激光多普勒血流探测仪小波分析早期高血压大鼠血流灌注频谱特征*

李璐含 张秋菊 仉红刚 李炳蔚 修瑞娟

高血压因其高发病率和高致死率已成为危害人类健康的主要疾病之一。高血压是多因素疾病，微循环障碍在高血压发生和发展中起着重要作用，在原发性高血压的发生与发展过程中，外周循环阻力增加是一个重要环节。通常认为血液微循环中小动脉是阻力血管的主要组成部分，总外周阻力中约有70%是由小动脉提供的，即大动脉与静脉之间血压下降的大部分过程发生在这个部位[1]。血管舒缩是微血管直径的节律性变化，并能导致血流震荡，微血管的舒缩运动有益于微血管内血液的理想分布[2]，可降低微血管对血流的阻力，保证了血液时断时续但充足的节律性供应[3]。激光多普勒血流探测仪(LDF)作为目前相对精确无创的微血管功能检测仪器，可以将激光多普勒光谱分析通过快速傅里叶变换算法(Fourier Transform Algorithm)和小波分析(Wavelet Analysis)，精确研究血流灌注信号(Spectral Characteristics of Skin Blood Flow，SFBO)情况[4]。频率谱可以对感兴趣的频率范围进行预先预定划分，对更高频或更低频的信号波进行滤波，并分析感兴趣的频率段内发生的事件。目前的文献研究仅将小波分析用于体表的皮肤血流震荡情况检测，且国内对皮肤血流灌注信号的小波分析实验主要针对病人，很少涉及无其它干扰因素和药物治疗的高血压动物模型。本实验不仅通过小波变换分析高血压大鼠耳部和趾部的体表皮肤血流震荡情况，还首次对高血压大鼠的脑部备皮暴露颅骨，并对肾进行暴露处理，探索脑部和肾表面的血流震荡情况，分析早期高血压大鼠浅表微循环和器官微循环的血流灌注频谱特征。

1 材料与方法

1.1 实验动物模型与实验分组

选用雄性8周龄、10周龄、13周龄SHR大鼠各7只作为实验组，选用雄性相同周龄WKY大鼠，每组各7只作为对照组，均购自北京维通利华实验动物有限公司。实验中和实验后处理均按照中国医学科学院北京协和医学院微循环研究所伦理委员会要求。以呼吸麻醉机用异氟烷气化后进行实时麻醉。

1.2 仪器及分析软件

LDF为英国 Moor公司产品，型号为moor VMS-LDF1-HP；仪器配套数据分析软件为 moor VMS-PC Version 3.1 for Vascular Monitor Syetem。

1.3 实验步骤

参照本课题组前期实验方法[5]，每只大鼠通过30s异氟烷高浓度诱导麻醉后转为低浓度实时麻醉，使大鼠生命体征处于稳定状态。

室温下，大鼠俯卧位，头部备皮，矢状位剪开额顶皮肤2cm，暴露颅骨前囱及左侧颅骨；大鼠左侧卧位，分别于大鼠右耳耳廓边缘近心端5mm处，右后趾背侧向心端5mm处，前囱左5mm、后3mm处放置LDF探头，连续测量其血流量2min；将大鼠转为仰卧位，腹部备皮，从腹部右下侧剪开腹部皮肤，暴露腹腔，用镊子移开大鼠胃和小肠等脏器，暴露右肾，于右肾中部外侧边缘2mm处放置LDF探头，连续测量其血流量2min。仪器配套的数据分析软件可直接输出监测2min内的血流灌注量指标数值，选取1min较平稳时段的均数进行统计学分析。

小波分析采用LDF自带的软件，SFBD通过小波转换生成一个3D图(图1)，将血管运动的输出信号在时域和频域联系起来，然后按照时间的平均值将3D图投影到二维空间中，形成一个2D图(图2)。将每个频率的振幅值量化为小波系数的绝对值，将每个分析的频率子区间的相对值量化为该子区间的绝对值与所有频率子区间的小波系数绝对值之和的比值[6]。参照文献[7，8]将0.01-5.00 Hz分为5个频段，见表1。

表1 皮肤灌注信号频率区间

图1 皮肤灌注信号的小波转换3D图

图2 皮肤灌注信号的小波转换2D图(横坐标为频率，纵坐标为小波转换后的振幅值)

