超声测量脉搏波传导速度评估血管弹性研究进展*

宿 愿 钱林学* 张 宏

超声测量脉搏波传导速度评估血管弹性研究进展*

宿 愿①钱林学①*张 宏①

心血管疾病是我国居民的首位死亡原因，血管弹性是心血管病死率的重要独立预测因子，而脉搏波传导速度(PWV)是最常见的超声测量指标，在临床中得到了广泛的运用。传统测量PWV的方法存在动脉走行不明确、分支影响多等弊端，且只能获得全局、平均的PWV，目前局部脉搏波传导速度的超声测量在血管弹性研究中有着重要的作用，常用的局部脉搏波传导速度检测方法有血管回声跟踪技术、超高速成像技术及脉搏波成像技术。为此对脉搏波传导速度评估血管弹性研究进展进行综述。

超声；脉搏波传导速度；血管弹性；动脉硬化

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

随着社会经济的发展，心脑血管疾病已成为威胁人类健康的首要原因，其主要病理基础是动脉粥样硬化。动脉硬化的早期发展是动脉弹性功能的改变，随后是动脉管壁结构的改变，因此早期诊断动脉硬化对预防与治疗心血管疾病有着重要意义。随着体外无创检测血管弹性的出现，对高危人群进行血管弹性检测已成为早期筛查及防治心血管疾病的主要方法之一。

1 血管弹性概述

血管弹性又称血管顺应性，是血管的基本力学属性，主要反映动脉舒张状态及内皮功能，年老及许多慢性疾病都将引起血管硬度的变化[1]。血管弹性的降低是早期血管损害的标志，可作为临床评价心血管疾病的指标，预测心血管疾病的发生。

随着动脉内皮功能研究的迅速进展和高血压治疗中对血压控制问题的重视，血管弹性功能成为临床心血管研究领域的一个重要热点。研究证实，动脉管壁硬度增加为高血压患者、终末期肾病患者、2型糖尿病患者、缺血性心脏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独立预测因子[2-8]。根据2014年的《中国心血管病报告》估计，全国有心血管病患者2.9亿，每5个成年人中有1人患心血管病，每年约有350万人死于心血管疾病，约占总死亡原因的41%，是中国居民的首位死亡原因，有超过半数心血管发病与动脉硬化有关，主动脉及其他中央型大动脉硬化是增加心血管疾病发生率及病死率的独立危险因素[2-4]。动脉硬化的发展最早是动脉弹性功能的改变，然后是内中膜增厚和斑块形成等动脉管壁结构的改变，动脉弹性功能在一定程度上提示了早期的动脉硬化，基于早期诊断动脉硬化、早期预防的意义，动脉弹性改变已成为当今学术研究的热点[9-11]。

目前，已有多种血管弹性的指标被提及并应用，包括血管膨胀性、顺应性、血管弹性模量、杨氏模量及特性阻抗等[12-13]。评价动脉弹性功能的方法有脉搏波传导速度(pulse wave velocity，PWV)、弹性成像、核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)和脉搏波波形分析(pulse wave analysis，PWA)等，其中PWV和弹性成像及因其使用的安全性、广泛性、可操作性以及无创性等优点，在大动脉弹性的评价中有着重要的地位，在所有关于血管弹性的研究中占有较大比重。PWV被认为是能准确反映动脉弹性的重要指标，是临床评价动脉弹性的金标准[12，14-15]。根据Moens-Korteweg方程[1]脉搏波速度越快，表示动脉管壁硬度越大。绝大部分关于血管硬度的临床研究均采用脉搏波速度作为主要指标，自2003年起该指标即被写入欧洲高血压指南。

2 脉搏波传导速度历史

PWV评估血管硬度已有130余年历史，1883年，Keyt[16]报道了通过特定仪器测定PWV的方法，为研究PWV奠定了基础，由于测量方法较复杂，故应用PMV评估血管硬度尚未在临床广泛应用。此后，Gribin等[17]研究表明，血压和PWV具有很好的线性关系，PWV能够很好跟随血压的变化而变化。陆渭明等[18]指出血管壁平滑肌的舒缩活动是影响PWV测量结果的重要因素。2001年，Maguire等[19]提出的手臂脉搏波速测量法，简化了PWV测量步骤。随着科技的飞速发展，计算机自动测量PWV已成为检测PWV的重要方法之一，如法国Artech-Medical公司的康普乐(Complior)系统、日本欧姆龙-科林公司的BP-203RPE-Ⅱ系统等，并在临床中得到了广泛的应用。

