TWI600408B - 中央動脈血壓估計方法及其裝置 - Google Patents

Description

中央動脈血壓估計方法及其裝置

本發明係有關於一種中央動脈血壓估計方法及其裝置，尤指一種根據壓脈帶內壓力振盪波形及應用線性迴歸方程式以估計中央動脈血壓之方法及其裝置。

常見血壓的診斷是利用上臂動脈的收縮壓(Systolic Blood Pressure；SBP)及舒張壓(Diastolic Blood Pressure；DBP)來決定，又上臂動脈血液壓力數值(包括收縮壓及舒張壓等)的測量多是使用傳統水銀柱或電子血壓計來量測。然而許多的文獻及研究指出，中央動脈(Central Aorta)所記錄到的血液收縮壓(SBP-C)預測心血管事件的預後能力比由上臂動脈所量測到的數值要高出許多。

舉例而言，高血壓病人之中央動脈的血流動力學經常呈現異常，亦即存在反射波的增強、脈波傳導速度的增加及順從性的降低等現象。中央動脈的壓力已經被證明是高血壓病人臨床的重要預測因素。傳統或電子的血壓計所量測的肱動脈血壓數值為周邊動脈血壓，通常顯著高於中央動脈之血壓，例如：升主動脈或頸動脈所測量到的壓力數值。換 言之，如果可以準確的得到中央動脈的血液收縮壓，對於預測高血壓及相關的心血管疾病會有更顯著的效果。

美國專利公開案第20090149763號揭示一種遠端動脈血壓估計之方法，其係建立一線性迴歸方程式，並以該方程式估計升主動脈收縮壓。該專利揭露之技術根據壓脈帶所記錄到的脈波容積記錄(Pulse Volume Recording；PVR)波形，並得到收縮壓、末期收縮壓、收縮期波形下面積與舒張壓期波形下面積總和除以舒張壓期波形下面積之值及隱藏於波形之反射波壓力，該線性迴歸方程式即以前述壓力及數值作為四個控制變數以運算而得到應變數(升主動脈收縮壓)，但其升主動脈收縮壓之估計結果仍顯得不夠準確，亦即數據一致性較差及誤差分散太大(參見該公開案之圖4及圖5)。

針對上述先前技術所遭遇之問題，本發明提出一種中央動脈血壓的估計方法，及使用此種方法能正確地估計中央動脈血壓且易於操作之裝置。

本發明係提供一種中央動脈血壓估計方法及其裝置。此種估計技術係選擇重要控制變數及其最佳數量，確實反應脈波容積記錄波形和實際中央動脈血壓之重要關係，故能使線性迴歸方程式之估算結果相當準確，可廣泛應用於目前市售電子血壓計。

本發明係提供一種中央動脈血壓估計裝置，包 含：一壓脈帶；一訊號紀錄及儲存單元，擷取並儲存該壓脈帶內一壓力振盪波形；以及一運算及分析單元，根據該壓力振盪波形以得到一組數值，其中該組數值包括一波形反射造成收縮期波形之第二峰值、一末期收縮壓、一收縮期波形下面積、一舒張壓期波形下面積、一舒張壓及一心率，並將該組數值分別代入一線性迴歸方程式對應之控制變數而得到一中央動脈之壓力值，其中該線性迴歸方程式係以一中央動脈血壓為應變數，又以波形反射造成收縮期波形之第二峰值、收縮壓期末之收縮壓、收縮期波形下面積、舒張壓期波形下面積、舒張壓及心率為該等控制變數。該壓力振盪波形包括一脈波容積紀錄波形。

在一種實施型態中，該中央動脈血壓估計裝置另包含一壓力變化調控單元，控制該壓脈帶內之增壓、維持壓力或減壓。該脈波容積紀錄波形係藉由該壓力變化調控單元控制該壓脈帶內維持壓力於一恆定壓力下所得到之壓力訊號。

在一種實施型態中，該中央動脈之壓力值係一收縮壓SBP-C，又該線性迴歸方程式表示如下：SBP-C=s1×SBP2+s2×ESP+s3×As+s4×Ad+s5×DBP+s6×Heart Rate+c1；其中，SBP-C係代表該收縮壓、SBP2係代表該第二峰值、ESP係代表該末期收縮壓、As係代表該收縮期波 形下面積、Ad係代表該舒張壓期波形下面積、DBP係代表該舒張壓及Heart Rate係代表該心率；s1~s6及c1均係常數。

