上肢脉搏波传导速度与脉图参数关联性研究

王珏 ，荆聪聪 ，崔骥 ，胡晓娟 ，李勇枝 ，许家佗

1.上海中医药大学中医学院，上海 201203； 2.上海市第七人民医院，上海 200137；3.上海中医药大学中医健康服务协同创新中心，上海 201203；4.中国航天员科研训练中心，北京 100094

近20 年来，全球范围内血管老化患病率快速增长[1]，我国血管老化患病率（40.8%）高于欧美地区（27.5%）[2-4]。血管硬度增加是心血管病发生、发展的病理基础[5-6]，同时会诱发周围血管硬化性疾病[7]。早期评估血管硬度是降低心血管及外周血管疾病的重要措施[8]。脉搏波传导速度（pulse wave velocity，PWV）作为评估血管弹性的经典无创指标，其值为心脏射血产生的脉搏波沿血管壁传导距离（ΔL）与传导时间（Δt）的比值，PWV越大表示血管硬度越高[9]。多项研究表明，臂踝脉搏波传导速度（brachial-ankle pulse wave velocity，baPWV）与中央主动脉僵硬程度高度相关[10-11]，其值反映胸主动脉、腹主动脉和部分下肢动脉的综合硬度[12]。由于全身血管弹性与循环特征分布并不均匀[12]，因此，局部外周动脉硬度评估及其与主动脉硬度的关系受到关注[13-15]。

中医学认为，心、脉是产生脉象的主要器官，现代中医脉诊通过脉搏波分析将传统脉象量化为脉图参数，其值综合了心脏射血活动和脉搏波沿血管树传播途中携带的各种信息，如心脏射血功能、动脉顺应性和外周阻力等，与PWV指标有一定共性[16-19]。目前同步四肢血压与baPWV测量缺少前臂与指端动脉血管硬度信息，并且当双侧上肢动脉狭窄程度相似时诊断有一定局限性[9，12]；脉搏波分析作为传统中医脉诊与现代医学的结合点，是传统脉诊走向现代化的发展方向。因此，本研究旨在探究基于脉图-心电的上肢脉搏波传导速度（upper-limb pulse wave velocity，ulPWV）特征分布，并联合baPWV探究人体不同动脉段PWV与脉图参数的关系。本研究经上海中医药大学附属曙光医院伦理委员会审批（2018-626-55-01）。

1 临床资料

1.1 纳入标准

①年龄20～79岁；收缩压＜140 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa）且舒张压＜90 mm Hg，无高血压病史、未服用降压药物；②空腹血糖＜6.1 mmol/L，且无糖尿病病史、未服用降糖药物；③经B超、胸腹部CT、血常规、尿常规、心电图等检查无严重疾病；④自愿参与本研究，并签署知情同意书。

1.2 排除标准

①体检基础信息不完善者；②经动脉硬化检测仪测定或疑似下肢动脉阻塞者；③妊娠或哺乳期妇女；④佩戴或安装动脉支架、心脏起搏器或动态血压监测等电子设备者。

1.3 一般资料

选择2017年10月-2019年3月太仓市第一人民医院和上海中医药大学附属曙光医院体检中心的体检人群。共收集符合纳入标准且有完整双侧多重信号波形和baPWV数据的健康人82名，其中男性37名、女性45名。研究人群基本资料及血流动力学指标见表1。

表1 82名健康人基本资料及血流动力学指标（±s）

表1 82名健康人基本资料及血流动力学指标（±s）

指标年龄/岁身高/cm体质量/kg体质量指数（BMI，kg/m2）收缩压/mm Hg舒张压/mm Hg脉率/（次/min）平均baPWV/（cm/s）平均踝臂指数（ABI）数值41.27±10.24 165.51±8.22 63.40±11.62 22.99±2.79 116.73±10.39 70.40±8.76 69.60±7.59 1 217.50±174.54 1.10±0.07

