光电容积描记特征与超声心动图心脏结构及舒张功能改变的关系：肾功能交互作用

《Life》：Photoplethysmographic Features and Echocardiographic Cardiac Structural and Diastolic Modifications: Interaction with Kidney Function

　　

中文摘要翻译 背景：光电容积描记法（PPG）提供一种简单的周围光学信号，可能包含与心脏结构和功能相关的信息。然而，多域PPG特征与超声心动图重构表型的关联，以及这些关联是否随肾功能变化，尚未得到充分阐明。方法：研究人员对1283名心脏病学参与者进行了一项二次观察性分析。四个代表时域、谐波域和脉率变异性域的PPG指标，包括收缩期持续时间（Ts）、收缩期与舒张期持续时间比（Ts/Td）、二次谐波与基波比（H2/H1）以及低频与高频功率比（LF/HF），被评估与早期二尖瓣流入速度与早期舒张期二尖瓣环速度比（E/e′）、左心房容积指数（LAVI）和左心室质量指数（LVMI）的关系。所有1283名参与者均被纳入每个超声心动图结局的主要分析中。多变量回归调整了年龄、性别、体重指数、收缩压、脉率、高血压、糖尿病、冠状动脉疾病、β受体阻滞剂使用和估算肾小球滤过率（eGFR）。应用了错误发现率（FDR）校正；使用eGFR < 60与≥60 mL/min/1.73 m2探讨了肾功能交互作用。结果：较高的log2转换LF/HF与较低的E/e′（每增加1个标准差，降低5.02%；95%置信区间[CI]，?7.51%至?2.46%；q = 0.002）、较低的LAVI（?5.19%；95% CI，?7.91%至?2.39%；q = 0.002）和较低的LVMI（?2.57%；95% CI，?4.60%至?0.50%；q = 0.046）独立相关。较高的Ts/Td与较高的LVMI相关（+4.05%；q = 0.028），而较高的H2/H1与较低的LVMI相关（?3.48%；q = 0.049）。肾功能显著改变了若干PPG与重构之间的关联，其中对LAVI的影响最为显著；在eGFR ≥ 60和<60 mL/min/1.73 m2的参与者中，LF/HF与LAVI的关联分别为?2.91%和?11.92%（交互作用q = 0.007）。敏感性分析总体上支持主要发现；然而，将四个PPG指标纳入临床模型仅带来极小的增量预测改善。结论：PPG衍生的脉搏变异性和波形特征与舒张功能和心脏重构的超声心动图测量值存在关联，并表现出显著的肾功能依赖性异质性。这些发现支持PPG作为心肾和重构相关信号的生理表型分析工具，但不能作为超声心动图的独立替代品。

论文主体内容解读文章

研究背景与问题提出

心脏重构和舒张功能受损是涵盖高血压、冠状动脉疾病、心力衰竭和心肾疾病等一系列心血管疾病的关键特征。超声心动图指标，如早期二尖瓣流入速度与早期舒张期二尖瓣环速度比（E/e′）、左心房容积指数（LAVI）和左心室质量指数（LVMI），可提供关于心室充盈压、慢性心房重构和心室肥厚重构的互补信息。然而，这些指标的评估需要专门的超声心动图设备和经过培训的专业人员。因此，学界越来越关注更简便的外周生理信号是否能够捕捉与心脏结构和功能相关的信息。光电容积描记法（PPG）是一种低成本的光学技术，可测量外周血容量的搏动性变化，并日益普及于可穿戴设备、智能手机和床边监护系统中。尽管PPG常用于脉率和血氧饱和度估计，但其波形还包含补充性的时间、形态、谐波和逐拍变异性信息。既往研究已揭示PPG衍生的时域和频域特征含有生理学上有意义的血管负荷相关信息，并能支持血压状态的可解释分类。然而，外周脉搏特征与舒张功能和心脏结构性重构的超声心动图测量值之间的关联，在考虑常规临床协变量后仍未得到充分阐明。此外，肾功能可能进一步改变这些关联，因为估算肾小球滤过率（eGFR）降低与容量扩张、动脉僵硬度增加、内皮功能障碍、血管钙化、自主神经失调和心室负荷改变有关。因此，有必要系统地评估多域PPG特征与超声心动图表型的关系，并检验肾功能是否作为效应修饰因子发挥作用。

