基于光电容积脉搏波描记术的年龄相关特征在不同收缩压分层中的一致性：一项横断面研究

《Frontiers in Physiology》：Age-associated photoplethysmographic features across systolic blood pressure strata: a cross-sectional study

　　

中文翻译： 摘要 与年龄相关的血管变化可能改变光电容积脉搏波描记术（photoplethysmographic，PPG）波形形态、时序、谐波组成和脉搏率变异性。然而，尚无证据证实这些年龄相关的PPG特征在不同收缩压（systolic blood pressure，SBP）水平下保持一致。这项横断面研究在四个测量的SBP分层中，描述性地比较了年龄<65岁和≥65岁成人之间的PPG衍生特征，并使用多变量回归评估了这些特征与连续年龄的关联。研究纳入了1，163名心脏病门诊患者。在每个分层内，组间差异采用Mann–Whitney U检验。探索性交集分析确定了11个候选PPG衍生特征，这些特征在所有分层中均显示出名义上显著的年龄组差异。经过分层内FDR校正筛选特征后，其中10个候选特征仍保持显著性。老年人表现出更高的归一化波形宽度指数、延长的收缩期时序、更高的收缩期与舒张期持续时间比、更低的H2/H1和LF/HF比值，以及更大的脉搏面积变异性。在调整测量SBP、性别、体重指数、糖尿病、冠心病、充血性心力衰竭、慢性肾脏病和抗高血压药物使用后，所有11个特征仍与连续年龄显著相关。这些发现表明，PPG衍生特征可能提供超越单一肱动脉SBP测量的、与年龄相关的血管和脉搏率变异性衍生光谱特征的补充信息。

论文解读文章

一、研究背景与问题

高血压是全球最重要的健康挑战之一，影响超过十亿人，是心血管发病率和死亡率的主要驱动因素。肱动脉收缩压（systolic blood pressure，SBP）升高是高血压的临床标志，但它仅反映动脉系统潜在血流动力学负担的一小部分。传统袖带式血压测量仅提供间歇性的瞬时读数，无法捕捉导致心血管风险的复杂逐搏血管动力学。因此，许多个体，尤其是老年人，尽管诊室SBP测量显示血压正常，仍表现出显著的血管功能障碍。鉴于肱动脉压力与真实血管负荷之间的脱节，迫切需要能够早期检测动脉老化的生理敏感工具。

衰老深刻改变动脉树的结构和功能特性。弹性蛋白丢失、胶原蛋白积累、内皮损伤和中膜增厚等病理生理变化加速脉搏波速度（pulse wave velocity，PWV）并增加晚期收缩负荷。这些改变还可能缩短舒张期并增加传递至微血管床的搏动能量。然而，常规临床评估无法完全阐明这些血流动力学过程，现行指南主要依赖肱动脉SBP来定义风险类别。这一问题在老年人中尤为突出，因为尽管其SBP在正常范围内，仍可能经历显著的血管硬化和波反射异常。

光电容积脉搏波描记术（photoplethysmography，PPG）是一种简单、非侵入性的光学技术，用于测量微循环中的血容量变化，是表征血管功能的强大工具。PPG衍生指标如归一化波形几何、谐波能量分布、收缩期时序和脉搏率变异性（pulse rate variability，PRV）已被证明与心血管生理和测量SBP相关。然而，尚不清楚这些年龄相关的PPG特征是否在不同SBP水平下保持一致。本研究旨在比较年龄<65岁和≥65岁成人在四个测量SBP分层（≤120、121–139、140–159和≥160 mmHg）中的PPG衍生特征，并评估候选特征在校正测量SBP和临床协变量后是否仍与年龄相关。

二、研究设计与结论

研究人员开展了一项在中国医科大学附属医院（台湾台中）进行的横断面研究，连续招募了1，163名心脏病门诊患者。参与者被回顾性地分为四个SBP分层，并在每个分层内按年龄分组（<65岁和≥65岁）进行比较。研究使用连续年龄作为主要暴露变量进行多变量回归分析。结果显示，探索性交集分析确定了11个在所有四个SBP分层中均显示名义显著年龄组差异的候选PPG特征，包括六个归一化波形宽度指数（1_2、1_3、1_5、1_6、1_8和1_10）、两个时序参数（Ts和Ts/Td）、脉搏面积变异性（STD_AREA）、谐波比H2/H1和PRV衍生光谱指数LF/HF。在分层内FDR校正后，10个特征在所有四个分层中保持显著。老年人一致表现出更高的波形宽度指数、Ts、Ts/Td和STD_AREA值，以及更低的H2/H1和LF/HF值。在校正测量SBP、性别、BMI、糖尿病、冠心病、充血性心力衰竭、慢性肾脏病和抗高血压药物使用后，所有11个特征仍与连续年龄显著相关。这一发现具有重要意义，表明PPG可能提供超越单一肱动脉SBP测量的、与年龄相关的血管和PRV衍生光谱特征的补充信息，尤其是在SBP≤120 mmHg的老年人中仍可检测到明显的PPG模式差异。

