千英信，湯建國(guó)，張志楓△，周昌樂，許家佗，邱勇兵，李 欣，郭 震，王寧欣

(1.上海中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,上海 201203； 2. 上海交通大學(xué)附屬胸科醫(yī)院體外循環(huán)室,上海 200030)

本課題組先期研究工作表明，體外循環(huán)搏動(dòng)灌注過程中，患者“寸口”可檢測(cè)到脈搏波，不僅提示搏動(dòng)血流能量能有效傳遞到外周血管，而且證明“寸口”脈搏波可以作為體外循環(huán)搏動(dòng)灌注效果評(píng)價(jià)的客觀指標(biāo)[1-5]。為了將研究工作引向深入，我們對(duì)脈搏波進(jìn)行了頻域分析，探索建立基于“寸口”脈搏波頻譜指標(biāo)的體外循環(huán)搏動(dòng)灌注效果客觀評(píng)價(jià)方法，研究成果將進(jìn)一步完善基于“寸口”脈搏波指標(biāo)分析的體外循環(huán)搏動(dòng)灌注效果的客觀評(píng)價(jià)方法。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

選取2012年9月至2015年12月上海市胸科醫(yī)院收治的需體外循環(huán)術(shù)行心臟瓣膜手術(shù)的風(fēng)濕心臟病患者92例。按照區(qū)組隨機(jī)化分組方法，將研究對(duì)象分成搏動(dòng)灌注組(PP組)和非搏動(dòng)灌注組(NP組)各46名。隨機(jī)化分組方案由SAS統(tǒng)計(jì)軟件的PROC PLAN 過程產(chǎn)生。隨機(jī)化分組方案的隱藏方法，采用“信封法”。表1顯示，2組研究對(duì)象在年齡、身高、體質(zhì)量、體表面積、左室射血分?jǐn)?shù)等指標(biāo)比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表1 2組患者基線資料比較

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

圖1顯示，PowerLab數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)(ADInstrument Inc.，Australia)；Sorin Stockert S5型體外循環(huán)機(jī)(Sorin Group, Munich, Germany)、AFFINITY膜式氧合器(Medtronic Inc.，Minneapolis，USA)、體外循環(huán)管道、主動(dòng)脈直插管(上海祥盛醫(yī)療器械廠，上海)、動(dòng)脈濾器(寧波菲拉爾醫(yī)療用品有限公司，寧波)。

圖1 PowerLab數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)及Labchart 8.0軟件界面

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 體外循環(huán)方法 患者采用胸部正中切口，行主動(dòng)脈和腔靜脈插管建立體外循環(huán)，鼻咽溫度維持34 ℃，采用4∶1含血停搏液保護(hù)心肌，灌注血液流量為3.6～ 4.2 L·m-2·min-1。主動(dòng)脈阻斷期間，2組患者血流灌注方式分別采用搏動(dòng)灌注和非搏動(dòng)灌注模式，搏動(dòng)灌注模式通過改變體外循環(huán)滾壓泵轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置：基礎(chǔ)流量30%，搏動(dòng)周期開始點(diǎn)30%，結(jié)束點(diǎn)70%，頻率75次/min；非搏動(dòng)灌注模式全程采用傳統(tǒng)的平流灌注方式。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用labchart8.0軟件頻譜分析功能模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，獲得頻率譜圖像和相應(yīng)的頻譜數(shù)值，采用以下2種頻譜處理方法分析脈搏波。(1)頻率譜幅值分析方法：截取15～20個(gè)周期的脈搏波轉(zhuǎn)化為頻率譜幅值。以頻率作為自變量，信號(hào)各個(gè)頻率成分的幅值為因變量，表示信號(hào)的幅值隨頻率的分布情況。FFT設(shè)定為8k(8192)，計(jì)算獲得頻率譜幅值。觀察指標(biāo)為基波頻率值及其幅值、諧波頻率值及其幅值、諧波數(shù)、主要頻率譜范圍等；(2)功率譜密度估計(jì)分析方法：截取15～20個(gè)周期的脈搏波，應(yīng)用快速傅立葉變換轉(zhuǎn)化為功率譜。FFT設(shè)定為1k(1024)，分別計(jì)算0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz功率譜密度估計(jì)值。根據(jù)脈搏波的頻譜特點(diǎn)，0～40 Hz范圍的能量可當(dāng)作脈搏波的全部能量。在此基礎(chǔ)上分別計(jì)算0～5 Hz功率譜密度估計(jì)值占0～40 Hz功率譜密度估計(jì)值的比值(即0～5 Hz 譜能比)，5～10 Hz功率譜密度估計(jì)值占0～40 Hz功率譜密度估計(jì)值的比值(即5～10 Hz譜能比)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 脈搏波頻率譜幅值分析結(jié)果