研究设计与主要结论

本研究在一项包含1283名参与者的心脏病学队列中，评估了选定的PPG特征与三个超声心动图表型（E/e′、LAVI和LVMI）之间的关联。研究人员选取了四个代表互补信号域的PPG指标：收缩期持续时间（Ts）、收缩期与舒张期持续时间比（Ts/Td）、二次谐波与基波比（H₂/H₁）以及源自脉率变异性的低频与高频功率比（LF/HF）。主要目标是确定这些指标与舒张功能和心脏重构的超声心动图测量值之间是否存在独立关联，并检验肾功能是否改变了这些关联。次要分析包括评估跨不同模型规格的稳健性、与分类结构异常的关联、超出临床变量的增量预测价值，以及在更广泛的PPG特征集中探索信号。

研究得出以下主要结论：首先，在所有四个主要PPG指标中，源自脉率变异性（PRV）的LF/HF显示出与超声心动图表型最一致的关联。在完全调整模型中，log₂转换的LF/HF每增加1个标准差，E/e′降低5.02%，LAVI降低5.19%，LVMI降低2.57%，这些关联在错误发现率（FDR）校正后仍具统计学显著性。其次，来自其他域的PPG特征也与心脏结构相关联。较高的Ts/Td与较高的LVMI相关，而较高的H₂/H₁与较低的LVMI相关。第三，多个PPG与心脏的关联强度因肾功能而异，其中LAVI的异质性最为显著。例如，在eGFR ≥ 60 mL/min/1.73 m²的参与者中，较高LF/HF与较低LAVI的关联较为温和（?2.91%），而在eGFR < 60 mL/min/1.73 m²的参与者中则强得多（?11.92%），交互作用的FDR校正q值为0.007。第四，主要关联在多项敏感性分析中基本保持稳定，包括排除极端观测值、限制于左心室射血分数（LVEF）≥ 50%的参与者、根据心律和瓣膜状态进行限制、非线性eGFR建模以及额外调整心血管药物。最后，尽管存在统计上显著的关联，但将选定的PPG指标添加到常规临床变量中提供的增量预测价值有限。对于对数转换的E/e′，交叉验证的R²从0.1942增加到0.2042，而对于LAVI和LVMI，R²基本不变或略有下降。

关键技术方法

本研究采用的关键技术方法包括：基于单传感器系统的PPG信号采集，采样频率为500 Hz；使用Kaiser窗有限冲激响应带通滤波器进行信号预处理，通带为0.5–5 Hz；通过计算交流分量与直流分量的比值进行信号质量评估；利用导数辅助验证的峰值检测算法识别脉搏周期并提取时域特征，如Ts和Ts/Td；采用韦尔奇法进行频域和谐波分析，以获取H₂/H₁；通过三次样条插值对逐拍脉搏间期序列进行重采样，并使用韦尔奇法估计功率谱密度，从而进行脉率变异性分析并计算LF/HF。本研究的样本来源于台湾台中市中国医药大学医院的心脏病门诊患者数据库，共纳入1283名独立参与者。

研究结果详述

PPG指标与超声心动图表型的关联：在完全调整模型中，LF/HF与所有三个超声心动图结局呈一致的反向关联。具体而言，log₂转换的LF/HF每增加1个标准差，E/e′降低5.02%（95% CI，?7.51%至?2.46%；FDR q = 0.002），LAVI降低5.19%（95% CI，?7.91%至?2.39%；FDR q = 0.002）。对于LVMI，多个PPG指标在校正后仍具显著性。log₂转换的Ts/Td每增加1个标准差，LVMI升高4.05%（FDR q = 0.028）；较高的log₂转换的H₂/H₁与较低的LVMI相关（?3.48%；FDR q = 0.049）；较高的log₂转换的LF/HF也与较低的LVMI相关（?2.57%；FDR q = 0.046）。Ts与LVMI无显著关联。

肾功能的调节作用：在调整eGFR后，LF/HF与E/e′和LAVI的关联仅受到轻微减弱，表明肾功能本身不能完全解释观察到的LF/HF关联。然而，交互作用分析显示，多个PPG与心脏的关联，特别是涉及LAVI的关联，在不同肾功能分层间表现出显著异质性。在eGFR < 60 mL/min/1.73 m²的参与者中，较高的LF/HF与LAVI降低11.92%相关，而在eGFR ≥ 60的组中仅降低2.91%（交互作用q = 0.007）。同样，对于Ts、Ts/Td和H₂/H₁与LAVI的关联，也观察到了显著的肾功能交互作用。对于LVMI，Ts、Ts/Td、H₂/H₁和LF/HF均显示出显著的肾功能交互作用，其中低eGFR组的关联幅度通常更大。

