采用超聲指端動脈容積測量的內(nèi)皮功能檢測

梁志強，安蒙蒙，毛 濤，鄭 政，卜朝暉

（上海理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所，上海 200093）

0 引言

心血管疾病的患病率及死亡率遠(yuǎn)超其他疾病。研究發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮功能紊亂與大多數(shù)心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展及預(yù)后存在密切聯(lián)系，因此有效的血管內(nèi)皮功能檢測方法對心血管疾病預(yù)防與治療有著重要意義［1-4］。

血管內(nèi)皮功能檢測主要包括有創(chuàng)式與無創(chuàng)式檢測兩大類。前者是血管內(nèi)皮功能評估的“金標(biāo)準(zhǔn)”，利用冠脈造影的方法實現(xiàn)對血管內(nèi)皮功能的檢測，但其具有侵入性、耗時長及費用高等缺陷，在實際應(yīng)用中受到限制；后者因具備非侵入性、費用低及便于重復(fù)測量等優(yōu)點，受到臨床的普遍認(rèn)可與重視［5-6］。

1 相關(guān)研究

臨床上投入使用的無創(chuàng)式血管內(nèi)皮功能檢測設(shè)備均基于血流介導(dǎo)血管擴(kuò)張（flow-Mediated Dilation，F(xiàn)MD）原理：通過對袖帶加壓阻斷肱動脈血流，數(shù)分鐘后快速釋壓，導(dǎo)致血流對血管內(nèi)皮產(chǎn)生較高的血流切應(yīng)力，從而刺激血管內(nèi)皮細(xì)胞釋放NO 以促使血管舒張。通過測量動脈阻斷前后血管管徑或容積變化，即可評價血管內(nèi)皮細(xì)胞功能［7-8］。FMD 是評估內(nèi)皮功能障礙的獨立預(yù)測因子，已被列入心血管疾病診斷指南［9］。

目前，已在臨床上投入使用的無創(chuàng)式血管內(nèi)皮功能檢測設(shè)備分為以下兩種：

（1）Itamar 公司的Endo-PAT，通過對指端動脈張力的測量間接反映指端動脈容積變化，利用該方法可評估指端毛細(xì)血管床的內(nèi)皮功能，反映血管微循環(huán)情況。美國MAYO 醫(yī)學(xué)中心曾將該診斷系統(tǒng)與有創(chuàng)冠脈造影法作過對比，驗證了Endo-PAT 的敏感性與特異性分別達(dá)到82%和77%［10-11］。

（2）Omron 公司的UNEX EF，其使用專門設(shè)計的“工”字型超聲探頭陣列，為準(zhǔn)確測量肱動脈阻斷前后的管徑變化，需要同時結(jié)合B 超測量和A 超測量。該方法對操作者的依賴度較高，可能影響測量結(jié)果的可重復(fù)性及可靠性。另外，該方法評估的是中型動脈血管內(nèi)皮功能，不能直接反映更有臨床價值的血管微循環(huán)情況［12］。

然而，以上兩種設(shè)備成本高、操作復(fù)雜、費用昂貴，僅適合于大醫(yī)院和醫(yī)學(xué)研究機(jī)構(gòu)使用，而不適合于基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家庭，因而不利于心血管疾病防治。

本文針對目前在臨床中使用的血管內(nèi)皮功能檢測設(shè)備在技術(shù)和應(yīng)用中存在的不足，提出一種新的血管內(nèi)皮功能檢測方法。該方法結(jié)合FMD 原理，利用超聲波直接測量指端動脈容積和血流量變化，進(jìn)而評估指端毛細(xì)血管床的內(nèi)皮功能，反映血管微循環(huán)情況。由于被測者手指的隨機(jī)抖動會改變超聲探頭與指腹之間距離，并使超聲探頭發(fā)射方向與指腹間的夾角發(fā)生改變，另外手指中的微小組織也會引起超聲的隨機(jī)散射。因此，為準(zhǔn)確測量指端動脈容積變化，消除各種干擾對測量的影響，本文專門設(shè)計了一個指套式超聲傳感器，能夠減少患者手指抖動的干擾，并提出血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)。該檢測系統(tǒng)具有操作簡便、功耗低、成本低、便于攜帶等優(yōu)點，適合于基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)和家庭使用。

