采用超声指端动脉容积测量的内皮功能检测

梁志强，安蒙蒙，毛 涛，郑 政，卜朝晖

（上海理工大学生物医学工程研究所，上海 200093）

0 引言

心血管疾病的患病率及死亡率远超其他疾病。研究发现，血管内皮功能紊乱与大多数心血管疾病的发生、发展及预后存在密切联系，因此有效的血管内皮功能检测方法对心血管疾病预防与治疗有着重要意义［1-4］。

血管内皮功能检测主要包括有创式与无创式检测两大类。前者是血管内皮功能评估的“金标准”，利用冠脉造影的方法实现对血管内皮功能的检测，但其具有侵入性、耗时长及费用高等缺陷，在实际应用中受到限制；后者因具备非侵入性、费用低及便于重复测量等优点，受到临床的普遍认可与重视［5-6］。

1 相关研究

临床上投入使用的无创式血管内皮功能检测设备均基于血流介导血管扩张（flow-Mediated Dilation，FMD）原理：通过对袖带加压阻断肱动脉血流，数分钟后快速释压，导致血流对血管内皮产生较高的血流切应力，从而刺激血管内皮细胞释放NO 以促使血管舒张。通过测量动脉阻断前后血管管径或容积变化，即可评价血管内皮细胞功能［7-8］。FMD 是评估内皮功能障碍的独立预测因子，已被列入心血管疾病诊断指南［9］。

目前，已在临床上投入使用的无创式血管内皮功能检测设备分为以下两种：

（1）Itamar 公司的Endo-PAT，通过对指端动脉张力的测量间接反映指端动脉容积变化，利用该方法可评估指端毛细血管床的内皮功能，反映血管微循环情况。美国MAYO 医学中心曾将该诊断系统与有创冠脉造影法作过对比，验证了Endo-PAT 的敏感性与特异性分别达到82%和77%［10-11］。

（2）Omron 公司的UNEX EF，其使用专门设计的“工”字型超声探头阵列，为准确测量肱动脉阻断前后的管径变化，需要同时结合B 超测量和A 超测量。该方法对操作者的依赖度较高，可能影响测量结果的可重复性及可靠性。另外，该方法评估的是中型动脉血管内皮功能，不能直接反映更有临床价值的血管微循环情况［12］。

然而，以上两种设备成本高、操作复杂、费用昂贵，仅适合于大医院和医学研究机构使用，而不适合于基层医疗机构和家庭，因而不利于心血管疾病防治。

本文针对目前在临床中使用的血管内皮功能检测设备在技术和应用中存在的不足，提出一种新的血管内皮功能检测方法。该方法结合FMD 原理，利用超声波直接测量指端动脉容积和血流量变化，进而评估指端毛细血管床的内皮功能，反映血管微循环情况。由于被测者手指的随机抖动会改变超声探头与指腹之间距离，并使超声探头发射方向与指腹间的夹角发生改变，另外手指中的微小组织也会引起超声的随机散射。因此，为准确测量指端动脉容积变化，消除各种干扰对测量的影响，本文专门设计了一个指套式超声传感器，能够减少患者手指抖动的干扰，并提出血管内皮功能评价指标。该检测系统具有操作简便、功耗低、成本低、便于携带等优点，适合于基层医疗机构和家庭使用。

本文提出的方法创新点如下：①首次提出将超声指端动脉容积测量与FMD 原理相结合的指端毛细血管床内皮功能检测方法；②首次将超声用于指端动脉容积变化测量，可直接反映肱动脉阻断前后指端动脉容积和血流量变化，是一种无创、准确、稳定可靠的内皮功能检测方法；③通过设计一个指套式超声传感器，减少了患者手指抖动的干扰，提高了超声回波信号的稳定性；④提出求取固定时间段内测量得到的多次超声回波数据的二维能量谱，并在超声探头中心频率与脉率相交汇的频率区域内进行谱峰搜索的算法，极大地消除了各种干扰对测量的影响；⑤根据不同时间段内指端动脉容积大小随时间的变化情况，提出血管内皮功能评价指标，利用该指标评估指端毛细血管床的内皮功能。

2 血管内皮功能检测方法

2.1 超声指端动脉容积测量原理

超声指端动脉容积测量是对动脉容积变化直接进行测量，可直接反映肱动脉阻断前后指端动脉容积和血流量变化。指端的各种软组织（包括毛细血管床、肌肉组织等）、骨骼以及组织与组织之间的体液，都有其特定的声阻抗特性和衰减特性，具体表现为超声回波信号中各反射波幅值及相位上的差异［13］。

