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，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，顯得無能為力[14]。小波變換屬于時(shí)頻域分析方式的一種，通過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；在小尺度下，可以將信號(hào)的高頻特征(局部)反映出來。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)影響較大的無關(guān)來源信號(hào)，如心臟活動(dòng)和呼吸活動(dòng)來源的信號(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。