超声技术检测动脉血管管壁运动力学的方法

刘小东，肖沪生，徐 芳

（上海中医药大学附属龙华医院超声科，上海 200032）

心脑血管病变、冠心病等已成为威胁人类健康的主要疾病之一。各种危险因素，如高血压、高血脂、高血糖、肥胖、吸烟等作用于机体，均可导致血管病变，造成动脉硬化。随着对心脑血管疾病发生和发展的机制的深入研究，人们逐渐意识到动脉管壁结构和功能的改变要先于动脉内缺血性病变出现，血管壁运动力学的改变更先于结构改变。动脉管壁力学的研究已成为一个热点，现就超声技术检测动脉管壁运动力学的方法做一综述。

1 动脉血管管壁运动力学的含义

1.1 动脉血管壁的结构 动脉系统的血管由心室发出运输血液到达身体的每个器官和组织，在行程中不断分支。根据血管壁的组织成分不同，将管壁内含较多弹力纤维的动脉称之为弹性动脉，主要是指大动脉；管壁内含有较多平滑肌的称之为肌性动脉，主要指中小动脉。小动脉由中动脉发出。中动脉和小动脉在神经系统的支配下进行收缩和舒张，由此决定了组织和器官进入血液量的多少。动脉血管壁结构分3层：动脉内膜、动脉中层和动脉外膜。动脉内膜由内皮细胞、基质膜和一层纤维的胶原蛋白、弹性纤维和平滑肌细胞构成的聚集物质构成；中层是肌性组织，可分为若干同心的弹性层壳，由一些胶原纤维和弹性纤维穿过层壳上的窗口，以三维的形式将层壳紧紧联系在一起，血管的力学特性主要取决于中层，而中层又取决于胶原纤维、弹性纤维和平滑肌的性质、含量及空间构型［1］；动脉外膜是由疏松结缔组织组成，含螺旋状或纵向分布的弹性纤维和胶原纤维，外膜通过外弹力膜与中膜相隔。

1.2 血管壁运动力学 一般软组织的特点是柔软易变形，具有不同程度的抗拉程度，而抗压拉弯曲的能力很低。生物组织都极具弹性，其变形与时间有很强的依赖关系。生物组织材料还具有很高的非线性性质，以力学的观点看问题，它们都是非线性黏弹性的、各向异性的、非均质的材料。

血管也是一种软组织，其应力—应变关系呈线性性质，与其他生物软组织一样，对血管进行力学测试需首先对其进行预处理。近年来，血管力学特性的研究取得了很大进展。血管的力学性质，不仅是血液流动理论的基础，还与心血管疾病，如动脉粥样硬化有直接关系［2-3］。

生物体处于力学环境中，心血管系统是一个以心脏为中心的力学系统，血液循环过程包含血液流动、血细胞和血管的形变、血液和血管的相互作用，其中蕴藏着力学规律。血管生物力学的研究，可揭示血管壁在正常血液循环中的力学机制，进一步认识血管生长、衰老的自然规律，为阐明血管疾病发病机制提供前瞻性理论依据。

2 超声技术对动脉血管壁运动力学的检测

近年来，超声技术对血管的研究有血管腔内血流动力学研究、血管壁研究及二者的合并研究。其中对血管腔的研究有常规血流动力学研究、牛顿射血力等；反映血管壁功能的方法有血管内皮功能检测、脉搏波传导速度（pulse wave velocity，PWV）检测、速度向量成像（velocity vector imaging，VVI）等；二者的合并研究主要应用瞬时波强（wave intensity，WI）、血管回声跟踪技术（E-tracking，ET）技术。 本文着重介绍超声技术对外周大动脉血管壁运动检测的相关技术。

2.1 血管内皮功能的检测 早在1865年，生理学家His提出内皮细胞是高分化的单层细胞，介于血液和平滑肌之间、连续覆盖在血管床表面，是血管壁与血液之间的机械屏障，可感知血液中包括切应力、压力、生化因子和激素水平变化。内皮细胞可分泌多种活性物质，如血管内皮细胞舒张因子NO、前列环素I2（PGI2），血管内皮细胞收缩因子包括内皮素-1（ET-1）、血管紧张素Ⅱ（AT-Ⅱ）、血栓素（TXA）、组织型纤溶酶原激活物（PAI）等，调节血管壁的舒缩功能和平滑肌的增殖、迁移等。因此，检测血管内皮细胞的功能可评价血管壁的功能状态。