超声波垂直射入指腹后，接收到的回波信号如图1 所示。区域A、B 为超声波在指腹界面与指骨界面因反射作用而产生的两个明显的回波信号。其中，指骨界面的超声回波信号幅值更大，因为骨骼与邻近软组织的声阻抗特性差异极大，超声波在这两种组织界面几乎全部被反射［14］。

Fig.1 Fingertip ultrasonic echo signal图1 指端超声回波信号

指端存在丰富的毛细血管，其毛细血管床的容积会随着心动周期有规律地增大或减小。毛细血管床的容积变化直接体现为A、B 两个回波信号之间相位的改变，因此通过准确测量A、B 两个超声回波信号之间相位的变化，可直接反映指端血管动脉容积的改变情况。

2.2 指端毛细血管床内皮功能测量

本文首次提出将超声指端动脉容积测量与FMD 原理相结合的指端毛细血管床内皮功能检测方法，指端毛细血管床内皮功能测量步骤如下：①在静息状态下，采集3～5min 的指端超声回波信号；②通过标准血压袖带对所测指端侧的肱动脉加压至200mmHg，阻断肱动脉血流5min 左右，同时采集指端超声回波信号；③袖带快速释压，并持续采集3～5min 的指端超声回波信号，直至恢复静息状态［15］。

2.3 血管内皮功能检测实验系统

指端动脉容积的变化是人体心脏搏动的结果，人体正常脉率范围为0.83～1.58Hz［16］。系统采用中心频率为10MHz 的超声换能器，设置超声换能器发射频率为100Hz，超声回波信号采样频率为100MHz。

血管内皮功能检测实验系统框图如图2 所示，通过激励波形发生模块产生一个频率为100Hz、占空比为0.001%的周期性激励脉冲信号，触发指套式超声传感器模块，驱动换能器周期性地向指端发射超声波信号，同时接收回波信号。将超声回波信号通过射频放大模块进行放大，再送入A/D 模块进行采集，每次发射与接收均以100MSPS 的采样速率采集4 000 个点，随后在数字信号处理（Digital Sig⁃nal Processing，DSP）模块中进行算法处理与血管内皮功能评价指标计算，完成对血管内皮功能的评价。

Fig.2 Block diagram of experimental system for detection of vascular endothelial function图2 血管内皮功能检测实验系统框图

2.4 指套式超声传感器模块

受试者手指的抖动会改变超声探头与指腹之间距离，并使超声探头发射方向与指腹间的夹角发生改变，这些都会对测量造成很大干扰。本文设计了一种指套式超声传感器（见图3），可减少患者手指抖动的干扰，提高超声回波信号的稳定性。在实验过程中，传感器被嵌套在受试者指腹正上方，保证换能器与指端维持相对静止状态。

Fig.3 Principle of finger sleeve ultrasonic sensor图3 指套式超声传感器原理

其中，1 为超声换能器，中心频率为10MHz，用于发射超声脉冲信号，同时接收超声回波信号；2 为耦合剂，作为超声波传导介质；3 为指套，用于固定手指，保持指端与超声换能器的相对静止，提高超声回波信号的稳定性。指套式超声传感器实物图如图4 所示［17］。

Fig.4 Finger sleeve ultrasonic sensor图4 指套式超声传感器

3 由FMD 引起指端动脉容积变化的测量算法

为测量由FMD 引起的指端动脉容积变化，同时消除各种干扰（如：被测者手指抖动以及手指中微小组织造成的随机散射等）对测量结果的影响，本文提出求取固定时间段内测量得到的多次超声回波数据的二维能量谱［18-20］，并在超声探头中心频率与脉率相交汇的频率区域内进行谱峰搜索的算法，极大地消除了各种干扰对测量的影响。算法流程如图5 所示。

Fig.5 Flow of fingertip artery volume measurement algorithm图5 指端动脉容积测量算法流程

首先将一个固定时间段内（包含两个以上心动周期，本文取5s 时间段）测量得到的多次超声回波数据排列成一个二维矩阵，然后对其进行2-D DFT，再对2-D DFT 的结果进行平方，得到这段时间内超声回波信号矩阵的二维能量谱，如图6 所示。随后在超声探头中心频率（10MHz）与脉率（0.83～1.58Hz）相交汇的频率附近搜索二维能量谱峰值，该峰值与指端动脉容积大小呈正相关，直接反映了该段时间内指端动脉容积大小。重复上述过程，依次测量接下来每个固定时间段内（5s）指端动脉容积大小，最后得到12min 内由FMD 引起的指端动脉容积变化曲线。