2.1.1 阻斷前頻率譜分析結(jié)果 脈搏波頻率主要分布在5 Hz以內(nèi)，基波前0.2～0.4 Hz處的波為呼吸波。

2.1.2 阻斷后頻率譜分析結(jié)果 (1)搏動(dòng)灌注頻率譜分析結(jié)果：脈搏波頻率主要分布在5 Hz以內(nèi)，基波前0.2～0.4 Hz處的波為呼吸波‘(2)非搏動(dòng)灌注頻率譜分析結(jié)果：脈搏波波形微小，頻率在4 Hz左右；(3)搏動(dòng)灌注和非搏動(dòng)灌注頻率譜計(jì)算結(jié)果：表1顯示，計(jì)算分析搏動(dòng)灌注和非搏動(dòng)灌注脈搏波頻率譜幅值結(jié)果。

表1 搏動(dòng)灌注組和非搏動(dòng)灌注組脈搏波幅值計(jì)算結(jié)果

結(jié)果表明，體外循環(huán)開始前的脈搏波頻率譜波形與體外循環(huán)開始后的搏動(dòng)灌注組脈搏波頻率譜波形基本相同。體外循環(huán)過程中，頻率0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz的搏動(dòng)灌注組脈搏波頻率譜幅值明顯高于非搏動(dòng)灌注組(P<0.05)，提示搏動(dòng)灌注產(chǎn)生的脈搏波能量明顯高于非搏動(dòng)灌注。

2.2 脈搏波功率譜密度估計(jì)值計(jì)算結(jié)果

2.2.1 泵壓功率譜密度估計(jì)值計(jì)算結(jié)果 表2顯示，取體外循環(huán)機(jī)搏血泵泵壓不同頻率的功率譜密度估計(jì)值的平均值, 計(jì)算搏動(dòng)灌注組與非搏動(dòng)灌注組血泵泵壓功率譜密度估計(jì)值的比值。

表2 搏動(dòng)灌注組和非搏動(dòng)灌注組血泵泵壓功率譜密度估計(jì)值比值

結(jié)果表明，搏動(dòng)灌注組0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz泵壓功率譜密度估計(jì)值是非搏動(dòng)灌注的2.26～3.19倍，提示搏動(dòng)灌注組血泵輸出的能量高于非搏動(dòng)灌注組。

2.2.2 血泵與脈搏波功率譜密度估計(jì)值比值計(jì)算結(jié)果 表3顯示，計(jì)算血泵與脈搏波功率譜密度估計(jì)值的比值，觀察體外循環(huán)不同血液灌注模式脈搏波能量衰減情況。

表3 血泵與脈搏波功率譜密度估計(jì)值比值

結(jié)果表明，頻率0～5 Hz搏動(dòng)灌注組脈搏波的能量是血泵能量的3.6%，非搏動(dòng)灌注組脈搏波的能量是血泵能量的2.1%；頻率5～10 Hz搏動(dòng)灌注組脈搏波的能量是血泵能量的0.7%，非搏動(dòng)灌注組脈搏波的能量是血泵能量的0.6%；頻率0～40 Hz搏動(dòng)灌注組脈搏波的能量是血泵能量的2.4%，非搏動(dòng)灌注組脈搏波的能量是血泵能量的1.4%，提示盡管搏動(dòng)灌注組和非搏動(dòng)灌注組血泵能量在體外循環(huán)傳遞過程中均有衰減，但是搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞的衰減度要低于非搏動(dòng)灌注組(低頻能量尤為明顯)。

