基于上臂袖帶振蕩波估測動脈僵硬度的理論方法及臨床實(shí)驗(yàn)

張絮潔，章亞平，殷兆芳，覃開蓉，梁夫友

1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海第六人民醫(yī)院 心內(nèi)科，上海200233；3.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海第九人民醫(yī)院 心內(nèi)科，上海 200011；4.大連理工大學(xué) 光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116024

引言

近年來，心血管疾病在我國居民的總死亡原因中占比達(dá)四成以上[1]，構(gòu)成嚴(yán)重的社會與經(jīng)濟(jì)問題。雖然現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的進(jìn)步有效改善了心血管疾病的治療效果，但患者長期預(yù)后仍不樂觀，心血管疾病的致死率和致殘率居高不下[2-3]。因此，如何對心血管疾病進(jìn)行提前預(yù)警和干預(yù)仍是臨床醫(yī)學(xué)界的主要課題之一。近十余年來，多個課題組基于大樣本人群調(diào)查對心血管疾病的預(yù)測/風(fēng)險因子進(jìn)行了深入研究。研究表明，除年齡、血壓等常規(guī)風(fēng)險因子外，中心動脈僵硬度不僅是原發(fā)性高血壓患者的全因和心血管死亡率的獨(dú)立預(yù)測因子[4]，也可作為冠心病和腦卒中患者健康狀態(tài)的獨(dú)立預(yù)測因子[5]。在此背景下，動脈僵硬度無創(chuàng)檢測方法的開發(fā)和臨床驗(yàn)證已成為近年來心血管醫(yī)療器械領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

目前，評估動脈僵硬度的經(jīng)典方法為脈搏波傳導(dǎo)速度（Pulse Wave Velocity，PWV）測量[6]，該方法以血管長度與脈搏波相位差的比值計算PWV，得到反映脈搏波傳導(dǎo)通路上動脈平均僵硬度的指標(biāo)。PWV可根據(jù)測量位置進(jìn)行分類，其中，肱—踝脈搏波傳導(dǎo)速度（Brachial-Ankle Artery PWV，baPWV）在我國、日本和韓國等東亞地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。相關(guān)研究表明，baPWV對包括冠狀動脈粥樣硬化[7]、急性冠脈綜合征[8]、動脈粥樣硬化血管損傷[9]、冠心病[10]、腦卒中[11-12]等在內(nèi)的多種心血管不良事件都具有指示價值。然而，由于該測量方法的設(shè)備成本較高、需要專業(yè)的操作，并且測量時間長、準(zhǔn)確性易受血壓、身高、心率等因素的影響[13]，不適用于對大樣本人群進(jìn)行篩查與風(fēng)險評估。因此，亟待開發(fā)一種能夠快速、便捷、無創(chuàng)地檢測動脈僵硬度的新設(shè)備。

近年來，一種新型便攜式動脈脈波檢測儀（PASESA AVE-1500；Shisei Datum，Co., Ltd.，Japan）得到越來越廣泛的應(yīng)用，實(shí)物外形及測量結(jié)果顯示畫面見圖1，該設(shè)備除可無創(chuàng)測量肱動脈血壓外，可同時輸出反映中心動脈和肱動脈僵硬度的指標(biāo)，即動脈波速指數(shù)（Arterial Velocity-Pulse Index，AVI）和動脈壓力容積指數(shù)（Arterial Pressure-Volume Index，API）。該設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是測量過程全自動、測量所需時間短、且允許受測者坐姿測量。測量指標(biāo)的臨床有用性在多項臨床研究中得到了證實(shí)。例如，AVI對冠脈的早期粥樣硬化病變有預(yù)測價值[14]，在糖尿病患者群體中AVI與腦卒中、冠心病等心血管事件正相關(guān)[15]，在心臟病患者中AVI與運(yùn)動機(jī)能負(fù)相關(guān)[16]。另一方面，鑒于患者的個體差異性以及臨床可測數(shù)據(jù)的局限性，測量結(jié)果對心血管參數(shù)的敏感性尚不明確，一定程度上阻礙了對臨床研究結(jié)果的解釋和分析。