2 方法

2.1 多功能脉诊信息采集

在安静且室温恒定的动脉硬化检测室进行，测试时间为上午7:30-11:00。采集前嘱体检者休息10 min以保持心率、血压等平稳，再仰卧于动脉硬化检查床，双手置于身体两侧，手掌自然朝上。利用欧姆龙动脉硬化检测仪（型号BP203-Ⅲ，日本）采集受试者双侧baPWV和ABI。采集baPWV和ABI的过程中，录入受试者基本信息至多信号脉搏波采集软件SG3Demo4.0，待动脉硬化检测结束后，将心电图（ECG）电极片贴于受试者双前臂内侧及左手外侧，待心电信号波形清晰稳定后，将光电传感器夹于受试者一侧食指，观察指端信号波形稳定清晰后，将压力传感器分别置于桡骨茎突旁桡动脉和肱动脉搏动点，调整传感器至脉搏波最明显处用绑带固定，观察多信号波形同时稳定后采集1 min，再采集对侧上肢波形信号并保存数据，过程中要求受试者保持安静、无动作。多信号脉诊仪SG3Demo4.0分为压力波通路（肱动脉、桡动脉）、心电信号通路、指端容积波通路，上肢各部位波形信号示意图详见本文OSID码。

2.2 多信号波形数据提取脉搏波传导速度及脉图参数

由Matlab2016a软件读取原始波形，人工选取受干扰较小、稳定的多重波后进行数据预处理，包括去噪声和归一化，提取为较平滑的心电信号、指端容积波及肱动脉、桡动脉压力波波形数据；再利用二阶导最大值&相交切线算法[13-14]确定波形起始部特征点及ECG-R波最高点，考虑到单个心动周期的不稳定性，计算连续5 个心动周期的波形时间差均值，具体为ECG-R波至肱动脉、桡动脉、指端波形起始部的时间差，以及肱动脉、桡动脉和指端信号两两波形起始部的时间差。通过卷尺直接测量2个波形测量点间的体表长度以获取传导距离，根据PWV=ΔL/Δt计算得出6种ulPWV。经过预处理并分割的桡动脉波形数据，再经由香浓能量包络线和希尔伯特变换[20]提取脉图量化参数。

2.3 分析指标

2.3.1 上肢与臂踝脉搏波传导速度

主要采集分析6种ulPWV，包括心臂脉搏波速度（heart-brachial PWV，hbPWV）、心桡脉搏波速度（heart-radial PWV，hrPWV）、心指脉搏波速度（heartradial PWV，hfPWV）、臂桡脉搏波速度（brachialradial PWV，brPWV）、臂指脉搏波速度（brachialfinger，bfPWV）、桡指脉搏波速度（radial-finger PWV，rfPWV）及baPWV，单位均为cm/s。由于下肢压力传导动脉狭窄影响baPWV反映动脉硬度的真实性，参考ABI 1.0～1.39为正常范围，0.91～0.99为可疑狭窄，≤0.9 可诊断下肢动脉疾病[12]，本研究利用ABI排除可能下肢动脉狭窄者（即纳入者ABI均在正常范围），纳入的上肢PWV指标列表及示意见表2、图1。

图1 上肢PWV指标波形信号测量点示意

表2 ulPWV指标列表

2.3.2 脉图参数

参考《现代中医脉诊学》[21]脉图时域分析指标，考虑脉图参数的结果稳定性，选取如下脉图参数：h3/h1反映血管壁的顺应性和外周阻力，h4/h1反映外周阻力高低，h5/h1反映主动脉顺应性和主动脉瓣功能情况，w/t与血管外周阻力、动脉弹性相关，t1/t与心脏射血功能相关，（t4-t1）/t 与心脏射血功能相关。t4/t5与心率、血管张力相关，通过以上指标反映动脉顺应性、血管弹性、血管外周阻力及心脏射血功能。

2.4 统计学方法

采用SPSS26.0统计软件进行分析。计量资料以±s表示。健康人左右侧ulPWV数据基础分布采用M（Q1，Q3）、总体标准差（σ）表示，变异系数（CV）=标准差÷平均值×100%，不同PWV指标左右侧比较采用配对样本t检验。不同PWV指标进行双变量相关分析，数据符合正态分布用Pearson相关，不符合正态分布采用Spearman相关；不同PWV指标与脉图参数相关性采用典型相关分析。P＜0.05表示差异有统计学意义。