在上述實施型態中，該常數s1~s6及c1分別為0.30、0.20、1.97、0.87、-0.75、1.00及-58.16。

在一種實施型態中，該中央動脈之壓力值係一脈搏壓PP-C，又該線性迴歸方程式表示如下：PP-C=p1×SBP2+p2×ESP+p3×As+p4×Ad+p5×DBP+p6×Heart Rate+c2；其中，PP-C係代表該脈搏壓、SBP2係代表該第二峰值、ESP係代表該末期收縮壓、As係代表該收縮期波形下面積、Ad係代表該舒張壓期波形下面積、DBP係代表該舒張壓及Heart Rate係代表該心率；p1~p6及c2均係常數。

在上述實施型態中，該常數p1~p6及c2分別為0.26、-0.06、2.61、1.37、-1.73、1.62及-114.64。

本發明再提供一種中央動脈血壓估計方法，包含：建立一以中央動脈血壓為應變數之線性迴歸方程式，其中該線性迴歸方程式之控制變數包括波形反射造成收縮期波形之第二峰值、末期收縮壓、收縮期波形下面積、舒張壓期波形下面積、舒張壓及心率；擷取壓脈帶內一壓力振盪波形以得到一組數值，其中該組數值包括一波形反射造成收縮期波形之第二峰值、一收縮壓期末之收縮壓、一收縮期波形下面積、一舒張壓期波形下面積、一舒張壓及一心率；以及將 該組數值分別代入該線性迴歸方程式對應之控制變數而得到一中央動脈之壓力值。

10‧‧‧中央動脈血壓估計裝置

11‧‧‧壓脈帶

12‧‧‧訊號紀錄及儲存單元

13‧‧‧壓力變化調控單元

14‧‧‧運算及分析單元

BP‧‧‧中央動脈之壓力值

S‧‧‧壓力振盪波形

SBP2‧‧‧波形反射造成收縮期波形之第二峰值

ESP‧‧‧收縮壓期末之收縮壓

As‧‧‧收縮期波形下面積

Ad‧‧‧舒張壓期波形下面積

DBP‧‧‧舒張壓

Heart Rate‧‧‧心率

SBP-C‧‧‧收縮壓

PP-C‧‧‧脈搏壓

S31,S32,S33‧‧‧步驟

圖1係為本發明之中央動脈血壓估計裝置之方塊圖。

圖2係本發明之壓力振盪波形及特定數值之示意圖。

圖3係為本發明之中央動脈血壓估計方法之流程圖。

圖4及5係根據線性迴歸方程式(1)估計結果進行布蘭德-奧特曼分析之統計圖。

圖6及7係根據線性迴歸方程式(2)估計結果進行布蘭德-奧特曼分析之統計圖。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明係根據電子血壓計於測量血壓過程中所記錄的壓脈帶內壓力振盪波形，並藉由一線性迴歸方程式以得到非常近似中央動脈之血壓值(例如：收縮壓、舒張壓及收縮壓與舒張壓之壓差(或稱脈搏壓PP；pulse pressure)等血壓值)，從而正確診斷高血壓及相關的心血管疾病之發生。

圖1係為本發明之中央動脈血壓估計裝置之方塊圖。中央動脈血壓估計裝置10包括壓脈帶11、訊號紀錄及儲存單元12、壓力變化調控單元13及運算及分析單元14，其中訊號紀錄及儲存單元12與運算及分析單元14可以整合至 單一IC晶片元件。在其他實施例中，訊號紀錄及儲存單元12與運算及分析單元14亦可分別由多個IC晶片元件進行次單元功能之處理，故不受本實施例及圖式之例示限制。本發明技術領域具通常知識者當知，訊號紀錄及儲存單元12中儲存功能係可為一記憶體。

壓脈帶11係用於固定於使用者之上臂，以擷取壓脈帶內壓力振盪波形S。在本實施例中，該壓力振盪波形包括一脈波容積紀錄波形。

訊號紀錄及儲存單元12擷取該壓力振盪波形S，並儲存該壓力振盪波形S。

壓力變化調控單元13可控制壓脈帶11內之增壓、維持壓力或減壓。在此需特別說明的是，壓力變化調控單元13可控制壓脈帶11內之壓力，於一段時間內維持恆定一恆定壓力。在本實施例中，壓力變化調控單元13可控制壓脈帶11內之壓力，約持續30秒維持恆定60mmHg，但本發明並不以此為限。本發明技術領域具通常知識者當知，壓脈帶內壓力可調整在40-70mmHg之間。