2.2.3 阻斷前后脈搏波功率譜譜能比計(jì)算結(jié)果 表4顯示，計(jì)算阻斷前后脈搏波功率譜譜能比值，觀察體外循環(huán)前后不同血液灌注模式的脈搏波能量分布情況。

表4 搏動(dòng)灌注組和非搏動(dòng)灌注組脈搏波譜能比計(jì)算結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，升主動(dòng)脈阻斷前，搏動(dòng)灌注組與非搏動(dòng)灌注組脈搏波譜能比值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。阻斷后搏動(dòng)灌注組脈搏波0～5 Hz譜能比顯著高于非搏動(dòng)灌注組(P<0.05)；阻斷后搏動(dòng)灌注組脈搏波5～10 Hz譜能比顯著低于非搏動(dòng)灌注組(P<0.05)，提示搏動(dòng)灌注脈搏波能量主要分布在0～5 Hz頻率范圍，脈搏波0～5 Hz譜能比可作為搏動(dòng)灌注有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 討論

3.1 體外循環(huán)監(jiān)測(cè)脈搏波的意義

“體外循環(huán)”技術(shù)是用一組特殊裝置臨時(shí)替代人體的心肺功能，輔助進(jìn)行血液循環(huán)及氣體交換的1項(xiàng)技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于先天性心臟病、瓣膜病、冠狀動(dòng)脈病和主動(dòng)脈瘤等心胸外科疾病手術(shù)中，成為心胸手術(shù)成功的重要保障，挽救了許多危重患者的生命。

血泵是體外循環(huán)機(jī)的重要裝置，具有替代心室搏血的功能。根據(jù)泵的排血方式分為“無搏動(dòng)泵”和“搏動(dòng)泵”2種，故體外循環(huán)灌注方式分為“非搏動(dòng)灌注”(nonpulsatile perfusion，NP)與“搏動(dòng)灌注”(pulsatile perfusion,PP)2種。1953年Gibbon在1例臨床體外循環(huán)術(shù)中成功使用了“搏動(dòng)泵”，開啟了體外循環(huán)“搏動(dòng)灌注”之先河。20世紀(jì)80～90年代，體外循環(huán)“搏動(dòng)灌注”技術(shù)日趨成熟并開始應(yīng)用于臨床。目前支持體外循環(huán)搏動(dòng)灌注的理論支柱主要有以下3個(gè)。

臨床研究結(jié)果也證明，“搏動(dòng)灌注”所產(chǎn)生的搏動(dòng)血流更接近人體平時(shí)的生理狀態(tài)，對(duì)手術(shù)者有明顯的益處。如對(duì)紅細(xì)胞損傷小[9]，能顯著降低肺血管阻力[10]，改善微循環(huán)而抑制水腫發(fā)生[11]，降低兒茶酚胺[12]、腎素、血管緊張素Ⅱ及血栓素水平[13]，改善大腦[14-17]、心臟[18]、肝臟[19]、胰腺[20-21]、腎臟[22-23]、胃腸道系統(tǒng)[24]等生命器官的血液循環(huán)，有利于術(shù)后器官功能的恢復(fù)[25-26]，“搏動(dòng)灌注”還能減少炎癥并發(fā)癥，降低術(shù)后死亡率[27-29]。

仿人體生理的“搏動(dòng)灌注”有很多臨床優(yōu)勢(shì)，也是體外循環(huán)血液灌注技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。但是一些問題制約了“搏動(dòng)灌注”技術(shù)普及和推廣，其中一個(gè)關(guān)鍵的問題是，目前對(duì)“搏動(dòng)灌注”所形成的血流搏動(dòng)波進(jìn)行量化分析和效果評(píng)價(jià)的方法非常復(fù)雜且成本高、不易推廣[30]。因此，體外循環(huán)“搏動(dòng)灌注”缺乏簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的效果評(píng)價(jià)方法，是制約該技術(shù)推廣的一個(gè)瓶頸問題。

