皮肤微血管调节功能无创检测技术进展

唐元梁，李桂香，姚立平，谭仲威，雷鹏

广东省科学院生物与医学工程研究所 医学工程研究室，广东 广州 510000

引言

随着微循环研究方法和技术的发展，微血管调节功能障碍被发现与多种心血管疾病、老年病的发展相关。多种不同的生理通路与机制参与了微血管的局部调节活动，包括内皮调节、神经性调节、肌源性调节等，其中内皮调节功能障碍在血管结构改变前就参与了血管的损伤进展[1]，是心血管疾病的独立危险因素。在传统危险因素基础上加入微血管调节功能评估可以对心血管疾病高风险人群进行更及时、精准的评估，进而可以通过提前的干预和治疗逆转血管病变。

微血管调节功能障碍的发生是全身广泛性存在的，如冠状动脉微血管功能受损的患者也有外周微血管功能的受损；另外人体皮肤裸露在外，皮肤的血流量变化容易进行测量，是非常适合进行微血管调节功能检测的部位，因此，皮肤微血管调节功能评估可作为检测人体其他部位微血管调节功能的替代方法[2]。反应性充血测试结合皮肤血流量（或其替代指标）监测技术是最常用的皮肤微血管功能无创检测方法，目前已发展出了多种不同的实现方案。由于不同反应性测试方法背后的生理通路也不尽相同，且测试部位和信号检测机制差异明显，已有技术方案所能反映出的皮肤微血管功能信息有较大差异。本综述将首先按照反应性充血诱导方式对已有的皮肤微血管功能检测方法进行分类，并分析参与调节的生理通路情况；然后介绍常用的皮肤血流量监测手段，特别是已应用于皮肤微血管功能检测的几种光学技术；最后对临床专用的几款皮肤微血管功能测试仪器的研发与科研、临床应用情况进行比较，以期进一步梳理目前该领域相关技术的现状与发展趋势，提高相关从业者和普通大众对皮肤微血管功能病变检测的重视程度。

1 反应性充血测试

反应性充血测试通过介入刺激因素使血管产生收缩/舒张调节响应，是目前常用的外周动脉及皮肤微血管功能无创检测手段。从诱导方式角度分析，反应性充血测试可分为机械刺激（束臂或局部压力）、温度刺激（局部加热或冷却）、电刺激等方法。如表1所示，这些反应性充血测试方式的可操作性有所差异，同时其反映的生理调节通路也不尽相同。

表1 常用的反应性充血测试方式比较

1.1 血流阻断后反应性充血

血流阻断后反应性充血（Post-Occlusion Reactive Hyperaemia，PORH）测试是通过在上臂放置一个可充气袖套，记录在静息、袖套充气以及袖带放气后前臂或手指的皮肤血流量（或其替代指标）的变化来进行的。袖套充气后压力高于测试者收缩压30～50 mmHg，持续时间约5 min。PORH测试过程中，袖套充气会造成肱动脉闭塞和下游组织缺血，一旦袖套放气，代偿性增加的血流量往往会超出正常血流量水平，一般情况下血管越健康，充血反应越强。PORH测试过程中皮肤血流量的典型变化如图1所示，可以用来量化血管反应性调节功能的参数包括绝对峰值血流量、相对峰值血流量（绝对峰值-基线值）、充血曲线下面积等。测试位置除上肢外，也可用下肢进行外周血管功能测试（此时袖套放置在大腿中部并在小腿上记录血流量的变化）。

图1 PORH测试过程中皮肤血流量的典型变化曲线

在生理学上，PORH测试过程不仅会引起肱动脉（或下肢动脉）血流阻断、再灌注，也会引起末梢微血管发生缺血性反应，在末梢（如指尖等）皮肤检测到的血流变化信号受上游动脉和末梢微血管血流调节功能的共同影响[3]。因此从本质上，PORH测试是一种检测血管整体调节功能的方法[4]，而非皮肤微血管调节功能的针对性测试方法。

已有研究表明，有多种生理因素参与PORH调节，主要包括局部感觉神经、花生四烯酸的细胞色素（Cytochrome P450，CYP）代谢产物[5-7]。其中，局部感觉神经通过轴突反射参与调节，主要影响PORH充血峰值与整体血流的变化趋势；CYP代谢产物作用于内皮细胞，可使细胞内游离钙浓度升高，合成并释放EDHF，该信号通路主要影响PORH过程中皮肤血流量的变化趋势。此外，内皮源性NO、前列腺素是否参与PORH过程目前尚有争议[2]。

