瞬时波强技术在心脏疾病中的研究进展

朱 虹 田新桥

心脏泵功能依赖其与脉管系统的相互作用。以前评价心功能往往单独评估心脏或脉管系统的压力变化。Parker等［1］首先提出波强度(wave intensity，WI)这一概念，国内肖沪生等将其命名为瞬时波强。WI是研究心血管系统血流动力学及心脏与血管相互关系的新技术，通过检测循环系统中动脉内任意点的瞬时管径(压力)变化和瞬时平均血流流速变化来评估心血管系统的总体功能。Niki等［2］结合彩色多普勒和血管回声跟踪(echo-tracking，ET)系统发展了实时非侵入性的波强测量系统，这种方法无创、便捷，能同步测量血压和血流速度。国内外已有一些学者开展了相关研究，初步结果表明该技术具有重要的临床应用价值。本文着重介绍WI的原理及其在心脏疾病中的研究进展。

一、WI的定义及原理

波强最初被定义为△P和△U的乘积，这里的△P、△U是血压P和流速U各在一个恒定的短时间的变化，用来表示单位时间内通过垂直于波传播方向的单位横截面积上的能流(W/m2)。为了不受取样时间的影响，Niki等引进了时间标准化的波强度，WI=(△P/△t)(△U/△t)，当△t无限小时，WI=(dP/dt)(dU/dt)，这里的dP/dt和dU/dt是P和U关于时间的导数。如果WI＞0，那么引起压力和速度变化的前向波大于后向波，反之亦然。流体力学中，引起正压力阶差的波称为压缩波，引起负压力阶差的波称为膨胀波。前向波离心性传播(从心脏到外周血管)，由前向波反射引起的反向波向心性传播(从外周血管到心脏)。动脉血流中存在4种组合波:前向压缩波、前向膨胀波、反向压缩波、反向膨胀波。膨胀波有“牵引”效应，前向膨胀波使压力减低，血流速度下降;反向膨胀波使压力减低，血流速度升高。压缩波具有“推挤”效应，前向压缩波使压力升高，血流速度增快;反向压缩波使压力升高，血流速度下降。

二、WI的测量方法及各参数的临床意义

1.WI的测量方法:以前用于测量WI的方法是有创的，如用含多元传感器的漂浮导管测量升主动脉波强度;或者测量的操作方法较繁琐，如用平面波张力测定法和脉冲多普勒测量颈动脉、肱动脉和桡动脉波强度［3］。

超声仪器生产商ALOKA公司在ET技术的基础上，成功地研制出无创、便捷的超声 WI测量分析系统，它包含测量血流速度的彩色多普勒系统和测量管径变化的血管回声跟踪技术系统。血管回声跟踪系统自动测量动脉管径变化，精度达1/16超声波长;彩色多普勒系统测量血流平均速度;再用血压数据进行校正。研究证明动脉压力变化跟管径改变呈线性相关。因此可以用管径的变化来代替血压的改变。用肱动脉的收缩压和舒张压来校正管径变化曲线的最大值和最小值。WI指标由系统自动计算得出，主要参数包括强度指数W1、W2、NA和时间指数R-W1、W1-W2，有时会测到射血中期的正向峰X波［2］。这种方法能区分前向和后向波，有助于量化局部动脉管腔压力和流速以及动脉僵硬度测量。

2.WI参数的临床意义:(1)W1和W2:W1是WI波形中出现在左室射血早期的第1个正向波峰，表示左室收缩早期产生的前向压缩波，导致动脉管腔内压力升高，血流流速增快。W2是WI波形中出现在左室射血晚期的第2个正向波峰，代表收缩晚期的前向膨胀波，使动脉管腔内压力减低，血流速度减慢。W1幅度与左室收缩期最大压力上升速率显著相关。W2幅度与左室最大压力下降速率及左室心肌松弛时间常数(τ)显著相关。W1能反映左室收缩功能，W1峰值越大，反映左室收缩功能越强。W2的生理学和病理学意义相当复杂。在W2期间，左室产生前向抽吸波主动停止主动脉血流。抽吸波的产生是左室压力迅速下降引起的。Sugawara等提出血流从左室流向大动脉的惯性力这个概念。惯性力减弱至停止，引起压力迅速减少并在左室接近收缩晚期时产生抽吸波。惯性力的增加或减少与心功能的改善和恶化相一致。左室抽吸波的产生是心肌承受张力能力逐渐衰退和主动脉血流的惯性力的结果。心功能越好越能有效利用惯性力。左室主动停止射血的机制:在射血晚期，左室内朝向心尖部的血流扮演很重要的角色，把血流从主动脉抽吸到左室腔内，关闭主动脉瓣。血流流出心室的惯性引起收缩晚期左室迅速流空，减少左室收缩晚期容积和增加弹性回缩力。因此主动脉血流的惯性力产生一个较大的膨胀波(W2)。等容舒张期左室内出现朝向心尖部血流的大部分患者均具有惯性力和相对小的左室松弛时间常数(τ)。有惯性力的患者W2明显高于无惯性力的患者。因此，膨胀波W2的幅度与心脏收缩晚期及等容舒张期的心功能有密切关系。(2)NA:外周血管阻力和外周血管反向折返波引起WI负向波NA的形成。当血流流速达到峰值，血流加速度为零时，为收缩中期的开始，血液因惯性继续前向流动，外周阻力使血液流速逐渐降低，dU/dt为负值，即减速度，但此时管壁压力还在增高［4］，dP/dt即压力上升速率为正值。根据计算公式WI=(dP/dt)(dU/dt)推导，两者相乘为负值，形成收缩中期的WI负向波。负向波的面积与外周阻力密切相关，与血管顺应性成反比。在颈动脉NA是脑循环反射的特征。(3)X波:X波不常见，Niki等发现使用硝酸甘油(NTG)后，产生收缩中期正向波X。由于心肌缩短保持与血流运动匹配，使用NTG后，在射血初期产生的血流冲力对于心室壁的运动变化太大(使用硝酸甘油后血流最大流速增加)，室壁运动和血流运动不匹配产生膨胀波与产生W2方式一样。不匹配产生W2是因为心肌主动停止缩短刚好在等容舒张开始前(心肌缩短放慢和停止)。不匹配产生X-波是因为心肌持续缩短，但是收缩初期血流冲力增加太多，这引起心脏收缩的心室流空，在收缩中期产生抽吸波。(4)R-W1，W1-W2:R-W1是心电图R波到W1波峰的间距，相当于射血前期;W1-W2是两个波峰的间距，相当于射血期。国内肖沪生等报道，射血前期应该是指心电图R波顶点到W1起点的时间。他们认为文献报道的“R-W1约等于射血前期”实际上包含了3个时间段，分别为左室等容收缩期时间、压力波传导时间和W1起点一顶点时间［5］。并认为W1曲线的起点应为射血期的开始［6］。