三、关键方法技术

研究使用MAX30102光学传感器模块（Maxim Integrated，美国）连接Raspberry Pi 5（Raspberry Pi Foundation，英国），通过I2C总线采集左食指的连续90秒PPG信号（采样率500 Hz）。信号预处理包括带通滤波（0.5–8 Hz）、移动平均基线校正和振幅归一化。信号质量指数（signal quality index，SQI）计算为交流分量与直流分量之比，SQI<0.2%的片段被排除。特征提取涵盖时域形态和节律特征（Ts、Td、Ts/Td、STD_AREA、SDNN、RMSSD、pNN50）、波形几何和锐度指数（六个归一化波形宽度指数）以及频域和PRV衍生光谱指数（谐波能量比H1–H4、LF、HF和LF/HF）。统计分析使用Mann–Whitney U检验进行组间比较，多变量线性回归评估连续年龄关联，Benjamini–Hochberg FDR校正用于多重检验控制。

四、研究结果

3.1 基线特征

研究纳入1，163名参与者，年轻组男性比例更高（64.02% vs. 49.70%，P<0.001）。年龄≥65岁组糖尿病、血脂异常、冠心病、慢性阻塞性肺疾病或哮喘和慢性肾脏病患病率显著更高，而充血性心力衰竭在<65岁组更常见。钙通道阻滞剂和α受体阻滞剂在老年组处方更频繁。

3.2 各SBP分层内的年龄相关PPG特征差异

在SBP≤120 mmHg组，老年人所有六个归一化波形宽度指数显著更高（均P≤0.001），H2/H1和LF/HF显著更低，STD_AREA、Ts和Ts/Td显著更高。在SBP 121–139 mmHg组，老年人所有波形宽度指数更高，H2/H1和LF/HF更低，pNN50和RMSSD更高，Td更短而Ts和Ts/Td更高。在SBP 140–159 mmHg组，老年人波形宽度指数、STD_AREA、SDNN、Ts、Ts/Td和ΔT均更高，H2/H1和LF/HF更低。在SBP≥160 mmHg组，老年人所有波形宽度指数、脉搏面积、STD_AREA、SDNN、pNN50、RMSSD、Ts、Ts/Td和ΔT均更高，H2/H1和H3/H1更低，HF更高而LF/HF更低。

3.3 跨SBP分层的年龄相关PPG特征交集

UpSet图显示，使用名义P<0.05阈值，最大交集包含11个在所有四个SBP分层中均显示年龄组差异的候选特征。FDR校正后，10个特征在所有分层中保持显著，H2/H1在≤120 mmHg分层中未达到校正阈值（P=0.040；q=0.077）。

3.4 11个年龄相关特征的定量比较

未调整均值显示老年人在所有分层中波形宽度指数、Ts、Ts/Td和STD_AREA更高，H2/H1和LF/HF更低。协变量校正后的估计边际均值（estimated marginal means，EMMs）与未调整比较的方向模式一致。

3.5 年龄与11个候选PPG特征的调整关联

多变量线性回归显示，所有11个特征在校正协变量后仍与连续年龄显著相关。正向标准化年龄系数范围为0.186至0.229，H2/H1（β=?0.278）和LF/HF（β=?0.245）呈负相关。所有关联在FDR校正后保持显著，调整R2范围为0.066至0.204。二次年龄项敏感性分析未显示显著非线性。

3.6 年龄与SBP分层的交互作用

正式的年龄×SBP分层交互分析显示，FDR校正后所有11个候选特征均无显著效应修饰（所有q≥0.350），表明连续年龄关联在不同SBP分层间无统计学差异。

五、讨论与结论

讨论部分指出，老年人所有六个归一化波形宽度指数均升高，表明收缩期波形轮廓更宽，这与动脉壁特性和脉搏波传输的年龄相关变化一致，但不应被解释为动脉硬化的直接测量。H2/H1在老年人中一致降低，表明谐波复杂性降低和脉搏波高频分量传输改变。LF/HF随年龄一致降低，反映PRV衍生光谱特征的年龄相关差异，但不应被解释为交感–副交感平衡改变的直接证据。Ts和Ts/Td随年龄增加，表明外周脉搏波时序配置与年龄相关，但不代表心室收缩持续时间的直接测量。STD_AREA在老年人中更高，表明脉搏波特征逐搏变异性增加。这些发现提示肱动脉SBP无法完全捕捉外周脉搏波特征的年龄相关差异，PPG可能提供补充信息。研究局限性包括横断面设计无法推断因果、未测量中心血压和PWV、药物相关信息不完整、单中心心脏病门诊人群限制普适性，以及候选特征选择和回归在同一数据集进行，需要独立外部验证。

结论部分总结：本研究确定了11个候选PPG衍生特征，在所有四个测量SBP分层中显示名义显著的年龄组差异，其中10个在分层内FDR校正后保持显著。年龄增长与六个归一化波形宽度指数、Ts、Ts/Td和STD_AREA升高以及H2/H1和LF/HF降低相关，这些方向模式在完整测量SBP谱中均可观察到，尤其是在SBP≤120 mmHg的成人中。校正协变量后，所有11个特征仍与连续年龄显著相关。因此，衰老可能与外周PPG波形几何、脉搏时序、谐波组成、脉搏面积变异性和PRV衍生光谱特征的协调变化相关。然而，这些特征目前应被视为候选年龄相关PPG特征，而非动脉僵硬度或心血管风险的验证测量。需要纳入PWV、中心血压、药物效应、外周温度和心血管结局的纵向多中心研究来阐明其生理意义和潜在临床应用价值。