皮膚微血管調(diào)節(jié)功能無創(chuàng)檢測技術(shù)進(jìn)展

唐元梁，李桂香，姚立平，譚仲威，雷鵬

廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所 醫(yī)學(xué)工程研究室，廣東 廣州 510000

引言

隨著微循環(huán)研究方法和技術(shù)的發(fā)展，微血管調(diào)節(jié)功能障礙被發(fā)現(xiàn)與多種心血管疾病、老年病的發(fā)展相關(guān)。多種不同的生理通路與機制參與了微血管的局部調(diào)節(jié)活動，包括內(nèi)皮調(diào)節(jié)、神經(jīng)性調(diào)節(jié)、肌源性調(diào)節(jié)等，其中內(nèi)皮調(diào)節(jié)功能障礙在血管結(jié)構(gòu)改變前就參與了血管的損傷進(jìn)展[1]，是心血管疾病的獨立危險因素。在傳統(tǒng)危險因素基礎(chǔ)上加入微血管調(diào)節(jié)功能評估可以對心血管疾病高風(fēng)險人群進(jìn)行更及時、精準(zhǔn)的評估，進(jìn)而可以通過提前的干預(yù)和治療逆轉(zhuǎn)血管病變。

微血管調(diào)節(jié)功能障礙的發(fā)生是全身廣泛性存在的，如冠狀動脈微血管功能受損的患者也有外周微血管功能的受損；另外人體皮膚裸露在外，皮膚的血流量變化容易進(jìn)行測量，是非常適合進(jìn)行微血管調(diào)節(jié)功能檢測的部位，因此，皮膚微血管調(diào)節(jié)功能評估可作為檢測人體其他部位微血管調(diào)節(jié)功能的替代方法[2]。反應(yīng)性充血測試結(jié)合皮膚血流量（或其替代指標(biāo)）監(jiān)測技術(shù)是最常用的皮膚微血管功能無創(chuàng)檢測方法，目前已發(fā)展出了多種不同的實現(xiàn)方案。由于不同反應(yīng)性測試方法背后的生理通路也不盡相同，且測試部位和信號檢測機制差異明顯，已有技術(shù)方案所能反映出的皮膚微血管功能信息有較大差異。本綜述將首先按照反應(yīng)性充血誘導(dǎo)方式對已有的皮膚微血管功能檢測方法進(jìn)行分類，并分析參與調(diào)節(jié)的生理通路情況；然后介紹常用的皮膚血流量監(jiān)測手段，特別是已應(yīng)用于皮膚微血管功能檢測的幾種光學(xué)技術(shù)；最后對臨床專用的幾款皮膚微血管功能測試儀器的研發(fā)與科研、臨床應(yīng)用情況進(jìn)行比較，以期進(jìn)一步梳理目前該領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，提高相關(guān)從業(yè)者和普通大眾對皮膚微血管功能病變檢測的重視程度。

1 反應(yīng)性充血測試

反應(yīng)性充血測試通過介入刺激因素使血管產(chǎn)生收縮/舒張調(diào)節(jié)響應(yīng)，是目前常用的外周動脈及皮膚微血管功能無創(chuàng)檢測手段。從誘導(dǎo)方式角度分析，反應(yīng)性充血測試可分為機械刺激（束臂或局部壓力）、溫度刺激（局部加熱或冷卻）、電刺激等方法。如表1所示，這些反應(yīng)性充血測試方式的可操作性有所差異，同時其反映的生理調(diào)節(jié)通路也不盡相同。

表1 常用的反應(yīng)性充血測試方式比較

1.1 血流阻斷后反應(yīng)性充血

血流阻斷后反應(yīng)性充血（Post-Occlusion Reactive Hyperaemia，PORH）測試是通過在上臂放置一個可充氣袖套，記錄在靜息、袖套充氣以及袖帶放氣后前臂或手指的皮膚血流量（或其替代指標(biāo)）的變化來進(jìn)行的。袖套充氣后壓力高于測試者收縮壓30～50 mmHg，持續(xù)時間約5 min。PORH測試過程中，袖套充氣會造成肱動脈閉塞和下游組織缺血，一旦袖套放氣，代償性增加的血流量往往會超出正常血流量水平，一般情況下血管越健康，充血反應(yīng)越強。PORH測試過程中皮膚血流量的典型變化如圖1所示，可以用來量化血管反應(yīng)性調(diào)節(jié)功能的參數(shù)包括絕對峰值血流量、相對峰值血流量（絕對峰值-基線值）、充血曲線下面積等。測試位置除上肢外，也可用下肢進(jìn)行外周血管功能測試（此時袖套放置在大腿中部并在小腿上記錄血流量的變化）。

