基于寸口脉搏波频谱分析的体外循环血液灌注效果研究❋

千英信，汤建国，张志枫△，周昌乐，许家佗，邱勇兵，李 欣，郭 震，王宁欣

(1.上海中医药大学基础医学院,上海 201203； 2. 上海交通大学附属胸科医院体外循环室,上海 200030)

本课题组先期研究工作表明，体外循环搏动灌注过程中，患者“寸口”可检测到脉搏波，不仅提示搏动血流能量能有效传递到外周血管，而且证明“寸口”脉搏波可以作为体外循环搏动灌注效果评价的客观指标[1-5]。为了将研究工作引向深入，我们对脉搏波进行了频域分析，探索建立基于“寸口”脉搏波频谱指标的体外循环搏动灌注效果客观评价方法，研究成果将进一步完善基于“寸口”脉搏波指标分析的体外循环搏动灌注效果的客观评价方法。

1 资料与方法

1.1 研究对象

选取2012年9月至2015年12月上海市胸科医院收治的需体外循环术行心脏瓣膜手术的风湿心脏病患者92例。按照区组随机化分组方法，将研究对象分成搏动灌注组(PP组)和非搏动灌注组(NP组)各46名。随机化分组方案由SAS统计软件的PROC PLAN 过程产生。随机化分组方案的隐藏方法，采用“信封法”。表1显示，2组研究对象在年龄、身高、体质量、体表面积、左室射血分数等指标比较差异无统计学意义(P>0.05)。

表1 2组患者基线资料比较

1.2 实验设备与材料

图1显示，PowerLab数据采集分析系统(ADInstrument Inc.，Australia)；Sorin Stockert S5型体外循环机(Sorin Group, Munich, Germany)、AFFINITY膜式氧合器(Medtronic Inc.，Minneapolis，USA)、体外循环管道、主动脉直插管(上海祥盛医疗器械厂，上海)、动脉滤器(宁波菲拉尔医疗用品有限公司，宁波)。

图1 PowerLab数据采集分析系统及Labchart 8.0软件界面

1.3 实验方法

1.3.1 体外循环方法 患者采用胸部正中切口，行主动脉和腔静脉插管建立体外循环，鼻咽温度维持34 ℃，采用4∶1含血停搏液保护心肌，灌注血液流量为3.6～ 4.2 L·m-2·min-1。主动脉阻断期间，2组患者血流灌注方式分别采用搏动灌注和非搏动灌注模式，搏动灌注模式通过改变体外循环滚压泵转速而实现，参数设置：基础流量30%，搏动周期开始点30%，结束点70%，频率75次/min；非搏动灌注模式全程采用传统的平流灌注方式。

实验应用labchart8.0软件频谱分析功能模块，对信号进行快速傅里叶变换，获得频率谱图像和相应的频谱数值，采用以下2种频谱处理方法分析脉搏波。(1)频率谱幅值分析方法：截取15～20个周期的脉搏波转化为频率谱幅值。以频率作为自变量，信号各个频率成分的幅值为因变量，表示信号的幅值随频率的分布情况。FFT设定为8k(8192)，计算获得频率谱幅值。观察指标为基波频率值及其幅值、谐波频率值及其幅值、谐波数、主要频率谱范围等；(2)功率谱密度估计分析方法：截取15～20个周期的脉搏波，应用快速傅立叶变换转化为功率谱。FFT设定为1k(1024)，分别计算0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz功率谱密度估计值。根据脉搏波的频谱特点，0～40 Hz范围的能量可当作脉搏波的全部能量。在此基础上分别计算0～5 Hz功率谱密度估计值占0～40 Hz功率谱密度估计值的比值(即0～5 Hz 谱能比)，5～10 Hz功率谱密度估计值占0～40 Hz功率谱密度估计值的比值(即5～10 Hz谱能比)。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 脉搏波频率谱幅值分析结果

2.1.1 阻断前频率谱分析结果 脉搏波频率主要分布在5 Hz以内，基波前0.2～0.4 Hz处的波为呼吸波。

2.1.2 阻断后频率谱分析结果 (1)搏动灌注频率谱分析结果：脉搏波频率主要分布在5 Hz以内，基波前0.2～0.4 Hz处的波为呼吸波‘(2)非搏动灌注频率谱分析结果：脉搏波波形微小，频率在4 Hz左右；(3)搏动灌注和非搏动灌注频率谱计算结果：表1显示，计算分析搏动灌注和非搏动灌注脉搏波频率谱幅值结果。

表1 搏动灌注组和非搏动灌注组脉搏波幅值计算结果

结果表明，体外循环开始前的脉搏波频率谱波形与体外循环开始后的搏动灌注组脉搏波频率谱波形基本相同。体外循环过程中，频率0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz的搏动灌注组脉搏波频率谱幅值明显高于非搏动灌注组(P<0.05)，提示搏动灌注产生的脉搏波能量明显高于非搏动灌注。

2.2 脉搏波功率谱密度估计值计算结果

2.2.1 泵压功率谱密度估计值计算结果 表2显示，取体外循环机搏血泵泵压不同频率的功率谱密度估计值的平均值, 计算搏动灌注组与非搏动灌注组血泵泵压功率谱密度估计值的比值。

