应用音频处理系统无创自动估测肺动脉压的研究
作者：张玉奇 陈树宝 孙 锟 王荣发 刘 斌 王威琪 汪源源 倪金洪 高玲玲 郁 怡
单位：张玉奇 陈树宝 孙锟 王荣发 倪金洪 高玲玲 郁怡(200092 上海第二医科大学附属新华医院小儿心内科、超声中心)；刘斌 王威琪 汪源源(复旦大学电子工程系)
关键词：肺动脉压；音频处理系统；超声心动图
中国超声医学杂志990508 摘 要 目的：探索音频处理系统无创自动估测肺动脉压的价值。方法：对51例左向右分流的先心病患儿，应用多普勒超声技术和音频处理系统，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法同步估测肺动脉收缩压、平均压，并与心导管实测值对比。结果：音频处理系统估测肺动脉压所需时间短于多普勒超声技术所需时间(P<0.01)，且重复性较好。音频处理系统估测的肺动脉压与心导管实测值间相关性最好(r＝0.95、0.96)，多普勒超声技术较差(r＝0.86、0.86)。结论：应用音频处理系统，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法可准确地无创自动估测肺动脉压。
, 百拇医药
Study on Noninvasive Auto-estimation of Pulmonary Arterial Pressures
by Doppler Echchocardiographic Audio Signal processing System
Zhang Yuqi,Chen Shubao,Sun Kun,et al
Department of Pediatric Cardiology,Xinhua Hospital,Shanghai Second Medical University,Shanghai 200092
ABSTRACT Objective:To assess the accuracy of audio signal processing system(ASPS)in noninvasive automatic estimation of pulmonary arterial pressure(PAP).Methods：Comparative studies among Doppler echocardiography,ASPS and cardiac catheterization for predicting PAP were performed in 51 children with left-to-right shunting congenital heart disease.Results:The estimation of pulmonary artery systolic and mean pressure adopting modified pulmonary to aortic flow time interval ratios by ASPS correlated highly with those measured by cardiac catheterization(r＝0.95，0.96，P<0.001)，better than those measured by Doppler echocardiography(r＝0.86，0.86，P<0.001).Conclusion:PAP can be estimated noninvasively by modified pulmonary to aortic flow time interval ratios obtained from ASPS.
, 百拇医药
KEY WORDS Pulmonary arterial pressure Audio signal processing system Doppler echocardiography
近年来，应用多普勒超声技术检测肺动脉血流时间间期参数估测肺动脉压的研究较多，报道的结果差异较大，且不能给出肺动脉压的绝对数值〔1～3〕。改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法可得到肺动脉压的绝对数值，但需指标较多，测算复杂费时，重复性较差〔4〕；而且目前应用的血流频谱图形均为视频输出，通过时间效应及取样短暂可引起一定的频率误差及振幅失真〔5〕。本研究采用音频处理系统，对主、肺动脉血流的音频信号进行分析、处理及自动识别，探索无创自动估测肺动脉压的新方法。
资料与方法
研究对象 入院进行心导管检查的51例患儿为研究对象，经超声心动图及心导管检查明确诊断，其中室间隔缺损23例，房间隔缺损并室间隔缺损14例，房间隔缺损8例，三尖瓣下移畸形2例，完全性肺静脉异位引流2例，冠状动脉瘘2例，除外心室流出道梗阻或房室传导阻滞患者。男25例，女16例，年龄2个月至14岁。心功能Ⅰ～Ⅱ级。