圖1 PORH測試過程中皮膚血流量的典型變化曲線

在生理學(xué)上，PORH測試過程不僅會引起肱動脈（或下肢動脈）血流阻斷、再灌注，也會引起末梢微血管發(fā)生缺血性反應(yīng)，在末梢（如指尖等）皮膚檢測到的血流變化信號受上游動脈和末梢微血管血流調(diào)節(jié)功能的共同影響[3]。因此從本質(zhì)上，PORH測試是一種檢測血管整體調(diào)節(jié)功能的方法[4]，而非皮膚微血管調(diào)節(jié)功能的針對性測試方法。

已有研究表明，有多種生理因素參與PORH調(diào)節(jié)，主要包括局部感覺神經(jīng)、花生四烯酸的細(xì)胞色素（Cytochrome P450，CYP）代謝產(chǎn)物[5-7]。其中，局部感覺神經(jīng)通過軸突反射參與調(diào)節(jié)，主要影響PORH充血峰值與整體血流的變化趨勢；CYP代謝產(chǎn)物作用于內(nèi)皮細(xì)胞，可使細(xì)胞內(nèi)游離鈣濃度升高，合成并釋放EDHF，該信號通路主要影響PORH過程中皮膚血流量的變化趨勢。此外，內(nèi)皮源性NO、前列腺素是否參與PORH過程目前尚有爭議[2]。

1.2 局部熱充血

局部熱充血（Local Heating Hyperemia，LTH）測試通常將人體皮膚加熱至42～44℃，一般熱刺激時間在30 min左右。該熱刺激在不會造成人體熱疼痛的條件下，誘發(fā)皮膚血流量產(chǎn)生雙相的上升調(diào)節(jié)響應(yīng)。如圖2所示，皮膚施加熱刺激后在幾分鐘內(nèi)會出現(xiàn)第一個血流峰值，該血流峰值主要依賴局部感覺神經(jīng)軸突反射[8]，位于感覺神經(jīng)的瞬時受體電位通道參與該軸突反射[9]。該峰值過后，皮膚血流量會出現(xiàn)短暫的下降，然后二次上升并逐漸達(dá)到穩(wěn)定水平。皮膚血流量的二次上升主要依賴血管內(nèi)皮調(diào)節(jié)機制，其中NO介導(dǎo)的血管舒張調(diào)節(jié)為主要因素，此外EDHF通路也參與該階段的血流上調(diào)。Brunt等[10]的研究顯示，聯(lián)合阻斷NO和EDHF通路會使LTH測試過程中皮膚二次充血期幾乎完全消除，表明這兩個通路具有協(xié)同效應(yīng)。綜上，LTH測試可用于神經(jīng)血管性和內(nèi)皮依賴性的皮膚微血管調(diào)節(jié)功能評價。

圖2 LTH測試過程皮膚血流量的典型雙相變化曲線

1.3 局部冷刺激

常用的皮膚局部冷刺激（Local Cooling，LC）方法包括將手或手指浸入冷水中、冷敷或使用低溫二氧化碳吹氣等。皮膚局部降溫會誘發(fā)皮膚血流量的三相變化響應(yīng)。如圖3所示，冷刺激初期會引起皮膚微血管收縮與血流量減少，隨后出現(xiàn)短暫的充血期[11]，最后是長時間的血管收縮期。與LTH測試相比，LC測試過程中血管擴張充血期較短暫，冷卻速率是研究皮膚微血管對LC響應(yīng)需要考慮的重要因素。在LC誘發(fā)的皮膚血流量的三相變化中，初期微血管收縮與血流量減少主要與去甲腎上腺素有關(guān)；隨后出現(xiàn)的短暫充血期可能主要是由感覺神經(jīng)介導(dǎo)的；最后持續(xù)的血管收縮期則可能涉及Rho激酶和內(nèi)皮源性NO調(diào)節(jié)通路的抑制[12]。

