参考辅助FBG传感实现颈动脉-桡动脉脉搏波同步测量与PWV估计

《Sensors》：Reference-Assisted FBG Sensing for Simultaneous Carotid–Radial Pulse-Wave Measurement and PWV Estimation

　　

在颈动脉与桡动脉处同步进行脉搏波传感具有挑战性，因为这两个部位需要不同的机械耦合条件，且手动持握的颈动脉探头易受接触压力和运动干扰的影响。本研究提出了一种参考辅助光纤布拉格光栅（FBG）系统，由腕带式桡动脉单元和印章式颈动脉单元组成，后者包含机械解耦的测量FBG与参考FBG。采用参考FBG回归（RFR）抑制颈动脉通道共有的成分。在一名二十余岁男性受试者的41.8 s记录中，参考通道与颈动脉测量通道在脉搏波频带内基本不相关（r = ?0.05）。去除信号均值后，RFR使1 Hz以下功率降低74.3%，而未衰减脉搏频带功率（+11.4%），使相对功率信号质量指数从0.174提高至0.458。脉搏波传导时间（PTT）通过以波足为中心的加窗相关分析估计。对54个心动周期的分析得到代表性PTT为0.055 s。在有效路径长度为0.48 m时，相应的脉搏波速度（PWV）为8.7 m/s，记录内bootstrap 95%区间为7.7–9.9 m/s。由八个不重叠5 s片段得到的估计值为9.1 ± 1.8 m/s。与基线处理方法相比，RFR产生的片段间PTT变异性更低（变异系数20.3%对34.6–46.7%）。这些结果证明了参考辅助FBG传感用于颈动脉-桡动脉脉搏波同步采集和初步PWV估计的技术可行性。进一步验证需要更高采样率采集、重复测量、更大样本队列以及与参考PWV设备的比较。

研究背景方面，脉搏波速度（PWV）是脉搏波在血管系统中传播的速度，已被研究作为与动脉僵硬度及血管功能相关的指标。PWV基本由两个测量部位间距离与脉搏到达时间差计算，但实际中结果受所选测量段、两信号同步性及脉搏波基准点定义影响，因此设计PWV测量系统时须明确测量段，并在该段上可靠获取可重复的脉搏波信号与定时信息。传统PWV与脉搏波测量采用压平眼压计、压力或压电传感器、多普勒超声、示波袖带及光电容积脉搏波（PPG）等方法。体表测量中传感器位置与耦合变化会改变脉搏波形态与幅值，两个解剖部位同步测量还需稳定接触、同步采集与可扩展多通道传感。这些需求促使本研究采用光纤布拉格光栅（FBG）传感器。FBG将外部应变编码为光纤内光栅布拉格反射波长的偏移，具有体积小、波长编码输出、抗电磁干扰与复用能力，已应用于生物信号监测、医疗器械、生物力学测量与可穿戴医疗系统。既往研究报道了基于FBG的脉搏波传导时间测量及使用柔性FBG传感器的局部桡动脉PWV测量，但对手持颈动脉FBG探头的干扰抑制关注较少。本研究选择颈动脉-桡动脉段，因其两个测量部位施加不同的机械耦合条件：腕带可在桡动脉上保持稳定固定，而颈动脉部位对颈部曲率、呼吸、姿势、接触压力波动及操作者运动敏感，手动持握探头会同时捕获颈动脉脉搏引起的形变与探头相关干扰，降低波形稳定性与定时分析质量。为此，颈动脉单元集成了测量FBG与机械解耦的参考FBG，参考通道旨在捕获经探头手柄传递的变化而对局部颈动脉形变敏感性降低，从而可通过参考FBG回归（RFR）抑制共有成分。与既往FBG方法相比，参考[23]用两台独立FBG脉搏记录仪在单一时间尺度上读取颈动脉与桡动脉波形，消除了两仪器间同步问题，但颈动脉干扰仅靠探头机械固定处理；参考[24]用沿每根传感光纤刻写的两个FBG单元测量桡动脉内局部PWV，未纳入独立的干扰参考通道。所提系统则在接触无法稳定的部位结合部位特异性颈动脉与桡动脉传感单元与专用参考通道，并从单根光纤和单一光电探测器轨迹读取全部三个光栅，使各通道共享一个时基。研究目的即验证参考辅助FBG配置在机械性质不同的颈动脉与桡动脉部位同步脉搏波传感及初步PWV估计中的技术可行性。