在动脉粥样硬化及冠状动脉硬化性心脏病的发生发展过程中，血管内皮功能障碍贯穿始终，在斑块破裂过程中起重要的作用。内皮功能的检测包括肱动脉超声法、冠状动脉造影法和对内皮损伤标志物的检测，其中肱动脉超声法应用最为普遍。肱动脉超声法是通过彩色多普勒超声测定肱动脉充血后和含有硝酸甘油后相对于静息状态时扩张的百分率，以及反应性动脉血流量的增长百分率来评估血管内皮功能。研究发现［4］，糖尿病患者反应性充血时肱动脉内径变化率比正常人明显降低，硝酸甘油介导的肱动脉内径与正常对照组比较有显著差异，糖尿病患者的血管内皮功能受损程度与病程明显相关。由于受超声空间分辨力、受检者个体差异、操作者的技术和熟练程度等因素的影响，血流介导的血管扩张方法在临床的应用受到了限制。

2.2 PWV 测量PWV是公认的、较经典的衡量大动脉弹性的方法之一［5］，可为大血管病变的早期防治提供依据。其计算公式为PWV=L/T，T为脉搏波在2个记录部位之间的传播时间，L为2个探测器之间的距离。脉搏波反映动脉弹性功能，PWV值减小，说明血管顺应性好；PWV值增大，说明动脉管壁硬度增加、顺应性差。

目前，测量PWV常用的方法有单点脉搏波传导速度测量法（PWVβ）和平面张力法。平面张力法适用于浅表动脉的检测，是传统的检测PWV的方法，只能根据两点动脉段间平均速度来反映血管的弹性。测量时选定测量的动脉后，将测定的两点的体表距离输入计算机，将脉搏波传导器放置在测量部位搏动最明显处，开启测定仪器即可。常用的有颈动脉-股动脉脉搏波速度（cfPWV），颈动脉-桡动脉脉搏波速度（crPWV），颈动脉-肱动脉脉搏波速度（cbPWV）和肱动脉—踝动脉脉搏波速度（baPWV）。其中常用的是cfPWV和baPWV。PWVβ是血管回声技术中根据硬化参数β等数值推算得到的，而β值等检测误差可以使PWVβ值偏离，故该方法只能反映测量点的动脉弹性［6］。因此，平面张力法和PWVβ都不能全面反映动脉管壁的弹性变化。

2.3 ET技术 ET技术是2003年由Aloka公司推出的一项通过射频（原始）信号相位差法来计算和测量管壁实时位移的一种方法。2004年末，Aloka公司又在原先检测基础上增加了PWVβ、管径增大指数（AI）这2项指标来判断血管的硬化程度，称为新版ET技术。

2.3.1 测量方法 通过动脉血管超声检测，在B/M模式下，采集收缩期、舒张期的血管所产生的相位移信号并分析；实时跟踪、描记血管壁运动轨迹并以曲线显示，自动计算出血管内径的变化，然后通过e-DMS系统，在线或脱机分析，自动获得参数结果，评估动脉管壁功能，其距离测量的精确度达0.01 mm［6］。

2.3.2 测量参数及其意义 ①压力应变弹性系数（Ep）代表动脉血管的弹性；②β值，表明动脉血管的硬化程度；③顺应性（AC），代表血管的顺应性；④PWVβ，反映大动脉的僵硬度；⑤AI，全面反映大动脉的弹性状态及心脏后负荷的情况。当动脉硬化时，Ep、β、PWVβ、AI增高，AC 降低［6］。

研究［7-8］表明，动脉弹性减退时，Ep、β、PWVβ、AI增高，反映动脉壁柔韧性降低，动脉壁主动扩张时的速度和加速度减低；AC降低，说明血管缓冲能力下降，血管顺应性降低；2型糖尿病早期患者血管在没有明显血管壁结构改变时弹性已经下降，动脉硬化过程开始。在内膜增厚之前，糖尿病患者的动脉弹性已下降，其中以Ep、β、PWVβ作为2型糖尿病股总动脉硬化评价参数的准确性较高，AC可作为辅助参考指标，2型糖尿病患者股动脉硬化的截断值可为Ep=130.5 kPa、β=11.25、PWVβ=7.05 m/s、AC=0.74 mm2/kPa。苏庆华等［9］研究发现，没有并发症的股动脉患者的β、Ep和PWVβ都有不同程度升高，而AC逐渐下降。糖尿病患者足背动脉在内中膜增厚、斑块形成之前，动脉弹性已经发生改变，β、Ep、PWVβ增高，AC 值降低［10］。

