动脉硬化检测方法进展及应用现状

窦可建，叶继伦,，张旭,，袁懋结，刘杰

1 深圳大学 医学院 生物医学工程系，深圳市，518060

2 广东省生物医学信号检测与超声成像重点实验室，深圳市，518060

3 深圳市生物医学重点实验室，深圳市，518060

0 引言

目前国内患有心血管疾病的人越来越多，据统计患病人数已达到2.9亿。在我国居民疾病死亡率中心血管病占到了40%以上，心血管疾病在农村死亡率达到总死亡率的45.01%，城市达到了42.61%。今后心血管患病人数还会继续上升，心血管疾病已经成为我国甚至全世界威胁人类健康的主要疾病[1]。心血管病变最大原因在于血管壁硬化，动脉弹性功能的下降是其早期的症状表现。决定动脉弹性的两种因素：一是血管壁僵硬程度；二是动脉腔径大小。动脉弹性下降会表现出动脉硬化[2]，动脉硬化治疗最佳途径就是及早发现和及时预防。随着科学技术的不断进步，动脉硬化的测量经过多年积累，已验证发现了多种方法。方法分为有创和无创两种方式，其中有创方法有血管造影法和血管内超声技术。无创方法又分为两大类别：直接测量法和间接测量法[3]。直接测量使用磁共振成像、CT扫描、彩色多普勒等仪器，而间接测量通过测量脉搏波的传导速度来判断动脉硬化程度，脉搏波主要分为两种方式：颈-股脉搏波、臂-踝脉搏波。脉搏波主要的测量仪器是日本欧姆龙科林的VP系列，目前在全球市场占有率较高。另一种测量颈-股脉搏波传导速度的仪器，是法国公司推出的Complior检测系统。它是目前市场公认最经典、最权威的检测主动脉僵硬程度的产品[4]。无创测量技术有操作便利、测量准确、费用便宜等特点。国内对于动脉硬化的研究起步较晚，近几年才开始慢慢重视通过脉搏波的测量来计算动脉硬化的程度。国内自主研发的设备也比较晚，这就导致了国外公司的垄断，设备价格昂贵，所以我国急需要一款产品来打破国外公司的垄断。本文旨在介绍检测动脉硬化的技术，并总结现有产品特点，简介一种便携式新型动脉硬化测量系统，供相关人员参考。

1 有创脉搏波检测的测量方法

1.1 血管造影法（DSA）

数字减影血管造影（Digital Substraction Angiography,DSA）简称为血管造影，是一种显示血管的有力技术[5]。它使用影像增强器将通过人体后衰减的未造影图像的X线信号进行增强[6]。在高分辨的成像中，对增强图像做不同扫描，扫描根据矩阵把整个图像划分为许多小方块。我们将获得的不同的信号经过A/D转换为不同数值的数字信号，然后用得到的造影数字信号减去未造影的数字信号，得到不同数值的数字信号[7]，相减后把数字信号转制成不同灰度的等级，构成图像。DSA消除了人体的骨骼和软组织的影响，仅留下了含有造影剂的血管影像[8]。它是诊断血管病变的金标准。DSA的优点是诊断准确、对比度分辨率高。缺点是检测价格昂贵、有创、对人体有危害等。在1980年11月，美国的威斯康星大学的Mistretta组和亚利桑纳大学的Nadelman小组开发出第一台DSA。目前，国际上最先进的诊断设备是荷兰飞利浦FD20大平板数字减影血管造影机（DSA）[9]。

1.2 血管内超声技术（IVUS）

血管内超声（Intravenous Ultrasound，IVUS）是结合了无创性超声技术与有创性心导管技术来诊断心血管病变的一种方法[10]。在探测心血管腔内时，用心导管将微型化的超声探头插入，然后心血管断面的形态和血流图形就可以通过电子成像系统显示，还可以显示血管的横截面图像[11]，IVUS是一种有助于观察和评价冠状动脉血管壁结构的成像方式[12]。通过血管内超声技术我们可以了解血管壁的结构和血管壁病变的性质，所以IVUS被认定是新的血管检测“金标准”。20世纪90年代就出现了IVUS，它的精确度十分的高，在动脉硬化早期不明显的时候也可检查出来，缺点是需要专业人员操作，检测费用较高，对人体有伤害。

2 直接无创脉搏波检测的测量方法

2.1 CT扫描

CT成像的原理是被检测物体对X线的吸收差异。让高度准直的X线束按照一定的厚度扫描受试者，然后探测器接收穿过人体的X线[13]。放大转为电子流由A/D转换成不同数值的数字信号，计算获得检测面上的X线吸收值，将它们排列成矩阵，再通过D/A转换成灰度等级不同的图像，这样就获得了检测部位的CT图像，它显示的是横切面或者冠状面的图像。它的发展是1971年，当时英国的工程师Hounsfield设计了第一台颅脑CT机，经过3年，美国的工程师Ledley研究出全身CT机。它的密度分辨率高，一次扫描可以获得多层图片，扫描效率高，缺点就是需要专业人员操作，定期需要进行空气校准，维护成本高。

2.2 超声彩色多普勒

超声彩色多普勒通常称之为彩超，是一种高度清晰的黑白B超上再加上彩色多普勒技术[14]。当声源和探头存在相对运动时，回声的频率会发生变化，我们称这样的频率变化为频移。彩色多普勒超声要实现多普勒信号处理通常采用自相关技术，通过此技术得到血流信号，然后经过彩色编码实时显示在二维图像上，这就是彩色多普勒血流成像[15]。它与二维超声相似，可以在检测中提供受试者丰富的血液动力学信息，对病人无痛苦、可重复操作、显像清晰。缺点是容易受气体影响，对结果有干扰等，相对于CT扫描，它的清晰度和分辨率要弱一点。

