光电容积脉搏波是基于动脉血液对光的吸收量随动脉搏动 变化的原理，利用光电手段获得的波形信号。其信号特征主要 由心血管状态决定，又受检查环境如呼吸、温度、心理状态等 影响。因此，光电容积脉搏波波形信号包含了人体大量病理、 生理信息。通过对光电容积脉搏波波形信号变化的研究，可以 实现对心血管、呼吸、心理等进行无创连续检测。由于这一检 测方法具有操作简便、性能稳定、安全可靠、无创、适应性强 等优点，受到国内外医学界及工程界的重视，近年来对光电容 积脉搏波的临床应用进行了大量研究。本文就光电容积脉搏波 的临床应用及进展进行了综述。
一、血氧饱和度无创监测 光电容积脉搏波最初的临床应用就是无创血氧饱和度监 测。
早期的透射式光电容积脉搏波测量血氧饱和度在临床上应 用较广泛，由于受安装位置和人体运动状态的限制，不适合便 携式实时监测。Keisuke 等研究了反射式光电容积脉搏波测量 血氧饱和度。早期血氧饱和度监测应用于外周组织，最初为耳 垂电极，后发展到指端电极、额用电极。Sygino 等研究发现 正常灌注条件下额用电极与指端电极测量血氧饱和度无差异性，在低灌注的情况下额用电极较指端电极反应快、灵敏度。 Hauke 等设计了一种运行大功率三元 LED 传感器的控制单 元，具有电功高流通性，并能调节合适的 LED 汇集时间。应用 数控模拟调光技术为 LED 选择正确波长，可以穿透不同的人体 组织。应用高分辨率的数字模拟转换器作为传感器模块可准确 接收数据。从而测量深部组织血氧饱和度。国内廖国杰等[4]研 究亦显示通过改变光强可以实现检测组织不同层次的血氧饱 和度。
二、脉率和心率无创监测 脉率和心率监测是光电容积脉搏波基本应用之一。
最常见 于床边的监护仪器，广泛应用于手术室、重症监护室、急诊室 等。脉率和心率作为重要的人体生理参数具有重要监测意义。 常规监测仪较为笨重、复杂，不便于携带。刘宸基于光电容 积脉搏波原理，采用 MSP430 系列单片机设计了一种便携式指 端脉搏仪，可以存储回放脉搏波形、心率、脉率，并可设置脉 率上下限，进行门限报警，实时监护。颜拥军等利用反射式 光电容积脉搏波，采用 uPSD3234 单片机，及匹配滤波处理技 术，可获得无创数字化心率，这一技术已广泛应用于健身跑步 机中。柴波等采集日常使用鼠标时的指端脉搏波信号，设计 了可监测脉搏波和心率的鼠标，将健康监测与日常生活融为一 体。除了应用于人体监测，光电容积脉搏波还可应用于科学研 究中的实验动物脉率和心率监测。吴艳茹等采用 MB-6 型鼠尾 脉搏波传感器设计了小动物无创监测仪，可方便、可靠地无创 监测大鼠、小鼠清醒状态下的心率，准确记录小动物存活期， 为药理和毒理实验中记录小动物心率和存活期提供了一种简单、实用的检测方法。
三、呼吸频率及呼吸容积无创监测 呼吸频率及呼吸容积是呼吸系统重要生理参数。
随着通气 变化，脉搏波的基线及搏动发生波动变化。脉搏波信号功率谱 中包含与呼吸频率相关的峰值及呼吸诱发强度变化信息 （respiratory-induced intensity variations，RIIV），其反映由呼吸 引起的静脉回流到胸廓和右心时的变化。因此可通过脉搏波 监测呼吸频率及呼吸容积。相较于传统呼吸监测方法，可无创， 实时快速监测呼吸变化。临床上常用测量呼吸频率的方法包括 阻抗法、直接测量呼吸气流法和气道压力法等。如何利用脉搏 波信号解调出呼吸频率，国内外进行了大量研究，主要方法有数 字滤波法、小波变换法和功率谱法。Nilsson 等采用通带为 0.1～ 0.3 Hz 的三阶巴特沃斯滤波器从脉搏波中解调出呼吸频率，获得 的结果和用常规方法得到的结果相比相差 0.5 次/min。