三、WI在心脏疾病中的应用研究

1.冠心病:Rolandi等［7］对稳定型心绞痛患者进行研究，检测患者做Valsalva动作过程中主动脉内压、左室压力、冠脉内压及血流速度，计算冠状动脉波强度并分析其与左室血流动力学参数的关系。结果证实，冠状动脉波强度在负荷状态时显著减少，且与左室功能减低相关。表明波强度分析可以清楚地揭示心脏-冠状动脉之间相互作用的内在特征。

陈伟等［8］研究发现冠心病组颈动脉 WI指标W1、W2均较正常对照组显著降低。冠心病单支病变组及多支病变组颈动脉的W1、W2值均较对照组减低且多支病变组的WI、W2均较单支病变组显著减低;NA值均无显著性差异;IMT≥1.0mm组W1、W2较无形态学变化且IMT＜1.0mm组显著减小。而无形态学变化且IMT＜1.0mm组WI、W2均较正常对照组显著减低。采用无创、实时的彩色多普勒超声检查并结合WI技术，能同时发现动脉结构和血流动力学的改变，从而早期推测出冠状动脉硬化的发生。

2.心肌病:肥厚型心肌病(HCM)心脏舒张功能受损。有研究发现，HCM组与正常组颈动脉WI的W1值差异无显著性，但W1随着年龄的增加明显减少，说明心脏收缩力随着年龄增加而恶化;W2在两组均与年龄无关;HCM组W2值比正常组明显减小［9］。姜双全等［10］发现HCM患者颈动脉WI曲线W1比正常对照组增加，W2减低，差异有统计学意义，说明HCM患者心肌主动松弛功能及顺应性均受损。

扩张型心肌病(DCM)心脏收缩功能受损。Sugawara等［10］发现DCM组W1值远低于正常组;W2值两组无明显差异。正常对照组W1年龄差别不显著。DCM组W1随着年龄的增加而减少，说明随着年龄增加心脏收缩功能恶化。

3.慢性心力衰竭(CHF):CHF患者左室收缩早期产生的能使血流加速的前向压缩波(s波)能量显著减少，达峰时间延长;相反，外周反射波明显增加，反射时间不变。心脏舒张期产生的膨胀波的能量不受心衰影响;正常人和心力衰竭患者颈动脉脉搏波传导速度和增大指数差异不显著;心力衰竭患者左室产生的前向压缩波明显减少，外周反射波的增加维持了收缩压，但是也给心力衰竭患者心功能增加了额外的负荷［11］。

马斌等［12］发现，CHF患者 W1显著减小，W1-W2间期缩短，R-W1间期显著延长;在CHF各组间，随着心功能恶化W1也逐渐降低;CHF组W1与左室射血分数(LVEF)和二尖瓣环收缩期最大运动速度(Sm)分别呈正相关。

4.二尖瓣反流:二尖瓣关闭不全的患者术前和术后波强度指数W1、R-W1和 W1-W2没有明显改变，术前W2消失或很小，术后清楚显示。在二尖瓣关闭不全患者，左室持续向左房射血，甚至在主动脉瓣关闭以后，也即心肌在接近射血晚期时仍不能停止缩短。因此，左室主动停止主动脉内血流的能力消失，W2消失或减少;W2在术后恢复，提示左室恢复了产生抽吸波的能力。