2.3.3 局限性 肖沪生等［11］研究证明，取样线位置、取样线定位、收缩压、心率、采样血管的选取、内膜厚度与斑块、图像质量、年龄等可能对研究结果产生影响，因此在应用E T技术时应注意其影响因素，根据具体研究对象的参数，作出相应调整，以获得客观的数据。

2.4 VVI技术 VVI是新近推出的研究心血管壁运动功能的一种技术，以斑点跟踪为主要原理，结合超声像素的空间相干、边界跟踪及周期监测等技术，获得空间定位成像信息。

2.4.1 测量方法 VVI技术对动脉血管的检测目前多用于颈动脉，下面以颈动脉为例简述其测量方法。患者取平卧位、连接同步心电图，嘱患者屏住呼吸采集颈总动脉远端长轴或短轴动态图像并存储3个心动周期，以颈总动脉膨大部下方1.0～2.0 cm处ROI血管壁作为目标，清晰显示内膜后手工描记血管内膜，自动确定向心运动的中心系统自动追踪描记点的速度向量，以矢量方式显示局部组织的运动速度。VVI技术以矢量方式显示局部血管壁真实运动速度和方向，能够定量分析血管壁在各个方向及各个平面的运动力学变化，可以根据需求提取及形成各种图像及数据、曲线、彩色三维图。

2.4.2 测量参数及其意义 VVI技术的参数定量分析：①速度，指组织在力的作用下运动的快慢；②应变（S），指血管组织在收缩期相对于其原始形状的变形程度，反映了血管壁在张力作用下发生形变的能力；③应变率（SR），是应变的时间导数，即单位时间上的应变，它描述的是物体发生形变的速率，克服了血管整体运动和邻近血管节段的被动牵拉对管壁运动的影响；④位移，即速度对时间的积分。S及SR可以直接反映出血管壁局部功能——血管收缩与舒张引起的形变在空间与时相上的细微变化［12］。

VVI技术通过对血管长轴和短轴切面上的结构力学分析，能直观显示血管壁速度和位移参数，检测动脉管壁的S和SR，直接反映血管壁的形变，早期评价血管功能及全身动脉硬化病变的程度。通过对脑梗死［13］、糖尿病［14］、冠心病［15］、高血压病［16］等 患者的动脉管壁的VVI检测，结果发现在上述患者病变早期，即血管壁大体形态未见明显改变时，颈动脉短轴方向的S、SR已低于健康的对照组。学者［17］研究认为，S、SR这2项参数能够从生物力学角度反映动脉管壁的弹性功能。王宇等［18］用VVI技术测量32例正常人颈总动脉管壁长轴方向前壁、后壁收缩期及舒张期最大运动速度（Vmax）、最大切向应变（Smax）及最大切向应变率（SRmax）之间的关系，证明VVI技术能够对血管不同位点进行精确定位，快速直观地观察血管壁形态及功能状态，为全面评估正常血管内膜力学特点、管壁功能状态等提供真实可靠的研究依据。

2.4.3 优缺点 VVI技术的优势在于采用二维灰阶成像，无角度依赖，SNR较好，不依赖多普勒技术，无分析切面的局限［19］，并可根据描记点自动确定向心运动的中心，不受心脏搏动引发摆动的影响，提高了检测的可重复性［20］，能精确、直观、真实地反映血管壁形变和运动功能改变。但是VVI技术仍有以下问题：①其基于对二维图像跟踪的原理，故对二维图像的清晰度要求较高；②周围血管的搏动对分析结果有较明显影响，采集图像应尽量避开可能产生影响的血管；③呼吸节律可对血管壁的摆动产生影响，采集图像时嘱患者屏气；④心律不齐可能会导致采集信息不稳定，需尽量选取心律齐图像。

2.5 WI技术 WI技术是一项由Aloka公司近年来在ET技术上的发展起来的研究心血管系统血流动力学及心脏与血管相互关系的超声技术。

2.5.1 测量方法 WI技术由Parker等［21］最先提出，在ET技术的基础上结合管径—压力（D-P）的线性关系而研制出的新的实时测量技术。受检者取平卧位，测量时首先连接心电图，选取测量血管近心端处为WI检查部位，0°～20°范围内调节 Beam steer（B）键，使动脉前后壁显示最清楚，在B/M模式下，启动WI功能。将B模式取样线上的2个取样门分别置于血管前、后壁外膜中层交界处；M型Sweep Speed设置为50 mm/s，启动WI血流显示键。WI血流取样门宽3.5 mm，0～20°范围内调节 Beam steer（flow）键，声束与血流夹角60°，按select键取样；冻结后按WI键显示界面，输入血压值，挑选5个以上波形，再按next键显示报告界面。