Addison 等用 Morlet 小波对脉搏波进行小波变换分析，测量呼吸频率， 结果和常规方法测得的呼吸频率相比较存在 1 次/min 的误差， 这种误差可能与基波的选择有关。李文彪等采集人体指端的 脉搏波，采用经验模式分解法，从功率谱中提取人体呼吸波信 号，测量呼吸频率。朱慧等通过计算脉搏波波峰的差分波形， 找出差分波峰的间隔时间差，做傅里叶变换，发现这样得到的 呼吸率的准确率大大提高，平均误差率只有 3.3%。理论显示每 一次正压呼吸，静脉回流回心血量受阻，导致心输出量暂时减 低。当患者血容量降低时，随着静脉压降低，正压通气对动脉 压的影响则加大，其对脉搏波也具有相似影响。因此，观察脉 搏波的呼吸性变化有助于监测隐蔽性出血及由此产生的低血容 量。
四、无创连续血压监测 利用容积脉搏波监测血压是除血氧和脉率外的重要研究方 向。
利用容积脉搏波建立与血压的关系，目前有两种研究方向。 一是根据容积脉搏波和压力脉搏波之间的转换关系得到血压； 二是利用脉搏波传导时间测量血压。前者无法摆脱充气袖带的 束缚和压力不断变化对人体的影响，后者是近年来出现的新思 路。丁有得等采用指端一点检测脉搏波传导时间的方法， 减少了测量过程中传感器对受试部位影响，提高了舒适性和方 便性。梁永波等提出了数据分割与区间搜索的传导时间提取 算法计算脉搏波传导时间，结果显示测得血压与水银血压计测 得的血压具有较好的一致性。同时研究中发现，脉搏波传导时 间每变化 1 ms，血压变化约 1 mm Hg，因此脉搏波传导时间的 采样率决定了最终血压结果的准确性。
五、无创连续血红蛋白监测。
研究显示利用容积脉搏波得出的血红蛋白含量与血气分 析得出的得出的血红蛋白含量有显著相关性，相关系数为 0.98。 动脉血气分析是侵入性的、间断的、耗时的，对于小儿患者技 术难度较高，而容积脉搏波可实现无创连续监测血红蛋白。由 于脉搏波信号易受干扰，获得高信噪比的脉搏波信号是实现无 创血红蛋白精确测量的前提。目前，光谱去噪常用的算法主 要有 Savitzky-Golay 平滑、移动窗口平滑、傅里叶变换和小波 变换等。其中平滑方法可以有效去除高频噪声，提高数据信噪比，但容易造成信号失真；傅里叶变化方法以信号不变的频率 特性为前提，主要应用于平稳信号的去噪处理；小波变换方法 虽然对非平稳信号有良好的去噪效果，但运算复杂，实现速度 较慢。樊亦辰等以平滑算法为参照，应用 EMD 算法去除光 谱噪声有效提高脉搏波信号信噪比，无创测量血红蛋白，预测 相关系数由 0.74 提升到 0.87。
六、无创血流动力学及循环功能监测
脉搏波波形变化是估测血容量及前负荷改变的敏感指标， 脉搏波包括心脏泵血的快波（血液自主动脉根沿血管壁推至终 末动脉）和呼吸波形的慢波（反映通气变化所致胸内压变化至 外周），慢波上的切迹类似于动脉波上的重搏切迹。研究显示在正压通气时动脉收缩压变化（SPV）及其下降幅度（dDown） 与脉搏波波形变化（SPVplet）及其下降（dDownplet）呈显著正 相关，可有效估测肺小动脉楔压（PAWP），甚至较 PAWP 更 能准确地反映左室舒张末容积（LVEDV）的变化。脉搏波的振 幅变化（ΔPOP）已被证实与脉压（ΔPP）有显著相关，对心 脏前负荷的变化较为敏感[23]，可以精确预测机械通气患者的流 体反应[24]。容积变异指数（PVI）是测量一段时间内脉搏波振 幅的最大最小值，并计算两者之间的百分数差。Cannesson 等[25] 研究发现 PVI 与 ΔPP、ΔPOP 与 ΔPP、PVI 与 ΔPOP 均显著相 关，相关系数分别为 0.72、0.86、0.92；PVI＞11.5%可以预测 ΔPOP＞13%，具有很好的灵敏度（93%）和特异度（97%）。 