5.舌下含服NTG的影响:舌下含服NTG后，颈动脉波强度W1和收缩中期正向波X增加，表明心脏收缩力增加。大部分人使用NTG之前X-波不出现或不明显，服用硝酸甘油后有63%人出现X波，此期间压力和血流速度减少，表明其为一抽吸波。波强度分析证实NTG可增加 W1和收缩中期抽吸波X，表明其在射血早期加强了心脏收缩，中期可加速左室流空［2］。

6.其他:甲状腺功能亢进患者 W1、W2、NA、R-1st、W1-W2明显增高，LVEF、LVFS无统计学意义。几个异常波出现在甲状腺功能亢进患者的收缩中期。FT3 与 W1、W2、NA、R-1st、W1-W2、生理血压、心率有关。WI技术被证明是评价甲状腺功能亢进患者心脏功能和血流动力学改变的实时、无创、敏感且方便的方法［13］。一项对接受治疗的高血压患者的研究发现，较高的波反射是未来发生心血管事件的独立预测因子，不受常见的风险因素支配［14］。

此外，还有一些学者将WI用于研究:妊娠期妇女左室及颈动脉适应性变化;慢性肾衰患者心血管功能;室间隔缺损封堵前后左心室功能;心脏再同步化治疗术后短期疗效评价等。

四、WI技术的局限性

WI通常在颈动脉测量，颈动脉和主动脉流速变化曲线是不同的，因此，波强度曲线可能不是完全相同的。不过，正常人颈动脉WI曲线与正常人主动脉的相似，最近有人用侵袭性方法研究动物证明了这点［15］。

用血压计测量肱动脉收缩压、舒张压估算颈动脉收缩压和舒张压，这种方法只适合老年研究组。在年轻人中，主动脉峰值压和上臂峰值压的差别是相当大的。因此，在年轻组，必须用K值校准。Van等人定义K系数为K=(平均压 -舒张压)/(收缩压 -舒张压)，这里的平均压是一个心动周期的平均压力。当用血压测量法时，需注意收缩压和舒张压的随机变异常常超过20mmHg。

五、展 望

循环系统中心脏和血管在结构上是相对独立的，但功能上却是密不可分且互相影响的。因此心功能的评估应结合动脉系统的功能状态。基于多普勒和血管回声跟踪技术的超声WI，作为一种新的综合评价心血管血流动力学及心脏与血管相互作用的方法，为心血管功能研究拓展了新的视野，而且该技术具有操作简便、无创、费用低廉等优点，必将有广阔的临床应用前景。

1 肖沪生，徐智章，张爱宏，等.Wave intensity的命名探讨［J］.上海医学影像，2008，17(2):81-82

2 Niki K，Sugawara M，Chang D，et al.A new noninvasive measurement system for wave intensity:evaluation of carotid arterial wave intensity and reproducibility［J］.Heart Vessels，2002，17(1):12-21

3 Zambanini A，Cunningham SL，Parker KH，et al.Wave-energy patterns in carotid，brachial，and radial arteries:a noninvasive approach using waveintensity analysis［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol ，2005，289(1):H270-276

4 Ohte N，Narita H，Sugawara M，et al.Clinical usefulness of carotid arterial wave intensity in assessing left ventricular systolic and early diastolic performance［J］.Heart Vessels ，2003，18(3):107-111

5 肖沪生，银浩强，徐智章，等.瞬时波强技术中R-W1时相分析［J］.中华超声影像学杂志，2009，18(1):34-36

6 肖沪生，徐智章，张爱宏，等.瞬时加速度波强(WI)的时相分析［J］.上海医学影像杂志，2008，17(2):83-85

7 Rolandi M，Remmelink M，Nolte F，et al.Effect of the Valsalva maneuver on cardiac-coronary interaction assessed by wave intensity analysis［J］.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2010，2010:3776-3779

8 陈伟，韩若凌，马景涛，等.瞬时波强技术应用于冠心病病情评估的研究［J］.中国超声医学，2011，27(4):324-327

9 Sugawara M，Niki K，Ohte N，et al.Clinical usefulness of wave intensity analysis［J］.Med Biol Eng Comput，2009，47(2):197-206

10 姜双全，田家玮，杜国庆，等.组织速度成像结合瞬时波强对肥厚型心肌病患者左室舒张功能的综合评价［J］.中国超声医学杂志，2010，26(7):619-622

11 Curtis SL，Zambanini A，Mayet J，et al.Reduced systolic wave generation and increased peripheral wave reflection in chronic heart failure［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2007，293(1):557-562

12 马斌，张军，李军，等.瞬时波强技术评价慢性心力衰竭患者左心室收缩功能的临床研究［J］.中华超声影像学杂志，2009，18(10):836-839

13 Yanrong Z，Manwei L，Meiling W，et al.Wave intensity analysis of carotid artery:a noninvasive techniquefor assessing hemodynamic changes of hyperthyroid patients［J］.J Huazhong Univ Sci Technol Med Sci，2010，30(5):672-677

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15 Blaesdale RA，Parker KH，Jones CJH.Chasing the wave.Unfashionable but Important new concepts in Arterial Wave Travel［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2003，284(6):1879-1885