皮膚微血管調節功能無創檢測技術進展

唐元梁，李桂香，姚立平，譚仲威，雷鵬

廣東省科學院生物與醫學工程研究所 醫學工程研究室，廣東 廣州 510000

引言

隨著微循環研究方法和技術的發展，微血管調節功能障礙被發現與多種心血管疾病、老年病的發展相關。多種不同的生理通路與機制參與了微血管的局部調節活動，包括內皮調節、神經性調節、肌源性調節等，其中內皮調節功能障礙在血管結構改變前就參與了血管的損傷進展[1]，是心血管疾病的獨立危險因素。在傳統危險因素基礎上加入微血管調節功能評估可以對心血管疾病高風險人群進行更及時、精準的評估，進而可以通過提前的干預和治療逆轉血管病變。

微血管調節功能障礙的發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行測量，是非常適合進行微血管調節功能檢測的部位，因此，皮膚微血管調節功能評估可作為檢測人體其他部位微血管調節功能的替代方法[2]。反應性充血測試結合皮膚血流量（或其替代指標）監測技術是最常用的皮膚微血管功能無創檢測方法，目前已發展出了多種不同的實現方案。由于不同反應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性充血誘導方式對已有的皮膚微血管功能檢測方法進行分類，并分析參與調節的生理通路情況；然后介紹常用的皮膚血流量監測手段，特別是已應用于皮膚微血管功能檢測的幾種光學技術；最后對臨床專用的幾款皮膚微血管功能測試儀器的研發與科研、臨床應用情況進行比較，以期進一步梳理目前該領域相關技術的現狀與發展趨勢，提高相關從業者和普通大眾對皮膚微血管功能病變檢測的重視程度。

1 反應性充血測試

反應性充血測試通過介入刺激因素使血管產生收縮/舒張調節響應，是目前常用的外周動脈及皮膚微血管功能無創檢測手段。從誘導方式角度分析，反應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節通路也不盡相同。

表1 常用的反應性充血測試方式比較

1.1 血流阻斷后反應性充血

血流阻斷后反應性充血（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）的變化來進行的。袖套充氣后壓力高于測試者收縮壓30～50 mmHg，持續時間約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性調節功能的參數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生缺血性反應，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節功能的共同影響[3]。因此從本質上，PORH測試是一種檢測血管整體調節功能的方法[4]，而非皮膚微血管調節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調節，主要包括局部感覺神經、花生四烯酸的細胞色素（Cytochrome P450，CYP）代謝產物[5-7]。其中，局部感覺神經通過軸突反射參與調節，主要影響PORH充血峰值與整體血流的變化趨勢；CYP代謝產物作用于內皮細胞，可使細胞內游離鈣濃度升高，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，誘發皮膚血流量產生雙相的上升調節響應。如圖2所示，皮膚施加熱刺激后在幾分鐘內會出現第一個血流峰值，該血流峰值主要依賴局部感覺神經軸突反射[8]，位于感覺神經的瞬時受體電位通道參與該軸突反射[9]。該峰值過后，皮膚血流量會出現短暫的下降，然后二次上升并逐漸達到穩定水平。皮膚血流量的二次上升主要依賴血管內皮調節機制，其中NO介導的血管舒張調節為主要因素，此外EDHF通路也參與該階段的血流上調。Brunt等[10]的研究顯示，聯合阻斷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同效應。綜上，LTH測試可用于神經血管性和內皮依賴性的皮膚微血管調節功能評價。

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皮膚血流量的三相變化響應。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響應需要考慮的重要因素。在LC誘發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；隨后出現的短暫充血期可能主要是由感覺神經介導的；最后持續的血管收縮期則可能涉及Rho激酶和內皮源性NO調節通路的抑制[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的血管舒張和充血反應，稱為壓力刺激誘導血管舒張（Pressure Induced Vasodilation，PIV）。PIV反應能保護組織免受因外部壓力而引起的缺血性損傷（如潰瘍等）影響，且不會產生類似PORH測試的疼痛不適感[13]。神經內皮功能在該調節反應中起主要作用。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調節的神經元傳感器參與其中。Asic3的激活導致降鈣素基因相關肽（Calcitonin Gene Related Peptide，CGRP）釋放，刺激內皮NO合酶。在老年人群和糖尿病患者中已發現PIV反應易受損。離子導入是一種利用低強度電流轉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皮依賴性或其他機制導致的充血反應性測試的導入離子主要包括乙酰膽堿和硝普鈉。乙酰膽堿離子導入誘導的皮膚微血管擴張依賴環氧酶通路，是一種非內皮依賴性的反應性測試方法，其可誘導軸突反射介導的血管舒張充血反應。在溫和、非傷害性的電流刺激下皮膚血流量會增加，稱為電流刺激誘導血管舒張（Current-Induced Vasodilation，CIV）。研究表明CIV可能是由軸突反射觸發的。

2 皮膚血流量監測技術

皮膚血流量指單位時間內通過單位質量皮膚組織的血液體積。基于反應性充血測試的皮膚微血管功能評價，其關鍵點是獲取充血反應前、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常用于測量反應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的皮膚血流量監測比較

2.1 激光多普勒技術

激光多普勒技術可測量由移動的紅細胞引起的相干單色光散射所產生的多普勒頻移，其信號可量化為紅細胞平均速度和濃度的乘積，與真實血流量呈線性關系[15]。目前有兩種采用激光多普勒技術的血流檢測裝置：激光多普勒血流儀（Laser Doppler Flowmetery，LDF）和激光多普勒成像（Laser Doppler Imaging，LDI）設備。單點LDF由一根發射和接收光纖組成，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性，單點LDF的重現性相對較差；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射，并對感興趣區域進行逐步掃描成像，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性測試中皮膚血流量的快速變化。隨著電子技術的發展，可穿戴式LDF[16]使皮膚血流量日常監測成為可能。