2.3 磁共振成像

自20世纪80年代开始，磁共振成像技术就得到了迅速发展，是CT扫描后的一大进步。原理是受试者在一种特殊的磁场中，由于受到无线电射频的冲激体内的氢原子核，吸收能量，产生共振[16]。再等到射频脉冲停止以后，受试者体内的氢原子核会按照一定的频率发出电信号，释放开始接收的能量，接收器收到信号[17]，然后处理转化成数值以形成图像。磁共振成像技术是安全、快速的临床诊断方法，对人体没有伤害，提供的受试者信息丰富。同时它的价格昂贵，带有心脏起搏器的患者和重病患者不能采用磁共振成像[18]。

3 间接无创脉搏波检测的测量方法

3.1 颈-股脉搏波检测

颈-股脉搏波传导速度的检测位置通常检测的是主动脉，方法是选择受试者的同一侧的颈部动脉和腹股沟部动脉为检测点，将系统的压力传感器放在两处动脉位置来测量脉搏波的变化[19]。这种方式是检测大动脉硬化的“金标准”。由于这两处的位置不好确定，操作者必须专业。VAB00001是一套检测颈-股脉搏波的动脉硬化系统，它由法国公司研制生产，其系统所用的探头灵敏度高和特异性强。系统探头是非侵入的，这样就避免了给受试者的健康带来损害。虽然操作时间长，但是全身的动脉弹性和僵硬程度都可以系统完整检测出来。它是检测大动脉功能最经典和最权威的设备，在国际上广泛认可。

3.2 臂-踝脉搏波检测

臂-踝脉搏波检测原理与颈-股脉搏波检测原理相似，都是检测动脉硬化僵硬程度的重要参数，检测的部位是人体上臂的肱动脉和踝部的踝动脉。它所用的技术是示波法线性膨胀技术，在测量部位采用的是高精度双层袖带（Cuff）[20]，就是把高精度传感器放置袖带内层，给袖带充气膨胀挤压测试部位，然后开始放气，袖带测出压力波，再从中提取脉搏波，同时可以测量四肢的血压。该系统降低了原来测量方式的难度，优点是操作简单、无需专业医务人员、对受试者没有创伤。但是此系统测量时需要踝臂四处的袖带充气与放气要同步，在记录脉搏波的时候也需要袖带的同步性，这样才能使脉搏波具有同步性。系统增加心电参数，其目的是检测脉搏波是否同步。因为测量受试者的时候踝臂上需要绑定袖带，所以受试者如果穿着厚衣服会影响测量出的波形，该系统最大的缺陷就是不能实现连续的测量，每次只能进行单次的脉搏波测量。

4 便携式动脉硬化检测技术及装置

4.1 检测原理

心脏的心室射血产生的压力波动沿着人体的动脉管壁传播，主要与血管的顺应性有关。脉搏波传导速度（PWV）是压力波动在人体动脉系统中给定两点之间距离的传导速度，它主要取决于动脉血管的弹性、管壁厚度等，脉搏波传导速度与动脉僵硬程度密切相关。随着人体年龄的增长，一些危险因素的影响，例如肥胖、高血压、高血脂等，使得人体动脉血管僵硬程度增加，顺应性变小，大动脉弹性贮器功能相应减弱，脉搏波被血管壁吸收较少，这样脉搏波在动脉中的传导速度加快。这就是测量脉搏波传导速度和评估动脉硬化的基本原理。脉搏波传导速度是反应动脉硬化的重要指标，脉搏波传导速度越快，说明动脉的顺应性越差，僵硬度越高。

4.2 装置特点与进展

现介绍一种便携式无创测量的装置。与上文中描述的两种无创测量的方式，颈-股脉搏波检测，踝-臂脉搏波检测相比，本系统只需要测量受试者的手指和脚趾的脉搏波，利用手指和脚趾两处的脉搏波传导速度来反应人体主动脉僵硬程度。相对于颈-股脉搏波测量，其方式复杂，测量点不易找寻，需要专业医务人员操作，而本系统很好地解决了以上问题。踝-臂脉搏波测量，采用在四肢戴上袖带，经过充气和放气从压力波中提取脉搏波，此方法需要袖带的同步性，外加需要绑定袖带，穿着厚衣服会影响波形，都增加了测量难度，也不可连续测量。而本装置可以实现连续测量，在测量脉搏波板卡上外加一路心电，增加测量脉搏波同步性的准确度，另外在本装置中增加了四路血压的测量，用来计算踝臂指数，辅助脉搏波传导速度判断人体动脉硬化程度。由于四路脉搏波测量和一路心电集成到一块板卡，减小了整个装置的体积，符合便携式的特点。本装置目前已经完成硬件平台与软件平台搭建，下一步需要采集数据进行平台临床验证。

5 结束语

本研究综合分析了有创动脉硬化检测技术和基于脉搏波的无创动脉硬化检测技术，深入介绍了各种技术的优缺点，旨在让读者对心血管动脉硬化检测的不同实现方法有更清晰的了解与认知。最后部分简单地介绍了一种初步提出实现脉搏波检测分析装置的原理与特点。其利用了在同一个心动周期内，指-趾脉搏波的传导速度结合四肢血压检测参数综合分析人体动脉硬化程度。其初步实现了对动脉硬化的检测与分析，并可以简单快速判别动脉硬化并提出预防措施。进一步的应用还需深入的工程化设计和临床实践研究，形成完整的评测参数及应用系统。