本文提出的方法創(chuàng)新點如下：①首次提出將超聲指端動脈容積測量與FMD 原理相結(jié)合的指端毛細(xì)血管床內(nèi)皮功能檢測方法；②首次將超聲用于指端動脈容積變化測量，可直接反映肱動脈阻斷前后指端動脈容積和血流量變化，是一種無創(chuàng)、準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠的內(nèi)皮功能檢測方法；③通過設(shè)計一個指套式超聲傳感器，減少了患者手指抖動的干擾，提高了超聲回波信號的穩(wěn)定性；④提出求取固定時間段內(nèi)測量得到的多次超聲回波數(shù)據(jù)的二維能量譜，并在超聲探頭中心頻率與脈率相交匯的頻率區(qū)域內(nèi)進(jìn)行譜峰搜索的算法，極大地消除了各種干擾對測量的影響；⑤根據(jù)不同時間段內(nèi)指端動脈容積大小隨時間的變化情況，提出血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)，利用該指標(biāo)評估指端毛細(xì)血管床的內(nèi)皮功能。

2 血管內(nèi)皮功能檢測方法

2.1 超聲指端動脈容積測量原理

超聲指端動脈容積測量是對動脈容積變化直接進(jìn)行測量，可直接反映肱動脈阻斷前后指端動脈容積和血流量變化。指端的各種軟組織（包括毛細(xì)血管床、肌肉組織等）、骨骼以及組織與組織之間的體液，都有其特定的聲阻抗特性和衰減特性，具體表現(xiàn)為超聲回波信號中各反射波幅值及相位上的差異［13］。

超聲波垂直射入指腹后，接收到的回波信號如圖1 所示。區(qū)域A、B 為超聲波在指腹界面與指骨界面因反射作用而產(chǎn)生的兩個明顯的回波信號。其中，指骨界面的超聲回波信號幅值更大，因為骨骼與鄰近軟組織的聲阻抗特性差異極大，超聲波在這兩種組織界面幾乎全部被反射［14］。

Fig.1 Fingertip ultrasonic echo signal圖1 指端超聲回波信號

指端存在豐富的毛細(xì)血管，其毛細(xì)血管床的容積會隨著心動周期有規(guī)律地增大或減小。毛細(xì)血管床的容積變化直接體現(xiàn)為A、B 兩個回波信號之間相位的改變，因此通過準(zhǔn)確測量A、B 兩個超聲回波信號之間相位的變化，可直接反映指端血管動脈容積的改變情況。

2.2 指端毛細(xì)血管床內(nèi)皮功能測量

本文首次提出將超聲指端動脈容積測量與FMD 原理相結(jié)合的指端毛細(xì)血管床內(nèi)皮功能檢測方法，指端毛細(xì)血管床內(nèi)皮功能測量步驟如下：①在靜息狀態(tài)下，采集3～5min 的指端超聲回波信號；②通過標(biāo)準(zhǔn)血壓袖帶對所測指端側(cè)的肱動脈加壓至200mmHg，阻斷肱動脈血流5min 左右，同時采集指端超聲回波信號；③袖帶快速釋壓，并持續(xù)采集3～5min 的指端超聲回波信號，直至恢復(fù)靜息狀態(tài)［15］。

2.3 血管內(nèi)皮功能檢測實驗系統(tǒng)

指端動脈容積的變化是人體心臟搏動的結(jié)果，人體正常脈率范圍為0.83～1.58Hz［16］。系統(tǒng)采用中心頻率為10MHz 的超聲換能器，設(shè)置超聲換能器發(fā)射頻率為100Hz，超聲回波信號采樣頻率為100MHz。

