動(dòng)脈硬化檢測(cè)方法進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

竇可建，葉繼倫,，張旭,，袁懋結(jié)，劉杰

1 深圳大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

3 深圳市生物醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳市，518060

0 引言

目前國(guó)內(nèi)患有心血管疾病的人越來越多，據(jù)統(tǒng)計(jì)患病人數(shù)已達(dá)到2.9億。在我國(guó)居民疾病死亡率中心血管病占到了40%以上，心血管疾病在農(nóng)村死亡率達(dá)到總死亡率的45.01%，城市達(dá)到了42.61%。今后心血管患病人數(shù)還會(huì)繼續(xù)上升，心血管疾病已經(jīng)成為我國(guó)甚至全世界威脅人類健康的主要疾病[1]。心血管病變最大原因在于血管壁硬化，動(dòng)脈彈性功能的下降是其早期的癥狀表現(xiàn)。決定動(dòng)脈彈性的兩種因素：一是血管壁僵硬程度；二是動(dòng)脈腔徑大小。動(dòng)脈彈性下降會(huì)表現(xiàn)出動(dòng)脈硬化[2]，動(dòng)脈硬化治療最佳途徑就是及早發(fā)現(xiàn)和及時(shí)預(yù)防。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，動(dòng)脈硬化的測(cè)量經(jīng)過多年積累，已驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)了多種方法。方法分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種方式，其中有創(chuàng)方法有血管造影法和血管內(nèi)超聲技術(shù)。無創(chuàng)方法又分為兩大類別：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法[3]。直接測(cè)量使用磁共振成像、CT掃描、彩色多普勒等儀器，而間接測(cè)量通過測(cè)量脈搏波的傳導(dǎo)速度來判斷動(dòng)脈硬化程度，脈搏波主要分為兩種方式：頸-股脈搏波、臂-踝脈搏波。脈搏波主要的測(cè)量?jī)x器是日本歐姆龍科林的VP系列，目前在全球市場(chǎng)占有率較高。另一種測(cè)量頸-股脈搏波傳導(dǎo)速度的儀器，是法國(guó)公司推出的Complior檢測(cè)系統(tǒng)。它是目前市場(chǎng)公認(rèn)最經(jīng)典、最權(quán)威的檢測(cè)主動(dòng)脈僵硬程度的產(chǎn)品[4]。無創(chuàng)測(cè)量技術(shù)有操作便利、測(cè)量準(zhǔn)確、費(fèi)用便宜等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)對(duì)于動(dòng)脈硬化的研究起步較晚，近幾年才開始慢慢重視通過脈搏波的測(cè)量來計(jì)算動(dòng)脈硬化的程度。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的設(shè)備也比較晚，這就導(dǎo)致了國(guó)外公司的壟斷，設(shè)備價(jià)格昂貴，所以我國(guó)急需要一款產(chǎn)品來打破國(guó)外公司的壟斷。本文旨在介紹檢測(cè)動(dòng)脈硬化的技術(shù)，并總結(jié)現(xiàn)有產(chǎn)品特點(diǎn)，簡(jiǎn)介一種便攜式新型動(dòng)脈硬化測(cè)量系統(tǒng)，供相關(guān)人員參考。

1 有創(chuàng)脈搏波檢測(cè)的測(cè)量方法

1.1 血管造影法（DSA）

數(shù)字減影血管造影（Digital Substraction Angiography,DSA）簡(jiǎn)稱為血管造影，是一種顯示血管的有力技術(shù)[5]。它使用影像增強(qiáng)器將通過人體后衰減的未造影圖像的X線信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)[6]。在高分辨的成像中，對(duì)增強(qiáng)圖像做不同掃描，掃描根據(jù)矩陣把整個(gè)圖像劃分為許多小方塊。我們將獲得的不同的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為不同數(shù)值的數(shù)字信號(hào)，然后用得到的造影數(shù)字信號(hào)減去未造影的數(shù)字信號(hào)，得到不同數(shù)值的數(shù)字信號(hào)[7]，相減后把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)制成不同灰度的等級(jí)，構(gòu)成圖像。DSA消除了人體的骨骼和軟組織的影響，僅留下了含有造影劑的血管影像[8]。它是診斷血管病變的金標(biāo)準(zhǔn)。DSA的優(yōu)點(diǎn)是診斷準(zhǔn)確、對(duì)比度分辨率高。缺點(diǎn)是檢測(cè)價(jià)格昂貴、有創(chuàng)、對(duì)人體有危害等。在1980年11月，美國(guó)的威斯康星大學(xué)的Mistretta組和亞利桑納大學(xué)的Nadelman小組開發(fā)出第一臺(tái)DSA。目前，國(guó)際上最先進(jìn)的診斷設(shè)備是荷蘭飛利浦FD20大平板數(shù)字減影血管造影機(jī)（DSA）[9]。