圖3 LC測試過程皮膚血流量的典型三相變化曲線

1.4 其他的皮膚微血管反應(yīng)性測試方法

對健康人體皮膚施加一定的非傷害性局部壓力可引起持續(xù)的血管舒張和充血反應(yīng)，稱為壓力刺激誘導(dǎo)血管舒張（Pressure Induced Vasodilation，PIV）。PIV反應(yīng)能保護(hù)組織免受因外部壓力而引起的缺血性損傷（如潰瘍等）影響，且不會產(chǎn)生類似PORH測試的疼痛不適感[13]。神經(jīng)內(nèi)皮功能在該調(diào)節(jié)反應(yīng)中起主要作用。Fromy等[14]的研究證實了酸敏離子通道3 （Acid-Sensing Ion Channel 3，Asic3）作為PIV調(diào)節(jié)的神經(jīng)元傳感器參與其中。Asic3的激活導(dǎo)致降鈣素基因相關(guān)肽（Calcitonin Gene Related Peptide，CGRP）釋放，刺激內(nèi)皮NO合酶。在老年人群和糖尿病患者中已發(fā)現(xiàn)PIV反應(yīng)易受損。離子導(dǎo)入是一種利用低強度電流轉(zhuǎn)移帶電分子的非侵入性透皮給藥方法。目前廣泛用于評估皮膚微血管內(nèi)皮依賴性或其他機制導(dǎo)致的充血反應(yīng)性測試的導(dǎo)入離子主要包括乙酰膽堿和硝普鈉。乙酰膽堿離子導(dǎo)入誘導(dǎo)的皮膚微血管擴張依賴環(huán)氧酶通路，是一種非內(nèi)皮依賴性的反應(yīng)性測試方法，其可誘導(dǎo)軸突反射介導(dǎo)的血管舒張充血反應(yīng)。在溫和、非傷害性的電流刺激下皮膚血流量會增加，稱為電流刺激誘導(dǎo)血管舒張（Current-Induced Vasodilation，CIV）。研究表明CIV可能是由軸突反射觸發(fā)的。

2 皮膚血流量監(jiān)測技術(shù)

皮膚血流量指單位時間內(nèi)通過單位質(zhì)量皮膚組織的血液體積?；诜磻?yīng)性充血測試的皮膚微血管功能評價，其關(guān)鍵點是獲取充血反應(yīng)前、后皮膚血流量的相對變化，而無須精確測量皮膚血流量的絕對值。激光多普勒、激光散斑對比成像等技術(shù)常用于測量反應(yīng)性充血測試過程中皮膚血流量的相對變化，其特點分別如表2所示。

表2 基于激光多普勒和激光散斑對比成像技術(shù)的皮膚血流量監(jiān)測比較

2.1 激光多普勒技術(shù)

激光多普勒技術(shù)可測量由移動的紅細(xì)胞引起的相干單色光散射所產(chǎn)生的多普勒頻移，其信號可量化為紅細(xì)胞平均速度和濃度的乘積，與真實血流量呈線性關(guān)系[15]。目前有兩種采用激光多普勒技術(shù)的血流檢測裝置：激光多普勒血流儀（Laser Doppler Flowmetery，LDF）和激光多普勒成像（Laser Doppler Imaging，LDI）設(shè)備。單點LDF由一根發(fā)射和接收光纖組成，主要用于評估小范圍皮膚血流量的快速變化，但由于皮膚血液灌注的空間異質(zhì)性，單點LDF的重現(xiàn)性相對較差；LDI的激光束不與皮膚接觸，而是在皮膚表面上方一定距離處發(fā)射，并對感興趣區(qū)域進(jìn)行逐步掃描成像，能夠提供描繪皮膚血液灌注的2D圖像。與LDF相比，LDI的空間可變性降低，但成像速度要慢得多，因而難以捕捉到各反應(yīng)性測試中皮膚血流量的快速變化。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式LDF[16]使皮膚血流量日常監(jiān)測成為可能。

2.2 激光散斑對比成像技術(shù)

激光照射到啞光物體表面時會產(chǎn)生高對比度的顆粒狀圖案，稱為散斑圖案。運動粒子使散斑圖案發(fā)生波動，對比度隨著散射體速度的增加而減小。激光散斑對比成像技術(shù)（Laser Speckle Contrast Imaging，LSCI）是一種基于散斑對比度降低分析的新型非接觸皮膚血流測量技術(shù)，可以在較寬的區(qū)域、以較高的頻率評估皮膚血液灌注情況[17]。因此，LSCI結(jié)合了LDF和LDI的優(yōu)點，具有良好的時間和空間分辨率。Thompson等[18]的研究表明，LSCI提供的灌注指數(shù)與紅細(xì)胞的濃度和平均速度成正比。作為一種相對較新的皮膚血流測量技術(shù)[19]，LSCI在皮膚微血管調(diào)節(jié)功能評價、皮膚燒傷評估等領(lǐng)域已有大量的研究應(yīng)用。

2.3 用于反應(yīng)性充血測試的其他監(jiān)測技術(shù)