3 结果

3.1 健康人左右侧上肢不同起止点脉搏波传导速度分布情况

82 名健康人左右侧6 种ulPWV 数据分布情况见表3。可见，以ECG 信号作为起始点的hbPWV、hrPWV和hfPWV数据离散度小于其余3种ulPWV，提示ECG 关联的3 种ulPWV 数据稳定性较好，其中hrPWV的CV最低。以肱动脉、桡动脉分别为起始点的3种ulPWV离散度较大，提示这3种ulPWV可能存在不稳定性，并且研究ulPWV有必要结合上肢动脉结构生理考虑。

表3 82名健康人左右侧上肢不同起止点PWV离散趋势

3.2 健康人左右侧脉搏波传导速度比较及变化趋势

82名健康人双侧baPWV测量值差异有统计学意义（P＜0.05），见表4。左侧大于右侧，提示以baPWV评估的主动脉及下肢动脉硬度左侧高于右侧。而左右侧ulPWV 差异均无统计学意义（P＞0.05），提示不同ulPWV对应的健康人左右上肢动脉硬度相近，一定程度可相互替代，并且相较于臂踝段动脉而言，上肢动脉可能不容易出现左右侧的差异。同时，左右侧ulPWV均小于baPWV，提示上肢任意段动脉硬度可能都低于主动脉及下肢肌性动脉硬度，并且baPWV至ulPWV及不同ulPWV间存在变化趋势。

表4 82名健康人左右侧臂踝和上肢PWV比较（±s，cm/s）

表4 82名健康人左右侧臂踝和上肢PWV比较（±s，cm/s）

指标baPWV hbPWV hrPWV hfPWV bfPWV brPWV rfPWV左侧1 226±1831 209±16917±532.9 323±47317±477±511.1 427±55424±593±620.4 438±75425±7513±861.3 630±186656±228-88±420-0.9 848±274936±326-26±239-1.9 458±202428±19030±2291.1右侧差值t值45 93 69 82 99 04 88 P值0.004 0.236 0.640 0.171 0.321 0.060 0.238

结合图2 可知，健康人左右侧均呈现baPWV 至ulPWV下降且不同ulPWV间有相似的变化趋势，其中baPWV与hbPWV差异最大，与brPWV最为接近，说明baPWV主动脉及下肢硬度高于hbPWV主动脉及肱动脉硬度，同时接近brPWV前臂肌性中小动脉硬度，与主动脉至外周动脉弹性的变化规律一致[22]。上肢包含主动脉弹性的hbPWV、hrPWV和hfPWV两侧均小于反映或包含前臂肌性动脉硬度的brPWV与bfPWV，而反映手部末梢微动脉循环的rfPWV介于hbPWV与brPWV之间。提示PWV与其对应的弹性大动脉、肌性中小动脉或微小动脉等血管硬度密切相关[23]，且结果可能受传导速度快、传导距离短的测量误差影响[13]。

图2 82名健康人左右侧臂踝和上肢PWV变化趋势

3.3 健康人不同脉搏波传导速度与脉图参数典型相关分析

3.3.1 臂踝及上肢脉搏波传导速度间两两相关性

表5 显示，相关性研究显示健康人baPWV 与ulPWV 无明显相关性，不同ulPWV 不同程度相关，hbPWV分别与hrPWV、hfPWV正相关（r=0.658，r=0.456，P＜0.01），与brPWV 负相关（r=-0.249，P＜0.05），hrPWV与hfPWV正相关（r=0.503，P＜0.01），hfPWV 分别与brPWV、bfPWV、rfPWV 正相关（r=0.248，P＜0.05；r=0.716，r=0.670，P＜0.01），bfPWV与rfPWV正相关（r=0.741，P＜0.01），这可能与不同ulPWV对应的上肢动脉段存在重合有关，因此有必要提取代表性指标，并且关联桡指段动脉硬度的ulPWV间相关系数最高，提示手部末梢循环的血管硬度指标有其特异性。