1.2 局部热充血

局部热充血（Local Heating Hyperemia，LTH）测试通常将人体皮肤加热至42～44℃，一般热刺激时间在30 min左右。该热刺激在不会造成人体热疼痛的条件下，诱发皮肤血流量产生双相的上升调节响应。如图2所示，皮肤施加热刺激后在几分钟内会出现第一个血流峰值，该血流峰值主要依赖局部感觉神经轴突反射[8]，位于感觉神经的瞬时受体电位通道参与该轴突反射[9]。该峰值过后，皮肤血流量会出现短暂的下降，然后二次上升并逐渐达到稳定水平。皮肤血流量的二次上升主要依赖血管内皮调节机制，其中NO介导的血管舒张调节为主要因素，此外EDHF通路也参与该阶段的血流上调。Brunt等[10]的研究显示，联合阻断NO和EDHF通路会使LTH测试过程中皮肤二次充血期几乎完全消除，表明这两个通路具有协同效应。综上，LTH测试可用于神经血管性和内皮依赖性的皮肤微血管调节功能评价。

图2 LTH测试过程皮肤血流量的典型双相变化曲线

1.3 局部冷刺激

常用的皮肤局部冷刺激（Local Cooling，LC）方法包括将手或手指浸入冷水中、冷敷或使用低温二氧化碳吹气等。皮肤局部降温会诱发皮肤血流量的三相变化响应。如图3所示，冷刺激初期会引起皮肤微血管收缩与血流量减少，随后出现短暂的充血期[11]，最后是长时间的血管收缩期。与LTH测试相比，LC测试过程中血管扩张充血期较短暂，冷却速率是研究皮肤微血管对LC响应需要考虑的重要因素。在LC诱发的皮肤血流量的三相变化中，初期微血管收缩与血流量减少主要与去甲肾上腺素有关；随后出现的短暂充血期可能主要是由感觉神经介导的；最后持续的血管收缩期则可能涉及Rho激酶和内皮源性NO调节通路的抑制[12]。

图3 LC测试过程皮肤血流量的典型三相变化曲线

1.4 其他的皮肤微血管反应性测试方法

对健康人体皮肤施加一定的非伤害性局部压力可引起持续的血管舒张和充血反应，称为压力刺激诱导血管舒张（Pressure Induced Vasodilation，PIV）。PIV反应能保护组织免受因外部压力而引起的缺血性损伤（如溃疡等）影响，且不会产生类似PORH测试的疼痛不适感[13]。神经内皮功能在该调节反应中起主要作用。Fromy等[14]的研究证实了酸敏离子通道3 （Acid-Sensing Ion Channel 3，Asic3）作为PIV调节的神经元传感器参与其中。Asic3的激活导致降钙素基因相关肽（Calcitonin Gene Related Peptide，CGRP）释放，刺激内皮NO合酶。在老年人群和糖尿病患者中已发现PIV反应易受损。离子导入是一种利用低强度电流转移带电分子的非侵入性透皮给药方法。目前广泛用于评估皮肤微血管内皮依赖性或其他机制导致的充血反应性测试的导入离子主要包括乙酰胆碱和硝普钠。乙酰胆碱离子导入诱导的皮肤微血管扩张依赖环氧酶通路，是一种非内皮依赖性的反应性测试方法，其可诱导轴突反射介导的血管舒张充血反应。在温和、非伤害性的电流刺激下皮肤血流量会增加，称为电流刺激诱导血管舒张（Current-Induced Vasodilation，CIV）。研究表明CIV可能是由轴突反射触发的。

2 皮肤血流量监测技术

皮肤血流量指单位时间内通过单位质量皮肤组织的血液体积。基于反应性充血测试的皮肤微血管功能评价，其关键点是获取充血反应前、后皮肤血流量的相对变化，而无须精确测量皮肤血流量的绝对值。激光多普勒、激光散斑对比成像等技术常用于测量反应性充血测试过程中皮肤血流量的相对变化，其特点分别如表2所示。

