不同類型運動員橈動脈脈搏波波形及參數分析*

王安然 楊益民 楊 琳* 楊星星 孟藍熙蘇 峻② 張 松

不同類型運動員橈動脈脈搏波波形及參數分析*

王安然① 楊益民① 楊 琳①* 楊星星① 孟藍熙①蘇 峻①② 張 松①

目的：根據最大耗氧量(MaxO2)和最大肌肉自主收縮量(MVC)對運動項目進行分類，采集不同類型運動員的橈動脈脈搏波，分析其脈搏波波形及參數。方法：使用ADInstrument公司的PowerLab數據采集系統及配套軟件LabChart采集304名受試者脈搏波，對所測脈搏波進行調整，使波形周期和幅度分布在0～100的范圍內，分析最大值相對時間Tm，重搏波谷橫縱坐標X、Y，脈搏波波形面積波形參數K值以及脈搏波年齡指數(SDPTG age index)。結果：隨著MaxO2升高，MVC-1組與MVC-2組的脈搏波降支曲線逐漸下移，最大值點先右移后左移，重搏波谷點向左下方移動，K和SDPTG逐漸減小；而MVC-3組的降支曲線逐漸上移，最大值點逐漸右移，重搏波谷點向左上方移動，K和SDPTG逐漸增大。隨著MVC升高，MaxO2-1組的降支曲線逐漸下移，最大值點逐漸左移，重搏波谷點向左下方移動，K和SDPTG逐漸減小；MaxO2-2組的降支曲線逐漸上移，最大值點逐漸左移，重搏波谷點向左上方移動，K和SDPTG逐漸增大；而MaxO2-3組的降支曲線先下降后抬高，最大值點先左移后右移，重搏波谷點向左側移動，K和SDPTG先減小后增大。結論：各項運動在MaxO2相同的情況下，MVC各組的脈搏波參數變化趨勢有所不同；而在MVC相同的情況下，MaxO2各組的脈搏波參數變化趨勢均有不同。脈搏波參數變化可反映人體心血管功能，A類、F類和I類運動的運動員心血管功能相對較好。

運動員；脈搏波；橈動脈；波形參數

[First-author’s address]College of Life Science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.

心血管系統是人體血液循環的動力器官，負責人體的血液供應與運輸。脈搏波是心臟的心室收縮和舒張引導血液在動脈血管中流動而產生的壓力周期性變化的反應，其波形可以反映人體的心血管功能和血液循環狀態。心血管生理變化將會引起脈搏波變化，從脈搏波中提取人體心血管的生理病理信息作為臨床檢測和治療依據的相關研究，歷來受到中外醫學界的重視[1]。Weber等[2]研究證明，脈搏波特征參數可連續且獨立地作為預測心血管疾病的一項重要指標。Shokawa等[3]對生活在夏威夷的492位日裔美國人進行了10年的隨訪調查顯示，脈搏波波速可以預測心血管疾病的病死率。Blacher等[4]通過實驗證明，主動脈脈搏波速度是預測高血壓患者心血管風險的一個重要標志。Cruickshank等[5]的研究證明，主動脈脈搏波波速是預測糖尿病和葡萄糖耐受測試(GTT)病死率的有效獨立指標。研究表明，脈搏波中蘊藏著豐富的心血管生理病理信息，脈搏波的波形特征如形態(波的形狀)、強度(波的幅值)、速率(波的速度)和節律(波的周期)等與心血管功能有密切關系[6-8]。

長期體育鍛煉可從形態和功能方面對人體心臟產生影響[9]。從事體育鍛煉可有效改善人類心血管功能，而運動員是特殊的群體，其心肺功能和骨骼肌代謝功能優于普通人[10-11]。研究不同運動類型運動員的心血管功能變化對普通人群的體育鍛煉和心血管功能保健具有十分重要的意義。本研究即通過檢測不同運動類型運動員的橈動脈脈搏波，從脈搏波波形分析和參數計算的角度分析運動員的心血管功能。