表2 搏动灌注组和非搏动灌注组血泵泵压功率谱密度估计值比值

结果表明，搏动灌注组0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz泵压功率谱密度估计值是非搏动灌注的2.26～3.19倍，提示搏动灌注组血泵输出的能量高于非搏动灌注组。

2.2.2 血泵与脉搏波功率谱密度估计值比值计算结果 表3显示，计算血泵与脉搏波功率谱密度估计值的比值，观察体外循环不同血液灌注模式脉搏波能量衰减情况。

表3 血泵与脉搏波功率谱密度估计值比值

结果表明，频率0～5 Hz搏动灌注组脉搏波的能量是血泵能量的3.6%，非搏动灌注组脉搏波的能量是血泵能量的2.1%；频率5～10 Hz搏动灌注组脉搏波的能量是血泵能量的0.7%，非搏动灌注组脉搏波的能量是血泵能量的0.6%；频率0～40 Hz搏动灌注组脉搏波的能量是血泵能量的2.4%，非搏动灌注组脉搏波的能量是血泵能量的1.4%，提示尽管搏动灌注组和非搏动灌注组血泵能量在体外循环传递过程中均有衰减，但是搏动灌注组血泵能量传递的衰减度要低于非搏动灌注组(低频能量尤为明显)。

2.2.3 阻断前后脉搏波功率谱谱能比计算结果 表4显示，计算阻断前后脉搏波功率谱谱能比值，观察体外循环前后不同血液灌注模式的脉搏波能量分布情况。

表4 搏动灌注组和非搏动灌注组脉搏波谱能比计算结果

实验结果表明，升主动脉阻断前，搏动灌注组与非搏动灌注组脉搏波谱能比值差异无统计学意义(P>0.05)。阻断后搏动灌注组脉搏波0～5 Hz谱能比显著高于非搏动灌注组(P<0.05)；阻断后搏动灌注组脉搏波5～10 Hz谱能比显著低于非搏动灌注组(P<0.05)，提示搏动灌注脉搏波能量主要分布在0～5 Hz频率范围，脉搏波0～5 Hz谱能比可作为搏动灌注有效性评价指标。

3 讨论

3.1 体外循环监测脉搏波的意义

“体外循环”技术是用一组特殊装置临时替代人体的心肺功能，辅助进行血液循环及气体交换的1项技术，已广泛应用于先天性心脏病、瓣膜病、冠状动脉病和主动脉瘤等心胸外科疾病手术中，成为心胸手术成功的重要保障，挽救了许多危重患者的生命。

血泵是体外循环机的重要装置，具有替代心室搏血的功能。根据泵的排血方式分为“无搏动泵”和“搏动泵”2种，故体外循环灌注方式分为“非搏动灌注”(nonpulsatile perfusion，NP)与“搏动灌注”(pulsatile perfusion,PP)2种。1953年Gibbon在1例临床体外循环术中成功使用了“搏动泵”，开启了体外循环“搏动灌注”之先河。20世纪80～90年代，体外循环“搏动灌注”技术日趋成熟并开始应用于临床。目前支持体外循环搏动灌注的理论支柱主要有以下3个。

临床研究结果也证明，“搏动灌注”所产生的搏动血流更接近人体平时的生理状态，对手术者有明显的益处。如对红细胞损伤小[9]，能显著降低肺血管阻力[10]，改善微循环而抑制水肿发生[11]，降低儿茶酚胺[12]、肾素、血管紧张素Ⅱ及血栓素水平[13]，改善大脑[14-17]、心脏[18]、肝脏[19]、胰腺[20-21]、肾脏[22-23]、胃肠道系统[24]等生命器官的血液循环，有利于术后器官功能的恢复[25-26]，“搏动灌注”还能减少炎症并发症，降低术后死亡率[27-29]。

仿人体生理的“搏动灌注”有很多临床优势，也是体外循环血液灌注技术发展的一个趋势。但是一些问题制约了“搏动灌注”技术普及和推广，其中一个关键的问题是，目前对“搏动灌注”所形成的血流搏动波进行量化分析和效果评价的方法非常复杂且成本高、不易推广[30]。因此，体外循环“搏动灌注”缺乏简便、经济的效果评价方法，是制约该技术推广的一个瓶颈问题。

本课题探索将脉搏波频谱分析技术运用于体外循环效果的评价，该工作具有重要的基础和临床研究价值。

3.2 体外循环监测脉搏波的依据

在临床上应用了数千年的中医“寸口”脉诊方法和已成熟的脉搏波信号检测、处理技术，为我们建立体外循环“搏动灌注”简便、经济的客观评价方法提供了理论依据和技术支持。

“寸口”指桡骨茎突内侧桡动脉搏动处。《内经》认为诊“寸口”脉，可以了解人体五脏六腑生理、病理变化，因为“五脏六腑之气味，皆出于胃，变见于气口”。《难经》则开宗明义地提出“独取寸口以决五脏六腑死生吉凶”，首创“独取寸口”诊脉法。“寸”在古代曾专指桡动脉搏动处，“寸”的古文字从又从一。“又”是手的形象，“一”是指事符号，指示寸口的部位。先秦六国文字就有，由此推断先秦时(公元前481-221年)人们已经注意到“寸口”动脉搏动的现象，这种动脉搏动的现象(即“脉象”)最终成为中医观测、诊察人体生理病理状况的一种生命表征。而诊察脉象的方法脉诊成为中医所特有的对人体内脏、器官、组织状况评估的一种方法。