本課題探索將脈搏波頻譜分析技術(shù)運(yùn)用于體外循環(huán)效果的評(píng)價(jià)，該工作具有重要的基礎(chǔ)和臨床研究?jī)r(jià)值。

3.2 體外循環(huán)監(jiān)測(cè)脈搏波的依據(jù)

在臨床上應(yīng)用了數(shù)千年的中醫(yī)“寸口”脈診方法和已成熟的脈搏波信號(hào)檢測(cè)、處理技術(shù)，為我們建立體外循環(huán)“搏動(dòng)灌注”簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的客觀評(píng)價(jià)方法提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

“寸口”指橈骨莖突內(nèi)側(cè)橈動(dòng)脈搏動(dòng)處?！秲?nèi)經(jīng)》認(rèn)為診“寸口”脈，可以了解人體五臟六腑生理、病理變化，因?yàn)椤拔迮K六腑之氣味，皆出于胃，變見于氣口”?！峨y經(jīng)》則開宗明義地提出“獨(dú)取寸口以決五臟六腑死生吉兇”，首創(chuàng)“獨(dú)取寸口”診脈法。“寸”在古代曾專指橈動(dòng)脈搏動(dòng)處，“寸”的古文字從又從一。“又”是手的形象，“一”是指事符號(hào)，指示寸口的部位。先秦六國(guó)文字就有，由此推斷先秦時(shí)(公元前481-221年)人們已經(jīng)注意到“寸口”動(dòng)脈搏動(dòng)的現(xiàn)象，這種動(dòng)脈搏動(dòng)的現(xiàn)象(即“脈象”)最終成為中醫(yī)觀測(cè)、診察人體生理病理狀況的一種生命表征。而診察脈象的方法脈診成為中醫(yī)所特有的對(duì)人體內(nèi)臟、器官、組織狀況評(píng)估的一種方法。

隨著脈診客觀化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化研究成果在臨床上的推廣應(yīng)用，“寸口”脈象描記和脈象信號(hào)時(shí)域、頻域分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于心腦血管、血液疾病、腫瘤等診斷及人體生理、健康狀況的評(píng)估[31-37]，甚至應(yīng)用于航天醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

脈象儀描記的脈搏波，實(shí)際上是主動(dòng)脈近心端傳出(離心方向)的波與向心方向的反射波疊加而成的復(fù)合波[38]。從脈搏波的波形來看，橈動(dòng)脈脈搏波信號(hào)曲線的拐點(diǎn)最多，即所攜帶的信息最為豐富[39]，因此“寸口”是表達(dá)動(dòng)脈搏動(dòng)復(fù)合波信息最為理想的一個(gè)部位。

不論是從傳統(tǒng)的中醫(yī)學(xué)還是從現(xiàn)代生物學(xué)角度，都證明“寸口”脈象能較全面、真實(shí)地反映人體生理病理信息。因此，選擇“寸口”脈搏波來觀察和評(píng)價(jià)體外循環(huán)“搏動(dòng)灌注”的臨床效果，具有一定的學(xué)理依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，體外循環(huán)搏動(dòng)灌注過程中能夠采集到脈搏波，提示體外循環(huán)搏動(dòng)血流能量能夠向外周有效傳遞，證明在體外循環(huán)“搏動(dòng)灌注”過程中尋找其“寸口”脈搏波波形和參數(shù)，作為體外循環(huán)搏動(dòng)灌注效果評(píng)價(jià)指標(biāo)的思路[3,4,40]是可行的。