圖1 PASESA AVE-1500的外形圖及測量結(jié)果顯示畫面

因此，本文將構(gòu)建循環(huán)系統(tǒng)與上臂袖帶的耦合計算模型，模擬該動脈脈波檢測儀的測量過程，基于模擬的袖帶振蕩波特征與年齡或主動脈PWV的關(guān)系，理論上檢驗(yàn)利用袖帶振蕩波估測中心動脈僵硬度的可行性，并通過調(diào)整模型參數(shù)量化評價心臟收縮功能、外周血管總阻抗和肱動脈僵硬度等心血管參數(shù)對估測結(jié)果的影響，從而為解讀臨床實(shí)測結(jié)果提供理論參考。進(jìn)一步地開展臨床實(shí)驗(yàn)，將AVI與經(jīng)典動脈僵硬度指標(biāo)baPWV進(jìn)行對比，并在健康人群中考察AVI與年齡的相關(guān)性。

1 循環(huán)系統(tǒng)-袖帶耦合模型構(gòu)建及AVI測量原理檢驗(yàn)

根據(jù)動脈脈波檢測儀PASESA AVE-1500的工作原理和操作流程，袖帶置于左上臂處，在高袖帶壓（高于肱動脈收縮壓）條件下采集袖帶振蕩波計算AVI[14,16]。而API基于袖帶減壓過程中連續(xù)采集的振蕩波信號，通過透壁壓—血管容積曲線進(jìn)行評估[17]。

1.1 模型結(jié)構(gòu)及計算條件

本文采用課題組近期開發(fā)的循環(huán)系統(tǒng)—袖帶耦合模型[18]對AVI的測量過程進(jìn)行計算機(jī)仿真。該耦合模型包含可以模擬動脈脈搏波傳導(dǎo)/反射以及系統(tǒng)血流動力學(xué)的心血管模型[19]，袖帶力學(xué)模型，袖帶壓在上臂組織內(nèi)的分布模型，以及肱動脈壁非線性粘彈性模型[20]，模型結(jié)構(gòu)示意圖[18,21-22]，見圖2。

本文僅針對AVI的測量原理和敏感性開展研究，因此，模型的計算條件設(shè)置以AVI測量為參考，即在仿真計算中將袖帶氣囊迅速充氣，在袖帶壓達(dá)到高于肱動脈收縮壓30 mmHg后維持袖帶壓不變，待計算收斂后停止計算，采用高通濾波處理計算得到的數(shù)字化袖帶壓數(shù)據(jù)，輸出袖帶振蕩波數(shù)據(jù)[18,23]。

1.2 模型驗(yàn)證

圖2 循環(huán)系統(tǒng)—袖帶耦合模型

采用模型在高袖帶壓條件下模擬計算袖帶振蕩波，模擬對象分別為健康年輕人和中年人。心血管參數(shù)隨年齡的變化基于實(shí)測數(shù)據(jù)或通過參數(shù)擬合進(jìn)行設(shè)定[24]。同時，使用PASESA AVE-1500分別對兩組年齡段25歲和56歲的健康人（每組樣本中男性樣本兩例，女性樣本兩例）進(jìn)行袖帶振蕩波采集。每組樣本袖帶振蕩波的實(shí)測數(shù)據(jù)及合成曲線，見圖3a～b，相應(yīng)的模型計算結(jié)果，見圖3c～d。

圖3 不同年齡段的袖帶振蕩波

由圖可見，實(shí)測與模擬數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的波形特征一致，表明本計算模型可以合理再現(xiàn)PASESA AVE-1500的測量過程。波形在收縮期出現(xiàn)雙峰，且第二峰隨年齡增長而顯著升高。上述波形特征的變化與動脈系統(tǒng)內(nèi)脈搏波傳導(dǎo)、反射與疊加模式隨年齡增長所發(fā)生的變化有關(guān)。根據(jù)既往研究，中心動脈僵硬度隨年齡增長而升高是人體心血管系統(tǒng)自然老化的一般特征[25]，相對年輕人，中老年人的脈搏波傳導(dǎo)速度更快，造成源自外周血管的反射波抵達(dá)近心端主動脈的時間提前，該反射波與入射波在收縮中后期疊加，造成圖3所示第二峰在中年時升高這一現(xiàn)象。因此，理論上，袖帶振蕩波蘊(yùn)含著反映動脈系統(tǒng)內(nèi)脈搏波傳導(dǎo)、反射狀態(tài)的信息，對其進(jìn)行特征提取和量化分析有望實(shí)現(xiàn)對動脈僵硬度的間接估測。