除血流量監(jiān)測外，利用光學(xué)、聲學(xué)、熱學(xué)、機械等原理也可實現(xiàn)血管反應(yīng)性充血變化的直接或間接測量，如體積描記術(shù)、光學(xué)體積描記術(shù)、成像光學(xué)體積描記術(shù)[20]、超聲等。不過體積描記類技術(shù)測量的是由血容量變化引起的肢體尺寸、體積的變化，因此只能提供對整個肢體血流量的估計；超聲一般用于外周動脈（如肱動脈）在充血前、后的管徑變化測量。多光譜成像是一種新的、無創(chuàng)的持續(xù)測量血氧和微循環(huán)灌注的方法[21]，目前其在反應(yīng)性充血測試中的應(yīng)用還較少，需進(jìn)一步開展驗證工作。

3 用于皮膚微血管功能檢測的專用設(shè)備

LDF、LSCI等均為通用的皮膚血流量監(jiān)測設(shè)備，需結(jié)合特定的模塊實現(xiàn)各類反應(yīng)性充血的測試，如LDF需使用內(nèi)置金屬加熱器的探頭開展LTH測試、用定制元件[22]開展LC測試、佩戴可充氣袖套實施PORH測試等。專用的血管功能檢測設(shè)備將反應(yīng)性刺激模塊、信號檢測模塊、信號分析模塊等結(jié)合起來，系統(tǒng)集成化程度高，操作處理流程規(guī)范，因而更便于臨床應(yīng)用。目前國內(nèi)外已有多款基于PORH方案的血管功能測試儀（圖4）研發(fā)成功并進(jìn)行了臨床應(yīng)用，而其他的反應(yīng)性充血方法仍缺乏專用的設(shè)備。

圖4 國外血管功能測試專用設(shè)備

3.1 UNEX EF 38G

日本OMRON公司推出的UNEX EF 38G采用高分辨率超聲探頭，能自動捕捉血管內(nèi)徑的實時變化，可對肱動脈血流介導(dǎo)的舒張功能（Flow Mediated Vasodilation，F(xiàn)MD）進(jìn)行測定。FMD被認(rèn)為是評估血管內(nèi)皮功能障礙的獨立預(yù)測因子，并且已被列入多個指南和共識。UNEX EF 38 G已通過美國FDA、歐盟CE等認(rèn)證，并有超過400多篇國際學(xué)術(shù)論文使用該設(shè)備進(jìn)行科學(xué)研究，其中包括了大量2型糖尿病患者、高血壓患者的臨床橫斷面研究以及心血管危險因素的隊列研究等。本質(zhì)上UNEX EF 38G的測量對象是外周動脈，由于血管調(diào)節(jié)功能障礙的全身廣泛性特征，其可以間接反映皮膚微血管調(diào)節(jié)功能的狀況。

3.2 EndoPAT

以色列Itamar Medical公司的EndoPAT利用外周動脈張力測定（Peripheral Arterial Tone，PAT）技術(shù)，記錄PORH測試過程中由于皮膚血流量變化導(dǎo)致的皮膚微血管張力的改變。EndoPAT采用雙臂同步記錄數(shù)據(jù)的模式，可以有效排除環(huán)境等干擾因素的影響，確保得出的反應(yīng)性充血指數(shù)（Reactivity Hyperemia Index，RHI）值更準(zhǔn)確。EndoPAT操作簡單，不依賴資深技術(shù)人員，指尖PAT信號的采集及分析都是自動化實現(xiàn)的，非常適合患者跟進(jìn)評估及多中心研究使用。目前EndoPAT已通過了美國FDA、中國NMPA、歐洲CE、日本SHONIN的認(rèn)證，被Framingham心臟研究中心等多家權(quán)威機構(gòu)認(rèn)定其結(jié)果準(zhǔn)確可靠。目前該設(shè)備已在全球60多個國家、1200多個頂級臨床和科研機構(gòu)應(yīng)用。2012年EndoPAT開始引入國內(nèi)，其國內(nèi)用戶包括首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院、中山大學(xué)第一附屬醫(yī)院、北京朝陽醫(yī)院、中國航天員訓(xùn)練中心等多家機構(gòu)。

3.3 VENDYS

美國Endothelix公司的VENDYS利用指尖熱監(jiān)測（Digital Thermal Monitoring，DTM）技術(shù)進(jìn)行外周皮膚微血管功能測試。DTM技術(shù)記錄了PORH測試過程中指尖溫度的變化，計算出充血后指尖溫度峰值與基準(zhǔn)值的溫差（Temperature Rebound，TR），通過TR值大小可以判斷測試者是否有患心血管疾病的風(fēng)險。目前VENDYS已獲得FDA認(rèn)證，但尚未在國內(nèi)上市。

