基于生物電阻抗技術的脈搏波速度測量及血管年齡估算

沈 潔，過曉星，萬 聰

（1.江蘇聯合職業技術學院無錫機電分院，江蘇 無錫 214000 ；2.無錫思內爾網絡科技有限公司，江蘇 無錫 214000；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210000）

在當今社會的高壓、快節奏環境下，由心血管疾病引發的猝死、高血壓等問題逐漸年輕化、普遍化，嚴重影響著人們的生活質量和壽命。主動脈僵硬度更是原發性高血壓患者心血管死亡率和致命性中風的獨立預測因子[1]。研究表明，脈搏波傳導速度PWV（Pulse Wave Velocity）與心血管疾病的風險息息相關。脈搏波傳導速度是血壓脈搏通過循環系統（通常是動脈或動脈總長度）傳播的速度。尤其是臂踝脈搏波速度（baPWV），作為評估動脈硬化和血管彈性的重要指標，可以為心血管健康狀況提供有價值的信息。PWV 蘊含著豐富的心血管信息，對心血管狀態、年齡的評估起著決定性作用，并且對動脈僵化進行預測與預防，延長動脈硬化的推進甚至逆轉都有著巨大的作用[2]。

傳統PWV 測量多使用多普勒超聲波、BCG 心波動測量法等。其都具有測量步驟繁雜、測量不便攜等問題，必須將傳感器放置在身體的特定動脈上，如頸動脈或股動脈，來測量PWV。近年來，隨著科技的進步，生物電阻抗技術作為一種非侵入性的生物信息獲取方法，逐漸受到重視，并在醫療領域的多個場景得到應用。生物電阻抗是表征人體組織或者體液對交變電流阻礙作用的物理量。其通?？梢越柚糜隗w表的電極系統，向檢測對象送入一微小的交流電流或電壓，通過測量響應電壓，根據伏安法計算得到。根據不同的應用目的，可獲取相關的生理和病理信息，生物電阻抗技術具有無創、無害、廉價、操作簡單和功能信息豐富等特點[3]。

本文旨在基于生物電阻抗技術，開發一種測量脈搏波傳導速度并估算血管年齡的方法。結合傳統體脂秤的傳感器，利用生物電阻抗技術所測量的電流數據，推斷出血液流動情況，進而計算脈搏波速度。通過對大量人群的脈搏波數據進行分析，從而建立脈搏波模型，用以估算血管年齡。

1 生物電阻抗測算脈搏波速度

1.1 數據采集

本文以185 位不同性別和年齡的代表性健康人作為實驗測試對象，進行所需的數據采集。

首先，分別采集他們各自的年齡、身高、身體質量指數BMI、舒張壓、收縮壓和臂長數據，如表1 所示。為了后期更好地對比基于本文方法測得的baPWV 值與實驗對象的實際baPWV 值，此處還需要先用傳統方法來測試受試者的baPMV 值。得到的結論是，92 位男性受試者的實際baPMV 平均值約為1 297±230 cm/s，而其余93 位女性受試者的實際baPMV 平均值約為1 197±231 cm/s。而為了后期測算心血管年齡的需要，還需要收集每位受試者的踝肱指數(ankle brachial index, ABI)。

其次，采集實驗對象在一定時間段內的體重數據。人體在心臟搏動時，體脂秤采集的體重數據實際上并不是一成不變的，而是會產生微小的體重差異變化，如圖1 所示。標準體脂秤作為健康監測工具，內置有很多高度敏感的傳感器。正是這些高靈敏度傳感器，可以捕捉并記錄到心臟搏動周期內一系列微小變化的體重數值。很顯然，所采集到的體重數據也是隨著心臟搏動而呈周期規律變化的，從而可以人為擬合出隨時間變化的體重波形，如圖2所示。

圖1 心臟搏動會引起體脂秤體重數據測量的微小變化

圖2 實驗擬合出的隨時間變化的體重及阻抗波形

最后，采集實驗對象在一定時間段內的生物電阻抗數據。由于心臟搏動時血液流經身體及四肢，從而由身體的舒緊及流動的波動導致四肢生物電阻抗值的相應微小變化，如圖3 所示的臂肱阻抗ZRA、ZLA和腳踝阻抗ZRL和ZLL。要測量這些生物電阻抗值，可以利用八電極體脂秤，四肢每個部位各分配兩個電極構成電回路就能進行測量。當在體脂秤電極間施加恒定電壓，通過測量各部位響應電流，就能進而計算得出各部位的電阻抗值。

表 1 185 位健康人所測身體數據

圖3 血液流動會引起生物阻抗值的微小變化

和體重數據類似，所采集到的臂肱阻抗數據和腳踝阻抗數據也是隨著心臟搏動而呈周期規律變化的，從而可以人為擬合出隨時間變化的臂肱阻抗波形和腳踝阻抗波形。這兩種阻抗波形周期大小一致，只是波形振幅大小和相位不一樣。圖2 中僅顯示了其中一組腳踝或臂肱生物電阻抗波形。

1.2 統計分析

中國醫療保健國際交流促進會難治性高血壓與周圍動脈病分會專家共識起草組[4]提出，baPWV=[ 踝- 主動脈瓣距離（La）- 肱- 主動脈瓣距離（Lb）]/ 踝- 肱動脈的壓力波波足時間差（ΔT）。主動脈根部與測量點間的血管距離可以按身高通過固定函數式推算，而時間差則可通過生物電阻抗技術所取得的阻抗與體重波形之差來計算取得。