1.3 AVI測量原理的理論分析

根據(jù)課題組的前期研究，圖3中第二峰值隨年齡增長發(fā)生的增高程度除主要受中心動脈僵硬度影響外，還受外周血管阻抗、上臂動脈僵硬度等其他心血管因素的影響[18,26]，因此，振蕩波上的第二峰值無法直接用于評估中心動脈僵硬度。進(jìn)一步分析振蕩波的波形特征發(fā)現(xiàn)，第二峰后壓力快速下降，下降陡度在年輕人和中年人間存在顯著差異，該現(xiàn)象與反射波到達(dá)肱動脈的時間有關(guān)，即到達(dá)時間越早，陡度越大。為了量化評估該現(xiàn)象，我們計算袖帶振蕩波的一階時間微分見圖4，微分波形上呈現(xiàn)兩個峰值（P1，P2）和兩個谷值（V1，V2）。P1反映了收縮早期（振蕩波第一峰前）的增壓陡度，與心臟收縮功能有關(guān)，V1、P2分別為振蕩波第二峰前的降壓和增壓陡度，受主動脈—肱動脈間的脈波反射強(qiáng)度和源自主動脈的反射波到達(dá)時間的雙重影響，V2為第二峰后的降壓梯度，主要受反射波到達(dá)時間影響。進(jìn)一步計算V1、V2與P1的絕對值之比得到無量綱指標(biāo)，考察其與年齡的關(guān)系。模擬計算得到的結(jié)果顯示，|V1|/|P1|隨年齡下降，而|V2|/|P1|隨年齡升高（圖5a）?？紤]中心動脈僵硬度隨年齡單調(diào)增高[25]，|V1|/|P1|和|V2|/|P1|均可能與中心動脈僵硬度有關(guān)。

本文進(jìn)一步利用模擬計算考察上述指標(biāo)是否受肱動脈僵硬度的影響（對應(yīng)年齡：85歲），結(jié)果見圖5b。|V1|/|P1|隨肱動脈僵硬度的增大而顯著減小，而|V2|/|P1|對肱動脈僵硬度變化不敏感。也就是說，|V1|/|P1|與主動脈、肱動脈僵硬度均相關(guān)，而|V2|/|P1|則主要反映主動脈的僵硬度。在動脈脈波檢測儀（PASESA AVE-1500）中，AVI被定義為AVI=A×|V2|/|P1|，其中A為常數(shù)，與|V2|/|P1|的計算方法類似，因而AVI是理論上可以反映中心動脈僵硬度的無量綱指標(biāo)。

圖4 袖帶振蕩波及其微分波形特征

圖5 |V2|/|P1|&|V2|/|P1|與年齡/肱動脈僵硬度的關(guān)系

2 心血管參數(shù)對|V2|/|P1|的影響

考慮個體差異性以及心血管參數(shù)的生理變動性，有必要研究|V2|/|P1|作為中心動脈僵硬度的估測指標(biāo)是否以及如何受其他心血管因素的影響。根據(jù)文獻(xiàn)報道，除中心動脈僵硬度外，左心室收縮力（Elva）、外周血管總阻抗（Rs）是動脈脈搏波和血壓的主要決定因素[24,27-28]，可能會對|V2|/|P1|造成影響。另外，由于袖帶振蕩波信號來源于袖帶下方肱動脈的體積變動，肱動脈僵硬度（Ebr）是另一個值得關(guān)注的因素。因此，本文針對左心室收縮力、外周血管總阻抗和肱動脈僵硬度分別設(shè)計數(shù)值實(shí)驗(yàn)，即，將與其對應(yīng)的模型參數(shù)在一定范圍內(nèi)變動（表1），量化評價其對|V2|/|P1|的影響。作為檢驗(yàn)|V2|/|P1|估測精度的金標(biāo)準(zhǔn)，Aortic PWV在上行主動脈處計算得到，并通過改變主動脈壁楊氏模量使其在6～11 m/s范圍內(nèi)變動。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見圖6，左心室收縮力對|V2|/|P1|產(chǎn)生較大影響，收縮力增強(qiáng)顯著降低|V2|/|P1|，收縮力減弱則增大|V2|/|P1|；外周血管總阻抗升高增大|V2|/|P1|，而肱動脈僵硬度升高則減小|V2|/|P1|，但兩者的影響程度相對較低。另外，主動脈PWV的變化不顯著改變|V2|/|P1|對左心室收縮力和外周血管總阻抗的敏感度，而主動脈PWV升高則顯著降低|V2|/|P1|對肱動脈僵硬度的敏感度。所有計算結(jié)果的散點(diǎn)分布以及|V2|/|P1|與Aortic PWV的線性相關(guān)系數(shù)，見圖7。