表5 82名健康人臂踝及上肢PWV相关性分析

3.3.2 典型相关系数的显著性检验

健康人右侧脉图参数（见表6），与同侧baPWV及ulPWV作典型相关分析。由表7典型相关系数检验结果可知，只有第一典型系数λ1在α=0.05的水平下有统计学意义（λ1=0.612，P=0.004），因此只选取第一对典型相关变量，因此认为不同段PWV集合U与脉图参数集合V存在相关性。

表6 82名健康人脉图参数（±s）

表6 82名健康人脉图参数（±s）

变量Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7比值指标0.56±0.12 0.32±0.09 0.04±0.08 0.19±0.04 0.20±0.06 0.82±0.06 1.82±1.06参数h3/h1 h4/h1 h5/h1 w/t t1/t t4/t5（t4-t1）/t

表7 不同PWV与各脉图参数的典型相关系数

3.3.3 典型变量的权重系数及表达式

根据标准化典型相关变量结果，列出PWV指标与脉图参数的第一典型变量（U1、V1）的表达式为：

U1=-0.825X1-0.834X2+0.771X3-0.115X4-0.244X5-0.406X6+0.573X7。

V1=-0.751Y1+0.744Y2+0.722Y3+0.068Y4-0.576Y5+0.228Y6+0.290Y7。

由标准化典型相关变量表达式可知，U1主要受X2（hbPWV）、X1（baPWV）和X3（hrPWV）的影响，其中hbPWV在U1变量的权重系数大于baPWV；而V1则在Y2（h4/h1）、Y1（h3/h1）和Y3（h5/h1）的权重系数较大，均大于0.7。说明这些指标变量对于各自典型变量有较大贡献，并可用于解释对侧典型变量。2组标准化典型相关变量结果详见本文OSID码。

3.3.4 典型结构图

根据典型相关系数与标准化典型相关变量绘制健康人右侧baPWV及ulPWV与脉图参数的典型相关结构图，见图3。U1集合中baPWV、hbPWV和hrPWV指标可以较好地关联V1集合中h3/h1、h4/h1、h5/h1等反映动脉顺应性、血管弹性、外周阻力的脉图比值参数。其中评估心臂与臂踝段动脉硬度的hbPWV、baPWV可能与h3/h1存在正相关，与h5/h1负相关，为这2个脉图参数反映主动脉顺应性提供了PWV指标的支持。本研究表明hbPWV、baPWV评估的动脉弹性可以通过分析“寸口”桡动脉的方式获取，即脉图参数中包含了动脉硬度信息。同时，hrPWV 可能与h4/h1存在正相关，考虑外周阻力大小可能与相对应的外周血管弹性关系更密切。脉图参数与PWV存在不同的对应关系，符合人体全身动脉弹性或硬度不均匀分布的生理规律，提示无论研究上肢段PWV还是脉图参数与血管硬度增加的关系都需考虑血管结构与血管生理的影响。

图3 82名健康人臂踝及上肢PWV与脉图参数的典型相关图

4 讨论

脉搏波信号被认为是沟通现代医学与传统中医脉学的关键桥梁[24-25]。PWV作为血管硬度的无创检查，在临床有较高的认可度。中医脉诊蕴含丰富的人体生理信息，在现代多学科交叉技术助力下，脉图参数极大解决了“心中了了，指下难明”的传统脉诊量化的难点，也为动脉硬化中西医诊断指标的结合提供数据基础。