研究人员开展了FBG传感系统构建与表征、传感单元配置、脉搏波测量与分析等研究，得出参考通道在脉搏频带内与颈动脉测量通道基本不相关而在全频带共享相当部分方差，RFR可集中抑制低频干扰而不衰减脉搏频带，并使片段间PTT变异性低于基线方法；代表性PTT为0.055 s，PWV为8.7 m/s，记录内bootstrap 95%区间7.7–9.9 m/s，八片段估计9.1 ± 1.8 m/s。其重要意义在于证明了将部位特异性FBG传感单元、机械解耦颈动脉参考通道与集合相关分析相结合用于颈动脉-桡动脉脉搏波同步测量与初步PWV估计的技术可行性，同时明确指出需更高采样率、重复测量、更大队列及与参考PWV设备比较等进一步验证。

关键技术方法方面，系统由波长扫描激光器经光环形器连接串联的三个FBG（桡动脉FBG1、颈动脉参考FBG2与测量FBG3），反射光经环形器进入光电探测器并由示波器记录，三光栅因中心波长不同而在每次波长扫描内不同时刻被独立读取，共享单一光时基；以扫描内反射峰时间偏移作为测量量，并通过静态应变测试表征灵敏度与重复性。传感单元均嵌入软硅弹性体，桡动脉为腕带式圆顶接触元件，颈动脉为印章式并由气隙机械解耦测量与参考部分。测量采用一名二十余岁男性作者受试者，坐位、头部中立，腕带固定于桡动脉、操作者手持印章单元于同侧颈总动脉，同步采集41.8 s、平均速率13.2 Hz、共553个样本；信号重采样至0.005 s均匀网格，采用RFR以参考FBG信号为回归量抑制共有干扰，并以FFT功率谱计算相对功率信号质量指数（RSQI），与九阶多项式去趋势及0.5、0.8 Hz二阶Butterworth高通滤波基线比较；PTT通过以波足为中心的0.3 s加窗相关分析、对54个周期相关系数平均并拟合高斯函数取峰值偏移估计，辅以Savitzky–Golay微分最大斜率分析校验，PWV由PTT与表面距离相减法所得有效路径长度0.48 m计算。

研究结果方面，3.1 颈动脉-桡动脉脉搏波同步测量：通过同步获取桡动脉FBG、RFR前颈动脉测量FBG与颈动脉参考FBG的峰时间偏移信号，观察到桡动脉与颈动脉测量FBG信号呈与心动周期对应的周期性脉搏波模式，而参考FBG信号主要呈现归因于接触压力变化与传感器运动的 variation，并随后用作估计两颈动脉FBG通道共有干扰成分的参考输入；根据0.104 ns/με应变灵敏度，颈动脉与腕部峰峰脉搏波幅值对应等效应变分别为10.6 με与5.8 με，而静态测试等效噪声为1.11 με，整个记录中参考FBG信号跨度达58.1 με，约为脉搏波幅值的五倍，说明参考通道拟捕获的干扰幅度。3.2 颈动脉信号噪声降低：通过将RFR应用于颈动脉测量FBG信号并以FFT功率谱比较RFR前后 demeaned 信号，发现RFR前1–2.25 Hz脉搏频带与0–6 Hz分析频带积分功率分别为0.00359与0.0206 ns2·Hz，RSQI为0.174，RFR后分别为0.00400与0.00873 ns2·Hz，RSQI升至0.458，1 Hz以下功率降低74.3%，脉搏频带功率增加11.4%，2.25–6 Hz功率降低4.6%，总0–6 Hz功率降低57.6%，RSQI提高2.63倍；参考FBG信号RSQI为0.015，RFR处理颈动脉信号RSQI超过机械固定腕带桡动脉通道的0.392；通过比较RFR前后54周期集合平均颈动脉波形，两者相关0.998、幅值归一化均方根差为0.023单位脉搏幅值、波足至峰值间期由0.250变为0.255 s，支持但未独立确立脉搏波形保留。通过与基线方法比较，五种处理条件全记录PTT估计为0.047–0.055 s（PWV 8.7–10.2 m/s），两种高通基线RSQI高于RFR（0.74与0.82对0.46），但RFR给出最高峰值相关系数（0.896对0.843–0.870）与最低片段间PTT变异系数（20.3%对34.6–46.7%），将参考辅助慢干扰降低与PTT估计所用波形对齐稳定性改善相联系。3.3 PTT确定与PWV估计：通过以波足为中心加窗的时间偏移分析，对54个分析窗各候选偏移下颈动脉-桡动脉相关系数平均并拟合高斯函数，峰值位于?0.055 s、拟合峰值相关0.90，取绝对值0.055 s为代表性PTT，结合0.48 m路径长度得PWV 8.7 m/s；对54周期有放回重采样得记录内95% bootstrap区间0.048–0.062 s，对应PWV 7.7–9.9 m/s；对八个不重叠5 s片段同法处理得PWV 6.3–12.2 m/s，均值9.1 m/s、标准差1.8 m/s（PWV变异系数19.8%），片段PTT变异系数20.3%；独立最大斜率分析检测55对脉搏、中位延迟0.058 s（对应8.3 m/s），支持基于相关的估计；直接逐周期波足间延迟为?0.007 ± 0.088 s，近零居中但离散大，表明当前采样率下单周期波足定时不可用、需集合平均。