1 不同類型運動員脈搏波波形分析

1.1 運動員分類標準

目前，較常用的運動員分類是根據各項運動中所涉及動態和靜態運動的程度。運動員分類標準認為，每個運動項目具有兩種分量，即動態運動分量和靜態運動分量，根據其在運動過程中動態和靜態運動分量的強度(即：低、中、高)進行分類[12-13]。其中，動態運動分量對應于其運動最大耗氧量(maximal oxygen uptake，MaxO2)：當MaxO2＜40%時其動態運動分量強度為低；當MaxO2為40%～70%時為中；當MaxO2為＞70%時為高。而靜態運動分量對應于其運動中最大肌肉自主收縮(muscular voluntary contraction，MVC)量：當MVC＜20%時其靜態運動分量強度為低；當MVC為20%～50%時為中；當MVC＞50%時其為高。根據上述對各運動項目的分類標準將運動分為A～I共9組，如圖1所示。

圖1 基于動態和靜態運動分量的運動分類

(1)根據運動最大肌肉自主收縮量的大小，將A～I類型的9組運動員分為3組：①低最大肌肉自主收縮量組MVC-1(A、B和C類型)： MVC＜20%；②中最大肌肉自主收縮量組MVC-2(D、E和F類型)： 20%≤MVC≤50%；③高最大肌肉自主收縮量組MVC-3(G、H和I類型)： MVC＞50%。

(2)根據運動最大耗氧量的大小，將A～I的9組運動員分為3組：①低最大耗氧量組MaxO2-1(A、D和G類型)：MaxO2＜40%；②中最大耗氧量組MaxO2-2(B、E和H類型)：40%≤MaxO2≤70%；③高最大耗氧量組MaxO2-3(C、F和I類型)：MaxO2＞70%。

1.2 數據采集

研究不同運動類型運動員的橈動脈脈搏波波形及參數變化，對304名訓練長達3年以上的專業運動員進行橈動脈脈搏波檢測及相關信息的采集。使用的脈搏波檢測硬件為ADInstrument公司的PowerLab數據采集系統，軟件為配套的LabChart 7。數據通道使用30 Hz數字低通濾波，通道采樣頻率為1 kHz。傳感器采用應變片式橈動脈壓力脈搏波傳感器，外部獨立5 V電源供電，通過同軸電纜接入PowerLab8/35的模擬信號輸入端。各類運動員的基本信息見表1。

表1 運動類型A～I的受試者基本情況信息

受試者靜坐3 min后使用PowerLab數據采集系統檢測運動員的橈動脈。實驗時受試者正坐，使用綁帶將傳感器固定于右手橈動脈脈搏搏動最強點，既不能過松使傳感器脫落，又不能過緊使得波形失真。獲取30 s穩定脈搏波數據后存入計算機。整個實驗過程中受試者保持靜息狀態。

1.3 數據處理

對每例受試者的脈搏波數據按照實際測量的脈搏波個數求平均，得到一個平均后的脈搏波波形，然后對其進行標準化處理得到標準單波，使波形的周期和幅值都分布在0～100的范圍內。將9組受試者的標準單波按組分別平均，即每組所有受試者的標準單波求平均，得到9組受試者橈動脈脈搏波標準單波。

在脈搏波標準單波中，最大值點是十分重要的特征點，波形不同，最大值點的位置也可能不同。本研究將從起點至最大值點的橫坐標點計為最大值相對時間Tm，作為描述最大值點相對位置的參數。

重搏波谷點同樣是十分重要的波形特征點，其波形不同重搏波波谷的位置也不同，本研究記錄重播波谷的橫縱坐標為X和Y。

由脈搏波波圖面積提取的波形參數K值，能從宏觀上描述出脈搏波的平均特征[14]。標準化脈搏波的K值計算為公式1：

Takazawa等[15]對光電脈搏波的二階導數波形圖(Second derivative of photoplethysmogram waveform，SDPTG)進行分析后認為，不同生理人群的脈搏波具有不同的二階導數圖形，并提出脈搏波年齡指數(SDPTG age index)。