表1 心血管參數(shù)的變化范圍

圖6 心血管參數(shù)對|V2|/|P1|的影響

圖7 |V2|/|P1|與Aortic PWV的相關(guān)性

由圖可知，雖然|V2|/|P1|受其他心血管因素，特別是心室收縮力變化的影響在其參考值附近變動，|V2|/|P1|仍與Aortic PWV保持顯著的相關(guān)性（r=0.590，P＜0.0001）。需要說明的是，在一般人群中，上述心血管參數(shù)的變動范圍可能小于本數(shù)值實(shí)驗(yàn)的設(shè)定范圍，在不考慮實(shí)際測量誤差的情況下，|V2|/|P1|的受影響程度可能小于本數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 臨床實(shí)驗(yàn)

3.1 臨床實(shí)驗(yàn)一般資料

3.1.1 實(shí)驗(yàn)對象范圍與入選標(biāo)準(zhǔn)

本臨床實(shí)驗(yàn)共募集志愿者238人，其中健康受試者170人，心血管疾病患者68人。心血管疾病患者人數(shù)占受試者總?cè)藬?shù)的28.6%，與《中國心血管病報告2015》[1]中報道的高血壓、腦卒中和冠心病等心血管疾病在成人中的發(fā)病率（25.2%～44.6%）相當(dāng)，因此本實(shí)驗(yàn)的樣本集對中國普通人群具有一定的代表性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果有助于了解測試儀器在一般人群中的使用性能。

實(shí)驗(yàn)對象入選需滿足：年齡在20～90歲；經(jīng)檢查確診患高血壓、冠心病等心血管疾病或糖尿病的受試者歸入心血管疾病患者組，無明顯上述疾病者歸入健康受試者組；排除上肢有感染、對實(shí)驗(yàn)?zāi)褪苄圆罨蚪?jīng)研究者認(rèn)定不適合本臨床實(shí)驗(yàn)的受試者。

3.1.2 儀器與方法

本實(shí)驗(yàn)采用研究用動脈脈波檢測儀PASESA AVE-1500（Shisei Datum Co., Ltd., Japan）和動脈硬化檢測裝置BP-203RPEIII（歐姆龍有限公司，大連，中國）兩種設(shè)備分別對每位受試者進(jìn)行測量，前者輸出AVI，后者輸出baPWV。首先使用PASESA AVE-1500測量AVI，5 min后再次測量，取兩次測量結(jié)果的平均值納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計。在受試者充分休息后（一般為10 min），繼續(xù)使用BP-203RPEIII測量baPWV，取左右baPWV的平均值納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計。待所有數(shù)據(jù)采集完畢，采用統(tǒng)計學(xué)方法比較兩組受試者的測量結(jié)果，分析AVI與baPWV的相關(guān)性，并對健康受試者進(jìn)一步分析AVI與年齡的相關(guān)性。

3.2 臨床實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 基礎(chǔ)資料匯總

基礎(chǔ)臨床資料以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（或百分率）表示，并利用t檢驗(yàn)（或χ2檢驗(yàn)）進(jìn)行組間比較。兩組患者臨床資料在性別比例、舒張壓、心率方面無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05），而在年齡、身體質(zhì)量指數(shù)（BMI）、收縮壓、平均壓方面心血管疾病患者組顯著偏高（P＜0.05），該統(tǒng)計結(jié)果與心血管疾病的一般風(fēng)險因子一致（表2）。

表2 基礎(chǔ)臨床資料匯總表

3.2.2 動脈僵硬度指標(biāo)的組間比較

心血管疾病患者組與健康受試者組比較，AVI與baPWV均顯著偏高，具有統(tǒng)計學(xué)意義（表3）。既往橫斷面及隨訪研究均表明，心血疾病患者的動脈僵硬度指標(biāo)顯著高于健康人[5,29]，與本文的研究結(jié)果一致。

