2023年2月11日

脈搏感應器PPG的應用(7):脈搏的波形如何用來判斷血管硬化程度?

這陣子用脈博感測器偵測到的不同人的脈搏波,可以看到不同的樣子,大致上有一個振幅比較大的波,後面伴隨著第二個波









使用 PPG測量時,其交流成份來自動脈中血液體積的變化,其他如皮膚、骨骼、肌肉、靜脈血等並沒有交流成份(意思就是都不會變)。產生的波形的特徵點如下:兩個高峰為 Systolic Peak和 Diastolic Peak,兩峰之中的小山谷為 Dicrotic Notch

來源:Photoplethysmogram Analysis and Applications: An Integrative Review



脈搏波是數個波的疊加,由下圖可看見三個主要波
第一個是主波峰(Percussion wave):心室收縮時血液造成的最大振幅波,此波上升速度受心輸出量、心室射血速度、動脈阻力和管壁彈性影響

第二個是潮波(Tidal wave):是動脈內血液流動的逆向反射波,例如進入小動脈時的反射波,此波受外週血管阻力、血管彈性程度影響。

第三個波是重搏波(Dicrotic wave):射血之後主動脈瓣突然閉合,於是血液逆流撞擊到主動脈上,並回彈導致主動脈壓再度上升所形成的波,受到血管彈性與主動脈瓣關閉狀態影響較大。

資料來源:脈波信號與PPG信號特徵之相關性研究 
圖片來源:Blood Pressure Estimation by Photoplethysmogram Decomposition into Hyperbolic Secant Waves https://www.mdpi.com/2076-3417/12/4/1798


反射波是怎麼產生的?在上面這個網站上有示意圖動畫,看了就可以了解。當血管彈性越差(血管硬化),反射波會越大。就想像把球丟到硬地板和軟地板的差別,越硬彈的越高。


因此透過動脈波形的型態,可以用來推測心臟與血管的狀態。


觀察PPG的波形特徵點,下圖為血壓波,雖測量的物理量不同,但波形類似可以參考比較,最低點和最高點分別為舒張壓和收縮壓,而 PPG可為血液體積的最大量與最低量。第一高峰的範圍為心室收縮期,第二高峰為舒張期。因此第一高峰的起爬點為動脈瓣開啟時,Dicrotic Notch為瓣膜關閉時。

圖片來源:https://www.statpearls.com/ArticleLibrary/viewarticle/17843



利用波形分析血管的方式是以PPG作一次微分後得到VPG(velocity of PPG),再做一次微分得到APG (acceleration plethysmogram) 。不同的波形可以得到不同的特徵點,例如下圖VPG的W、X、Y、Z,或是APG的a、b、c、d、e。



兩張圖來源為《Toward Generating More Diagnostic Features from Photoplethysmogram Waveforms

以APG的波形來看,可以分成七種不同型態
圖片來源:On the Analysis of Fingertip Photoplethysmogram Signals




APG波形的型態與血管硬化程度有關。下圖的七個型態中的黑色虛線箭頭即為APG波形的特徵點b與d的連線,年齡越大,血管越硬化,箭頭會朝向右下。(可以理解成第一種型態就是血管很會彈,到第七種就是彈不太動了)




某些動脈硬化檢查儀即是量測這些波形上的特徵點數值再做運算,從而給出血管檢測的數值。例如此種機器的報告,左方顯示APG波形,根據特徵點判斷屬於哪類型波形,而右方給出了幾個數據如EC、AE、RBV,有些還有DPI的數值


這些數據的意義如下,評估心臟和血管的功能
DPI-Diferential Pulse Wave Index:血管老化評估
EC-Eccentric Constriction:心室功能評估
AE-Arterial Elasticity:血管結構評估
RBV-Remaining Blood Volume:血量配置評估

在這個機器SA3000P的使用簡報中,給出了數值計算的公式,是用那些特徵點的數據去運算。