本研究观察不同波形计算的ulPWV离散度趋势发现，ECG信号关联的hbPWV、hrPWV与hfPWV数据稳定性高于brPWV、bfPWV与rfPWV，原因可能在于心脏射血产生的脉搏波经过升主动脉、锁骨下动脉等弹性大动脉的速度明显慢于肌性中小动脉[23]，速度越快时测量误差可能越大，指端手部的距离误差也可能导致rfPWV 数据的变异性[13]。因此认为，hbPWV、hrPWV与hfPWV作为评估上肢动脉硬度指标可能优于其他3种ulPWV。通过比较82名健康人双侧不同PWV发现，相较于baPWV，ulPWV左右侧差异均无统计学意义，提示以PWV评估的健康人双侧上肢同段动脉硬度相近，一定程度可相互替代，并且双侧ulPWV均小于baPWV，推测上肢动脉硬度较下肢动脉小且分布均匀，这与另一项研究高血压患者与正常人的上下肢脉搏波特征差异的结果[26]一致，也表明人体上下肢的动脉结构与血流动力学基础不同，下肢较上肢承受着更高的静水压力[27]，两者血管评估指标有其特异性，不能互相代替。本研究中健康人左右侧不同ulPWV间有相似的变化趋势，且hbPWV 与baPWV 差异最大，brPWV 与baPWV 最为接近，即双侧均为hbPWV＜brPWV，提示PWV反映对应的动脉血管结构。动脉壁成分从中央到外周血管发生显著变化，中央大动脉富含弹性纤维，外周动脉中胶原纤维和平滑肌细胞占优势[22]，本研究PWV结果符合这一血管生理规律[23]。双侧rfPWV介于hbPWV与brPWV之间。国外研究显示，rfPWV随着年龄增加而减小，提示手部血管较上肢及主动脉血管结构而言有其特异性[13]，这可能与末梢循环的血管腔逐渐变细、血流信号变为单项波有关[28]。上述结果说明不同ulPWV有其价值，关联从近心端动脉至远心端指部的血管结构与弹性改变。

本研究中ulPWV与baPWV未发现相关性，可能与研究人群未涉及心血管疾病或风险因素有关[27]。不同ulPWV间存在不同程度的相关性，提示提取ulPWV代表性指标的必要性。值得注意的是，ulPWV组内相关性提示rfPWV 反映的末梢血管状况有其特异性。上肢及臂踝PWV与脉图参数典型相关分析结果表明，2组指标集合存在相关性（R=0.612，P=0.004），说明PWV反映的动脉弹性信息可在“寸口”桡动脉脉搏波中分析得到，这与另一项从桡动脉分析估计中心动脉PWV的研究结论[29]相近，同时验证了脉图参数反映动脉硬度。现代中医脉诊研究时域分析的脉图参数h3/h1反映血管壁顺应性和外周阻力，血管顺应性差时该值增高；h5/h1反映主动脉顺应性和主动脉瓣功能，动脉顺应性差时该值降低；h4/h1反映外周阻力大小，外周血管收缩时阻力增加，该值升高。本研究结果显示，hbPWV、baPWV与h3/h1正相关，与h5/h1负相关，表明中西医指标在评估主动脉硬度中表现一致，同时集合变量的权重系数也表明hbPWV可能是关联主动脉弹性的潜力指标，与国外研究结论[30]相似；hrPWV与h4/h1呈正相关，提示外周血管收缩或管径变小与对应的血管硬度增加有关，与国外一项研究提及小动脉是外周动脉阻力增加的关键结论[31]一致。

中医学认为，脉道是形成脉象的基本脏腑之一，其畅通且舒缩有度与脉象息息相关，“脉者壅遏营气，令无所避”[21]。脉道生理特性直接影响脉象，如血管变性，顺应性减退，则脉象会呈现弦硬等。PWV作为目前临床应用广泛的血流动力学状态指标，其与血管壁弹性、管壁舒缩等因素相关。本研究以“寸口”桡动脉脉搏波分析为切入点，利用多信号脉诊仪同步采集人体不同部位多信号波形并计算ulPWV，丰富了PWV评估上肢动脉硬度及关联血管结构的内容，不同PWV与脉图参数的关联性为脉图参数临床应用提供了PWV指标支持，同时也为血管硬度中西医评估指标结合提供依据，两者可共同作用于血管生理特性的描述，基于“寸口”桡动脉分析的现代中医脉诊可能反映主动脉相关弹性，有助于推动中医脉诊现代化临床应用。今后将不断深入中医脉诊与现代医学2个维度的动脉硬度评估指标在不同年龄、性别、血压、心率等生理基础下的特征分布研究，以及在心脑血管疾病、动脉硬化性疾病和自主神经功能评价等领域中的应用研究。