血管內(nèi)皮功能檢測實驗系統(tǒng)框圖如圖2 所示，通過激勵波形發(fā)生模塊產(chǎn)生一個頻率為100Hz、占空比為0.001%的周期性激勵脈沖信號，觸發(fā)指套式超聲傳感器模塊，驅(qū)動換能器周期性地向指端發(fā)射超聲波信號，同時接收回波信號。將超聲回波信號通過射頻放大模塊進(jìn)行放大，再送入A/D 模塊進(jìn)行采集，每次發(fā)射與接收均以100MSPS 的采樣速率采集4 000 個點，隨后在數(shù)字信號處理（Digital Sig?nal Processing，DSP）模塊中進(jìn)行算法處理與血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)計算，完成對血管內(nèi)皮功能的評價。

Fig.2 Block diagram of experimental system for detection of vascular endothelial function圖2 血管內(nèi)皮功能檢測實驗系統(tǒng)框圖

2.4 指套式超聲傳感器模塊

受試者手指的抖動會改變超聲探頭與指腹之間距離，并使超聲探頭發(fā)射方向與指腹間的夾角發(fā)生改變，這些都會對測量造成很大干擾。本文設(shè)計了一種指套式超聲傳感器（見圖3），可減少患者手指抖動的干擾，提高超聲回波信號的穩(wěn)定性。在實驗過程中，傳感器被嵌套在受試者指腹正上方，保證換能器與指端維持相對靜止?fàn)顟B(tài)。

Fig.3 Principle of finger sleeve ultrasonic sensor圖3 指套式超聲傳感器原理

其中，1 為超聲換能器，中心頻率為10MHz，用于發(fā)射超聲脈沖信號，同時接收超聲回波信號；2 為耦合劑，作為超聲波傳導(dǎo)介質(zhì)；3 為指套，用于固定手指，保持指端與超聲換能器的相對靜止，提高超聲回波信號的穩(wěn)定性。指套式超聲傳感器實物圖如圖4 所示［17］。

Fig.4 Finger sleeve ultrasonic sensor圖4 指套式超聲傳感器

3 由FMD 引起指端動脈容積變化的測量算法

為測量由FMD 引起的指端動脈容積變化，同時消除各種干擾（如：被測者手指抖動以及手指中微小組織造成的隨機(jī)散射等）對測量結(jié)果的影響，本文提出求取固定時間段內(nèi)測量得到的多次超聲回波數(shù)據(jù)的二維能量譜［18-20］，并在超聲探頭中心頻率與脈率相交匯的頻率區(qū)域內(nèi)進(jìn)行譜峰搜索的算法，極大地消除了各種干擾對測量的影響。算法流程如圖5 所示。

Fig.5 Flow of fingertip artery volume measurement algorithm圖5 指端動脈容積測量算法流程

首先將一個固定時間段內(nèi)（包含兩個以上心動周期，本文取5s 時間段）測量得到的多次超聲回波數(shù)據(jù)排列成一個二維矩陣，然后對其進(jìn)行2-D DFT，再對2-D DFT 的結(jié)果進(jìn)行平方，得到這段時間內(nèi)超聲回波信號矩陣的二維能量譜，如圖6 所示。隨后在超聲探頭中心頻率（10MHz）與脈率（0.83～1.58Hz）相交匯的頻率附近搜索二維能量譜峰值，該峰值與指端動脈容積大小呈正相關(guān)，直接反映了該段時間內(nèi)指端動脈容積大小。重復(fù)上述過程，依次測量接下來每個固定時間段內(nèi)（5s）指端動脈容積大小，最后得到12min 內(nèi)由FMD 引起的指端動脈容積變化曲線。

Fig.6 Two-dimensional energy spectrum of ultrasonic echo signal圖6 超聲回波信號二維能量譜

本文根據(jù)由FMD 引起的不同時間段內(nèi)指端動脈容積變化情況，提出血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)。為準(zhǔn)確計算血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)，需要對指端動脈容積信號進(jìn)行包絡(luò)提取與平滑處理。采用希爾伯特變換對指端動脈容積信號進(jìn)行包絡(luò)提取，再使用中值濾波對提取出指端動脈容積信號的包絡(luò)進(jìn)行平滑處理［21-22］。

4 血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)

根據(jù)FMD 的原理，袖帶快速釋壓后，肱動脈反應(yīng)性充血，刺激內(nèi)皮細(xì)胞釋放大量NO，使得動脈血管快速舒張，與靜息狀態(tài)相比，血管容積會擴(kuò)張得更大。當(dāng)血管內(nèi)皮功能有障礙時，內(nèi)皮細(xì)胞釋放NO 的能力受限，血管舒張效應(yīng)減弱，與靜息狀態(tài)相比，血管容積擴(kuò)張有限。