運算及分析單元14根據該壓力振盪波形以得到一組數值，其中該組數值包括一波形反射造成收縮期波形之第二峰值(SBP2；pressure value of the late systolic shoulder produced by wave reflections或the second peak of the systolic blood pressure)、一收縮壓期末之收縮壓(ESP；end-systolic pressure)、一收縮期波形下面積(As；the area under curve during systole)、一舒張壓期波形下面積(Ad；the area under curve during diastole)、一舒張壓(DBP；pressure value at end-diastole)及一心率(heart rate)。再者，運算及分析單元14將該組數值分別代入一線性迴歸方程式對應之控制變數而得到一中央動脈之壓力值。該組數值於壓力振盪波形中代表意義及位置將於下文中敘述，又該線性迴歸方程式之建立及表示方式將於下文中敘述。

圖2係本發明之壓力振盪波形及特定數值之示意圖。壓力振盪波形中最高壓力值即為收縮壓(SBP；systolic blood pressure)。又於收縮期之間有一為波形反射造成次高壓力值或第二峰值，即為前述SBP2，或稱為收縮期中較後之肩值(late systolic shoulder)。收縮期末對應之壓力值即為收縮壓期末之收縮壓ESP。收縮期之間波形下面積為As，又舒張期(收縮期以外以斜線表示之時期)間波形下面積為Ad。壓力振盪波形中最低壓力值即為舒張壓DBP。

該線性迴歸方程式係以中央動脈血壓為應變數，又波形反射造成收縮期波形之第二峰值SBP2、末期收縮壓ESP、收縮期波形下面積As、舒張壓期波形下面積Ad、舒張壓DBP及心率Heart Rate為控制變數。該線性迴歸方程式可表示如下：SBP-C=0.30×SBP2+0.20×ESP+1.97×As+ 0.87×Ad-0.75×DBP+1.00×Heart Rate-58.16………(1)

PP-C=0.26×SBP2-0.06×ESP+2.61×As+1.37×Ad-1.73×DBP+1.62×Heart Rate-114.64………(2)

方程式(1)及(2)中，SBP-C係中央動脈之收縮壓的估計值；PP-C係中央動脈之脈搏壓的估計值。方程式中各控制變數前之迴歸係數(為常數)及常數(-58.16、-114.64)僅為例示，可因中央動脈血壓估計裝置不同或所使用之元件不同而調整，本實施例並不限制本發明之保護範圍。

圖3係為本發明之中央動脈血壓估計方法之流程圖。本估計方法係應用於上述中央動脈血壓估計裝置10，或可應用於一般電子血壓計以增進其功能。參見步驟S31，藉由多位受試者接受侵入性及非侵入性測量所得血壓訊號，故可取得受試者之中央動脈血壓及上臂動脈血壓。並利用多變量變異數分析(multivariate analysis of variance)建立一線性迴歸方程式，該方程式係由上臂動脈血壓訊號(即壓力振盪波形)取得多數個特定參數為其控制變數(參見前文)，能正確估計中央動脈之血壓值。本發明所選之六個控制變數與中央動脈血壓間有很強之關係，因此能正確估計中央動脈血壓，但本發明並不以此為限。

如步驟S32所示，將中央動脈血壓估計裝置10之壓脈帶11固定於一使用者之上臂，以擷取壓脈帶11內壓力振盪波形而得到一組數值，其中該組數值包括一波形反射 造成收縮期波形之第二峰值SBP2、一收縮壓期末之收縮壓ESP、一收縮期波形下面積As、一舒張壓期波形下面積Ad、一舒張壓DBP及一心率Heart Rate。該壓力振盪波形的分析技術，包括動態振盪波形分析(壓脈帶於壓力下降過程所紀錄的振盪波形)以及靜態振盪波形分析(壓脈帶壓力下降至某一恆定壓力時所紀錄的振盪波形，亦即所謂的脈波容積紀錄(pulse volume recording；PVR)波形)。

一般電子血壓計在量測上臂動脈血壓(該上臂動脈血壓數值包括收縮壓、平均血壓、舒張壓及心跳速度)的過程後，將包附上臂的壓脈帶內壓力調整到恆定的60毫米汞柱。此時，血液在通過上臂動脈，會造成上臂表面積增加並對抗由壓脈帶所施加的壓力。而壓脈帶則會因為上臂表面積的增加以及受到壓力的對抗進而造成容積的改變，當壓脈帶的容積縮小之後則會造成壓脈帶裡壓力的變化，此變化則稱為PVR波形。一般認為，此PVR波形與實際上臂動脈血壓波形或中央動脈血壓間有很大的相關性，但會因為不同壓脈帶的特性造成PVR波形上局部特徵點改變，而影響中央動脈血壓估計之準確性。本發明藉由結合上述及下列步驟，故能提升預測之準確性。