, 百拇医药
心导管检查 常规麻醉后经皮穿刺股动、静脉，插入相应型号的Lehman、Pigtail导管至各心腔测压，用八道生理记录仪记录肺动脉收缩压(PASPc)、平均压(PAMPc)。
多普勒超声心动图检查 应用HP SONOS 1000型超声诊断仪，探头3.5/2.7MHz。患者取左侧卧位，从心尖五腔切面记录主动脉血流频谱，胸骨旁右室流出道长轴记录肺动脉血流频谱，取样容积0.22cm，置于主、肺动脉瓣口记录主、肺动脉血流频谱，测量射血前期(PEP)、流速峰值(PV)、加速时间(AT)、射血时间(ET)，根据张玉奇等〔4〕提出的改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法估测肺动脉收缩压(PASPE)、平均压(PAMPE)，即PASPE＝FPA/FAO×BASP,PAMPE＝FPA/FAo×BAMP(F＝PEP/AT×ET，FPA为肺动脉血流的F值，FAO为主动脉血流的F值，BASP、BAMP为肱动脉收缩压、平均压)。
, 百拇医药
音频处理系统检查 在超声心动图检查时，将血流的音频信号及心电信号同步输入计算机，经机内音频处理模块、实时声谱模块、自动识别模块分析、处理后，按改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法自动估测肺动脉收缩压(PASPA)、平均压(PAMPA)，显示、打印并储存结果(图1，2)。
图1 系统框图
(频谱上的黄线为自动识别模块识别的特征点)
图2 音频系统采集的心电图信号及肺动脉血流的音频信号
统计学处理 在10例患者中进行同一检查者和不同检查者的超声心动图检查及音频处理系统检查，对比两种检查方法所需要的时间，并评价两种估测方法的重复性〔6〕。所有指标均连续测量五个心动周期，然后取平均值。数据用均数±标准差(
±s)表示，配对t检验及相关与回归分析应用Statpal软件包。
, 百拇医药
结 果
肺动脉压的心导管实测值及多普勒超声、音频处理系统的估测值见表1。音频处理系统估测肺动脉压所需时间(TA)明显短于多普勒超声心动图估测所需时间(TE)，而且有显著性差异(P<0.01)。超声心动图估测肺动脉收缩压、平均压的重复性较差，同一观察者为10.4%、14.9%，不同观察者为27.5%、32.5%；音频处理系统估测肺动肺收缩压、平均压的重复性较好，同一观察者为6.0%、10.0%，不同观察者为13.7%、17.7%；两组重复性间比较差异显著(P<0.05)。
表1 超声、音频处理系统及心导管测量各项指标的数值 指 标±s
范 围
PASPA(kPa)
, 百拇医药
7.64±3.37
1.73～16.0
PAMPA(kPa)
5.51±2.52
1.20～1.3
PASPE(kPa)
7.84±3.85
3.00～21.1
PAMPE(kPa)
5.53±2.53
1.73～12.5
, 百拇医药
PASPC(kPa)
8.05±3.11
0.27～14.7
PAMPC(kPa)
39.3±17.4
10.0～84.0
TA (Min)
5.1±1.7*
3.50～6.80
TE (Min)
, http://www.100md.com 22.5±5.3*
18.5～40.1
注：*P<0.01
肺动脉压多普勒超声估测值、音频处理系统估测值与心导管实测值的相关关系见表2。结果显示：肺动脉压音频处理系统估测值与心导管实测值间高度相关(P<0.01，r＝0.95、0.96)，肺动脉压多普勒超声估测值与心导管实测值间中等程度相关(P<0.01，r＝0.86、0.86)。
表2 肺动脉压超声、音频处理系统估测值与心导管实测值间的相关关系 y
x
r
回归方程(kPa)
, 百拇医药 S(kPa)
P
PASPC
PASPE
0.86
y＝0.9365x+1.04
0.53
<0.001
PAMPC
PAMPE
, http://www.100md.com 0.86
y＝1.0110x-0.20
0.42
<0.001
PASPC
PASPA
0.95
y＝0.9460x+0.97
0.48
<0.001
PAMPC
PAMPA
, 百拇医药
0.96
y＝0.9889x-0.08
0.30
<0.001
讨 论
肺动脉压力正常时，肺动脉血流频谱呈圆顶对称状，加速支上升缓慢，峰值速度位于频谱中央；当肺动脉压力升高时，肺动脉血流速度曲线发生变化，呈尖峰圆顶形，频谱峰值前移、加速支变陡等，类似于主动脉血流频谱的形态，表现为肺动脉血流PEP延长、AT缩短、ET缩短、PV不变或减小〔7〕。Hatle等〔5〕的研究证明：半月瓣血流频谱形态主要受心肌收缩力和心室后负荷的影响，当左右心室收缩功能一致时，肺动脉与主动脉血流频谱形态的相似程度可反映肺动脉压力与主动脉压力的相似程度。因此，用肺动脉/主动脉血流时间间期比乘以主动脉压力可定量估测肺动脉压。Morera等〔7〕根据肺动脉/主动脉血流时间间期比[FPA/FAO,F＝PEP×PV/(AT×ET)]、张玉奇等〔4〕根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比估测的肺动脉收缩压、平均压和心导管值均良好相关(r＝0.81、0.91)，证实了这一推论。