Fig.6 Two-dimensional energy spectrum of ultrasonic echo signal图6 超声回波信号二维能量谱

本文根据由FMD 引起的不同时间段内指端动脉容积变化情况，提出血管内皮功能评价指标。为准确计算血管内皮功能评价指标，需要对指端动脉容积信号进行包络提取与平滑处理。采用希尔伯特变换对指端动脉容积信号进行包络提取，再使用中值滤波对提取出指端动脉容积信号的包络进行平滑处理［21-22］。

4 血管内皮功能评价指标

根据FMD 的原理，袖带快速释压后，肱动脉反应性充血，刺激内皮细胞释放大量NO，使得动脉血管快速舒张，与静息状态相比，血管容积会扩张得更大。当血管内皮功能有障碍时，内皮细胞释放NO 的能力受限，血管舒张效应减弱，与静息状态相比，血管容积扩张有限。

本文根据由FMD 引起不同时间段内指端动脉的容积变化情况（见图7），提出血管内皮功能评价指标：

Fig.7 Volume change curve of fingertip artery图7 指端动脉容积变化曲线

其中，h1表示袖带加压前指端动脉容积的平均值；h2表示袖带释压后指端动脉容积的最大值。

5 实验结果与分析

5.1 指端动脉容积信号测量结果

由测量算法得到未经平滑的指端动脉容积变化曲线，如图8 所示。

Fig.8 Unsmoothed volume change curve of fingertip artery图8 未经平滑的指端动脉容积变化曲线

显然，曲线上含有许多高频分量，无法准确计算血管内皮功能评价指标。为此，对图8 所示曲线进行包络提取与平滑处理，结果如图9 所示。此时，曲线变得更加平滑，有利于准确计算出血管内皮功能评价指标。

Fig.9 Envelope after smoothing图9 平滑处理后的包络

5.2 血管内皮功能临床评价指标临床结果分析

将受试者按年龄分为两组：第一组为青年组，平均年龄24 岁，共20 人；第二组为中年组，平均年龄52 岁，共20人。选取的受试者皆为健康人群，无心血管类疾病及其他慢性病史。血管内皮功能随着年龄的增加而逐渐变差，并且与年龄呈显著负相关（r=-0.88，P<0.001）。

对两个年龄组的每位受试者进行血管内皮功能检测，得到归一化后的指端动脉容积变化典型曲线分别如图10、图11 所示。

Fig.10 The variation curve of fingertip artery volume with time in the young group图10 青年组受试者指端动脉容积随时间变化曲线

Fig.11 The variation curve of fingertip artery volume with time in the middle-aged group图11 中年组受试者指端动脉容积随时间变化曲线

分别计算两个受试组中每个受试者的血管内皮功能评价指标，并进行t检验分析，结果如表1 所示。

Table 1 Results of t-test analysis of vascular endothelial function evaluation indexes in two groups表1 两个受试组血管内皮功能评价指标t 检验分析结果

由t检验结果可知，本文提出的血管内皮功能评价指标k在两个年龄组中有显著差异（P=0.002），青年受试组的k值明显高于中年受试组，符合预期。

6 结语

本文针对目前临床使用的血管内皮功能检测设备在技术和应用中存在的不足，提出一种新的血管内皮功能检测方法。与现有临床应用的两种无创式血管内皮功能检测设备相比，Omron 公司的UNEX EF 评估的是中型动脉血管的内皮功能，不能直接反映更有临床价值的血管微循环情况，而本文将超声指端动脉容积测量与FMD 相结合，可以准确评估指端毛细血管床的内皮功能，从而反映血管微循环情况；Itamar 公司的Endo-PAT 是通过对指端动脉张力的测量间接反映指端动脉容积变化，而本文利用超声波直接测量指端动脉容积与血流量变化，因而对毛细血管内皮功能的评估更加准确。

另外，本文还提出血管内皮功能评价指标，由t检验结果可知，该指标在两个年龄受试组中有显著差异（P=0.002），青年受试组的血管内皮功能评价指标值（0.92±0.20）明显高于中年受试组（0.47±0.30），符合预期。后续研究希望能增加样本数量并扩大样本的年龄分布范围，以对该内皮功能检测方法作出更全面的评估。