本文根據(jù)由FMD 引起不同時間段內(nèi)指端動脈的容積變化情況（見圖7），提出血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)：

Fig.7 Volume change curve of fingertip artery圖7 指端動脈容積變化曲線

其中，h1表示袖帶加壓前指端動脈容積的平均值；h2表示袖帶釋壓后指端動脈容積的最大值。

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 指端動脈容積信號測量結(jié)果

由測量算法得到未經(jīng)平滑的指端動脈容積變化曲線，如圖8 所示。

Fig.8 Unsmoothed volume change curve of fingertip artery圖8 未經(jīng)平滑的指端動脈容積變化曲線

顯然，曲線上含有許多高頻分量，無法準(zhǔn)確計算血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)。為此，對圖8 所示曲線進(jìn)行包絡(luò)提取與平滑處理，結(jié)果如圖9 所示。此時，曲線變得更加平滑，有利于準(zhǔn)確計算出血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)。

Fig.9 Envelope after smoothing圖9 平滑處理后的包絡(luò)

5.2 血管內(nèi)皮功能臨床評價指標(biāo)臨床結(jié)果分析

將受試者按年齡分為兩組：第一組為青年組，平均年齡24 歲，共20 人；第二組為中年組，平均年齡52 歲，共20人。選取的受試者皆為健康人群，無心血管類疾病及其他慢性病史。血管內(nèi)皮功能隨著年齡的增加而逐漸變差，并且與年齡呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.88，P<0.001）。

對兩個年齡組的每位受試者進(jìn)行血管內(nèi)皮功能檢測，得到歸一化后的指端動脈容積變化典型曲線分別如圖10、圖11 所示。

Fig.10 The variation curve of fingertip artery volume with time in the young group圖10 青年組受試者指端動脈容積隨時間變化曲線

Fig.11 The variation curve of fingertip artery volume with time in the middle-aged group圖11 中年組受試者指端動脈容積隨時間變化曲線

分別計算兩個受試組中每個受試者的血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)，并進(jìn)行t檢驗分析，結(jié)果如表1 所示。

Table 1 Results of t-test analysis of vascular endothelial function evaluation indexes in two groups表1 兩個受試組血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)t 檢驗分析結(jié)果

由t檢驗結(jié)果可知，本文提出的血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)k在兩個年齡組中有顯著差異（P=0.002），青年受試組的k值明顯高于中年受試組，符合預(yù)期。

6 結(jié)語

本文針對目前臨床使用的血管內(nèi)皮功能檢測設(shè)備在技術(shù)和應(yīng)用中存在的不足，提出一種新的血管內(nèi)皮功能檢測方法。與現(xiàn)有臨床應(yīng)用的兩種無創(chuàng)式血管內(nèi)皮功能檢測設(shè)備相比，Omron 公司的UNEX EF 評估的是中型動脈血管的內(nèi)皮功能，不能直接反映更有臨床價值的血管微循環(huán)情況，而本文將超聲指端動脈容積測量與FMD 相結(jié)合，可以準(zhǔn)確評估指端毛細(xì)血管床的內(nèi)皮功能，從而反映血管微循環(huán)情況；Itamar 公司的Endo-PAT 是通過對指端動脈張力的測量間接反映指端動脈容積變化，而本文利用超聲波直接測量指端動脈容積與血流量變化，因而對毛細(xì)血管內(nèi)皮功能的評估更加準(zhǔn)確。

另外，本文還提出血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)，由t檢驗結(jié)果可知，該指標(biāo)在兩個年齡受試組中有顯著差異（P=0.002），青年受試組的血管內(nèi)皮功能評價指標(biāo)值（0.92±0.20）明顯高于中年受試組（0.47±0.30），符合預(yù)期。后續(xù)研究希望能增加樣本數(shù)量并擴(kuò)大樣本的年齡分布范圍，以對該內(nèi)皮功能檢測方法作出更全面的評估。