超聲測量脈搏波傳導速度評估血管彈性研究進展*

宿 愿 錢林學* 張 宏

超聲測量脈搏波傳導速度評估血管彈性研究進展*

宿 愿①錢林學①*張 宏①

心血管疾病是我國居民的首位死亡原因，血管彈性是心血管病死率的重要獨立預測因子，而脈搏波傳導速度(PWV)是最常見的超聲測量指標，在臨床中得到了廣泛的運用。傳統測量PWV的方法存在動脈走行不明確、分支影響多等弊端，且只能獲得全局、平均的PWV，目前局部脈搏波傳導速度的超聲測量在血管彈性研究中有著重要的作用，常用的局部脈搏波傳導速度檢測方法有血管回聲跟蹤技術、超高速成像技術及脈搏波成像技術。為此對脈搏波傳導速度評估血管彈性研究進展進行綜述。

超聲；脈搏波傳導速度；血管彈性；動脈硬化

[First-author’s address]Department of Ultrasound, Beijing Friendship Hospital, Capital Medical University, Beijing 100050, China.

隨著社會經濟的發展，心腦血管疾病已成為威脅人類健康的首要原因，其主要病理基礎是動脈粥樣硬化。動脈硬化的早期發展是動脈彈性功能的改變，隨后是動脈管壁結構的改變，因此早期診斷動脈硬化對預防與治療心血管疾病有著重要意義。隨著體外無創檢測血管彈性的出現，對高危人群進行血管彈性檢測已成為早期篩查及防治心血管疾病的主要方法之一。

1 血管彈性概述

血管彈性又稱血管順應性，是血管的基本力學屬性，主要反映動脈舒張狀態及內皮功能，年老及許多慢性疾病都將引起血管硬度的變化[1]。血管彈性的降低是早期血管損害的標志，可作為臨床評價心血管疾病的指標，預測心血管疾病的發生。

隨著動脈內皮功能研究的迅速進展和高血壓治療中對血壓控制問題的重視，血管彈性功能成為臨床心血管研究領域的一個重要熱點。研究證實，動脈管壁硬度增加為高血壓患者、終末期腎病患者、2型糖尿病患者、缺血性心臟病患者以及一般人群的全因病死率、心血管病死率或心血管事件的獨立預測因子[2-8]。根據2014年的《中國心血管病報告》估計，全國有心血管病患者2.9億，每5個成年人中有1人患心血管病，每年約有350萬人死于心血管疾病，約占總死亡原因的41%，是中國居民的首位死亡原因，有超過半數心血管發病與動脈硬化有關，主動脈及其他中央型大動脈硬化是增加心血管疾病發生率及病死率的獨立危險因素[2-4]。動脈硬化的發展最早是動脈彈性功能的改變，然后是內中膜增厚和斑塊形成等動脈管壁結構的改變，動脈彈性功能在一定程度上提示了早期的動脈硬化，基于早期診斷動脈硬化、早期預防的意義，動脈彈性改變已成為當今學術研究的熱點[9-11]。

目前，已有多種血管彈性的指標被提及并應用，包括血管膨脹性、順應性、血管彈性模量、楊氏模量及特性阻抗等[12-13]。評價動脈彈性功能的方法有脈搏波傳導速度(pulse wave velocity，PWV)、彈性成像、核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)和脈搏波波形分析(pulse wave analysis，PWA)等，其中PWV和彈性成像及因其使用的安全性、廣泛性、可操作性以及無創性等優點，在大動脈彈性的評價中有著重要的地位，在所有關于血管彈性的研究中占有較大比重。PWV被認為是能準確反映動脈彈性的重要指標，是臨床評價動脈彈性的金標準[12，14-15]。根據Moens-Korteweg方程[1]脈搏波速度越快，表示動脈管壁硬度越大。絕大部分關于血管硬度的臨床研究均采用脈搏波速度作為主要指標，自2003年起該指標即被寫入歐洲高血壓指南。

2 脈搏波傳導速度歷史

PWV評估血管硬度已有130余年歷史，1883年，Keyt[16]報道了通過特定儀器測定PWV的方法，為研究PWV奠定了基礎，由于測量方法較復雜，故應用PMV評估血管硬度尚未在臨床廣泛應用。此后，Gribin等[17]研究表明，血壓和PWV具有很好的線性關系，PWV能夠很好跟隨血壓的變化而變化。陸渭明等[18]指出血管壁平滑肌的舒縮活動是影響PWV測量結果的重要因素。2001年，Maguire等[19]提出的手臂脈搏波速測量法，簡化了PWV測量步驟。隨著科技的飛速發展，計算機自動測量PWV已成為檢測PWV的重要方法之一，如法國Artech-Medical公司的康普樂(Complior)系統、日本歐姆龍-科林公司的BP-203RPE-Ⅱ系統等，并在臨床中得到了廣泛的應用。

