激光多普勒血流探測(cè)儀小波分析早期高血壓大鼠血流灌注頻譜特征*

李璐含 張秋菊 仉紅剛 李炳蔚 修瑞娟

高血壓因其高發(fā)病率和高致死率已成為危害人類健康的主要疾病之一。高血壓是多因素疾病，微循環(huán)障礙在高血壓發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用，在原發(fā)性高血壓的發(fā)生與發(fā)展過(guò)程中，外周循環(huán)阻力增加是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通常認(rèn)為血液微循環(huán)中小動(dòng)脈是阻力血管的主要組成部分，總外周阻力中約有70%是由小動(dòng)脈提供的，即大動(dòng)脈與靜脈之間血壓下降的大部分過(guò)程發(fā)生在這個(gè)部位[1]。血管舒縮是微血管直徑的節(jié)律性變化，并能導(dǎo)致血流震蕩，微血管的舒縮運(yùn)動(dòng)有益于微血管內(nèi)血液的理想分布[2]，可降低微血管對(duì)血流的阻力，保證了血液時(shí)斷時(shí)續(xù)但充足的節(jié)律性供應(yīng)[3]。激光多普勒血流探測(cè)儀(LDF)作為目前相對(duì)精確無(wú)創(chuàng)的微血管功能檢測(cè)儀器，可以將激光多普勒光譜分析通過(guò)快速傅里葉變換算法(Fourier Transform Algorithm)和小波分析(Wavelet Analysis)，精確研究血流灌注信號(hào)(Spectral Characteristics of Skin Blood Flow，SFBO)情況[4]。頻率譜可以對(duì)感興趣的頻率范圍進(jìn)行預(yù)先預(yù)定劃分，對(duì)更高頻或更低頻的信號(hào)波進(jìn)行濾波，并分析感興趣的頻率段內(nèi)發(fā)生的事件。目前的文獻(xiàn)研究?jī)H將小波分析用于體表的皮膚血流震蕩情況檢測(cè)，且國(guó)內(nèi)對(duì)皮膚血流灌注信號(hào)的小波分析實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)病人，很少涉及無(wú)其它干擾因素和藥物治療的高血壓動(dòng)物模型。本實(shí)驗(yàn)不僅通過(guò)小波變換分析高血壓大鼠耳部和趾部的體表皮膚血流震蕩情況，還首次對(duì)高血壓大鼠的腦部備皮暴露顱骨，并對(duì)腎進(jìn)行暴露處理，探索腦部和腎表面的血流震蕩情況，分析早期高血壓大鼠淺表微循環(huán)和器官微循環(huán)的血流灌注頻譜特征。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型與實(shí)驗(yàn)分組

選用雄性8周齡、10周齡、13周齡SHR大鼠各7只作為實(shí)驗(yàn)組，選用雄性相同周齡WKY大鼠，每組各7只作為對(duì)照組，均購(gòu)自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司。實(shí)驗(yàn)中和實(shí)驗(yàn)后處理均按照中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院微循環(huán)研究所倫理委員會(huì)要求。以呼吸麻醉機(jī)用異氟烷氣化后進(jìn)行實(shí)時(shí)麻醉。

1.2 儀器及分析軟件

LDF為英國(guó) Moor公司產(chǎn)品，型號(hào)為moor VMS-LDF1-HP；儀器配套數(shù)據(jù)分析軟件為 moor VMS-PC Version 3.1 for Vascular Monitor Syetem。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

參照本課題組前期實(shí)驗(yàn)方法[5]，每只大鼠通過(guò)30s異氟烷高濃度誘導(dǎo)麻醉后轉(zhuǎn)為低濃度實(shí)時(shí)麻醉，使大鼠生命體征處于穩(wěn)定狀態(tài)。

室溫下，大鼠俯臥位，頭部備皮，矢狀位剪開額頂皮膚2cm，暴露顱骨前囪及左側(cè)顱骨；大鼠左側(cè)臥位，分別于大鼠右耳耳廓邊緣近心端5mm處，右后趾背側(cè)向心端5mm處，前囪左5mm、后3mm處放置LDF探頭，連續(xù)測(cè)量其血流量2min；將大鼠轉(zhuǎn)為仰臥位，腹部備皮，從腹部右下側(cè)剪開腹部皮膚，暴露腹腔，用鑷子移開大鼠胃和小腸等臟器，暴露右腎，于右腎中部外側(cè)邊緣2mm處放置LDF探頭，連續(xù)測(cè)量其血流量2min。儀器配套的數(shù)據(jù)分析軟件可直接輸出監(jiān)測(cè)2min內(nèi)的血流灌注量指標(biāo)數(shù)值，選取1min較平穩(wěn)時(shí)段的均數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