1.2 血管內(nèi)超聲技術(shù)（IVUS）

血管內(nèi)超聲（Intravenous Ultrasound，IVUS）是結(jié)合了無創(chuàng)性超聲技術(shù)與有創(chuàng)性心導(dǎo)管技術(shù)來診斷心血管病變的一種方法[10]。在探測(cè)心血管腔內(nèi)時(shí)，用心導(dǎo)管將微型化的超聲探頭插入，然后心血管斷面的形態(tài)和血流圖形就可以通過電子成像系統(tǒng)顯示，還可以顯示血管的橫截面圖像[11]，IVUS是一種有助于觀察和評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈血管壁結(jié)構(gòu)的成像方式[12]。通過血管內(nèi)超聲技術(shù)我們可以了解血管壁的結(jié)構(gòu)和血管壁病變的性質(zhì)，所以IVUS被認(rèn)定是新的血管檢測(cè)“金標(biāo)準(zhǔn)”。20世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了IVUS，它的精確度十分的高，在動(dòng)脈硬化早期不明顯的時(shí)候也可檢查出來，缺點(diǎn)是需要專業(yè)人員操作，檢測(cè)費(fèi)用較高，對(duì)人體有傷害。

2 直接無創(chuàng)脈搏波檢測(cè)的測(cè)量方法

2.1 CT掃描

CT成像的原理是被檢測(cè)物體對(duì)X線的吸收差異。讓高度準(zhǔn)直的X線束按照一定的厚度掃描受試者，然后探測(cè)器接收穿過人體的X線[13]。放大轉(zhuǎn)為電子流由A/D轉(zhuǎn)換成不同數(shù)值的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算獲得檢測(cè)面上的X線吸收值，將它們排列成矩陣，再通過D/A轉(zhuǎn)換成灰度等級(jí)不同的圖像，這樣就獲得了檢測(cè)部位的CT圖像，它顯示的是橫切面或者冠狀面的圖像。它的發(fā)展是1971年，當(dāng)時(shí)英國(guó)的工程師Hounsfield設(shè)計(jì)了第一臺(tái)顱腦CT機(jī)，經(jīng)過3年，美國(guó)的工程師Ledley研究出全身CT機(jī)。它的密度分辨率高，一次掃描可以獲得多層圖片，掃描效率高，缺點(diǎn)就是需要專業(yè)人員操作，定期需要進(jìn)行空氣校準(zhǔn)，維護(hù)成本高。

2.2 超聲彩色多普勒

超聲彩色多普勒通常稱之為彩超，是一種高度清晰的黑白B超上再加上彩色多普勒技術(shù)[14]。當(dāng)聲源和探頭存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率會(huì)發(fā)生變化，我們稱這樣的頻率變化為頻移。彩色多普勒超聲要實(shí)現(xiàn)多普勒信號(hào)處理通常采用自相關(guān)技術(shù)，通過此技術(shù)得到血流信號(hào)，然后經(jīng)過彩色編碼實(shí)時(shí)顯示在二維圖像上，這就是彩色多普勒血流成像[15]。它與二維超聲相似，可以在檢測(cè)中提供受試者豐富的血液動(dòng)力學(xué)信息，對(duì)病人無痛苦、可重復(fù)操作、顯像清晰。缺點(diǎn)是容易受氣體影響，對(duì)結(jié)果有干擾等，相對(duì)于CT掃描，它的清晰度和分辨率要弱一點(diǎn)。