表3 動脈僵硬度指標(biāo)比較表

3.2.3 相關(guān)性分析

AVI與baPWV、年齡的相關(guān)性采用Pearson法進(jìn)行分析。AVI與baPWV呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.656，P＜0.0001，n=238），AVI隨baPWV變化的散點(diǎn)分布與線性擬合圖，見圖8a。在健康受試者組，AVI與年齡呈顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.525，P＜0.0001，n=170），AVI隨年齡變化的散點(diǎn)分布與線性擬合圖，見圖8b。AVI與年齡在健康人群的相關(guān)系數(shù)與文獻(xiàn)報道的主動脈PWV與年齡的相關(guān)系數(shù)接近 [r=0.63，P＜0.0001，n=96（男性）；r=0.61，P＜0.0001，n=50（女性）][30]，表明AVI在監(jiān)測隨年齡增長而發(fā)生的生理性動脈硬化現(xiàn)象方面與PWV有相似的性能。

4 結(jié)語

PASESA AVE-1500通過對高袖帶壓條件下采集的振蕩波進(jìn)行波形解析，輸出可以反映中心動脈僵硬度的無量綱指標(biāo)AVI。在過去數(shù)年中，有關(guān)PASESA AVE-1500的研究多圍繞其測量指標(biāo)的臨床意義開展，證明AVI對冠心病、腦卒中、運(yùn)動機(jī)能下降和冠脈早期動脈粥樣硬化等均有一定的預(yù)測價值[14-16,31]。然而，尚無研究對其測量原理及影響因素進(jìn)行全面分析，造成對臨床數(shù)據(jù)的解釋缺乏充分的理論依據(jù)。本文通過構(gòu)建循環(huán)系統(tǒng)—上臂袖帶的耦合模型，再現(xiàn)了PASESA AVE-1500的測量過程，明確了AVI作為中心動脈僵硬度指示性指標(biāo)的生物力學(xué)基礎(chǔ)，同時，利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)量化評價了心血管參數(shù)對AVI測量精度的影響。

圖8 AVI與baPWV/與年齡的相關(guān)性

在多種心血管條件下計算得到的|V2|/|P1|與主動脈PWV的相關(guān)系數(shù)與實(shí)測AVI與實(shí)測baPWV及年齡的相關(guān)系數(shù)接近，證明理論計算較好地再現(xiàn)了臨床觀測現(xiàn)象，計算模型設(shè)計及所揭示的生物力學(xué)機(jī)理具有合理性。數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，左心室收縮功能減弱引起|V2|/|P1|顯著升高，而近期臨床研究顯示，AVI與心衰標(biāo)志物BNP顯著正相關(guān)[14]，兩者趨勢一致。該現(xiàn)象提示，對處于同等動脈硬化水平的患者，心收縮功能不良者的AVI測量值有偏高的傾向。另外，外周血管總阻抗和肱動脈僵硬度也對AVI測量造成一定的影響，雖然相對心收縮功能其影響程度較低，仍提示生活習(xí)慣改變或藥物治療引起的上述參數(shù)變化可能改變AVI的測量結(jié)果。特別對主動脈僵硬度較低的健康年輕人，上臂肱動脈僵硬度的個體差異可能對AVI的測量結(jié)果造成一定的影響。需要強(qiáng)調(diào)的是，理論計算未對多個心血管因素的綜合影響進(jìn)行量化評估，亦未考慮實(shí)際測量時信號采集、處理及分析產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，因此，本研究結(jié)果限于為測量原理檢驗(yàn)及測量結(jié)果敏感度分析提供理論參考。在實(shí)際使用中，由于患者的個體差異性以及生理、病理條件變化的復(fù)雜性，測量結(jié)果的變化受多種因素的影響，對測量結(jié)果的解釋需要充分考慮患者的具體情況，并在必要時結(jié)合其他檢測手段進(jìn)行綜合評價。

本文利用生物力學(xué)模型對現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備（PASESA AVE-1500）的測量原理及其性能進(jìn)行了量化評估，并開展臨床實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)際的相互驗(yàn)證。該研究將為醫(yī)療設(shè)備的原理驗(yàn)證、方法創(chuàng)新及精度分析提供有益的思路。

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