小波分析采用LDF自帶的軟件，SFBD通過(guò)小波轉(zhuǎn)換生成一個(gè)3D圖(圖1)，將血管運(yùn)動(dòng)的輸出信號(hào)在時(shí)域和頻域聯(lián)系起來(lái)，然后按照時(shí)間的平均值將3D圖投影到二維空間中，形成一個(gè)2D圖(圖2)。將每個(gè)頻率的振幅值量化為小波系數(shù)的絕對(duì)值，將每個(gè)分析的頻率子區(qū)間的相對(duì)值量化為該子區(qū)間的絕對(duì)值與所有頻率子區(qū)間的小波系數(shù)絕對(duì)值之和的比值[6]。參照文獻(xiàn)[7，8]將0.01-5.00 Hz分為5個(gè)頻段，見表1。

表1 皮膚灌注信號(hào)頻率區(qū)間

圖1 皮膚灌注信號(hào)的小波轉(zhuǎn)換3D圖

圖2 皮膚灌注信號(hào)的小波轉(zhuǎn)換2D圖(橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為小波轉(zhuǎn)換后的振幅值)

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 兩組不同周齡大鼠耳、趾、腎皮質(zhì)和腦皮質(zhì)血流量比較

實(shí)驗(yàn)組8周齡大鼠的耳、趾和腎皮質(zhì)血流量均顯著高于同周齡對(duì)照組大鼠(t均>2.337，P<0.05或P<0.01)；實(shí)驗(yàn)組10周齡大鼠腦皮質(zhì)血波量高于同周齡對(duì)照組(t=2.316，P<0.05)；兩組10周齡、13周齡大鼠耳、趾和腎皮質(zhì)血流量差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t均<2.160，P>0.05)。見表2。

表2 兩組不同周齡大鼠耳、趾、腎和腦血流量比較均=7)

注：與同周齡對(duì)照組大鼠比較，1)P<0.05，2)P<0.01

2.2 兩組不同周齡大鼠耳、趾、腎皮質(zhì)和腦皮質(zhì)不同頻率區(qū)間小波系數(shù)絕對(duì)值比較

實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組大鼠耳部、趾部、腦部、腎部的不同頻率區(qū)間小波系數(shù)絕對(duì)值比較結(jié)果見表3-表6。

組間比較，實(shí)驗(yàn)組8周齡大鼠耳部血流灌注信號(hào)在Brand1、Brand2信號(hào)區(qū)間內(nèi)明顯高于同齡對(duì)照組大鼠(t均>4.548，P<0.01)。實(shí)驗(yàn)組13周齡大鼠趾部血流灌注信號(hào)在Brand1、Brand2、Brand4、Brand5信號(hào)區(qū)間內(nèi)明顯高于同周齡對(duì)照組大鼠，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t均>2.309，P<0.05)。實(shí)驗(yàn)組8周齡大鼠腎皮質(zhì)血流灌注信號(hào)在Brand1、Brand2信號(hào)區(qū)間內(nèi)明顯高于同齡對(duì)照組大鼠(t均>2.603，P<0.05)；實(shí)驗(yàn)組10周齡大鼠腎皮質(zhì)血流灌注信號(hào)在Brand1信號(hào)區(qū)間內(nèi)明顯低于同齡對(duì)照組大鼠(t=3.199，P<0.05)；實(shí)驗(yàn)組13周齡大鼠腎皮質(zhì)血流灌注信號(hào)在Brand2信號(hào)區(qū)間內(nèi)明顯低于同齡對(duì)照組大鼠(t=2.881，P<0.05)。其余結(jié)果實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t均<2.160，P>0.05)。

表3 兩組不同周齡大鼠耳部不同頻率區(qū)間小波系數(shù)絕對(duì)值比較均=7)

注：與同周齡對(duì)照組大鼠比較，1)P<0.01;與同組內(nèi)8周齡大鼠比較，2)P<0.05，3)P<0.01

表4 兩組不同周齡大鼠趾部不同頻率區(qū)間小波系數(shù)絕對(duì)值比較均=7)

