基于加速度计（ACC）的动脉脉搏测量可行性：第二部分——实验研究与触觉传感测量对比

《Sensors》：Feasibility of Accelerometer-Based Arterial Pulse Measurement: Part II—Experimental Investigation

　　

本研究为两部分工作中的第二部分，通过实验研究基于加速度计（accelerometer, ACC）的动脉脉搏测量，并与基于触觉的测量进行比较。研究人员使用一个数字ACC和一个模拟ACC，在共10名受试者的颈动脉（carotid artery, CA）处测量径向、侧向和轴向动脉壁运动。随后，研究人员使用模拟ACC和触觉传感器在另外3名受试者的CA处依次进行测量。将单自由度时频（single-degree-of-freedom time-frequency, SDOF-TF）方法应用于测得的加速度信号，以去除运动伪影（motion artifacts, MA）和传感器噪声；在加速度域重建脉搏波形APW_a，并在位移域重建APW；提取动脉指数。将同一方法应用于触觉传感器测得的位移信号。结果表明，模拟ACC获得的脉搏信号质量高于数字ACC。ACC测得的径向壁运动与触觉传感器测得的脉搏信号吻合良好，而轴向壁运动对于可靠的心血管（cardiovascular, CV）评估存在显著的实际挑战。与基于触觉的测量相比，基于ACC的测量存在两个实际挑战：（1）实现传感器牢固固定；（2）ACC的加速度传感特性，使其仅能提取APW_a及其相关动脉指数，而非APW。二者还存在两个基本差异：（1）如第一部分理论所识别，加速度传感在单个动脉脉搏谐波的瞬时频率（instantaneous frequency, IF）中引入附加项，从而影响基于IF的动脉指数和IF的频谱；（2）组织-接触-传感器（tissue-contact sensor, TCS）堆栈的变化导致基于ACC和基于触觉的测量之间归一化谐波幅值分布出现显著差异。总体而言，基于ACC的测量为CV评估提供了一种简单方法；然而，基于触觉的测量仍是可靠获取动脉脉搏信号和准确CV指数所必需的。

动脉脉搏测量此前主要采用光电容积脉搏波（photoplethysmography, PPG）传感器、微纳加工触觉传感器和加速度计（ACC）等传感方式。PPG多用于外周脉搏测量，而触觉传感器和ACC被用于CA处测量，以获取与CV评估相关的中枢动脉动力学信息。与触觉传感器相比，ACC具有商用可得、成本较低、体积小和易集成于便携系统等优势；但以位移域重建动脉脉搏波形（arterial pulse waveform, APW）时，ACC测量研究较少，主要受双积分放大测量误差和重构波形失真的制约。直接测量CA处动脉脉搏加速度波形（APW_a）可避免APW重构中的积分误差，并已显示生理与临床价值；然而，在相同测量条件下，ACC测量所得动脉指数是否与触觉测量一致仍不清楚。测量相关因素可由TCS堆栈量化，且MA在两种模态中的作用不同，可能导致指数差异。此外，三轴ACC可同时测量径向和轴向动脉壁运动，而超声成像研究提示CA轴向壁运动具有CV评估价值；ACC测量多方向壁运动的可行性尚需实验检验。第一部分已通过单自由度理论分析识别加速度域与位移域测量的基本差异，并将MA表示为基线漂移（baseline drift, BD），其经时变系统参数（time-varying system parameters, TVSP）影响单个脉搏谐波的瞬时参数。本研究作为第二部分，旨在以CA静息状态下的ACC脉搏测量实验检验这些理论发现，并比较ACC与触觉测量，明确实际技术挑战。研究结果可为ACC动脉壁运动测量及未来与超声测量的定量比较提供实验依据。