, http://www.100md.com
上述研究虽然获得了较好的相关性，但F值中应用参数较多，测算复杂费时，重复性差；目前应用的血流频谱图形均为视频输出，通过时间效应及取样短暂也造成了一定的频率误差及振幅失真〔5〕，影响该方法的精确性。而音频信号受到的影响因素较少，若将心电图信号和主、肺动脉血流的音频信号输入电子计算机，经过机内音频处理模块、实时声谱模块、自动识别模块进行分析、处理及自动识别后，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法自动估测PASP、PAMP，有可能提高主、肺动脉血流信息的保真程度〔8〕，简化操作过程并提高该方法的准确性。
为证实这一假设，我们对51例左向右分流先心病患者进行研究，结果发现：音频处理系统估测的肺动脉压与心导管测值高度相关(r＝0.95、0.96)，多普勒超声估测值与心导管值仅中等程度相关(r＝0.86、0.86)；超声心动图估测肺动脉压所需时间较长(TE＝22.5±5.3分)，而且重复性较差(同一观察者：10.4%、14.9%，不同观察者：27.5%、32.5%)；音频处理系统估测肺动脉压所需时间(TA)较短(TE＝5.1±1.7分)，且重复性较好(同一观察者：6.0%、10.0%，不同观察者：13.7%、17.7%)。因此，我们认为：应用音频处理系统，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法，可准确地无创自动估测肺动脉压。
, 百拇医药
尽管应用音频处理系统估测肺动脉压具有操作简便、重复性好、准确性高等优点，但系统中自动识别模块对音频信号和心电图信号的信/噪比要求较高〔8〕，今后应加强对音频信号的降噪、信号特征点的自动识别等方面的研究，进一步提高音频处理系统的临床使用价值。
此课题由上海市高等学校科学技术发展基金资助(合同编号：ZX95-002)
参考文献
[1]Li Wanzhen,Du Junbao,Ma Yuwen,et al.Pulmonary artery pressure evaluaation by pulsed Doppler echocardiography in children with a left-to right intracardiac shunt.Pediatric Cardiol,1991,12:17～19
, 百拇医药
[2]Skinner JR,Boys RJ,Heads A,et al.Estimation fo pulmonary arterial pressure in the newborn:Study of the repeatability of four Doppler echocardiographic techniques.Pediatr Cardiol,1996,17:360～369
[3]张玉奇，陈树宝，孙锟，等。肺动脉血流时间间期估测肺动脉压。上海医学，1998，21(1):27～28
[4]张玉奇，陈树宝，孙锟，等。肺动脉/主动脉血流时间间期比法估测肺动脉压的研究。上海第二医科大学学报，1998，5：375～377
[5]Hatle L,Angelsen B.Doppler Ultrasound in Cariology:Physical principles and clinical application,2nd ed.Philadel phia:Lea and Febiger,1985,252～290
, 百拇医药
[6]Bland JM,Altman DG.Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement.Lancet,1986;1:307～310
[7]Morera J,Hoadley SD,Roland M,et al.Estimation of the ratio of pulmonary to systemic pressures by pulsed-wave Doppler echocardiography for assessment of pulmonary arterial pressures.Am J Cardiol,1989,63:862～866
[8]刘斌，王威琪，王源源，等.利用改进的百分比法提取声谱图包络。声学技术，1998，17(1)：9～12