敏感性分析：LF/HF与E/e′和LAVI的反向关联在多项敏感性分析中表现稳健，包括剔除极端值、限制于LVEF ≥ 50%、限制于窦性心律和无严重瓣膜疾病的参与者、非线性eGFR建模以及额外调整心血管药物。Ts/Td与LVMI的正向关联也相对稳定。然而，部分肾功能交互作用在限制于LVEF ≥ 50%的子集中有所减弱。

结构异常分析：补充的逻辑回归分析显示，log₂转换的LF/HF每增加1个标准差，左心房扩大的风险显著降低（调整后的优势比为0.697；95% CI，0.580–0.837；FDR q < 0.001）。其他PPG指标与左心房扩大或左心室肥厚无显著关联。

增量预测分析：将四个选定的PPG指标加入临床模型后，交叉验证的R²对于E/e′增加了约0.01，对于LAVI基本无变化，对于LVMI甚至略有下降。这表明统计上显著的群体水平关联并未转化为个体水平预测的实质性改善。

更广泛PPG特征的探索性筛选：对30个非心率PPG特征进行的探索性分析显示，在FDR校正后，只有deltaT和pNN50与LAVI的关联保持显著。这提示PPG与心房重构的关联并非局限于最初选定的四个指标，但也表明大多数PPG特征与超声心动图结局并无稳健的独立关联。

讨论与结论

本研究的结果表明，PPG衍生的脉搏变异性和波形特征与舒张功能和心脏重构的超声心动图测量值存在独立关联，且这些关联的强度因肾功能而异。LF/HF是最具重现性的发现，其与E/e′、LAVI和LVMI的持续反向关联提示，指尖测量的逐拍脉搏间期动态可携带与功能和结构性心脏表型相关的信息。重要的是，由于LF/HF源自PPG脉搏间期而非心电图RR间期，它应被解释为一个整合的心血管信号，而非直接的自主神经平衡指标。肾功能作为效应修饰因子的发现尤为突出，特别是在PPG与LAVI的关联中。在肾功能较低的参与者中，这些关联更强，这可能归因于容量扩张、动脉僵硬度增加、交感神经激活等病理生理过程的叠加效应。这一发现强调了数字生物标志物的生物学意义可能依赖于疾病状态，未来的研究需要考虑这种情境依赖性。

本研究的方法学优势包括较大的样本量、多域PPG特征的综合评估、全面的协变量调整、正式的交互作用检验、多重比较校正以及包含交叉验证的预测性能评估。局限性包括观察性设计无法推断因果关系、基于存储特征而非原始波形进行分析、PPG与超声心动图非同步采集、90秒记录时长对低频分析的局限性、残余混杂的可能性、单次eGFR测量无法确认慢性肾病、研究对象为心脏病患者限制了普适性，以及缺乏外部验证。

研究结论部分翻译如下：在这项包含1283名参与者的心脏病学队列中，PPG衍生的脉率变异性和波形特征在多变量调整后，与舒张功能和心脏重构的超声心动图测量值独立相关。LF/HF显示出与E/e′、LAVI和LVMI最一致的反向关联，而Ts/Td和H₂/H₁还与LVMI额外相关。若干PPG与重构的关系，特别是涉及LAVI的关系，因肾功能而有显著差异。这些主要关联在多项敏感性分析中基本保持不变。补充的结构异常模型提供了部分一致性：较高的LF/HF与较低的左心房扩大风险独立相关。然而，重复交叉验证显示，PPG指标在常规临床变量之外仅提供有限的增量预测价值。综上所述，这些发现表明，外周PPG不应被视为心脏结构的直接光学替代物或超声心动图的独立诊断替代品。相反，PPG似乎捕捉了由心脏功能、血管传导、自主神经调节和更广泛的心肾环境共同塑造的整合生理信息。PPG最适合定位为一种互补的生理表型分析工具，而在临床应用之前，需要进行使用同步PPG、心电图、超声心动图和实验室测量的前瞻性研究及外部验证。