3 脉搏波传导速度原理

在心动周期内，心脏收缩射血产生压力波，压力波推动血液流动并沿着血管壁向前传导，这个沿着血管壁向前传导的波就是脉搏波。PWV是指脉搏波由动脉的一特定位置沿管壁传播至另一特定的位置的速率。PWV的测定是通过测量动脉节段的体表距离(L)和脉搏波传导时间(T)求得，其计算为公式1：

PWV的快慢反应了血管壁的硬度，随着年龄增长及存在高血压、糖尿病等危险因素时，人体血管壁纤维组织增生，血管硬度增加，顺应性逐渐变小，大动脉弹性贮器的作用也就相应减弱，脉搏波被血管壁吸收减少，因此PWV加快，这是测量PWV以判断血管硬化情况最基本的原理。

4 脉搏波传导速度传统测量方法

绝大部分脉搏波速度的测量方法是采用经典的基于两点测量的“脚至脚”方法[1，7]。首先，采集两处血管(如颈动脉与股动脉、颈动脉与桡动脉以及肱动脉与踝动脉)的血压和血管直径变化等生理数据。接着计算由于脉搏波传播引起的两处血管的生理数据曲线之间的延时(△t)及两处血管之间的距离(△x)，从而获得脉搏波速度(PWV=△x/△t)。

然而，人体血管的硬度并非均匀，且出现病变后血管弹性程度更是参差不齐，传统测量方法测得的PWV只能反映两处血管之间的平均速度，并不能真实反应出一些局部血管病变(如动脉粥样硬化斑块、腹主动脉瘤等)处的局部血管的硬度。此外，人体中血管走行多有迂曲，尤其是老年人，传统方法测得两段动脉的体表距离是以血管在人体呈直线走行的前提下才能够成立的，使得实际测量值与真实值差距较大，从而影响PWV测值，这几点影响因素提示传统方法测得的PWV平均值有很大局限性。

5 局部血管脉搏波传导速度的检测

5.1 血管回声跟踪技术评价局部血管弹性

血管回声跟踪技术是2003年ALOKA的一项评价血管弹性的超声影像诊断技术，这种技术通过计算局部血压和血容量的变化直接获得局部血管壁硬度，避免了全身测量血管硬度时受到的影响。其测量原理是：通过跟踪血管壁的运动，实时描记出血管前后壁的运动轨迹，计算出血管内径的变化，并以曲线形式加以显示，从而计算出多项反映动脉弹性变化的相关参数：压力-应变弹性系数Eρ、硬化指数β、顺应性AC、增大指数AI及PWVβ五个指标，其中PWVβ=√(βP/2ρ)，P为收缩压，ρ为血液密度[20-21]。与传统技术相比，血管回声跟踪技术通过压电晶体探头利用射频信号将声信号转换为电信号，将空间分辨率提高了6～10倍，时间分辨率提高了10倍，这种技术可精确测量内中膜的厚度，获得动脉血管压力体积曲线的波形，通过血压值就能计算出该血管的硬化程度[22-23]。通过2个血管之间压力波形的时间差，计算出局部血管的PWV[23]。但该技术测量出的PWV是根据硬度指数推算出而非直接测量结果，同时，获得这些参数需要录入被检查者实时的血压信息，而患者即时的血压可受多种因素影响。因此，该种方法的准确性及可重复性有待考究。

5.2 超高速成像技术评估局部血管弹性

法国声科(SuperSonic Imagine)的Aixplorer®声威超声仪内置一种基于超高速成像检测PWV的新技术，帧频高达10000帧/s，采用组织多普勒成像算法，通过描记颈动脉前壁的运动，直接测得收缩期起始(beginning of the systole，BS)和收缩期结束(end of the systole，ES)两个时间点的PWV[24]。不需要血压、体重指数等其他参数，其测量步骤为：①超声医师在灰阶声像图上选择合适的血管；②启动PWV采集程序，图像会被冻结数秒；③系统会自动检测计算出收缩早期、收缩晚期该段动脉壁脉搏波位移及时间差，计算出血管壁PWV。