注：與同周齡對(duì)照組大鼠比較，1)P<0.05；與同組內(nèi)8周齡大鼠比較，2)P<0.05；與同組內(nèi)10周齡大鼠比較，3)P<0.05

表5 兩組不同周齡大鼠腎皮質(zhì)不同頻率區(qū)間小波系數(shù)絕對(duì)值比較均=7)

注：與同周齡對(duì)照組大鼠比較，1)P<0.05，;與同組內(nèi)8周齡大鼠比較，2)P<0.05，3)P<0.01

表6 兩組不同周齡大鼠腦皮質(zhì)不同頻率區(qū)間小波系數(shù)絕對(duì)值比較均=7)

注：與同組內(nèi)8周齡大鼠比較，1)P<0.05；與同組內(nèi)10周齡大鼠比較，2)P<0.05，3)P<0.01

同組內(nèi)比較，對(duì)照組：10周齡和13周齡大鼠耳部血流信號(hào)在Brand1和Brand2信號(hào)區(qū)間均高于8周齡大鼠(t均>2.755，P<0.05)。13周齡大鼠趾部血流信號(hào)在Brand1信號(hào)區(qū)間高于10周齡大鼠； 10周齡大鼠趾部血流信號(hào)在Brand5信號(hào)區(qū)間高于8周齡和13周齡大鼠(t均>2.370，P<0.05)。8周齡大鼠腎皮質(zhì)血流信號(hào)在Brand1信號(hào)區(qū)間低于10周齡和13周齡大鼠；10周齡大鼠腎皮質(zhì)血流信號(hào)在Brand2信號(hào)區(qū)間高于8周齡大鼠，低于13周齡大鼠(t均>2.664，P<0.05或P<0.01)。13周齡大鼠腦皮質(zhì)血流信號(hào)在Brand3和Brand5信號(hào)區(qū)間低于8周齡和10周齡大鼠，在Brand4信號(hào)區(qū)間低于10周齡大鼠(t均>2.812，P<0.05或P<0.01)。

實(shí)驗(yàn)組：10周齡和13周齡大鼠耳部血流信號(hào)在Brand1信號(hào)區(qū)間均低于8周齡大鼠；13周齡大鼠耳部血流信號(hào)在Brand2信號(hào)區(qū)間低于8周齡大鼠(t=2.275，P<0.05)。10周齡大鼠趾部血流信號(hào)在Brand2和Brand4信號(hào)區(qū)間均低于8周齡大鼠(t均>2.209，P<0.05)。10周齡大鼠腎皮質(zhì)血流信號(hào)在Brand4信號(hào)區(qū)間低于8周齡大鼠(t=3.187，P<0.05)。13周齡大鼠腦皮質(zhì)血流信號(hào)在Brand2信號(hào)區(qū)間均低于8周齡和10周齡大鼠(t均>2.449，P<0.05)。

2.3 各組不同周齡大鼠耳、趾、腎皮質(zhì)和腦皮質(zhì)不同頻率區(qū)間小波系數(shù)相對(duì)值比較

實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組大鼠耳、趾、腦皮質(zhì)和腎在不同頻率區(qū)間的小波系數(shù)相對(duì)值比較結(jié)果見表7-表10。相對(duì)值越高表示該頻率區(qū)間內(nèi)的信號(hào)占總信號(hào)的百分比越高，影響越大?？梢钥闯鲈诙⒅?、腎、腦四個(gè)部位的微循環(huán)的血流灌注信號(hào)中，除去呼吸(brand2)和心臟活動(dòng)(brand1)的影響，內(nèi)皮來(lái)源的信號(hào)(brand5)占有更大的比例。

3 討 論

研究證實(shí)微循環(huán)功能障礙是心血管疾病形成及其靶器官損害的重要病理生理學(xué)基礎(chǔ)，是形成心血管疾病的主要原因及加重因素[9]。有研究報(bào)道血流量隨著年齡的增長(zhǎng)而減少[8]， 但也有研究表明由于基礎(chǔ)血管收縮張力減弱，靜息時(shí)皮膚的血流灌注量會(huì)隨著年齡的增加而增加[10，11]。在本研究中沒有觀察到皮膚血流量隨周齡的增加發(fā)生明顯變化，但實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組大鼠腦部的血流灌注都表現(xiàn)出隨周齡的增加而減少的趨勢(shì)。

表7 兩組不同周齡大鼠耳部不同頻率區(qū)間小波系數(shù)相對(duì)值比較均=7)

注：與同組內(nèi)8周齡大鼠比較，1)P<0.05

表8 兩組不同周齡大鼠趾部不同頻率區(qū)間小波系數(shù)相對(duì)值比較均=7)