研究人员开展了ACC与触觉动脉脉搏测量的实验比较。研究纳入10名符合条件受试者进行两种ACC测量，其中前5名同时接受数字ACC和模拟ACC测量，后5名仅接受模拟ACC测量；按信号质量纳入分析5名。另3名受试者依次接受模拟ACC和触觉传感器测量。结果显示，模拟ACC整体提供较高质量脉搏信号；径向壁运动与触觉传感器脉搏信号对应良好，侧向运动可指示ACC与CA偏心错位，而轴向壁运动可靠测量存在明显挑战。与触觉测量相比，ACC测量有两个实际挑战：牢固固定传感器，以及加速度传感只能直接提取APW_a及相关指数而非APW；另有两个基本差异：加速度传感在单个脉搏谐波IF中引入附加项并影响IF指数及IF频谱，TCS堆栈差异导致归一化谐波幅值分布显著不同。总体而言，ACC测量为CV评估提供简单途径，但触觉测量对可靠获取动脉脉搏信号和准确CV指数仍属必要。

关键技术方法：样本来源于Old Dominion University（ODU）IRB批准或备案的方案，包括10名健康男性受试者（21–40岁，无诊断疾病；分析受试者#1–#5）及另3名顺序测量受试者（#6–#8）。采用数字ACC（LIS2DW12，100 Hz）和模拟ACC（LIS344ALH，1000 Hz）测量CA三轴信号，并以微加工触觉传感器（1000 Hz，触觉测量加约1 mm PDMS层）作比较。核心为SDOF-TF方法：FFT、低通/带通滤波、Hilbert振动分解提取瞬时幅值（instantaneous amplitude, IA）、IF和瞬时初始相位（instantaneous initial phase, IIP），去除BD（<0.7 Hz）、TVSP诱导失真和传感器噪声，重构APW_a与APW并提取动脉指数；同时比较式(10)/(11)近似与双积分重构APW，分析归一化谐波幅值分布，结果以描述性观察为主。

研究结果：
3.1 数字与模拟ACC测量径向脉搏信号的比较：通过同一受试者两种ACC记录比较，发现数字ACC的传感器噪声和TVSP诱导失真较高，模拟ACC信号质量较高；以a_tf(t)/(a_tvsp(t)+a_noise(t))作为信号质量指标，模拟ACC整体表现更好，后续分析集中于模拟ACC。
3.2 模拟ACC测量径向脉搏信号的SDOF-TF重建及a_bd(t)与a₀(t)时域分析：通过比较式(10)重构z_tf(t)与双积分加低通滤波重构z_re(t)，发现二者差异很小，说明a(t)和ω(t)缓变时近似重构可行；对a_bd(t)双积分再二阶微分可近似复现原BD，而对含多谐波、噪声和TVSP失真的a₀(t)则出现时变差异，表明重构APW_a前需去除TVSP诱导失真和传感器噪声。
3.3 模拟ACC测量径向、轴向和侧向脉搏信号的比较：通过三轴测量发现径向位移z(t)幅值最大；侧向位移y(t)小于z(t)且随受试者变化，并相对z(t)存在恒定相位延迟，提示ACC偏心错位；轴向位移x(t)幅值更小且波形与z(t)明显不同，五名受试者中x(t)波形差异较大，轴向可靠测量困难。
3.4 从模拟ACC测量径向脉搏信号提取动脉指数：通过提取b/a比值和Δt_a?b，发现b/a范围约?0.47至?1.56，Δt_a?b约0.0514–0.0952 s；b/a受测量条件影响更大，Δt_a?b作为时间型指标更稳健。基于a-a、b-b和IF的HR高度一致，HRV差异较大且受方法影响；IF-based呼吸率（respiration rate, RR）低于IIP-based RR，后者更接近成人静息RR常用范围；IIP-based呼吸调制（respiration modulation, RM）与文献相关结果一致。归一化谐波幅值随阶次增加而下降，多数受试者第2谐波低于第1谐波的22%，除BMI最高受试者#3外，90%以上功率集中于第1谐波。
3.5 基于ACC与基于触觉脉搏测量的比较：
3.5.1 测得脉搏信号、MA、TVSP诱导失真、传感器噪声与信号重建：通过受试者#8的顺序测量比较，发现ACC测量中a_tvsp(t)和a_noise(t)在峰谷处相对a_tf(t)很小，但其余时段污染不可忽略；触觉测量中z_tvsp(t)和z_noise(t)显著小于z_tf(t)，每个脉搏周期多数数据点可靠；ACC重构APW与触觉测量在波形和幅值上差异明显。
3.5.2 归一化谐波幅值分布与频域传感器噪声：通过比较A_i^cf/A₁^cf，发现触觉测量中n≥2的归一化谐波幅值一致高于ACC测量；ACC绝对谐波幅值更高，但其标准差也更大；传感器噪声频谱中TCS堆栈固有频率峰随MA变化，触觉测量的固有频率略低，与接触压力增大降低软组织固有频率的文献发现一致。
3.5.3 提取的HR、HRV、RR、RM及IF频谱：通过比较IF-based和IIP-based指数，发现IIP-based RM在触觉测量中显著低于ACC测量，HRV和IIP-based RR差异因受试者而异；前三阶谐波IF频谱总体轮廓相似，但ACC测量中峰频略向低频移动、谱幅值近乎加倍，支持加速度传感在IF中引入附加项的理论预测；MA较高时三阶谐波频谱差异更大。