然後，再將步驟S32中所得壓力振盪波形之該組數值分別代入該線性迴歸方程式對應之控制變數而得到一中央動脈之壓力值，如步驟S33所示。

在本實施例中，中央動脈之壓力值係為收縮壓SBP-C及脈搏壓PP-C，但本發明技術領域具通常知識者當知，估計壓力值亦可為收縮壓與舒張壓之壓差、平均血壓、舒張壓或其他醫學臨床上可參考的壓力值。

綜上所述，本發明將上述線性迴歸方程式應用於一般市售電子血壓計所得到的PVR波形訊號，並根據此PVR波形訊號作中央動脈血壓數值的估計或預測。因此能避免先前技術中需使用限制由專業人員操作之多種儀器所造成之不便利，且一併提升中央動脈血壓數值的估計正確性，故可將本發明中央動脈血壓數值的評估技術推廣至一般的居家照護及臨床門診上。

上述線性迴歸方程式係由多位受試者接受侵入性及非侵入性測量得到足夠樣本數之血壓訊號，並藉由多變量變異數分析建立中央動脈血壓之預測模型，茲詳述如下：

線性迴歸方程式之建立

使用動脈導管執行侵入性的直接測量，植入第一組受試者的中央動脈以記錄中央動脈壓力波形，本實施例係將導管推進至升主動脈處。該導管內部包含經西門子(Siemens^®)認證之壓力記錄探頭，其阻值為200~3,000歐姆(Ohm)及等效壓力靈敏度為5μ V/V/mmHg±10%。同時，相同受試者之左邊手臂包覆一壓脈帶，並於恆定壓下(例如：平均60mmHg)記錄壓脈帶內之PVR訊號持續一段時間，例如：十 秒內。可將該段時間內多個心跳週期之PVR訊號波形平均，以得到一平均波形。

由第一組受試者所測得之中央動脈壓力波形及壓脈帶內壓力振盪波形，再藉由多變量變異數分析可以得到線性迴歸方程式(1)及(2)，故可以估計中央動脈血壓。於該分析當中，平均之壓力振盪波形需要先利用收縮壓及舒張壓進行波形校正，然後根據該校正後之波形可以得到多個控制變數(或參數)。本發明評估各控制變數之影響，並找出六個最重要之控制變數以線性方程式分別表示中央動脈之收縮壓及脈搏壓(應變數)，該等控制變數可以提升中央動脈血壓之估計準確度，並最佳化控制變數之數量以節省計算成本。

線性迴歸方程式之驗證

再藉由第二組受試者的侵入性及非侵入性測量數據驗證上述線性迴歸方程式(1)及(2)，故可得知該等線性迴歸方程式(1)及(2)之估計結果相當準確，此準確度符合歐洲高血壓國際協定(European Society of Hypertension International Protocol)建議之標準，茲將建立及驗證結果列表如下：

為更進一步驗證線性迴歸方程式(1)及(2)之估計 結果於統計學上之不同指標，藉由另一組受試者(共255位)得到中央動脈壓力波形及壓脈帶內壓力振盪波形，以進行布蘭德-奧特曼(Bland-Altman Analyses)分析。圖4及5係根據線性迴歸方程式(1)估計結果進行布蘭德-奧特曼分析之統計圖。又圖6及7係根據線性迴歸方程式(2)估計結果進行布蘭德-奧特曼分析之統計圖。

圖4顯示估計得到中央動脈之收縮壓不僅一致性佳，且和量測得到中央動脈之收縮壓間相關性也很高。圖5顯示估計得到中央動脈之收縮壓減去量測得到中央動脈之收縮壓間誤差統計圖，絕大部分之誤差均落於兩個標準差(S.D.)之內，且無系統飄移(systematic drift)之現象。

圖6顯示估計得到中央動脈之脈搏壓之不僅一致性佳，且和量測得到中央動脈之脈搏壓間相關性也很高。圖7顯示估計得到中央動脈之脈搏壓減去量測得到中央動脈之脈搏壓間誤差統計圖，絕大部分之誤差均落於兩個標準差(S.D.)之內，且無系統飄移(systematic drift)之現象。若要得到估計中央動脈之舒張壓，則可將線性迴歸方程式(1)算出之收縮壓減去線性迴歸方程式(2)算出之脈搏壓。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，波形訊號之處理或校正順 序。又，中央動脈血壓估計裝置10之方塊圖，可插置或增加其他功能方塊，但不會影響本發明技術內容，例如：濾波器或顯示預測數值之螢幕等。

10‧‧‧中央動脈血壓估計裝置

11‧‧‧壓脈帶

12‧‧‧訊號紀錄及儲存單元

13‧‧‧壓力變化調控單元

14‧‧‧運算及分析單元

BP‧‧‧中央動脈之壓力值

S‧‧‧壓力振盪波形

Claims (11)