表2 基于激光多普勒和激光散斑对比成像技术的皮肤血流量监测比较

2.1 激光多普勒技术

激光多普勒技术可测量由移动的红细胞引起的相干单色光散射所产生的多普勒频移，其信号可量化为红细胞平均速度和浓度的乘积，与真实血流量呈线性关系[15]。目前有两种采用激光多普勒技术的血流检测装置：激光多普勒血流仪（Laser Doppler Flowmetery，LDF）和激光多普勒成像（Laser Doppler Imaging，LDI）设备。单点LDF由一根发射和接收光纤组成，主要用于评估小范围皮肤血流量的快速变化，但由于皮肤血液灌注的空间异质性，单点LDF的重现性相对较差；LDI的激光束不与皮肤接触，而是在皮肤表面上方一定距离处发射，并对感兴趣区域进行逐步扫描成像，能够提供描绘皮肤血液灌注的2D图像。与LDF相比，LDI的空间可变性降低，但成像速度要慢得多，因而难以捕捉到各反应性测试中皮肤血流量的快速变化。随着电子技术的发展，可穿戴式LDF[16]使皮肤血流量日常监测成为可能。

2.2 激光散斑对比成像技术

激光照射到哑光物体表面时会产生高对比度的颗粒状图案，称为散斑图案。运动粒子使散斑图案发生波动，对比度随着散射体速度的增加而减小。激光散斑对比成像技术（Laser Speckle Contrast Imaging，LSCI）是一种基于散斑对比度降低分析的新型非接触皮肤血流测量技术，可以在较宽的区域、以较高的频率评估皮肤血液灌注情况[17]。因此，LSCI结合了LDF和LDI的优点，具有良好的时间和空间分辨率。Thompson等[18]的研究表明，LSCI提供的灌注指数与红细胞的浓度和平均速度成正比。作为一种相对较新的皮肤血流测量技术[19]，LSCI在皮肤微血管调节功能评价、皮肤烧伤评估等领域已有大量的研究应用。

2.3 用于反应性充血测试的其他监测技术

除血流量监测外，利用光学、声学、热学、机械等原理也可实现血管反应性充血变化的直接或间接测量，如体积描记术、光学体积描记术、成像光学体积描记术[20]、超声等。不过体积描记类技术测量的是由血容量变化引起的肢体尺寸、体积的变化，因此只能提供对整个肢体血流量的估计；超声一般用于外周动脉（如肱动脉）在充血前、后的管径变化测量。多光谱成像是一种新的、无创的持续测量血氧和微循环灌注的方法[21]，目前其在反应性充血测试中的应用还较少，需进一步开展验证工作。

3 用于皮肤微血管功能检测的专用设备

LDF、LSCI等均为通用的皮肤血流量监测设备，需结合特定的模块实现各类反应性充血的测试，如LDF需使用内置金属加热器的探头开展LTH测试、用定制元件[22]开展LC测试、佩戴可充气袖套实施PORH测试等。专用的血管功能检测设备将反应性刺激模块、信号检测模块、信号分析模块等结合起来，系统集成化程度高，操作处理流程规范，因而更便于临床应用。目前国内外已有多款基于PORH方案的血管功能测试仪（图4）研发成功并进行了临床应用，而其他的反应性充血方法仍缺乏专用的设备。

图4 国外血管功能测试专用设备

3.1 UNEX EF 38G

日本OMRON公司推出的UNEX EF 38G采用高分辨率超声探头，能自动捕捉血管内径的实时变化，可对肱动脉血流介导的舒张功能（Flow Mediated Vasodilation，FMD）进行测定。FMD被认为是评估血管内皮功能障碍的独立预测因子，并且已被列入多个指南和共识。UNEX EF 38 G已通过美国FDA、欧盟CE等认证，并有超过400多篇国际学术论文使用该设备进行科学研究，其中包括了大量2型糖尿病患者、高血压患者的临床横断面研究以及心血管危险因素的队列研究等。本质上UNEX EF 38G的测量对象是外周动脉，由于血管调节功能障碍的全身广泛性特征，其可以间接反映皮肤微血管调节功能的状况。