3.4 國產(chǎn)儀器設(shè)備的發(fā)展

目前國產(chǎn)血管功能檢測儀器相對較少，NMPA官網(wǎng)可查詢到兩款已注冊器械：湖南心健醫(yī)療科技有限公司的Vasgnor、上海中嘉衡泰醫(yī)療科技有限公司的EF5000。這兩款設(shè)備均需與血壓計配合使用，通過測量PORH過程中外周血管張力的變化來實現(xiàn)無創(chuàng)評估血管功能障礙。廣東省科學(xué)院健康醫(yī)學(xué)研究所基于DTM技術(shù)成功研發(fā)了一款血管內(nèi)皮功能評價設(shè)備NERC-Endo-Ⅰ[23]，該設(shè)備同時還具有血壓測量和血管缺血耐受性訓(xùn)練的功能。

針對目前PORH方案以外的反應(yīng)性充血測試方法缺乏專用設(shè)備的問題，作者團(tuán)隊基于LTH誘導(dǎo)充血方案、血流熱效應(yīng)原理以及信號時頻分析技術(shù)，設(shè)計研發(fā)了一款新型的無創(chuàng)血管功能測試儀[24]，該儀器可實現(xiàn)熱刺激條件下血管調(diào)節(jié)功能狀態(tài)的多參數(shù)量化評價。Kvernmo等[25]和Carlson等[26]的研究表明，在局部血流調(diào)節(jié)機制作用下皮膚血流量呈現(xiàn)類周期性波動，且調(diào)節(jié)活動與信號波動周期存在如下對應(yīng)關(guān)系：非NO介導(dǎo)內(nèi)皮調(diào)節(jié)（105～200 s）、NO介導(dǎo)內(nèi)皮調(diào)節(jié)（50～105 s）、神經(jīng)調(diào)節(jié)（20～50 s）、肌源性調(diào)節(jié)（7～20 s）。通過記錄LTH測試過程中指尖溫度的變化并利用時頻分析技術(shù)進(jìn)行信號濾波，可以更有針對性地對皮膚微血管的肌源性、神經(jīng)和內(nèi)皮調(diào)節(jié)功能狀態(tài)分別進(jìn)行評價。目前該儀器樣機、配套軟件已開發(fā)完成，正開展相關(guān)的臨床測試工作。國產(chǎn)血管功能測試專用設(shè)備如圖5所示。

圖5 國產(chǎn)血管功能測試專用設(shè)備

4 總結(jié)與展望

本文從反應(yīng)性充血誘導(dǎo)方式、皮膚血流量監(jiān)測技術(shù)和專用設(shè)備發(fā)展及應(yīng)用情況等方面對皮膚微血管調(diào)節(jié)功能的無創(chuàng)檢測技術(shù)進(jìn)行了綜述。從生理上看，不同的反應(yīng)性測試引起充血反應(yīng)的血管位置以及所反映的調(diào)節(jié)機制有較大差異，且不同血管間、不同調(diào)節(jié)機制間的協(xié)同或拮抗作用仍未完全理清，這是進(jìn)行皮膚微血管調(diào)節(jié)功能準(zhǔn)確評價所面臨的一個棘手問題。PORH方案可操作性較好，目前已有多款專用的儀器設(shè)備來實現(xiàn)該測試，但檢測到的信號受上游動脈和末梢微血管調(diào)節(jié)功能的共同影響，且局部感覺神經(jīng)、內(nèi)皮調(diào)節(jié)等均參與PORH反應(yīng)，如何區(qū)分上游動脈和末梢微血管的調(diào)節(jié)功能、揭示調(diào)節(jié)機制間的相互作用仍是亟需解決的重要科學(xué)問題。除PORH外，PIV、LC等充血誘導(dǎo)方案缺乏規(guī)范化的操作和專用的設(shè)備，目前仍需結(jié)合血流檢測儀和定制模塊單元完成測試。對這些測試方案和設(shè)備進(jìn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化處理，是突破其臨床推廣使用障礙的關(guān)鍵。

綜上所述，雖然我國心血管病及相關(guān)慢病的防治工作已取得初步成效，但仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。相較于高血壓、冠心病、動脈粥樣硬化等心血管和外周血管疾病，皮膚微血管調(diào)節(jié)功能障礙并不為大眾所熟知。因此，加強大眾對皮膚微血管功能檢測的重視程度仍有大量工作需要做。另一方面，進(jìn)一步革新皮膚微血管功能檢測手段仍有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，這對于該領(lǐng)域相對落后的國產(chǎn)醫(yī)療器械來講既是挑戰(zhàn)，也是一次彎道超車的機遇。