基于生物电阻抗技术的脉搏波速度测量及血管年龄估算

沈 洁，过晓星，万 聪

（1.江苏联合职业技术学院无锡机电分院，江苏 无锡 214000 ；2.无锡思内尔网络科技有限公司，江苏 无锡 214000；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210000）

在当今社会的高压、快节奏环境下，由心血管疾病引发的猝死、高血压等问题逐渐年轻化、普遍化，严重影响着人们的生活质量和寿命。主动脉僵硬度更是原发性高血压患者心血管死亡率和致命性中风的独立预测因子[1]。研究表明，脉搏波传导速度PWV（Pulse Wave Velocity）与心血管疾病的风险息息相关。脉搏波传导速度是血压脉搏通过循环系统（通常是动脉或动脉总长度）传播的速度。尤其是臂踝脉搏波速度（baPWV），作为评估动脉硬化和血管弹性的重要指标，可以为心血管健康状况提供有价值的信息。PWV 蕴含着丰富的心血管信息，对心血管状态、年龄的评估起着决定性作用，并且对动脉僵化进行预测与预防，延长动脉硬化的推进甚至逆转都有着巨大的作用[2]。

传统PWV 测量多使用多普勒超声波、BCG 心波动测量法等。其都具有测量步骤繁杂、测量不便携等问题，必须将传感器放置在身体的特定动脉上，如颈动脉或股动脉，来测量PWV。近年来，随着科技的进步，生物电阻抗技术作为一种非侵入性的生物信息获取方法，逐渐受到重视，并在医疗领域的多个场景得到应用。生物电阻抗是表征人体组织或者体液对交变电流阻碍作用的物理量。其通常可以借助置于体表的电极系统，向检测对象送入一微小的交流电流或电压，通过测量响应电压，根据伏安法计算得到。根据不同的应用目的，可获取相关的生理和病理信息，生物电阻抗技术具有无创、无害、廉价、操作简单和功能信息丰富等特点[3]。

本文旨在基于生物电阻抗技术，开发一种测量脉搏波传导速度并估算血管年龄的方法。结合传统体脂秤的传感器，利用生物电阻抗技术所测量的电流数据，推断出血液流动情况，进而计算脉搏波速度。通过对大量人群的脉搏波数据进行分析，从而建立脉搏波模型，用以估算血管年龄。

1 生物电阻抗测算脉搏波速度

1.1 数据采集

本文以185 位不同性别和年龄的代表性健康人作为实验测试对象，进行所需的数据采集。

首先，分别采集他们各自的年龄、身高、身体质量指数BMI、舒张压、收缩压和臂长数据，如表1 所示。为了后期更好地对比基于本文方法测得的baPWV 值与实验对象的实际baPWV 值，此处还需要先用传统方法来测试受试者的baPMV 值。得到的结论是，92 位男性受试者的实际baPMV 平均值约为1 297±230 cm/s，而其余93 位女性受试者的实际baPMV 平均值约为1 197±231 cm/s。而为了后期测算心血管年龄的需要，还需要收集每位受试者的踝肱指数(ankle brachial index, ABI)。

其次，采集实验对象在一定时间段内的体重数据。人体在心脏搏动时，体脂秤采集的体重数据实际上并不是一成不变的，而是会产生微小的体重差异变化，如图1 所示。标准体脂秤作为健康监测工具，内置有很多高度敏感的传感器。正是这些高灵敏度传感器，可以捕捉并记录到心脏搏动周期内一系列微小变化的体重数值。很显然，所采集到的体重数据也是随着心脏搏动而呈周期规律变化的，从而可以人为拟合出随时间变化的体重波形，如图2所示。

图1 心脏搏动会引起体脂秤体重数据测量的微小变化

图2 实验拟合出的随时间变化的体重及阻抗波形

最后，采集实验对象在一定时间段内的生物电阻抗数据。由于心脏搏动时血液流经身体及四肢，从而由身体的舒紧及流动的波动导致四肢生物电阻抗值的相应微小变化，如图3 所示的臂肱阻抗ZRA、ZLA和脚踝阻抗ZRL和ZLL。要测量这些生物电阻抗值，可以利用八电极体脂秤，四肢每个部位各分配两个电极构成电回路就能进行测量。当在体脂秤电极间施加恒定电压，通过测量各部位响应电流，就能进而计算得出各部位的电阻抗值。

表 1 185 位健康人所测身体数据

图3 血液流动会引起生物阻抗值的微小变化

和体重数据类似，所采集到的臂肱阻抗数据和脚踝阻抗数据也是随着心脏搏动而呈周期规律变化的，从而可以人为拟合出随时间变化的臂肱阻抗波形和脚踝阻抗波形。这两种阻抗波形周期大小一致，只是波形振幅大小和相位不一样。图2 中仅显示了其中一组脚踝或臂肱生物电阻抗波形。

1.2 统计分析

中国医疗保健国际交流促进会难治性高血压与周围动脉病分会专家共识起草组[4]提出，baPWV=[ 踝- 主动脉瓣距离（La）- 肱- 主动脉瓣距离（Lb）]/ 踝- 肱动脉的压力波波足时间差（ΔT）。主动脉根部与测量点间的血管距离可以按身高通过固定函数式推算，而时间差则可通过生物电阻抗技术所取得的阻抗与体重波形之差来计算取得。