1.2.1 踝-肱動脈的壓力波波足時間差ΔT

由于體重和生物電阻抗的數據波動都是由心臟搏動引起的，不難分析出，體重波形和阻抗波形應該是周期和形狀相似的波形，圖2 中的兩條擬合曲線也正是驗證了這個結論。然而這兩條擬合曲線在時間軸上并不重合，而是存在一定的時間差。這個時間差正是體現了血液從心臟流動到四肢（手腕或腳踝）所需要的時間Δt。為了便于計算，這里假設體重和阻抗這兩條曲線相鄰周期中的波峰時間點分別為T1和T2，由此可以通過式（1）計算出血液從心臟流動到四肢的血液流動時間Δt。

分別將臂肱阻抗波形和腳踝阻抗波形與體重波形進行比對，得到Δta（踝- 主動脈瓣時間）和Δtb（肱-主動脈瓣時間），則踝-肱動脈的壓力波波足時間差ΔT如式（2）所示：

1.2.2 踝- 主動脈瓣距離（La）- 肱- 主動脈瓣距離（Lb）

一般人體的心臟位置都相對固定，通過對其中部分受試者進行比例測試，得到結論為，人體心臟到腳踝的距離與身高的比值約為0.69，而心臟到手腕的距離與身高的比值約為0.39。因此，可經由每位受試者的實際身高H，通過式（3）和（4）分別計算獲得心臟到腳踝距離的近似長度La和心臟到手腕距離的近似長度Lb。

因此，可以通過公式（5）和（6）分別得到La-Lb和baPWV：

至此，基于生物電阻抗技術的臂踝脈搏波傳導速度就測算出來了，然而測算數據的準確程度就取決于實驗測量值與真實值之間的誤差大小了。表2中列出了這185 位受試者的基本身體數據情況，最后兩行數據分別顯示了受試者的實際baPWV 和實驗baPWV 的統計均值。

表 2 185 位健康人baPWV 統計均值

由實際baPWV 和實驗baPWV 數據計算可得，92 位男性受試者baPWV 的相對誤差僅為1.8%，93 位女性受試者baPWV 的相對誤差約為3.2%?？梢?，本文基本生物電阻抗技術測量的脈搏波傳導速度的準確率還是很高的，可以滿足用戶便攜性、日常性測量PWV 的要求，實現了生物電阻抗技術測量PWV 的方法創新。

2 由PWV 對血管年齡進行估算

2.1 統計分析

脈搏波的形成與動脈系統和心臟有很大的相關性，脈搏波傳播速度、血管阻力、心率等對脈搏波形成有決定性的影響。脈搏波的形態、速率等方面的綜合數據是評價人體心血管系統生理、病理狀態的重要依據。研究表明，PWV 一定程度上受心率、血管情況等的多方面影響，同樣也在一定程度上表明了血管狀態。本文將根據由生物電阻抗技術所測算的臂踝脈搏波速度（baPWV）與身體年齡進行關聯，實現對血管年齡、血管情況和老化程度的評估與測算。目前已經有了一套較為成熟的baPWV估算血管年齡（age）的方法[5]：

在此基礎上，為了使血管年齡的估算更具有準確性和普遍性，島倉淳泰等[6]提出了可同時根據用戶輸入的踝肱指數（ABI）數據來結合估算，將受試者實際年齡、baPWV 數據進行擬合。

首先，收集男、女性受試者的ABI 平均值數 據（ABIavg）， 其 中，ABIavg(Male) 為1.07 ,ABIavg(Female) 為1.03。其次，將每位受試者的實際年齡記為age1，實際ABI 值記為ABI1。最后，計算其中同一年齡測試對象的ABI 平均值，記為ABI2，即用戶實際年齡對應的ABI 轉換值；此時ABI2對應的年齡記為age2，即用戶實際ABI 對應的年齡轉換值。這樣可以通過式（9）計算得到每位受試者的ABI 估算系數k。

通過實驗計算，可分別得到男性和女性受試者的平均估算系數k，，其中k，(Male) 為 11.2 ,k，(Female)為13.7。將k，與用戶ABI1與ABIavg差的絕對值相乘，即得到了用戶相對血管年齡差值，實現了通過用戶實際ABI 對血管相對年齡（age）的大致估算，得到改進公式（10）和公式（11）。

2.2 公式驗證

動脈硬化是增大脈壓、加快PWV 的重要因素，同時導致了動脈硬化的惡性循環。實驗中進一步測試了5 位高血壓患者的動脈情況，將其ABI 值和由本文方法所測算的baPWV 值代入式（10）和（11）公式進行測算，其血管年齡統計分析如表3 所示。經由表3，發現高血壓患者的血管估算年齡均大于其實際年齡，且相差年齡均高于9 年。

血管的彈性在一定程度上決定了脈搏波的傳導速度。年輕人的血管彈性較好，脈搏波能夠在血管內迅速傳播，而隨著年齡的增長，動脈硬化使得脈搏波傳導速度變得更快，因此在一段確定的距離內，脈搏波傳導所需的時間縮短[7]。這種變化反映了血管的衰老和硬化，因此脈搏波傳導速度成為了評估血管健康狀況的重要指標之一。

表 3 5 位高血壓患者血管年齡的測試情況

3 結論

早期發現和監測動脈硬化的變化對于預防心血管疾病至關重要。雖然傳統的心血管評估方法可以提供有關心血管健康的信息，但往往需要復雜的檢查設備和程序，以及專業醫生的解讀。而基于生物電阻抗技術測量脈搏波傳導速度并估算血管年齡的方法提供了一種更為便捷和可行的選擇。本研究成果具有重要的臨床意義和應用價值。通過采用無創、簡便的方法進行心血管健康評估，即可以在家庭和社區環境中開展血管年齡的監測，提高公眾對心血管健康的關注和認知。同時，這項研究也為快速篩查心血管風險、早期干預和定制化治療提供了新的途徑。