3 脈搏波傳導速度原理

在心動周期內，心臟收縮射血產生壓力波，壓力波推動血液流動并沿著血管壁向前傳導，這個沿著血管壁向前傳導的波就是脈搏波。PWV是指脈搏波由動脈的一特定位置沿管壁傳播至另一特定的位置的速率。PWV的測定是通過測量動脈節段的體表距離(L)和脈搏波傳導時間(T)求得，其計算為公式1：

PWV的快慢反應了血管壁的硬度，隨著年齡增長及存在高血壓、糖尿病等危險因素時，人體血管壁纖維組織增生，血管硬度增加，順應性逐漸變小，大動脈彈性貯器的作用也就相應減弱，脈搏波被血管壁吸收減少，因此PWV加快，這是測量PWV以判斷血管硬化情況最基本的原理。

4 脈搏波傳導速度傳統測量方法

絕大部分脈搏波速度的測量方法是采用經典的基于兩點測量的“腳至腳”方法[1，7]。首先，采集兩處血管(如頸動脈與股動脈、頸動脈與橈動脈以及肱動脈與踝動脈)的血壓和血管直徑變化等生理數據。接著計算由于脈搏波傳播引起的兩處血管的生理數據曲線之間的延時(△t)及兩處血管之間的距離(△x)，從而獲得脈搏波速度(PWV=△x/△t)。

然而，人體血管的硬度并非均勻，且出現病變后血管彈性程度更是參差不齊，傳統測量方法測得的PWV只能反映兩處血管之間的平均速度，并不能真實反應出一些局部血管病變(如動脈粥樣硬化斑塊、腹主動脈瘤等)處的局部血管的硬度。此外，人體中血管走行多有迂曲，尤其是老年人，傳統方法測得兩段動脈的體表距離是以血管在人體呈直線走行的前提下才能夠成立的，使得實際測量值與真實值差距較大，從而影響PWV測值，這幾點影響因素提示傳統方法測得的PWV平均值有很大局限性。

5 局部血管脈搏波傳導速度的檢測

5.1 血管回聲跟蹤技術評價局部血管彈性

血管回聲跟蹤技術是2003年ALOKA的一項評價血管彈性的超聲影像診斷技術，這種技術通過計算局部血壓和血容量的變化直接獲得局部血管壁硬度，避免了全身測量血管硬度時受到的影響。其測量原理是：通過跟蹤血管壁的運動，實時描記出血管前后壁的運動軌跡，計算出血管內徑的變化，并以曲線形式加以顯示，從而計算出多項反映動脈彈性變化的相關參數：壓力-應變彈性系數Eρ、硬化指數β、順應性AC、增大指數AI及PWVβ五個指標，其中PWVβ=√(βP/2ρ)，P為收縮壓，ρ為血液密度[20-21]。與傳統技術相比，血管回聲跟蹤技術通過壓電晶體探頭利用射頻信號將聲信號轉換為電信號，將空間分辨率提高了6～10倍，時間分辨率提高了10倍，這種技術可精確測量內中膜的厚度，獲得動脈血管壓力體積曲線的波形，通過血壓值就能計算出該血管的硬化程度[22-23]。通過2個血管之間壓力波形的時間差，計算出局部血管的PWV[23]。但該技術測量出的PWV是根據硬度指數推算出而非直接測量結果，同時，獲得這些參數需要錄入被檢查者實時的血壓信息，而患者即時的血壓可受多種因素影響。因此，該種方法的準確性及可重復性有待考究。

5.2 超高速成像技術評估局部血管彈性

法國聲科(SuperSonic Imagine)的Aixplorer?聲威超聲儀內置一種基于超高速成像檢測PWV的新技術，幀頻高達10000幀/s，采用組織多普勒成像算法，通過描記頸動脈前壁的運動，直接測得收縮期起始(beginning of the systole，BS)和收縮期結束(end of the systole，ES)兩個時間點的PWV[24]。不需要血壓、體重指數等其他參數，其測量步驟為：①超聲醫師在灰階聲像圖上選擇合適的血管；②啟動PWV采集程序，圖像會被凍結數秒；③系統會自動檢測計算出收縮早期、收縮晚期該段動脈壁脈搏波位移及時間差，計算出血管壁PWV。

超高速成像技術在一個心動周期內運用剪切波成像原理，及采集一個心動周期的數據獲得血管的PWV，不需要通過血壓測量結果參與計算，避免了外界因素影響，也不需要通過測量體表距離等參數的參與，相對減小了誤差，此外，該方法測量的是局部血管PWV，代表局部血管的彈性，提高了準確性。部分研究應用該技術對健康人及疾病人群的頸動脈進行采集，表明超高速成像技術能在一定程度上反映動脈硬化程度[25-28]。

