采用超聲指端動脈容積測量的內皮功能檢測

梁志強，安蒙蒙，毛 濤，鄭 政，卜朝暉

（上海理工大學生物醫學工程研究所，上海 200093）

0 引言

心血管疾病的患病率及死亡率遠超其他疾病。研究發現，血管內皮功能紊亂與大多數心血管疾病的發生、發展及預后存在密切聯系，因此有效的血管內皮功能檢測方法對心血管疾病預防與治療有著重要意義［1-4］。

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

1 相關研究

臨床上投入使用的無創式血管內皮功能檢測設備均基于血流介導血管擴張（flow-Mediated Dilation，FMD）原理：通過對袖帶加壓阻斷肱動脈血流，數分鐘后快速釋壓，導致血流對血管內皮產生較高的血流切應力，從而刺激血管內皮細胞釋放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，即可評價血管內皮細胞功能［7-8］。FMD 是評估內皮功能障礙的獨立預測因子，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式血管內皮功能檢測設備分為以下兩種：

（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血管床的內皮功能，反映血管微循環情況。美國MAYO 醫學中心曾將該診斷系統與有創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到82%和77%［10-11］。

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

然而，以上兩種設備成本高、操作復雜、費用昂貴，僅適合于大醫院和醫學研究機構使用，而不適合于基層醫療機構和家庭，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皮功能檢測設備在技術和應用中存在的不足，提出一種新的血管內皮功能檢測方法。該方法結合FMD 原理，利用超聲波直接測量指端動脈容積和血流量變化，進而評估指端毛細血管床的內皮功能，反映血管微循環情況。由于被測者手指的隨機抖動會改變超聲探頭與指腹之間距離，并使超聲探頭發射方向與指腹間的夾角發生改變，另外手指中的微小組織也會引起超聲的隨機散射。因此，為準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，并提出血管內皮功能評價指標。該檢測系統具有操作簡便、功耗低、成本低、便于攜帶等優點，適合于基層醫療機構和家庭使用。

本文提出的方法創新點如下：①首次提出將超聲指端動脈容積測量與FMD 原理相結合的指端毛細血管床內皮功能檢測方法；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、準確、穩定可靠的內皮功能檢測方法；③通過設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定性；④提出求取固定時間段內測量得到的多次超聲回波數據的二維能量譜，并在超聲探頭中心頻率與脈率相交匯的頻率區域內進行譜峰搜索的算法，極大地消除了各種干擾對測量的影響；⑤根據不同時間段內指端動脈容積大小隨時間的變化情況，提出血管內皮功能評價指標，利用該指標評估指端毛細血管床的內皮功能。

2 血管內皮功能檢測方法

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。區域A、B 為超聲波在指腹界面與指骨界面因反射作用而產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血管，其毛細血管床的容積會隨著心動周期有規律地增大或減小。毛細血管床的容積變化直接體現為A、B 兩個回波信號之間相位的改變，因此通過準確測量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 指端毛細血管床內皮功能測量

本文首次提出將超聲指端動脈容積測量與FMD 原理相結合的指端毛細血管床內皮功能檢測方法，指端毛細血管床內皮功能測量步驟如下：①在靜息狀態下，采集3～5min 的指端超聲回波信號；②通過標準血壓袖帶對所測指端側的肱動脈加壓至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，并持續采集3～5min 的指端超聲回波信號，直至恢復靜息狀態［15］。

2.3 血管內皮功能檢測實驗系統

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

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

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

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，并使超聲探頭發射方向與指腹間的夾角發生改變，這些都會對測量造成很大干擾。本文設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狀態。

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，作為超聲波傳導介質；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散射等）對測量結果的影響，本文提出求取固定時間段內測量得到的多次超聲回波數據的二維能量譜［18-20］，并在超聲探頭中心頻率與脈率相交匯的頻率區域內進行譜峰搜索的算法，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（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據排列成一個二維矩陣，然后對其進行2-D DFT，再對2-D DFT 的結果進行平方，得到這段時間內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，直接反映了該段時間內指端動脈容積大小。重復上述過程，依次測量接下來每個固定時間段內（5s）指端動脈容積大小，最后得到12min 內由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

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

4 血管內皮功能評價指標

根據FMD 的原理，袖帶快速釋壓后，肱動脈反應性充血，刺激內皮細胞釋放大量NO，使得動脈血管快速舒張，與靜息狀態相比，血管容積會擴張得更大。當血管內皮功能有障礙時，內皮細胞釋放NO 的能力受限，血管舒張效應減弱，與靜息狀態相比，血管容積擴張有限。

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

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 實驗結果與分析

5.1 指端動脈容積信號測量結果

由測量算法得到未經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，無法準確計算血管內皮功能評價指標。為此，對圖8 所示曲線進行包絡提取與平滑處理，結果如圖9 所示。此時，曲線變得更加平滑，有利于準確計算出血管內皮功能評價指標。

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

5.2 血管內皮功能臨床評價指標臨床結果分析

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。血管內皮功能隨著年齡的增加而逐漸變差，并且與年齡呈顯著負相關（r=-0.88，P<0.001）。

對兩個年齡組的每位受試者進行血管內皮功能檢測，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皮功能評價指標，并進行t檢驗分析，結果如表1 所示。

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

由t檢驗結果可知，本文提出的血管內皮功能評價指標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，符合預期。

6 結語

本文針對目前臨床使用的血管內皮功能檢測設備在技術和應用中存在的不足，提出一種新的血管內皮功能檢測方法。與現有臨床應用的兩種無創式血管內皮功能檢測設備相比，Omron 公司的UNEX EF 評估的是中型動脈血管的內皮功能，不能直接反映更有臨床價值的血管微循環情況，而本文將超聲指端動脈容積測量與FMD 相結合，可以準確評估指端毛細血管床的內皮功能，從而反映血管微循環情況；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，因而對毛細血管內皮功能的評估更加準確。

另外，本文還提出血管內皮功能評價指標，由t檢驗結果可知，該指標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皮功能評價指標值（0.92±0.20）明顯高于中年受試組（0.47±0.30），符合預期。后續研究希望能增加樣本數量并擴大樣本的年齡分布范圍，以對該內皮功能檢測方法作出更全面的評估。