2 結果

2.1 脈搏波波形參數隨MaxO2變化的趨勢

MVC-1組的橈動脈脈搏波標準單波如圖2(a)所示，各組波形參數Tm、X、Y、K和SDPTG見表2，圖2顯示，隨著MaxO2升高，橈動脈脈搏波降支曲線(從最大值點至終點)逐漸上移；最大值點逐漸右移(Tm_A＜Tm_B＜Tm_C)，重搏波谷逐漸向左上方移動(X_A＞X_B＞X_C，Y_A＜Y_B＜Y_C)；波形面積逐漸增大(K_A＜K_B＜K_C)；脈搏波年齡指數SDPTG_B＞SDPTG_C＞SDPTG_A。

圖2 隨MaxO2變化的橈動脈脈搏波標準單波圖

表2 9種類型運動員脈搏波參數(A～I)

MVC-2組的橈動脈脈搏波標準單波如圖2(b)所示，各組波形參數Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MaxO2升高，橈動脈脈搏波降支曲線逐漸下移；重搏波谷逐漸向左下方移動(X_D＞X_E＞X_F，Y_D＞Y_E＞Y_F)；波形面積逐漸減小(K_D＞K_E＞K_F)。而最大值點位置從左至右依次為F、D、E(Tm_F＜Tm_D＜Tm_E)；脈搏波年齡指數SDPTG_D＞SDPTG_E＞SDPTG_F。

MVC-3組的橈動脈脈搏波標準單波如圖2(c)所示，各組波形參數Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MaxO2升高，橈動脈脈搏波降支曲線逐漸下移；波形面積逐漸減小(K_G＞K_H＞K_I)；而最大值點位置從左至右依次為I、G、H(Tm_I＜Tm_G＜Tm_H)；重搏波谷位置先向右下移動再向左上移動(X_I＜X_G＜X_H，Y_H＜Y_I＜Y_G)；脈搏波年齡指數SDPTG_G＞SDPTG_H＞SDPTG_I。

2.2 脈搏波波形參數隨MVC變化的趨勢

MaxO2-1組的橈動脈脈搏波標準單波如圖3(a)所示，各組波形參數Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MVC升高，橈動脈脈搏波降支曲線逐漸下移；最大值點逐漸左移(Tm_A＜Tm_D＜Tm_G)；重搏波谷逐漸向左下方移動(X_A＜X_D＜X_G，Y_A＜Y_D＜Y_G)；波形面積逐漸減小(K_A＜K_D＜K_G)；脈搏波年齡指數SDPTG_A＜SDPTG_D＜SDPTG_G。

圖3 隨MVC變化的橈動脈脈搏波標準單波圖

MaxO2-2組的橈動脈脈搏波標準單波如圖3(b)所示，各組波形參數Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MVC升高，橈動脈脈搏波降支曲線逐漸上移；最大值點逐漸左移(Tm_B＜Tm_E＜Tm_H)；重搏波谷逐漸向左上方移動(X_B＜X_E＜X_H，Y_B＞Y_E＞Y_H)；波形面積逐漸增大(K_B＞K_E＞K_H)；脈搏波年齡指數SDPTG_B＞SDPTG_E＞SDPTG_H。

MaxO2-3組的橈動脈脈搏波標準單波如圖3(c)所示，各組波形參數Tm、X、Y、K和SDPTG見表2。隨著MVC升高，橈動脈脈搏波降支曲線先下降后抬高；最大值點位置從左至右依次為F、I、C(Tm_F＜Tm_I＜Tm_C)；波形面積從小至大依次為F、I、C(K_F＜K_I＜K_C)；隨著MVC升高，重搏波谷逐漸左移(X_C＜X_F＜X_I，Y_F＜Y_I＜Y_C)；脈搏波年齡指數SDPTG_C＞SDPTG_I＞SDPTG_F。

3 討論

在研究橈動脈脈搏波波形參數隨MaxO2變化的趨勢時發現，隨著MaxO2升高，MVC-1和MVC-2組的脈搏波降支曲線(從最大值點至終點)逐漸下移，最大值點(其位置由最大值相對時間Tm描述)先右移后左移，重搏波谷點大致向左下方移動，脈搏波波形面積K逐漸降低，脈搏波年齡指數SDPTG逐漸減小。而MVC-3組的脈搏波降支曲線逐漸上移，最大值點逐漸右移，重搏波谷點大致向左上方移動，面積K逐漸升高，SDPTG逐漸增大(如圖4所示)。