3.2 EndoPAT

以色列Itamar Medical公司的EndoPAT利用外周动脉张力测定（Peripheral Arterial Tone，PAT）技术，记录PORH测试过程中由于皮肤血流量变化导致的皮肤微血管张力的改变。EndoPAT采用双臂同步记录数据的模式，可以有效排除环境等干扰因素的影响，确保得出的反应性充血指数（Reactivity Hyperemia Index，RHI）值更准确。EndoPAT操作简单，不依赖资深技术人员，指尖PAT信号的采集及分析都是自动化实现的，非常适合患者跟进评估及多中心研究使用。目前EndoPAT已通过了美国FDA、中国NMPA、欧洲CE、日本SHONIN的认证，被Framingham心脏研究中心等多家权威机构认定其结果准确可靠。目前该设备已在全球60多个国家、1200多个顶级临床和科研机构应用。2012年EndoPAT开始引入国内，其国内用户包括首都医科大学宣武医院、中山大学第一附属医院、北京朝阳医院、中国航天员训练中心等多家机构。

3.3 VENDYS

美国Endothelix公司的VENDYS利用指尖热监测（Digital Thermal Monitoring，DTM）技术进行外周皮肤微血管功能测试。DTM技术记录了PORH测试过程中指尖温度的变化，计算出充血后指尖温度峰值与基准值的温差（Temperature Rebound，TR），通过TR值大小可以判断测试者是否有患心血管疾病的风险。目前VENDYS已获得FDA认证，但尚未在国内上市。

3.4 国产仪器设备的发展

目前国产血管功能检测仪器相对较少，NMPA官网可查询到两款已注册器械：湖南心健医疗科技有限公司的Vasgnor、上海中嘉衡泰医疗科技有限公司的EF5000。这两款设备均需与血压计配合使用，通过测量PORH过程中外周血管张力的变化来实现无创评估血管功能障碍。广东省科学院健康医学研究所基于DTM技术成功研发了一款血管内皮功能评价设备NERC-Endo-Ⅰ[23]，该设备同时还具有血压测量和血管缺血耐受性训练的功能。

针对目前PORH方案以外的反应性充血测试方法缺乏专用设备的问题，作者团队基于LTH诱导充血方案、血流热效应原理以及信号时频分析技术，设计研发了一款新型的无创血管功能测试仪[24]，该仪器可实现热刺激条件下血管调节功能状态的多参数量化评价。Kvernmo等[25]和Carlson等[26]的研究表明，在局部血流调节机制作用下皮肤血流量呈现类周期性波动，且调节活动与信号波动周期存在如下对应关系：非NO介导内皮调节（105～200 s）、NO介导内皮调节（50～105 s）、神经调节（20～50 s）、肌源性调节（7～20 s）。通过记录LTH测试过程中指尖温度的变化并利用时频分析技术进行信号滤波，可以更有针对性地对皮肤微血管的肌源性、神经和内皮调节功能状态分别进行评价。目前该仪器样机、配套软件已开发完成，正开展相关的临床测试工作。国产血管功能测试专用设备如图5所示。

图5 国产血管功能测试专用设备

4 总结与展望

本文从反应性充血诱导方式、皮肤血流量监测技术和专用设备发展及应用情况等方面对皮肤微血管调节功能的无创检测技术进行了综述。从生理上看，不同的反应性测试引起充血反应的血管位置以及所反映的调节机制有较大差异，且不同血管间、不同调节机制间的协同或拮抗作用仍未完全理清，这是进行皮肤微血管调节功能准确评价所面临的一个棘手问题。PORH方案可操作性较好，目前已有多款专用的仪器设备来实现该测试，但检测到的信号受上游动脉和末梢微血管调节功能的共同影响，且局部感觉神经、内皮调节等均参与PORH反应，如何区分上游动脉和末梢微血管的调节功能、揭示调节机制间的相互作用仍是亟需解决的重要科学问题。除PORH外，PIV、LC等充血诱导方案缺乏规范化的操作和专用的设备，目前仍需结合血流检测仪和定制模块单元完成测试。对这些测试方案和设备进行规范和标准化处理，是突破其临床推广使用障碍的关键。

综上所述，虽然我国心血管病及相关慢病的防治工作已取得初步成效，但仍面临严峻挑战。相较于高血压、冠心病、动脉粥样硬化等心血管和外周血管疾病，皮肤微血管调节功能障碍并不为大众所熟知。因此，加强大众对皮肤微血管功能检测的重视程度仍有大量工作需要做。另一方面，进一步革新皮肤微血管功能检测手段仍有很多关键技术需要突破，这对于该领域相对落后的国产医疗器械来讲既是挑战，也是一次弯道超车的机遇。