(1998-11-06收稿，1998-12-21修回), 百拇医药
单位：张玉奇 陈树宝 孙锟 王荣发 倪金洪 高玲玲 郁怡(200092 上海第二医科大学附属新华医院小儿心内科、超声中心)；刘斌 王威琪 汪源源(复旦大学电子工程系)
关键词：肺动脉压；音频处理系统；超声心动图
中国超声医学杂志990508 摘 要 目的：探索音频处理系统无创自动估测肺动脉压的价值。方法：对51例左向右分流的先心病患儿，应用多普勒超声技术和音频处理系统，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法同步估测肺动脉收缩压、平均压，并与心导管实测值对比。结果：音频处理系统估测肺动脉压所需时间短于多普勒超声技术所需时间(P<0.01)，且重复性较好。音频处理系统估测的肺动脉压与心导管实测值间相关性最好(r＝0.95、0.96)，多普勒超声技术较差(r＝0.86、0.86)。结论：应用音频处理系统，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法可准确地无创自动估测肺动脉压。
, 百拇医药
Study on Noninvasive Auto-estimation of Pulmonary Arterial Pressures
by Doppler Echchocardiographic Audio Signal processing System
Zhang Yuqi,Chen Shubao,Sun Kun,et al
Department of Pediatric Cardiology,Xinhua Hospital,Shanghai Second Medical University,Shanghai 200092
ABSTRACT Objective:To assess the accuracy of audio signal processing system(ASPS)in noninvasive automatic estimation of pulmonary arterial pressure(PAP).Methods：Comparative studies among Doppler echocardiography,ASPS and cardiac catheterization for predicting PAP were performed in 51 children with left-to-right shunting congenital heart disease.Results:The estimation of pulmonary artery systolic and mean pressure adopting modified pulmonary to aortic flow time interval ratios by ASPS correlated highly with those measured by cardiac catheterization(r＝0.95，0.96，P<0.001)，better than those measured by Doppler echocardiography(r＝0.86，0.86，P<0.001).Conclusion:PAP can be estimated noninvasively by modified pulmonary to aortic flow time interval ratios obtained from ASPS.
, 百拇医药
KEY WORDS Pulmonary arterial pressure Audio signal processing system Doppler echocardiography
近年来，应用多普勒超声技术检测肺动脉血流时间间期参数估测肺动脉压的研究较多，报道的结果差异较大，且不能给出肺动脉压的绝对数值〔1～3〕。改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法可得到肺动脉压的绝对数值，但需指标较多，测算复杂费时，重复性较差〔4〕；而且目前应用的血流频谱图形均为视频输出，通过时间效应及取样短暂可引起一定的频率误差及振幅失真〔5〕。本研究采用音频处理系统，对主、肺动脉血流的音频信号进行分析、处理及自动识别，探索无创自动估测肺动脉压的新方法。
资料与方法
研究对象 入院进行心导管检查的51例患儿为研究对象，经超声心动图及心导管检查明确诊断，其中室间隔缺损23例，房间隔缺损并室间隔缺损14例，房间隔缺损8例，三尖瓣下移畸形2例，完全性肺静脉异位引流2例，冠状动脉瘘2例，除外心室流出道梗阻或房室传导阻滞患者。男25例，女16例，年龄2个月至14岁。心功能Ⅰ～Ⅱ级。