圖4 脈搏波參數隨MaxO2的變化

在研究橈動脈脈搏波波形參數隨MVC變化的趨勢時發現，隨著MVC升高，MaxO2-1組的脈搏波降支曲線(從最大值點至終點)逐漸下移，最大值點逐漸左移，重搏波谷點大致向左下方移動，脈搏波波形面積K逐漸降低，脈搏波年齡指數SDPTG逐漸減小。MaxO2-2組的脈搏波降支曲線逐漸上移，最大值點逐漸左移，重搏波谷點大致向左上方移動，面積K逐漸升高，SDPTG逐漸增大。而MaxO2-3組的脈搏波降支曲線先下降后抬高，最大值點先左移后右移，重搏波谷點大致向左移動，面積K先降低后升高，SDPTG先減小后增大(如圖5所示)。

圖5 脈搏波參數隨MVC的變化

4 結語

9種類型運動員中，A，F和I三類運動員的脈搏波波形面積K值以及脈搏波年齡指數SDPTG最小。而K值的減小在一定意義上可反映出人體心血管功能的提高。研究顯示，從事低肌肉自主收縮量組MVC-1，MVC-2中高耗氧量運動的運動員，其心血管功能相對較好，如F類的跑步、游泳；I類的羽毛球、曲棍球、競走、網球、長跑等。而從事高肌肉自主收縮量組MVC-3中低耗氧量運動的運動員，其心血管功能較好，如A類的投擲、體操、武術等。

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Analysis on radial pulse waveform and parameters in different types of athletes/

WANG An-ran, YANG Yi-min, YANG Lin, et al// China Medical Equipment,2014,11(6):27-31.

Objective:Classify the sports events by the maximal oxygen uptake (MaxO2) and the maximal muscular voluntary contraction (MVC). Collect the radial pulse wave of different sports events and discuss the pulse waveform and characteristic parameters.Methods:Radial pulse waveform on 304 subjects was collected, by using PowerLab and its bundled software LabChart 7, developed by ADInstrument. Normalize each radial pulse waveform and let the waveform cycle and amplitude distribute in the range of 0-100. Analyze the relative time of the maximum point Tm, the abscissa X and ordinate Y of dichotic notch, the pulse waveform area K and the pulse wave age index SDPTG.Results:With increasing MaxO2, the pulse wave descending curve of MVC-1 and MVC-2 group gradually moves down, the maximum point first moves to the right and then left, the dichotic notch point moves to the lower-left corner, K and SDPTG gradually decreasing; And the pulse wave descending curve of MVC-3 group gradually moves up, the maximum point gradually moves to the right, the dichotic notch point moves to the top-left corner, K and SDPTG gradually increasing. With increasing MVC, the pulse wave descending curve of MaxO2-1 group gradually moves down, the maximum point gradually moves to the left, the dichotic notch point moves to the lower-left corner, K and SDPTG gradually decreasing; The pulse wave descending curve of MaxO2-2 group gradually moves up, the maximum point gradually moves to the left, the dichotic notch point moves to the top-left corner, K and SDPTG gradually increasing; And the pulse wave descending curve of MaxO2-3 group first moves down then up, the maximum point first moves to the left and then right, the dicrotic notch point moves to left, K and SDPTG first decreasing then increasing.Conclusion:The pulse wave changing trend of MVC groups are different while the sports have the same MaxO2. And the pulse wave changing trend of MaxO2groups are as well as different while the sports have the same MVC. Pulse waveform parameters can reflect the cardiovascular function, and the cardiovascular function of athletes in Types A, F and I is relatively well.

Athlete; Pulse wave; Radial artery; Waveform parameter

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.06.009

1672-8270(2014)06-0027-05

R87

A

2014-02-12

北京市教委科技成果轉化和產業化項目(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能無創檢測技術(糖尿病足檢測儀)的產業轉化”；北京工業大學星火基金項目(XH-2013-10-13)“不同類型運動員的心血管參數分析”

①北京工業大學生命科學與生物工程學院 北京 100124

②北京市木樨園體育運動技術學校 北京 100075

*通訊作者：yanglin@bjut.edu.cn

王安然，女，(1993- )，本科在讀。北京工業大學生命科學與生物工程學院，研究方向：血流動力學無創檢測。