1. 一種中央動脈血壓估計裝置，包含：一壓脈帶；一訊號紀錄及儲存單元，擷取並儲存該壓脈帶內的一壓力振盪波形；以及一運算及分析單元，根據該壓力振盪波形以得到一組數值，該組數值係包括一波形反射造成收縮期波形之第二峰值、一末期收縮壓、一收縮期波形下面積、一舒張壓期波形下面積、一舒張壓及一心率；其中，該運算及分析單元係將該波形反射造成收縮期波形之第二峰值、該末期收縮壓、該收縮期波形下面積、該舒張壓期波形下面積、該舒張壓及該心率分別代入一線性迴歸方程式對應之控制變數，以得到一中央動脈之壓力值；其中該中央動脈之壓力值係一收縮壓或一脈搏壓，該線性迴歸方程式表示如下：SBP-C=s1×SBP2+s2×ESP+s3×As+s4×Ad+s5×DBP+s6×Heart Rate+c1；或PP-C=p1×SBP2+p2×ESP+p3×As+p4×Ad+p5×DBP+p6×Heart Rate+c2其中，SBP-C係代表該收縮壓、PP-C係代表該脈搏壓、SBP2係代表該第二峰值、ESP係代表該末期收縮壓、As係代表該收縮期波形下面積、Ad係代表該舒張壓期波形下面積、DBP係代表該舒張壓、Heart Rate係代表該心率、以及s1、s2、s3、s4、s5、s6、c1、p1、p2、p3、p4、p5、p6、c2均為常數。
2. 如請求項1所述之中央動脈血壓估計裝置，其中更包含： 一壓力變化調控單元，控制該壓脈帶內之壓力增加、維持或減少。
3. 如請求項2所述之中央動脈血壓估計裝置，其中該壓力振盪波形包含一脈波容積紀錄波形。
4. 如請求項3所述之中央動脈血壓估計裝置，其中該脈波容積紀錄波形係藉由該壓力變化調控單元控制該壓脈帶內之壓力維持於一恆定壓力下所得到之壓力訊號。
5. 如請求項1所述之中央動脈血壓估計裝置，其中該常數s1、s2、s3、s4、s5、s6、c1分別為0.30、0.20、1.97、0.87、-0.75、1.00及-58.16。
6. 如請求項1所述之中央動脈血壓估計裝置，其中該常數p1、p2、p3、p4、p5、p6、c2分別為0.26、-0.06、2.61、1.37、-1.73、1.62及-114.64。
7. 一種中央動脈血壓估計方法，包含：建立一以中央動脈血壓為應變數之線性迴歸方程式，其中該線性迴歸方程式之多數個控制變數；擷取壓脈帶內一壓力振盪波形以得到一組數值，其中該組數值包括一波形反射造成收縮期波形之第二峰值、一收縮壓期末之收縮壓、一收縮期波形下面積、一舒張壓期波形下面積、一舒張壓及一心率；以及將該組數值分別代入該線性迴歸方程式對應之控制變數而得到一中央動脈之壓力值；其中該中央動脈之壓力值係一收縮壓或一脈搏壓，該線性迴歸方程式表示如下：SBP-C=s1×SBP2+s2×ESP+s3×As+s4×Ad+ s5×DBP+s6×Heart Rate+c1；或PP-C=p1×SBP2+p2×ESP+p3×As+p4×Ad+p5×DBP+p6×Heart Rate+c2其中，SBP-C係代表該收縮壓、PP-C係代表該脈搏壓、SBP2係代表該第二峰值、ESP係代表該末期收縮壓、As係代表該收縮期波形下面積、Ad係代表該舒張壓期波形下面積、DBP係代表該舒張壓、Heart Rate係代表該心率、以及s1、s2、s3、s4、s5、s6、c1、p1、p2、p3、p4、p5、p6、c2均為常數。
8. 如請求項7所述之中央動脈血壓估計方法，其中該壓力振盪波形包含一脈波容積紀錄波形。
9. 如請求項8所述之中央動脈血壓估計方法，其中該脈波容積紀錄波形係控制該壓脈帶內之壓力維持於一恆定壓力下所得到之壓力訊號。
10. 如請求項7所述之中央動脈血壓估計方法，其中該常數s1、s2、s3、s4、s5、s6、c1分別為0.30、0.20、1.97、0.87、-0.75、1.00及-58.16。
11. 如請求項7所述之中央動脈血壓估計方法，其中該常數p1、p2、p3、p4、p5、p6、c2分別為0.26、-0.06、2.61、1.37、-1.73、1.62及-114.64。