2.2 激光散斑對比成像技術

激光照射到啞光物體表面時會產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（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，可以在較寬的區域、以較高的頻率評估皮膚血液灌注情況[17]。因此，LSCI結合了LDF和LDI的優點，具有良好的時間和空間分辨率。Thompson等[18]的研究表明，LSCI提供的灌注指數與紅細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[19]，LSCI在皮膚微血管調節功能評價、皮膚燒傷評估等領域已有大量的研究應用。

2.3 用于反應性充血測試的其他監測技術

除血流量監測外，利用光學、聲學、熱學、機械等原理也可實現血管反應性充血變化的直接或間接測量，如體積描記術、光學體積描記術、成像光學體積描記術[20]、超聲等。不過體積描記類技術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、無創的持續測量血氧和微循環灌注的方法[21]，目前其在反應性充血測試中的應用還較少，需進一步開展驗證工作。

3 用于皮膚微血管功能檢測的專用設備

LDF、LSCI等均為通用的皮膚血流量監測設備，需結合特定的模塊實現各類反應性充血的測試，如LDF需使用內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備將反應性刺激模塊、信號檢測模塊、信號分析模塊等結合起來，系統集成化程度高，操作處理流程規范，因而更便于臨床應用。目前國內外已有多款基于PORH方案的血管功能測試儀（圖4）研發成功并進行了臨床應用，而其他的反應性充血方法仍缺乏專用的設備。

圖4 國外血管功能測試專用設備

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，能自動捕捉血管內徑的實時變化，可對肱動脈血流介導的舒張功能（Flow Mediated Vasodilation，FMD）進行測定。FMD被認為是評估血管內皮功能障礙的獨立預測因子，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等認證，并有超過400多篇國際學術論文使用該設備進行科學研究，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。本質上UNEX EF 38G的測量對象是外周動脈，由于血管調節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節功能的狀況。

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，記錄PORH測試過程中由于皮膚血流量變化導致的皮膚微血管張力的改變。EndoPAT采用雙臂同步記錄數據的模式，可以有效排除環境等干擾因素的影響，確保得出的反應性充血指數（Reactivity Hyperemia Index，RHI）值更準確。EndoPAT操作簡單，不依賴資深技術人員，指尖PAT信號的采集及分析都是自動化實現的，非常適合患者跟進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的認證，被Framingham心臟研究中心等多家權威機構認定其結果準確可靠。目前該設備已在全球60多個國家、1200多個頂級臨床和科研機構應用。2012年EndoPAT開始引入國內，其國內用戶包括首都醫科大學宣武醫院、中山大學第一附屬醫院、北京朝陽醫院、中國航天員訓練中心等多家機構。

3.3 VENDYS

美國Endothelix公司的VENDYS利用指尖熱監測（Digital Thermal Monitoring，DTM）技術進行外周皮膚微血管功能測試。DTM技術記錄了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險。目前VENDYS已獲得FDA認證，但尚未在國內上市。

3.4 國產儀器設備的發展

目前國產血管功能檢測儀器相對較少，NMPA官網可查詢到兩款已注冊器械：湖南心健醫療科技有限公司的Vasgnor、上海中嘉衡泰醫療科技有限公司的EF5000。這兩款設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無創評估血管功能障礙。廣東省科學院健康醫學研究所基于DTM技術成功研發了一款血管內皮功能評價設備NERC-Endo-Ⅰ[23]，該設備同時還具有血壓測量和血管缺血耐受性訓練的功能。

針對目前PORH方案以外的反應性充血測試方法缺乏專用設備的問題，作者團隊基于LTH誘導充血方案、血流熱效應原理以及信號時頻分析技術，設計研發了一款新型的無創血管功能測試儀[24]，該儀器可實現熱刺激條件下血管調節功能狀態的多參數量化評價。Kvernmo等[25]和Carlson等[26]的研究表明，在局部血流調節機制作用下皮膚血流量呈現類周期性波動，且調節活動與信號波動周期存在如下對應關系：非NO介導內皮調節（105～200 s）、NO介導內皮調節（50～105 s）、神經調節（20～50 s）、肌源性調節（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進行信號濾波，可以更有針對性地對皮膚微血管的肌源性、神經和內皮調節功能狀態分別進行評價。目前該儀器樣機、配套軟件已開發完成，正開展相關的臨床測試工作。國產血管功能測試專用設備如圖5所示。

圖5 國產血管功能測試專用設備

4 總結與展望

本文從反應性充血誘導方式、皮膚血流量監測技術和專用設備發展及應用情況等方面對皮膚微血管調節功能的無創檢測技術進行了綜述。從生理上看，不同的反應性測試引起充血反應的血管位置以及所反映的調節機制有較大差異，且不同血管間、不同調節機制間的協同或拮抗作用仍未完全理清，這是進行皮膚微血管調節功能準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備來實現該測試，但檢測到的信號受上游動脈和末梢微血管調節功能的共同影響，且局部感覺神經、內皮調節等均參與PORH反應，如何區分上游動脈和末梢微血管的調節功能、揭示調節機制間的相互作用仍是亟需解決的重要科學問題。除PORH外，PIV、LC等充血誘導方案缺乏規范化的操作和專用的設備，目前仍需結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備進行規范和標準化處理，是突破其臨床推廣使用障礙的關鍵。

綜上所述，雖然我國心血管病及相關慢病的防治工作已取得初步成效，但仍面臨嚴峻挑戰。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，皮膚微血管調節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，進一步革新皮膚微血管功能檢測手段仍有很多關鍵技術需要突破，這對于該領域相對落后的國產醫療器械來講既是挑戰，也是一次彎道超車的機遇。