3.3 體外循環(huán)脈搏波頻譜特征

3.3.1 幅值頻率譜特征 體外循環(huán)搏動(dòng)灌注脈搏波頻率主要分布在5 Hz以內(nèi)，基波前0.2～0.4 Hz處的波為呼吸波。非搏動(dòng)灌注脈搏波波形微小，頻率在4 Hz左右。結(jié)果表明，體外循環(huán)過程中頻率0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz的搏動(dòng)灌注組脈搏波頻率譜幅值明顯高于非搏動(dòng)灌注組(P<0.05)，提示搏動(dòng)灌注產(chǎn)生的脈搏波能量明顯高于非搏動(dòng)灌注。

3.3.2 功率譜特征 體外循環(huán)搏動(dòng)灌注組0～5 Hz、5～10 Hz和0～40 Hz泵壓功率譜密度估計(jì)值是非搏動(dòng)灌注的2.26～3.19倍，提示搏動(dòng)灌注組血泵輸出能量高于非搏動(dòng)灌注組，搏動(dòng)灌注模式產(chǎn)生的富余能量是有臨床意義的。

根據(jù)對(duì)脈搏波頻率譜的觀察我們認(rèn)為，脈搏波頻率40 Hz以內(nèi)的能量可以作為脈搏波的全部能量。通過對(duì)0～5 Hz、5～10 Hz譜能比計(jì)算，結(jié)果表明，升主動(dòng)脈阻斷前，搏動(dòng)灌注組、非搏動(dòng)灌注組譜能比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。阻斷后搏動(dòng)灌注組脈搏波0～5 Hz普能比顯著高于非搏動(dòng)灌注組(P<0.05)，阻斷后搏動(dòng)灌注組脈搏波5～10 Hz普能比顯著低于非搏動(dòng)灌注組(P<0.05)，提示搏動(dòng)灌注能量主要分布在0～5 Hz頻率范圍，脈搏波0～5 Hz普能比可作為搏動(dòng)灌注有效性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.4 體外循環(huán)脈搏波能量傳遞特點(diǎn)

我們通過對(duì)泵壓與脈搏波的功率譜密度比值研究，來了解血泵有多少能量能夠傳遞到外周脈搏波。研究結(jié)果表明，搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的0～5 Hz能量衰減為原來能量的3.6%，非搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞到脈搏波時(shí)0～5 Hz能量衰減為原來的2.1%；搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的5～10 Hz能量衰減為原來能量的0.7%，非搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞到脈搏波時(shí)5～10 Hz能量衰減為原來的0.56%；搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的0～40 Hz能量衰減為原來能量的2.4%，非搏動(dòng)灌注組血泵能量傳遞到脈搏波的0～40 Hz能量衰減為原來能量的1.4%。提示體外循環(huán)血泵輸出能量在向外傳遞過程中有明顯衰減現(xiàn)象，但是搏動(dòng)灌注組能量傳遞的衰減度要低于非搏動(dòng)灌注組，其中低頻能量的衰減度低于高頻能量。

呼吸波是頻率很低的波，由于它在脈搏波傳遞中衰減小、傳遞性好，所以出現(xiàn)呼吸波相對(duì)抬高的現(xiàn)象?！胺沃鳉?，司呼吸”“肺朝百脈”，說明肺與“百脈”存在密切關(guān)系。通過脈搏波的頻域分析可以看到，低頻的呼吸波參與“百脈”脈搏波的能量傳遞，提示呼吸波作為脈搏波的組成部分之一，對(duì)中醫(yī)脈象的形成機(jī)理有著重要的影響，佐證了中醫(yī)診脈獨(dú)取手太陰肺經(jīng)“寸口”的科學(xué)性。

4 結(jié)論

搏動(dòng)灌注產(chǎn)生的脈搏波能量高于非搏動(dòng)灌注脈搏波能量。頻域參數(shù)0～5 Hz譜能比值可以作為體外循環(huán)搏動(dòng)灌注有效性的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)。低頻的呼吸波參與脈搏波中的能量傳遞，呼吸波對(duì)寸口脈搏波的形成機(jī)理有著重要的影響，佐證了中醫(yī)診脈獨(dú)取手太陰肺經(jīng)“寸口”的科學(xué)性。