表9 兩組不同周齡大鼠腎皮質(zhì)不同頻率區(qū)間小波系數(shù)相對(duì)值比較均=7)

注：與同組內(nèi)8周齡大鼠比較，1)P<0.05；與同組內(nèi)10周齡大鼠比較，2)P<0.05

表10 兩組不同周齡大鼠腦皮質(zhì)不同頻率區(qū)間小波系數(shù)相對(duì)值比較均=7)

注：與同組內(nèi)10周齡大鼠比較，1)P<0.05

之前有研究表明，高血壓能導(dǎo)致毛細(xì)血管受損，血流灌注減少[12]。但也有研究觀察到高血壓患者與正常人群相比，皮膚血流量明顯增高[13]。本研究的結(jié)果與此一致，也與Yuan等[6]研究結(jié)論一致，均在早期高血壓大鼠中觀察到了比正常大鼠更高的皮膚血流量。

小波分析結(jié)果表明對(duì)于血壓升高或者年齡增加，神經(jīng)活動(dòng)(Brand3)和內(nèi)皮來(lái)源(Brand5)引起的血流灌注信號(hào)改變較為明顯。提示隨著早期血壓的升高，對(duì)血管壁的壓力增加，交感神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)，以及對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的刺激，改變了內(nèi)皮細(xì)胞的生理活動(dòng)。小波分析還揭示內(nèi)皮來(lái)源(Brand5)的血流灌注信號(hào)相對(duì)值高于神經(jīng)活動(dòng)(Brand3)和肌源性活動(dòng)(Brand4)引發(fā)的信號(hào)，提示在微循環(huán)的調(diào)節(jié)中，內(nèi)皮功能占據(jù)了更大的作用。

多普勒血流信號(hào)的時(shí)頻分布與血流速度及其變化有密切的關(guān)系。激光多普勒血流儀實(shí)際采集的血流信號(hào)中，由于受到測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)源以及環(huán)境干擾等因素的影響，不可避免的存在噪聲。由于血管血流信號(hào)有時(shí)呈混沌狀態(tài)：如血管狹窄時(shí)，血流流動(dòng)呈湍流狀態(tài)，而混沌信號(hào)是非平穩(wěn)信號(hào)，它包含許多尖峰和突變部分。對(duì)這種信號(hào)去噪，用傳統(tǒng)的Fourier變換分析，顯得無(wú)能為力[14]。小波變換屬于時(shí)頻域分析方式的一種，通過(guò)一種可伸縮和平移的小波(相當(dāng)于變焦顯微鏡)對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換達(dá)到時(shí)頻局部化分析的目的，常用于微弱、背景噪聲強(qiáng)的隨機(jī)信號(hào)提取和分析[15]。連續(xù)小波在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，這正符合低頻信號(hào)變化緩慢， 而高頻信號(hào)變化迅速的特點(diǎn)，在大尺度下，可以將信號(hào)的低頻信息(全局)表現(xiàn)出來(lái)；在小尺度下，可以將信號(hào)的高頻特征(局部)反映出來(lái)。正是這種特性，使小波變換對(duì)信號(hào)具有自適應(yīng)性，因此小波變換優(yōu)于經(jīng)典的傅立葉變換和短時(shí)傅立葉變換[16]。

多功能激光多普勒血流探測(cè)儀是檢測(cè)微循環(huán)的傳統(tǒng)和經(jīng)典方法，可以很好的觀察動(dòng)物和人體的皮膚血流灌注情況。目前對(duì)高血壓動(dòng)物皮膚血流灌注情況的研究分析多數(shù)還是用激光多普勒血流儀的基本血流灌注信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)小波轉(zhuǎn)換用于分析早期高血壓大鼠的激光多普勒血流灌注信號(hào)，從時(shí)頻分析的角度為評(píng)估高血壓大鼠的微循環(huán)提供另一個(gè)方向，能更好地消除噪聲影響，排除對(duì)微循環(huán)血流灌注信號(hào)影響較大的無(wú)關(guān)來(lái)源信號(hào)，如心臟活動(dòng)和呼吸活動(dòng)來(lái)源的信號(hào)，更好的關(guān)注高血壓早期發(fā)展中引起微循環(huán)狀態(tài)改變的體內(nèi)調(diào)節(jié)因素，為后續(xù)研究高血壓對(duì)微循環(huán)的影響提供了方向。