讨论与结论部分，本研究证明了用于机械性质不同的颈动脉与桡动脉部位同步脉搏波传感的参考辅助FBG配置。腕带式桡动脉单元在腕部保持固定接触，手持颈动脉单元集成测量FBG与机械解耦参考FBG。参考通道并非假定仅含干扰，而是设计为对局部颈动脉形变敏感性较低并捕获经探头手柄传递的变化；因此RFR应解释为抑制两颈动脉通道共有成分而非分离生理纯颈动脉波形。去除恒定信号均值后，RFR使1 Hz以下功率降低74.3%而脉搏频带功率未衰减（+11.4%），该增加与加入与颈动脉脉搏不相关的方差一致；慢干扰降低由这些频带功率变化直接证明，而脉搏波形保留的证据是间接的：周期集合颈动脉波形经RFR基本不变（相关0.998；归一化均方根差0.023；波足至峰值间期0.250对0.255 s），形态保真度的确定性评估需与参考压力波形同步比较，本研究未具备。相对功率信号质量指数由0.174升至0.458因而主要反映慢干扰抑制。RFR在评估方法中还产生最高全记录相关与最低片段间PTT变异性，将参考辅助干扰降低与PTT估计所用波形对齐直接联系。经RFR降低颈动脉信号非脉搏波变化后，以RFR处理颈动脉信号与桡动脉信号进行PTT分析；直接确定单周期颈动脉与桡动脉波足时间差可对局部噪声与波足识别不确定性敏感，本记录中直接延迟近零居中且离散大，故定义每周期波足周围固定0.3 s分析窗用于相关分析，并平均全部54窗相关系数以降低周期间变异影响。全记录代表性PTT为0.055 s，对应0.48 m有效路径长度PWV估计8.7 m/s；记录内bootstrap区间7.7–9.9 m/s，八片段估计9.1 ± 1.8 m/s，这些值对青年成人生理上合理，但合理性不确立测量准确性；片段PWV变异系数19.8%表明当前采样率与手持颈动脉单元下5 s片段不足以稳定估计，需数十秒平均；除测量变异外，健康青年PWV在一日内也有变化，单次会话绝对值应谨慎解释。记录脉搏波信号时间分辨率受平均13.2 Hz采集率限制，对应采样间隔约0.076 s，长于估计PTT 0.055 s，故单周期无法直接分辨传导时间，改由拟合于全周期平均相关曲线的高斯函数峰值位置获得亚样本估计；估计还依赖分析窗位置与长度，延伸超过颈动脉收缩峰的窗包含两部位形态不同的波形区域并缩短表观传导时间，此依赖性见补充材料图S1，限于上升支的窗给出PWV约7–12 m/s。更高脉搏波采集率可提供更细时间采样并减少PTT估计对插值的依赖；将波长扫描限制于更小范围会按扫描斜率降低比例增加峰时间灵敏度，可改善等效应变分辨率与峰值定位精度，但不会改善PTT测量的原生时间采样，后者需另行提高脉搏波采集率。此外有效路径长度由表面距离相减法获得，近似而非测量动脉路径；单个FBG不能分离应变与温度，颈动脉单元中测量与参考光栅共享同一弹性体，环境与手柄携带的热变化预期对两通道 largely 共有，可能随机械干扰一起被RFR部分抑制，尽管本研究未独立测量温度；因PTT由相对定时而非信号幅值获得，慢基线漂移对PTT影响预期小于对信号基线或幅值的影响，但该效应未独立量化；腕带桡动脉单元无参考光栅，故未作热补偿，对显著长于41.8 s的记录将变得显著。本初步实验仅涉及一名受试者与一次记录，故不能确立会话间重复性、受试者间变异性或临床准确性；所报片段分析与bootstrap区间仅表征记录内变异；此外颈动脉-桡动脉路径长度由表面距离相减法估计，PTT与PWV估计未与参考设备同步比较。未来工作应采用更高采样率采集、重复探头放置与测量、标准化接触压力与传感器定位、更大队列以及与成熟PWV仪器的同步比较。在本研究局限内，结果证明了将部位特异性FBG传感单元、机械解耦颈动脉参考通道与集合相关分析相结合用于颈动脉-桡动脉脉搏波同步测量与初步PWV估计的技术可行性。