2.3 磁共振成像

自20世紀(jì)80年代開始，磁共振成像技術(shù)就得到了迅速發(fā)展，是CT掃描后的一大進(jìn)步。原理是受試者在一種特殊的磁場(chǎng)中，由于受到無線電射頻的沖激體內(nèi)的氫原子核，吸收能量，產(chǎn)生共振[16]。再等到射頻脈沖停止以后，受試者體內(nèi)的氫原子核會(huì)按照一定的頻率發(fā)出電信號(hào)，釋放開始接收的能量，接收器收到信號(hào)[17]，然后處理轉(zhuǎn)化成數(shù)值以形成圖像。磁共振成像技術(shù)是安全、快速的臨床診斷方法，對(duì)人體沒有傷害，提供的受試者信息豐富。同時(shí)它的價(jià)格昂貴，帶有心臟起搏器的患者和重病患者不能采用磁共振成像[18]。

3 間接無創(chuàng)脈搏波檢測(cè)的測(cè)量方法

3.1 頸-股脈搏波檢測(cè)

頸-股脈搏波傳導(dǎo)速度的檢測(cè)位置通常檢測(cè)的是主動(dòng)脈，方法是選擇受試者的同一側(cè)的頸部動(dòng)脈和腹股溝部動(dòng)脈為檢測(cè)點(diǎn)，將系統(tǒng)的壓力傳感器放在兩處動(dòng)脈位置來測(cè)量脈搏波的變化[19]。這種方式是檢測(cè)大動(dòng)脈硬化的“金標(biāo)準(zhǔn)”。由于這兩處的位置不好確定，操作者必須專業(yè)。VAB00001是一套檢測(cè)頸-股脈搏波的動(dòng)脈硬化系統(tǒng)，它由法國(guó)公司研制生產(chǎn)，其系統(tǒng)所用的探頭靈敏度高和特異性強(qiáng)。系統(tǒng)探頭是非侵入的，這樣就避免了給受試者的健康帶來?yè)p害。雖然操作時(shí)間長(zhǎng)，但是全身的動(dòng)脈彈性和僵硬程度都可以系統(tǒng)完整檢測(cè)出來。它是檢測(cè)大動(dòng)脈功能最經(jīng)典和最權(quán)威的設(shè)備，在國(guó)際上廣泛認(rèn)可。

3.2 臂-踝脈搏波檢測(cè)

臂-踝脈搏波檢測(cè)原理與頸-股脈搏波檢測(cè)原理相似，都是檢測(cè)動(dòng)脈硬化僵硬程度的重要參數(shù)，檢測(cè)的部位是人體上臂的肱動(dòng)脈和踝部的踝動(dòng)脈。它所用的技術(shù)是示波法線性膨脹技術(shù)，在測(cè)量部位采用的是高精度雙層袖帶（Cuff）[20]，就是把高精度傳感器放置袖帶內(nèi)層，給袖帶充氣膨脹擠壓測(cè)試部位，然后開始放氣，袖帶測(cè)出壓力波，再?gòu)闹刑崛∶}搏波，同時(shí)可以測(cè)量四肢的血壓。該系統(tǒng)降低了原來測(cè)量方式的難度，優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、無需專業(yè)醫(yī)務(wù)人員、對(duì)受試者沒有創(chuàng)傷。但是此系統(tǒng)測(cè)量時(shí)需要踝臂四處的袖帶充氣與放氣要同步，在記錄脈搏波的時(shí)候也需要袖帶的同步性，這樣才能使脈搏波具有同步性。系統(tǒng)增加心電參數(shù)，其目的是檢測(cè)脈搏波是否同步。因?yàn)闇y(cè)量受試者的時(shí)候踝臂上需要綁定袖帶，所以受試者如果穿著厚衣服會(huì)影響測(cè)量出的波形，該系統(tǒng)最大的缺陷就是不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的測(cè)量，每次只能進(jìn)行單次的脈搏波測(cè)量。