1.4 统计学处理

2 结 果

2.1 两组不同周龄大鼠耳、趾、肾皮质和脑皮质血流量比较

实验组8周龄大鼠的耳、趾和肾皮质血流量均显著高于同周龄对照组大鼠(t均>2.337，P<0.05或P<0.01)；实验组10周龄大鼠脑皮质血波量高于同周龄对照组(t=2.316，P<0.05)；两组10周龄、13周龄大鼠耳、趾和肾皮质血流量差异无统计学意义(t均<2.160，P>0.05)。见表2。

表2 两组不同周龄大鼠耳、趾、肾和脑血流量比较均=7)

注：与同周龄对照组大鼠比较，1)P<0.05，2)P<0.01

2.2 两组不同周龄大鼠耳、趾、肾皮质和脑皮质不同频率区间小波系数绝对值比较

实验组和对照组大鼠耳部、趾部、脑部、肾部的不同频率区间小波系数绝对值比较结果见表3-表6。

组间比较，实验组8周龄大鼠耳部血流灌注信号在Brand1、Brand2信号区间内明显高于同龄对照组大鼠(t均>4.548，P<0.01)。实验组13周龄大鼠趾部血流灌注信号在Brand1、Brand2、Brand4、Brand5信号区间内明显高于同周龄对照组大鼠，差异有统计学意义(t均>2.309，P<0.05)。实验组8周龄大鼠肾皮质血流灌注信号在Brand1、Brand2信号区间内明显高于同龄对照组大鼠(t均>2.603，P<0.05)；实验组10周龄大鼠肾皮质血流灌注信号在Brand1信号区间内明显低于同龄对照组大鼠(t=3.199，P<0.05)；实验组13周龄大鼠肾皮质血流灌注信号在Brand2信号区间内明显低于同龄对照组大鼠(t=2.881，P<0.05)。其余结果实验组与对照组间差异均无统计学意义(t均<2.160，P>0.05)。

表3 两组不同周龄大鼠耳部不同频率区间小波系数绝对值比较均=7)

注：与同周龄对照组大鼠比较，1)P<0.01;与同组内8周龄大鼠比较，2)P<0.05，3)P<0.01

表4 两组不同周龄大鼠趾部不同频率区间小波系数绝对值比较均=7)

注：与同周龄对照组大鼠比较，1)P<0.05；与同组内8周龄大鼠比较，2)P<0.05；与同组内10周龄大鼠比较，3)P<0.05

表5 两组不同周龄大鼠肾皮质不同频率区间小波系数绝对值比较均=7)

注：与同周龄对照组大鼠比较，1)P<0.05，;与同组内8周龄大鼠比较，2)P<0.05，3)P<0.01

表6 两组不同周龄大鼠脑皮质不同频率区间小波系数绝对值比较均=7)

注：与同组内8周龄大鼠比较，1)P<0.05；与同组内10周龄大鼠比较，2)P<0.05，3)P<0.01

同组内比较，对照组：10周龄和13周龄大鼠耳部血流信号在Brand1和Brand2信号区间均高于8周龄大鼠(t均>2.755，P<0.05)。13周龄大鼠趾部血流信号在Brand1信号区间高于10周龄大鼠； 10周龄大鼠趾部血流信号在Brand5信号区间高于8周龄和13周龄大鼠(t均>2.370，P<0.05)。8周龄大鼠肾皮质血流信号在Brand1信号区间低于10周龄和13周龄大鼠；10周龄大鼠肾皮质血流信号在Brand2信号区间高于8周龄大鼠，低于13周龄大鼠(t均>2.664，P<0.05或P<0.01)。13周龄大鼠脑皮质血流信号在Brand3和Brand5信号区间低于8周龄和10周龄大鼠，在Brand4信号区间低于10周龄大鼠(t均>2.812，P<0.05或P<0.01)。

实验组：10周龄和13周龄大鼠耳部血流信号在Brand1信号区间均低于8周龄大鼠；13周龄大鼠耳部血流信号在Brand2信号区间低于8周龄大鼠(t=2.275，P<0.05)。10周龄大鼠趾部血流信号在Brand2和Brand4信号区间均低于8周龄大鼠(t均>2.209，P<0.05)。10周龄大鼠肾皮质血流信号在Brand4信号区间低于8周龄大鼠(t=3.187，P<0.05)。13周龄大鼠脑皮质血流信号在Brand2信号区间均低于8周龄和10周龄大鼠(t均>2.449，P<0.05)。