Fu 等[26]对 55 例肿瘤切除术的全麻患者测量了术中心搏量变化 （stroke volume variation，SVV）、容积变异指数（pleth variability index，PVI）、中心静脉压（central venous pressure，CVP）、 心脏指数（cardiac index，CI）、每搏指数（stroke volume index， SVI）；ROC 结果显示 SVV、PVI 曲线下面积高于 CI、CVP， SVV 与 PVI 两者之间无统计学差异，SVV、PVI 更适合预测术 中患者血流动力变化及流体反应性。张伯英[27]对 110 例骨科手 术患者进行术中监测，发现指端脉搏波不同峰形波形组合反映 不同的循环功能状态；通过截取脉搏波波峰形态和血流曲线上 Y1、Y2、Y3 三个特征参数，将主波峰 Y1 大致归为五种形态： 锐锋 l、锐锋 2、前钝后锐峰、钝固峰、前锐后钝峰，发现其动 态变化与小动脉和微动脉的紧张性和弹性直接相关，Y1、Y2、 Y3三个特征参数值的动态变化在一定范围内与失血量及失血 速度密切相关。
七、无创麻醉应激监测
研究显示随着交感兴奋性的增加，动脉压显著增高，在这 过程中，脉搏波振幅通常是降低的。通过建立一个测量基线， 脉搏波振幅可用来测量交感紧张性。脉搏波的一个潜在的利 用价值就是作为交感反应的指示器。对于麻醉过程中接受伤 害性刺激的患者，麻醉药的剂量需要阻断其交感反应，患者所 保持的交感反应程度具有重要意义。尤其对于冠脉受累的患者 更加重要，因为冠脉需要避免出现显著的血流动力学改变。 Huilku 等利用标准化后的心动间期和光电容积脉搏波波幅 （PPGA）建立一个用于评估伤害性感受和抗伤害感受平衡的指 数—外科应急指数（SSI），且发现 SSI 与抗伤害性药物浓度呈 负相关，与手术刺激呈正相关。Chen 等发现利用 SSI 监测全麻中镇痛水平指导麻醉用药，可减少瑞芬太尼用量，且患者血 流动力学更稳定，术中不良事件发生率更低。在测量脉搏波波 幅变化时，监测部位很重要。手指血管壁由肾上腺素能交感神 经控制，与耳珠等其他部位相比对交感神经系统的变化较为敏 感。本课题组前期研究发现连续监测指脉搏波振幅变化， 分析其与麻醉药物作用程度及机体刺激反应的相关性，发现脉 搏波振幅变化与全凭静脉麻醉作用程度呈正相关，与伤害性反 应强度呈负相关。通过对脉搏波图形分析振幅变化可即时、迅 速反映麻醉药物作用时效性以及机体对伤害性刺激的反应，两 者结合分析结果在一定程度上与全麻患者麻醉深度相平行，对 监测麻醉深度具有潜在意义。
八、无创动脉硬化监测
当人体外周阻力和血管壁硬化程度增加时，脉搏波波形特 征值会发生变化，其主波绝对高度逐渐减小，潮波由不明显逐 渐变得明显，相对于主波的位置也逐渐升高。通过监测四肢血 压，脉搏波波形变化及传导速度可以获得两个参数，踝臂指数 （ankle brachial index，ABI）和脉搏波传导速度（pulse wave velocity，PWV）。Danescu 等发现，光电容积脉搏波可监测 糖尿病患者的 ABI，评估患者外周动脉病变情况，与超声技术 有相似的特异性和灵敏性。臂踝 PWV 随冠状动脉病变程度逐 渐增大，对冠心病具有高等预测价值，其截断点为 1700 cm/s， 研究显示臂踝 PWV 与冠状动脉粥样硬化有很好的相关性。 而 ABI 与 PWV 相结合能更准确的预测血管疾病，评估血管硬 化。
九、应用研究展望
作为一种无创监测技术，光电容积脉搏波可广泛应用于心 血管系统、呼吸系统、血液系统及精神卫生等。除血红蛋白 外，各种血液成分无创监测研究已广泛开展。利用脉搏波信 号进行情感识别也有所突破。随着数字信号处理技术的发展 和应用，随着对脉搏波潜在生理学特征的深层次研究，将能进 一步发掘脉搏波的潜能，开发更多的临床应用。