用两个或四个二极管时，MPA能够以足够高的精度可靠地测量临床上可实现的PWV值，从而检测出具有临床意义的PWV变化。通过调整MPA以支持反射式PPG测量，其适用性甚至可以进一步提高。这将使得能够在仅能从单侧接近的位置测量PWV，例如颈动脉。

体内初步试验

为了进一步测试MPA的临床适用性，在作者Marit H. N. van Velzen身上进行了一项体内pilot研究。这些结果与南等人报告的结果相似[13]，即大约0.8米/秒。此外，PWA对FMD的反应与血流介导性扩张测量指南中描述的一致[17]。已知PWA在FMD期间会增加。假设实验过程中其他参数（例如心输出量、心率）保持恒定，则PWV应在 FMD后降低；我们的初步结果与此预期一致。

目前尚不清楚在手指中测得的外周脉搏波速度与传统技术测量主动脉内脉搏波速度的相关程度如何。为了研究这一点，首先必须验证MPA的功能，本研究正是这样做的。传统 PWV测量与外周PWV之间的相关性目前正在研究中。如果两者具有良好相关性，则这种新型PWV测量方法将为快速、简便且对患者负担最小的基于PWV的诊断开辟道路。

结论

本研究结果表明，这种新型的基于光电容积描记法的测量装置能够在临床相关范围内甚至更广的范围内准确且可靠地测量脉搏波速度。与其他PWV测量系统相比，MPA具有一些重要优势，如易于使用、无创和客观的优点。使用MPA不需要经过培训的人员或昂贵的设备，并且允许连续监测。此外，MPA消除了对心电图等其他测量系统的依赖，即可测量脉搏波速度（PWV）。

需要进一步研究，以探讨使用MPA在手指上测量的 PWVs是否可作为评估心血管风险因素——主动脉僵硬度的指标[9]。下一步是研究在健康志愿者和心血管风险患者中，采用短距离路径测量而非目前使用的长距离测量时，PWV的可重复性和变异情况。