超高速成像技术在一个心动周期内运用剪切波成像原理，及采集一个心动周期的数据获得血管的PWV，不需要通过血压测量结果参与计算，避免了外界因素影响，也不需要通过测量体表距离等参数的参与，相对减小了误差，此外，该方法测量的是局部血管PWV，代表局部血管的弹性，提高了准确性。部分研究应用该技术对健康人及疾病人群的颈动脉进行采集，表明超高速成像技术能在一定程度上反映动脉硬化程度[25-28]。

法国声科的Aixplorer®声威超声仪检测PWV技术虽然能在一定程度反映动脉硬化，但是其无法根据受试者调整频率，心率较慢的受试者由于捕捉不到一个完整的心动周期，经常出现无法检测出结果的情况。由于仪器自动识别动脉管壁及心动周期的收缩期和舒张期，此环节无法进行人为调节，目前仅能测量颈动脉的PWV，对于股动脉、肱动脉等大血管则无法自动识别动脉管壁，从而无法进行测算，这样极大限制了其应用范围。PWV最终的计算结果是根据系统捕捉到的一个心动周期计算出的，仅仅凭一个心动周期来计算PWV会影响其准确性。故超高速成像测量PWV虽与血管回声技术相比，避免了因血管管径、走行以及其他部位血管斑块对结果的影响，具有较好的稳定性，但仍有不足。

5.3 脉搏波成像技术评估血管硬度

脉搏波成像(pulse wave imaging，PWI)是测量血管弹性的一项新技术[29-31]。其基本原理是利用心电门控的方法，提高超声成像的帧频与时间分辨率，采集超声原始射频(radio-frequency，RF)信号，然后利用超声弹性成像技术估计血管壁的运动，通过其时空分布来测量局部脉搏波速度[32]。脉搏波传播过程中会引起血管直径的变化，血管壁中的众多散射子在超声图像以及超声射频信号中形成的散斑会发生相应的运动，采用基于互相关分析的散斑跟踪方法，对原始的超声射频信号进行处理，可以计算出血管壁的位移分布。从不同位置的血管壁运动曲线，可以检测出曲线之间的延时，代表了脉搏波传播的时间(Δt)，通过超声图像测量传播距离(Δx)，从而计算出PWV。其优点在于脉搏波成像在获得PWV测值的同时还可以从不同时刻的血管壁位移分布，可以观察到脉搏波的传播过程，实现脉搏波在血管中传播过程的可视化，得到脉搏波在血管中的传播模式，提供更加丰富的关于血管弹性的信息[32]。

近年来，部分研究将脉搏波成像与超高速超声成像相结合，克服了现有脉搏波成像技术采集时间过长或者空间分辨率不足的缺点，并提高了时间分辨率，提出了具有高时间分辨率及空间分辨率、实时采集的超高速脉搏波成像这一新方法，提高了局部血管脉搏波速度测量的稳定性[33]。在临床意义方面，部分研究已初步验证了脉搏波成像无创测量颈动脉及升主动脉PWV的可行性[34-35]及对腹主动脉瘤、颈动脉粥样硬化斑块及高血压评估方面的应用价值[35，36]。脉搏波成像技术有望成为心血管疾病诊断和风险评价的重要临床工具。

6 展望

心血管疾病是我国疾病的头号杀手，有效预防和治疗心血管疾病对人类健康意义重大，而血管弹性评估对于心血管疾病诊断具有重要的临床价值。PWV因其使用的安全性、广泛性、可操作性以及无创性等优点，在大动脉弹性的评价中有着重要的地位，被认为是能准确反映动脉弹性的重要指标，是评价动脉弹性的金标准，在临床中得到了广泛应用。目前，PWV的测量已由传统的全程测量向局部测量发展，超高速成像及脉搏波成像技术在测量PWV有很好的稳定性。未来，PWV检测在心血管疾病的预防及治疗中将会发挥重要作用。

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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

国家自然科学基金(81541132)“超高速超声与脉搏波成像对高血压动脉力学属性改变的研究”

①首都医科大学附属北京友谊医院超声科 北京 100050

*通讯作者：qianlinxue2002@163.com

宿愿，女，(1991- )，硕士，医师。首都医科大学附属北京友谊医院超声科，从事超声诊断工作。