4 便攜式動(dòng)脈硬化檢測(cè)技術(shù)及裝置

4.1 檢測(cè)原理

心臟的心室射血產(chǎn)生的壓力波動(dòng)沿著人體的動(dòng)脈管壁傳播，主要與血管的順應(yīng)性有關(guān)。脈搏波傳導(dǎo)速度（PWV）是壓力波動(dòng)在人體動(dòng)脈系統(tǒng)中給定兩點(diǎn)之間距離的傳導(dǎo)速度，它主要取決于動(dòng)脈血管的彈性、管壁厚度等，脈搏波傳導(dǎo)速度與動(dòng)脈僵硬程度密切相關(guān)。隨著人體年齡的增長(zhǎng)，一些危險(xiǎn)因素的影響，例如肥胖、高血壓、高血脂等，使得人體動(dòng)脈血管僵硬程度增加，順應(yīng)性變小，大動(dòng)脈彈性貯器功能相應(yīng)減弱，脈搏波被血管壁吸收較少，這樣脈搏波在動(dòng)脈中的傳導(dǎo)速度加快。這就是測(cè)量脈搏波傳導(dǎo)速度和評(píng)估動(dòng)脈硬化的基本原理。脈搏波傳導(dǎo)速度是反應(yīng)動(dòng)脈硬化的重要指標(biāo)，脈搏波傳導(dǎo)速度越快，說明動(dòng)脈的順應(yīng)性越差，僵硬度越高。

4.2 裝置特點(diǎn)與進(jìn)展

現(xiàn)介紹一種便攜式無創(chuàng)測(cè)量的裝置。與上文中描述的兩種無創(chuàng)測(cè)量的方式，頸-股脈搏波檢測(cè)，踝-臂脈搏波檢測(cè)相比，本系統(tǒng)只需要測(cè)量受試者的手指和腳趾的脈搏波，利用手指和腳趾兩處的脈搏波傳導(dǎo)速度來反應(yīng)人體主動(dòng)脈僵硬程度。相對(duì)于頸-股脈搏波測(cè)量，其方式復(fù)雜，測(cè)量點(diǎn)不易找尋，需要專業(yè)醫(yī)務(wù)人員操作，而本系統(tǒng)很好地解決了以上問題。踝-臂脈搏波測(cè)量，采用在四肢戴上袖帶，經(jīng)過充氣和放氣從壓力波中提取脈搏波，此方法需要袖帶的同步性，外加需要綁定袖帶，穿著厚衣服會(huì)影響波形，都增加了測(cè)量難度，也不可連續(xù)測(cè)量。而本裝置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，在測(cè)量脈搏波板卡上外加一路心電，增加測(cè)量脈搏波同步性的準(zhǔn)確度，另外在本裝置中增加了四路血壓的測(cè)量，用來計(jì)算踝臂指數(shù)，輔助脈搏波傳導(dǎo)速度判斷人體動(dòng)脈硬化程度。由于四路脈搏波測(cè)量和一路心電集成到一塊板卡，減小了整個(gè)裝置的體積，符合便攜式的特點(diǎn)。本裝置目前已經(jīng)完成硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)搭建，下一步需要采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平臺(tái)臨床驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

本研究綜合分析了有創(chuàng)動(dòng)脈硬化檢測(cè)技術(shù)和基于脈搏波的無創(chuàng)動(dòng)脈硬化檢測(cè)技術(shù)，深入介紹了各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，旨在讓讀者對(duì)心血管動(dòng)脈硬化檢測(cè)的不同實(shí)現(xiàn)方法有更清晰的了解與認(rèn)知。最后部分簡(jiǎn)單地介紹了一種初步提出實(shí)現(xiàn)脈搏波檢測(cè)分析裝置的原理與特點(diǎn)。其利用了在同一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)，指-趾脈搏波的傳導(dǎo)速度結(jié)合四肢血壓檢測(cè)參數(shù)綜合分析人體動(dòng)脈硬化程度。其初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)脈硬化的檢測(cè)與分析，并可以簡(jiǎn)單快速判別動(dòng)脈硬化并提出預(yù)防措施。進(jìn)一步的應(yīng)用還需深入的工程化設(shè)計(jì)和臨床實(shí)踐研究，形成完整的評(píng)測(cè)參數(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。