, 百拇医药
心导管检查 常规麻醉后经皮穿刺股动、静脉，插入相应型号的Lehman、Pigtail导管至各心腔测压，用八道生理记录仪记录肺动脉收缩压(PASPc)、平均压(PAMPc)。
多普勒超声心动图检查 应用HP SONOS 1000型超声诊断仪，探头3.5/2.7MHz。患者取左侧卧位，从心尖五腔切面记录主动脉血流频谱，胸骨旁右室流出道长轴记录肺动脉血流频谱，取样容积0.22cm，置于主、肺动脉瓣口记录主、肺动脉血流频谱，测量射血前期(PEP)、流速峰值(PV)、加速时间(AT)、射血时间(ET)，根据张玉奇等〔4〕提出的改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法估测肺动脉收缩压(PASPE)、平均压(PAMPE)，即PASPE＝FPA/FAO×BASP,PAMPE＝FPA/FAo×BAMP(F＝PEP/AT×ET，FPA为肺动脉血流的F值，FAO为主动脉血流的F值，BASP、BAMP为肱动脉收缩压、平均压)。
, 百拇医药
音频处理系统检查 在超声心动图检查时，将血流的音频信号及心电信号同步输入计算机，经机内音频处理模块、实时声谱模块、自动识别模块分析、处理后，按改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法自动估测肺动脉收缩压(PASPA)、平均压(PAMPA)，显示、打印并储存结果(图1，2)。
图1 系统框图
(频谱上的黄线为自动识别模块识别的特征点)
图2 音频系统采集的心电图信号及肺动脉血流的音频信号
统计学处理 在10例患者中进行同一检查者和不同检查者的超声心动图检查及音频处理系统检查，对比两种检查方法所需要的时间，并评价两种估测方法的重复性〔6〕。所有指标均连续测量五个心动周期，然后取平均值。数据用均数±标准差(
±s)表示，配对t检验及相关与回归分析应用Statpal软件包。, 百拇医药
结 果
肺动脉压的心导管实测值及多普勒超声、音频处理系统的估测值见表1。音频处理系统估测肺动脉压所需时间(TA)明显短于多普勒超声心动图估测所需时间(TE)，而且有显著性差异(P<0.01)。超声心动图估测肺动脉收缩压、平均压的重复性较差，同一观察者为10.4%、14.9%，不同观察者为27.5%、32.5%；音频处理系统估测肺动肺收缩压、平均压的重复性较好，同一观察者为6.0%、10.0%，不同观察者为13.7%、17.7%；两组重复性间比较差异显著(P<0.05)。
表1 超声、音频处理系统及心导管测量各项指标的数值 指 标
±s范 围
PASPA(kPa)
, 百拇医药
7.64±3.37
1.73～16.0
PAMPA(kPa)
5.51±2.52
1.20～1.3
PASPE(kPa)
7.84±3.85
3.00～21.1
PAMPE(kPa)
5.53±2.53
1.73～12.5
, 百拇医药
PASPC(kPa)
8.05±3.11
0.27～14.7
PAMPC(kPa)
39.3±17.4
10.0～84.0
TA (Min)
5.1±1.7*
3.50～6.80
TE (Min)
, http://www.100md.com 22.5±5.3*
18.5～40.1
注：*P<0.01
肺动脉压多普勒超声估测值、音频处理系统估测值与心导管实测值的相关关系见表2。结果显示：肺动脉压音频处理系统估测值与心导管实测值间高度相关(P<0.01，r＝0.95、0.96)，肺动脉压多普勒超声估测值与心导管实测值间中等程度相关(P<0.01，r＝0.86、0.86)。
表2 肺动脉压超声、音频处理系统估测值与心导管实测值间的相关关系 y
x
r
回归方程(kPa)
, 百拇医药 S
(kPa)P
PASPC
PASPE
0.86
y＝0.9365x+1.04
0.53
<0.001
PAMPC
PAMPE
, http://www.100md.com 0.86
y＝1.0110x-0.20
0.42
<0.001
PASPC
PASPA
0.95
y＝0.9460x+0.97
0.48
<0.001
PAMPC
PAMPA
, 百拇医药
0.96
y＝0.9889x-0.08
0.30
<0.001
讨 论
肺动脉压力正常时，肺动脉血流频谱呈圆顶对称状，加速支上升缓慢，峰值速度位于频谱中央；当肺动脉压力升高时，肺动脉血流速度曲线发生变化，呈尖峰圆顶形，频谱峰值前移、加速支变陡等，类似于主动脉血流频谱的形态，表现为肺动脉血流PEP延长、AT缩短、ET缩短、PV不变或减小〔7〕。Hatle等〔5〕的研究证明：半月瓣血流频谱形态主要受心肌收缩力和心室后负荷的影响，当左右心室收缩功能一致时，肺动脉与主动脉血流频谱形态的相似程度可反映肺动脉压力与主动脉压力的相似程度。因此，用肺动脉/主动脉血流时间间期比乘以主动脉压力可定量估测肺动脉压。Morera等〔7〕根据肺动脉/主动脉血流时间间期比[FPA/FAO,F＝PEP×PV/(AT×ET)]、张玉奇等〔4〕根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比估测的肺动脉收缩压、平均压和心导管值均良好相关(r＝0.81、0.91)，证实了这一推论。