1.2.1 踝-肱动脉的压力波波足时间差ΔT

由于体重和生物电阻抗的数据波动都是由心脏搏动引起的，不难分析出，体重波形和阻抗波形应该是周期和形状相似的波形，图2 中的两条拟合曲线也正是验证了这个结论。然而这两条拟合曲线在时间轴上并不重合，而是存在一定的时间差。这个时间差正是体现了血液从心脏流动到四肢（手腕或脚踝）所需要的时间Δt。为了便于计算，这里假设体重和阻抗这两条曲线相邻周期中的波峰时间点分别为T1和T2，由此可以通过式（1）计算出血液从心脏流动到四肢的血液流动时间Δt。

分别将臂肱阻抗波形和脚踝阻抗波形与体重波形进行比对，得到Δta（踝- 主动脉瓣时间）和Δtb（肱-主动脉瓣时间），则踝-肱动脉的压力波波足时间差ΔT如式（2）所示：

1.2.2 踝- 主动脉瓣距离（La）- 肱- 主动脉瓣距离（Lb）

一般人体的心脏位置都相对固定，通过对其中部分受试者进行比例测试，得到结论为，人体心脏到脚踝的距离与身高的比值约为0.69，而心脏到手腕的距离与身高的比值约为0.39。因此，可经由每位受试者的实际身高H，通过式（3）和（4）分别计算获得心脏到脚踝距离的近似长度La和心脏到手腕距离的近似长度Lb。

因此，可以通过公式（5）和（6）分别得到La-Lb和baPWV：

至此，基于生物电阻抗技术的臂踝脉搏波传导速度就测算出来了，然而测算数据的准确程度就取决于实验测量值与真实值之间的误差大小了。表2中列出了这185 位受试者的基本身体数据情况，最后两行数据分别显示了受试者的实际baPWV 和实验baPWV 的统计均值。

表 2 185 位健康人baPWV 统计均值

由实际baPWV 和实验baPWV 数据计算可得，92 位男性受试者baPWV 的相对误差仅为1.8%，93 位女性受试者baPWV 的相对误差约为3.2%。可见，本文基本生物电阻抗技术测量的脉搏波传导速度的准确率还是很高的，可以满足用户便携性、日常性测量PWV 的要求，实现了生物电阻抗技术测量PWV 的方法创新。

2 由PWV 对血管年龄进行估算

2.1 统计分析

脉搏波的形成与动脉系统和心脏有很大的相关性，脉搏波传播速度、血管阻力、心率等对脉搏波形成有决定性的影响。脉搏波的形态、速率等方面的综合数据是评价人体心血管系统生理、病理状态的重要依据。研究表明，PWV 一定程度上受心率、血管情况等的多方面影响，同样也在一定程度上表明了血管状态。本文将根据由生物电阻抗技术所测算的臂踝脉搏波速度（baPWV）与身体年龄进行关联，实现对血管年龄、血管情况和老化程度的评估与测算。目前已经有了一套较为成熟的baPWV估算血管年龄（age）的方法[5]：

在此基础上，为了使血管年龄的估算更具有准确性和普遍性，岛仓淳泰等[6]提出了可同时根据用户输入的踝肱指数（ABI）数据来结合估算，将受试者实际年龄、baPWV 数据进行拟合。

首先，收集男、女性受试者的ABI 平均值数 据（ABIavg）， 其 中，ABIavg(Male) 为1.07 ,ABIavg(Female) 为1.03。其次，将每位受试者的实际年龄记为age1，实际ABI 值记为ABI1。最后，计算其中同一年龄测试对象的ABI 平均值，记为ABI2，即用户实际年龄对应的ABI 转换值；此时ABI2对应的年龄记为age2，即用户实际ABI 对应的年龄转换值。这样可以通过式（9）计算得到每位受试者的ABI 估算系数k。

通过实验计算，可分别得到男性和女性受试者的平均估算系数k，，其中k，(Male) 为 11.2 ,k，(Female)为13.7。将k，与用户ABI1与ABIavg差的绝对值相乘，即得到了用户相对血管年龄差值，实现了通过用户实际ABI 对血管相对年龄（age）的大致估算，得到改进公式（10）和公式（11）。

2.2 公式验证

动脉硬化是增大脉压、加快PWV 的重要因素，同时导致了动脉硬化的恶性循环。实验中进一步测试了5 位高血压患者的动脉情况，将其ABI 值和由本文方法所测算的baPWV 值代入式（10）和（11）公式进行测算，其血管年龄统计分析如表3 所示。经由表3，发现高血压患者的血管估算年龄均大于其实际年龄，且相差年龄均高于9 年。

血管的弹性在一定程度上决定了脉搏波的传导速度。年轻人的血管弹性较好，脉搏波能够在血管内迅速传播，而随着年龄的增长，动脉硬化使得脉搏波传导速度变得更快，因此在一段确定的距离内，脉搏波传导所需的时间缩短[7]。这种变化反映了血管的衰老和硬化，因此脉搏波传导速度成为了评估血管健康状况的重要指标之一。

表 3 5 位高血压患者血管年龄的测试情况

3 结论

早期发现和监测动脉硬化的变化对于预防心血管疾病至关重要。虽然传统的心血管评估方法可以提供有关心血管健康的信息，但往往需要复杂的检查设备和程序，以及专业医生的解读。而基于生物电阻抗技术测量脉搏波传导速度并估算血管年龄的方法提供了一种更为便捷和可行的选择。本研究成果具有重要的临床意义和应用价值。通过采用无创、简便的方法进行心血管健康评估，即可以在家庭和社区环境中开展血管年龄的监测，提高公众对心血管健康的关注和认知。同时，这项研究也为快速筛查心血管风险、早期干预和定制化治疗提供了新的途径。