2.3 各组不同周龄大鼠耳、趾、肾皮质和脑皮质不同频率区间小波系数相对值比较

实验组与对照组大鼠耳、趾、脑皮质和肾在不同频率区间的小波系数相对值比较结果见表7-表10。相对值越高表示该频率区间内的信号占总信号的百分比越高，影响越大。可以看出在耳、趾、肾、脑四个部位的微循环的血流灌注信号中，除去呼吸(brand2)和心脏活动(brand1)的影响，内皮来源的信号(brand5)占有更大的比例。

3 讨 论

研究证实微循环功能障碍是心血管疾病形成及其靶器官损害的重要病理生理学基础，是形成心血管疾病的主要原因及加重因素[9]。有研究报道血流量随着年龄的增长而减少[8]， 但也有研究表明由于基础血管收缩张力减弱，静息时皮肤的血流灌注量会随着年龄的增加而增加[10，11]。在本研究中没有观察到皮肤血流量随周龄的增加发生明显变化，但实验组和对照组大鼠脑部的血流灌注都表现出随周龄的增加而减少的趋势。

表7 两组不同周龄大鼠耳部不同频率区间小波系数相对值比较均=7)

注：与同组内8周龄大鼠比较，1)P<0.05

表8 两组不同周龄大鼠趾部不同频率区间小波系数相对值比较均=7)

表9 两组不同周龄大鼠肾皮质不同频率区间小波系数相对值比较均=7)

注：与同组内8周龄大鼠比较，1)P<0.05；与同组内10周龄大鼠比较，2)P<0.05

表10 两组不同周龄大鼠脑皮质不同频率区间小波系数相对值比较均=7)

注：与同组内10周龄大鼠比较，1)P<0.05

之前有研究表明，高血压能导致毛细血管受损，血流灌注减少[12]。但也有研究观察到高血压患者与正常人群相比，皮肤血流量明显增高[13]。本研究的结果与此一致，也与Yuan等[6]研究结论一致，均在早期高血压大鼠中观察到了比正常大鼠更高的皮肤血流量。

小波分析结果表明对于血压升高或者年龄增加，神经活动(Brand3)和内皮来源(Brand5)引起的血流灌注信号改变较为明显。提示随着早期血压的升高，对血管壁的压力增加，交感神经活动增强，以及对内皮细胞的刺激，改变了内皮细胞的生理活动。小波分析还揭示内皮来源(Brand5)的血流灌注信号相对值高于神经活动(Brand3)和肌源性活动(Brand4)引发的信号，提示在微循环的调节中，内皮功能占据了更大的作用。

多普勒血流信号的时频分布与血流速度及其变化有密切的关系。激光多普勒血流仪实际采集的血流信号中，由于受到测量系统、信号源以及环境干扰等因素的影响，不可避免的存在噪声。由于血管血流信号有时呈混沌状态：如血管狭窄时，血流流动呈湍流状态，而混沌信号是非平稳信号，它包含许多尖峰和突变部分。对这种信号去噪，用传统的Fourier变换分析，显得无能为力[14]。小波变换属于时频域分析方式的一种，通过一种可伸缩和平移的小波(相当于变焦显微镜)对信号进行变换达到时频局部化分析的目的，常用于微弱、背景噪声强的随机信号提取和分析[15]。连续小波在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，这正符合低频信号变化缓慢， 而高频信号变化迅速的特点，在大尺度下，可以将信号的低频信息(全局)表现出来；在小尺度下，可以将信号的高频特征(局部)反映出来。正是这种特性，使小波变换对信号具有自适应性，因此小波变换优于经典的傅立叶变换和短时傅立叶变换[16]。

多功能激光多普勒血流探测仪是检测微循环的传统和经典方法，可以很好的观察动物和人体的皮肤血流灌注情况。目前对高血压动物皮肤血流灌注情况的研究分析多数还是用激光多普勒血流仪的基本血流灌注信号。本实验通过小波转换用于分析早期高血压大鼠的激光多普勒血流灌注信号，从时频分析的角度为评估高血压大鼠的微循环提供另一个方向，能更好地消除噪声影响，排除对微循环血流灌注信号影响较大的无关来源信号，如心脏活动和呼吸活动来源的信号，更好的关注高血压早期发展中引起微循环状态改变的体内调节因素，为后续研究高血压对微循环的影响提供了方向。