, http://www.100md.com
上述研究虽然获得了较好的相关性，但F值中应用参数较多，测算复杂费时，重复性差；目前应用的血流频谱图形均为视频输出，通过时间效应及取样短暂也造成了一定的频率误差及振幅失真〔5〕，影响该方法的精确性。而音频信号受到的影响因素较少，若将心电图信号和主、肺动脉血流的音频信号输入电子计算机，经过机内音频处理模块、实时声谱模块、自动识别模块进行分析、处理及自动识别后，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法自动估测PASP、PAMP，有可能提高主、肺动脉血流信息的保真程度〔8〕，简化操作过程并提高该方法的准确性。
为证实这一假设，我们对51例左向右分流先心病患者进行研究，结果发现：音频处理系统估测的肺动脉压与心导管测值高度相关(r＝0.95、0.96)，多普勒超声估测值与心导管值仅中等程度相关(r＝0.86、0.86)；超声心动图估测肺动脉压所需时间较长(TE＝22.5±5.3分)，而且重复性较差(同一观察者：10.4%、14.9%，不同观察者：27.5%、32.5%)；音频处理系统估测肺动脉压所需时间(TA)较短(TE＝5.1±1.7分)，且重复性较好(同一观察者：6.0%、10.0%，不同观察者：13.7%、17.7%)。因此，我们认为：应用音频处理系统，根据改良肺动脉/主动脉血流时间间期比法，可准确地无创自动估测肺动脉压。
, 百拇医药
尽管应用音频处理系统估测肺动脉压具有操作简便、重复性好、准确性高等优点，但系统中自动识别模块对音频信号和心电图信号的信/噪比要求较高〔8〕，今后应加强对音频信号的降噪、信号特征点的自动识别等方面的研究，进一步提高音频处理系统的临床使用价值。
此课题由上海市高等学校科学技术发展基金资助(合同编号：ZX95-002)
参考文献
[1]Li Wanzhen,Du Junbao,Ma Yuwen,et al.Pulmonary artery pressure evaluaation by pulsed Doppler echocardiography in children with a left-to right intracardiac shunt.Pediatric Cardiol,1991,12:17～19
, 百拇医药
[2]Skinner JR,Boys RJ,Heads A,et al.Estimation fo pulmonary arterial pressure in the newborn:Study of the repeatability of four Doppler echocardiographic techniques.Pediatr Cardiol,1996,17:360～369
[3]张玉奇，陈树宝，孙锟，等。肺动脉血流时间间期估测肺动脉压。上海医学，1998，21(1):27～28
[4]张玉奇，陈树宝，孙锟，等。肺动脉/主动脉血流时间间期比法估测肺动脉压的研究。上海第二医科大学学报，1998，5：375～377
[5]Hatle L,Angelsen B.Doppler Ultrasound in Cariology:Physical principles and clinical application,2nd ed.Philadel phia:Lea and Febiger,1985,252～290
, 百拇医药
[6]Bland JM,Altman DG.Statistical methods for assessing agreement between two methods of clinical measurement.Lancet,1986;1:307～310
[7]Morera J,Hoadley SD,Roland M,et al.Estimation of the ratio of pulmonary to systemic pressures by pulsed-wave Doppler echocardiography for assessment of pulmonary arterial pressures.Am J Cardiol,1989,63:862～866
[8]刘斌，王威琪，王源源，等.利用改进的百分比法提取声谱图包络。声学技术，1998，17(1)：9～12
(1998-11-06收稿，1998-12-21修回), 百拇医药