WI技术特点是通过检测循环系统中动脉血管内任意点的瞬时管径变化和瞬时平均血流流速变化来评估评估心血管系统的功能。其计算公式为WI=（dP/dV）（dV/dT），P 为压力，V 为速度，（dP/dV）为压力上升或下降速率，（dV/dT）为加速度或减速度［22］。

2.5.2 测量参数及其意义 WI有2个正向波和1个反向波，分别为出现在收缩早期的瞬时加速度波强（W1）、收缩中期的反向波（NA）、收缩晚期的瞬时减速度波强（W2）［23-24］。 WI能同时显示 10 个参数：①W1［25］，主要与心脏收缩功能有关；②W2，主要与主动脉血流能力及动脉硬化有关，可反映左心室松弛性；③负向波面积（NA）［23］，即收缩中期反向波的面积，主要与外周血管阻力有关，可用于评价外周血管阻力大小；④射血前期时间（R-W1）［24］；⑤射血时间［26］（W1-W2）；⑥血管压力应变弹性模量（Ep）；⑦β；⑧AC；⑨AI［27-28］；⑩PWV［29］，与动脉血管壁的生物力学特性、血管的几何特性及血液密度等因素有一定的关系。WI技术提供了心脏的收缩和舒张功能、外周血管的阻力及血管弹性方面的信息［30-31］。

Bleasdale等［32］研究发现，脑血管紧张度增高时，颈动脉收缩中期负向波面积（NA）值升高，说明颈动脉NA值可反映脑循环的功能。在对糖尿病患者血管内皮功能的研究中发现，2型糖尿病（T2DM）组WI参数均增高，T2DM合并高血压的患者增高更明显，W1、W2与内膜中层厚度（IMT）呈正相关，与国外研究得出的血管僵硬度越大、WI值越大的结论［33-34］一致。WI技术克服了各个参数之间的相互影响，能较早反映大动脉及心脏的顺应性变化，全面反映心血管的运动力学的改变。

2.5.3 局限性 WI的应用尚存一些问题，WI值通常在颈动脉测量，颈动脉和主动脉流速变化曲线是不同的，波强曲线也不是完全相同的。但是Bleasdale等［32］对动物的研究证明，颈动脉和主动脉的WI曲线相似。因为WI技术是在ET技术基础上的发展，影响ET参数的因素，也能影响WI的相关参数。同时用血压计测得的上肢动脉的收缩压和舒张压校正颈动脉测得的收缩压和舒张压的方法仅适用于老年患者，血压波形由动脉内径变化的波形替代，而实际上血压和动脉之间存在轻微的非线性关系，二者之间的变化也存在滞后关系。

3 展望

超声技术在评估血管功能、检测血管病变方面有早期、无创、直观、敏感、操作方便等诸多优点。通过内皮功能及PWV的检测技术、WI技术、VVI技术、ET技术等对血管壁运动力学的进行检测，来评价血管壁的功能，各有优势和局限性。这些技术对与动脉管壁运动力学改变相关疾病的早期诊断、病情发展、药物疗效和干预措施等方面有重大意义。

此外，以上技术还可应用于其他学科方面的研究，比如中医脉象的研究。中医脉象作为中医辨证论治的诊断依据之一，是一种感知的经验，存在一定主观性。从现代医学角度来讲，脉象的形成是基于血管及周围组织与管内血流协同作用的结果，实质是血流动能、血管张力二者的综合。脉诊研究或可从血液动能学与血管壁运动力学入手找出生理与病理的客观指标。而脉象仪作为一种客观反映脉象信息的装置，通过传感器检测脉搏波，用计算机采集分析脉图各参数，记录脉象变化，但脉象仪灵敏性较高，采集脉象过程中容易受其他因素的干扰而出现数据误差及测得脉象与实际脉象不同。这时若将超声技术，如WI技术、ET技术与脉象仪结合，从血管壁运动力学入手，避免干扰因素，找到二者参数间的相关性，对脉象用参数进行量化，可为中医诊断的客观化、标准化提供有力的依据，也将为中西医结合的临床诊断提供新思路、新途径。

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