法國聲科的Aixplorer?聲威超聲儀檢測PWV技術雖然能在一定程度反映動脈硬化，但是其無法根據受試者調整頻率，心率較慢的受試者由于捕捉不到一個完整的心動周期，經常出現無法檢測出結果的情況。由于儀器自動識別動脈管壁及心動周期的收縮期和舒張期，此環節無法進行人為調節，目前僅能測量頸動脈的PWV，對于股動脈、肱動脈等大血管則無法自動識別動脈管壁，從而無法進行測算，這樣極大限制了其應用范圍。PWV最終的計算結果是根據系統捕捉到的一個心動周期計算出的，僅僅憑一個心動周期來計算PWV會影響其準確性。故超高速成像測量PWV雖與血管回聲技術相比，避免了因血管管徑、走行以及其他部位血管斑塊對結果的影響，具有較好的穩定性，但仍有不足。

5.3 脈搏波成像技術評估血管硬度

脈搏波成像(pulse wave imaging，PWI)是測量血管彈性的一項新技術[29-31]。其基本原理是利用心電門控的方法，提高超聲成像的幀頻與時間分辨率，采集超聲原始射頻(radio-frequency，RF)信號，然后利用超聲彈性成像技術估計血管壁的運動，通過其時空分布來測量局部脈搏波速度[32]。脈搏波傳播過程中會引起血管直徑的變化，血管壁中的眾多散射子在超聲圖像以及超聲射頻信號中形成的散斑會發生相應的運動，采用基于互相關分析的散斑跟蹤方法，對原始的超聲射頻信號進行處理，可以計算出血管壁的位移分布。從不同位置的血管壁運動曲線，可以檢測出曲線之間的延時，代表了脈搏波傳播的時間(Δt)，通過超聲圖像測量傳播距離(Δx)，從而計算出PWV。其優點在于脈搏波成像在獲得PWV測值的同時還可以從不同時刻的血管壁位移分布，可以觀察到脈搏波的傳播過程，實現脈搏波在血管中傳播過程的可視化，得到脈搏波在血管中的傳播模式，提供更加豐富的關于血管彈性的信息[32]。

近年來，部分研究將脈搏波成像與超高速超聲成像相結合，克服了現有脈搏波成像技術采集時間過長或者空間分辨率不足的缺點，并提高了時間分辨率，提出了具有高時間分辨率及空間分辨率、實時采集的超高速脈搏波成像這一新方法，提高了局部血管脈搏波速度測量的穩定性[33]。在臨床意義方面，部分研究已初步驗證了脈搏波成像無創測量頸動脈及升主動脈PWV的可行性[34-35]及對腹主動脈瘤、頸動脈粥樣硬化斑塊及高血壓評估方面的應用價值[35，36]。脈搏波成像技術有望成為心血管疾病診斷和風險評價的重要臨床工具。

6 展望

心血管疾病是我國疾病的頭號殺手，有效預防和治療心血管疾病對人類健康意義重大，而血管彈性評估對于心血管疾病診斷具有重要的臨床價值。PWV因其使用的安全性、廣泛性、可操作性以及無創性等優點，在大動脈彈性的評價中有著重要的地位，被認為是能準確反映動脈彈性的重要指標，是評價動脈彈性的金標準，在臨床中得到了廣泛應用。目前，PWV的測量已由傳統的全程測量向局部測量發展，超高速成像及脈搏波成像技術在測量PWV有很好的穩定性。未來，PWV檢測在心血管疾病的預防及治療中將會發揮重要作用。

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Advances in pulse wave velocity to evaluate vascular elasticity under ultrasound scanner/

SU Yuan, QIAN Lin-xue, ZHANG Hong// China Medical Equipment,2016,13(9):62-65.

Cardiovascular disease is the first cause of death in Chinese residents. Arterial elasticity is an important and independent predictor for mortality of cardiovascular disease, and pulse wave velocity (PWV) is the most frequently used measurement index. It has been widely used in clinical practice. Traditional methods detecting PWV have some disadvantages, such as arteries distribution not clear, branch affect and only obtain global and average, instead of regional PWV. Now, the measurement of local pulse wave velocity has played an important role in the study of arterial elasticity. The common methods of detecting regional pulse wave velocity include echo tracking technique, UltraFast imaging technique and pulse wave imaging technique. This article reviews the recent advances in pulse wave velocity evaluating vascular elasticity.

Ultrasound; Pulse wave velocity; Vascular elasticity; Arteriosclerosis

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.12.018

1672-8270(2016)12-0062-04

R445.1

A

2016-10-24

國家自然科學基金(81541132)“超高速超聲與脈搏波成像對高血壓動脈力學屬性改變的研究”

①首都醫科大學附屬北京友誼醫院超聲科 北京 100050

*通訊作者：qianlinxue2002@163.com

宿愿，女，(1991- )，碩士，醫師。首都醫科大學附屬北京友誼醫院超聲科，從事超聲診斷工作。