讨论部分总结：实验与第一部分的理沦结果共同表明，ACC与触觉测量的差异可归纳为两个实际挑战和两个基本差异。实际挑战是ACC牢固固定困难，以及加速度传感只能从APW_a提取指数而不能可靠提取APW；基本差异是加速度传感在IF中引入附加项并影响IF指数与频谱，以及TCS堆栈差异改变归一化谐波幅值分布。径向壁运动最突出且最可测，侧向运动主要反映偏心错位并可望用于幅值校正，轴向运动受解剖对位和周围组织约束影响，可靠测量困难。b/a比值较Δt_a?b更受测量条件影响，Δt_a?b更稳健；归一化谐波幅值可减轻TCS传递函数影响，但跨模态直接比较应谨慎。HR在两种模态间较一致，HRV、RR和RM更敏感，RM差异最明显；ACC测量中MA通常更大，触觉测量对这些指数更可靠。研究局限包括TCS线性假设、样本量小、两种传感器固定和接触条件不同、顺序采集、TCS对局部动脉脉搏影响不可量化，以及HRV、RR、RM未用ECG和参考呼吸信号独立验证。因此，ACC测量简单紧凑，但其可靠性强烈依赖传感器固定，触觉测量对可靠获取APW和准确CV指数仍更可取。

研究结论部分翻译：本研究通过实验研究基于ACC的动脉脉搏测量，并与基于触觉的测量进行比较。结果表明，模拟ACC整体较数字ACC提供更高质量脉搏信号。三轴测量显示，径向壁运动与触觉传感器测得的动脉脉搏对应良好，而侧向壁运动可指示ACC与CA的偏心错位。尽管ACC测量为表征轴向动脉壁运动提供了比成像方法更简单的途径，但由于实验识别出的两个显著实际挑战，面向动脉指数的轴向壁运动可靠表征仍然困难。与触觉测量比较进一步揭示ACC测量的两个实际挑战：需要牢固固定传感器，以及加速度传感的固有局限，即直接提供加速度域脉搏波形APW_a而非位移域波形APW。此外，ACC与触觉测量表现出两个基本差异。第一，与第一部分理论分析一致，加速度传感在单个脉搏谐波的IF中引入附加项，从而影响基于IF的动脉指数和IF频谱。第二，TCS堆栈差异显著改变两种测量方法所得的归一化谐波幅值分布。总体而言，基于ACC的测量为CV评估提供了一种简单方法；然而，其可靠性强烈依赖充分的传感器固定，其加速度传感特性在提取的动脉指数和谐波特征中引入基本差异。因此，基于触觉的测量仍是可靠获取动脉脉搏波形和准确CV指数所更可取的途径。