随着脉诊客观化、标准化、信息化研究成果在临床上的推广应用，“寸口”脉象描记和脉象信号时域、频域分析技术已广泛应用于心脑血管、血液疾病、肿瘤等诊断及人体生理、健康状况的评估[31-37]，甚至应用于航天医学领域。

脉象仪描记的脉搏波，实际上是主动脉近心端传出(离心方向)的波与向心方向的反射波叠加而成的复合波[38]。从脉搏波的波形来看，桡动脉脉搏波信号曲线的拐点最多，即所携带的信息最为丰富[39]，因此“寸口”是表达动脉搏动复合波信息最为理想的一个部位。

不论是从传统的中医学还是从现代生物学角度，都证明“寸口”脉象能较全面、真实地反映人体生理病理信息。因此，选择“寸口”脉搏波来观察和评价体外循环“搏动灌注”的临床效果，具有一定的学理依据。

实验结果表明，体外循环搏动灌注过程中能够采集到脉搏波，提示体外循环搏动血流能量能够向外周有效传递，证明在体外循环“搏动灌注”过程中寻找其“寸口”脉搏波波形和参数，作为体外循环搏动灌注效果评价指标的思路[3,4,40]是可行的。

3.3 体外循环脉搏波频谱特征

3.3.1 幅值频率谱特征 体外循环搏动灌注脉搏波频率主要分布在5 Hz以内，基波前0.2～0.4 Hz处的波为呼吸波。非搏动灌注脉搏波波形微小，频率在4 Hz左右。结果表明，体外循环过程中频率0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz的搏动灌注组脉搏波频率谱幅值明显高于非搏动灌注组(P<0.05)，提示搏动灌注产生的脉搏波能量明显高于非搏动灌注。

3.3.2 功率谱特征 体外循环搏动灌注组0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz泵压功率谱密度估计值是非搏动灌注的2.26～3.19倍，提示搏动灌注组血泵输出能量高于非搏动灌注组，搏动灌注模式产生的富余能量是有临床意义的。

根据对脉搏波频率谱的观察我们认为，脉搏波频率40 Hz以内的能量可以作为脉搏波的全部能量。通过对0～5 Hz、5～10 Hz谱能比计算，结果表明，升主动脉阻断前，搏动灌注组、非搏动灌注组谱能比差异无统计学意义(P>0.05)。阻断后搏动灌注组脉搏波0～5 Hz普能比显著高于非搏动灌注组(P<0.05)，阻断后搏动灌注组脉搏波5～10 Hz普能比显著低于非搏动灌注组(P<0.05)，提示搏动灌注能量主要分布在0～5 Hz频率范围，脉搏波0～5 Hz普能比可作为搏动灌注有效性评价指标。

3.4 体外循环脉搏波能量传递特点

我们通过对泵压与脉搏波的功率谱密度比值研究，来了解血泵有多少能量能够传递到外周脉搏波。研究结果表明，搏动灌注组血泵能量传递到脉搏波的0～5 Hz能量衰减为原来能量的3.6%，非搏动灌注组血泵能量传递到脉搏波时0～5 Hz能量衰减为原来的2.1%；搏动灌注组血泵能量传递到脉搏波的5～10 Hz能量衰减为原来能量的0.7%，非搏动灌注组血泵能量传递到脉搏波时5～10 Hz能量衰减为原来的0.56%；搏动灌注组血泵能量传递到脉搏波的0～40 Hz能量衰减为原来能量的2.4%，非搏动灌注组血泵能量传递到脉搏波的0～40 Hz能量衰减为原来能量的1.4%。提示体外循环血泵输出能量在向外传递过程中有明显衰减现象，但是搏动灌注组能量传递的衰减度要低于非搏动灌注组，其中低频能量的衰减度低于高频能量。

呼吸波是频率很低的波，由于它在脉搏波传递中衰减小、传递性好，所以出现呼吸波相对抬高的现象。“肺主气，司呼吸”“肺朝百脉”，说明肺与“百脉”存在密切关系。通过脉搏波的频域分析可以看到，低频的呼吸波参与“百脉”脉搏波的能量传递，提示呼吸波作为脉搏波的组成部分之一，对中医脉象的形成机理有着重要的影响，佐证了中医诊脉独取手太阴肺经“寸口”的科学性。

4 结论

搏动灌注产生的脉搏波能量高于非搏动灌注脉搏波能量。频域参数0～5 Hz谱能比值可以作为体外循环搏动灌注有效性的量化评价指标。低频的呼吸波参与脉搏波中的能量传递，呼吸波对寸口脉搏波的形成机理有着重要的影响，佐证了中医诊脉独取手太阴肺经“寸口”的科学性。