竇可建，葉繼倫,，張旭,，袁懋結，劉杰

1 深圳大學 醫(yī)學院 生物醫(yī)學工程系，深圳市，518060

2 廣東省生物醫(yī)學信號檢測與超聲成像重點實驗室，深圳市，518060

3 深圳市生物醫(yī)學重點實驗室，深圳市，518060

0 引言

目前國內(nèi)患有心血管疾病的人越來越多，據(jù)統(tǒng)計患病人數(shù)已達到2.9億。在我國居民疾病死亡率中心血管病占到了40%以上，心血管疾病在農(nóng)村死亡率達到總死亡率的45.01%，城市達到了42.61%。今后心血管患病人數(shù)還會繼續(xù)上升，心血管疾病已經(jīng)成為我國甚至全世界威脅人類健康的主要疾病[1]。心血管病變最大原因在于血管壁硬化，動脈彈性功能的下降是其早期的癥狀表現(xiàn)。決定動脈彈性的兩種因素：一是血管壁僵硬程度；二是動脈腔徑大小。動脈彈性下降會表現(xiàn)出動脈硬化[2]，動脈硬化治療最佳途徑就是及早發(fā)現(xiàn)和及時預防。隨著科學技術的不斷進步，動脈硬化的測量經(jīng)過多年積累，已驗證發(fā)現(xiàn)了多種方法。方法分為有創(chuàng)和無創(chuàng)兩種方式，其中有創(chuàng)方法有血管造影法和血管內(nèi)超聲技術。無創(chuàng)方法又分為兩大類別：直接測量法和間接測量法[3]。直接測量使用磁共振成像、CT掃描、彩色多普勒等儀器，而間接測量通過測量脈搏波的傳導速度來判斷動脈硬化程度，脈搏波主要分為兩種方式：頸-股脈搏波、臂-踝脈搏波。脈搏波主要的測量儀器是日本歐姆龍科林的VP系列，目前在全球市場占有率較高。另一種測量頸-股脈搏波傳導速度的儀器，是法國公司推出的Complior檢測系統(tǒng)。它是目前市場公認最經(jīng)典、最權威的檢測主動脈僵硬程度的產(chǎn)品[4]。無創(chuàng)測量技術有操作便利、測量準確、費用便宜等特點。國內(nèi)對于動脈硬化的研究起步較晚，近幾年才開始慢慢重視通過脈搏波的測量來計算動脈硬化的程度。國內(nèi)自主研發(fā)的設備也比較晚，這就導致了國外公司的壟斷，設備價格昂貴，所以我國急需要一款產(chǎn)品來打破國外公司的壟斷。本文旨在介紹檢測動脈硬化的技術，并總結現(xiàn)有產(chǎn)品特點，簡介一種便攜式新型動脈硬化測量系統(tǒng)，供相關人員參考。

1 有創(chuàng)脈搏波檢測的測量方法

1.1 血管造影法（DSA）

數(shù)字減影血管造影（Digital Substraction Angiography,DSA）簡稱為血管造影，是一種顯示血管的有力技術[5]。它使用影像增強器將通過人體后衰減的未造影圖像的X線信號進行增強[6]。在高分辨的成像中，對增強圖像做不同掃描，掃描根據(jù)矩陣把整個圖像劃分為許多小方塊。我們將獲得的不同的信號經(jīng)過A/D轉換為不同數(shù)值的數(shù)字信號，然后用得到的造影數(shù)字信號減去未造影的數(shù)字信號，得到不同數(shù)值的數(shù)字信號[7]，相減后把數(shù)字信號轉制成不同灰度的等級，構成圖像。DSA消除了人體的骨骼和軟組織的影響，僅留下了含有造影劑的血管影像[8]。它是診斷血管病變的金標準。DSA的優(yōu)點是診斷準確、對比度分辨率高。缺點是檢測價格昂貴、有創(chuàng)、對人體有危害等。在1980年11月，美國的威斯康星大學的Mistretta組和亞利桑納大學的Nadelman小組開發(fā)出第一臺DSA。目前，國際上最先進的診斷設備是荷蘭飛利浦FD20大平板數(shù)字減影血管造影機（DSA）[9]。

1.2 血管內(nèi)超聲技術（IVUS）

血管內(nèi)超聲（Intravenous Ultrasound，IVUS）是結合了無創(chuàng)性超聲技術與有創(chuàng)性心導管技術來診斷心血管病變的一種方法[10]。在探測心血管腔內(nèi)時，用心導管將微型化的超聲探頭插入，然后心血管斷面的形態(tài)和血流圖形就可以通過電子成像系統(tǒng)顯示，還可以顯示血管的橫截面圖像[11]，IVUS是一種有助于觀察和評價冠狀動脈血管壁結構的成像方式[12]。通過血管內(nèi)超聲技術我們可以了解血管壁的結構和血管壁病變的性質，所以IVUS被認定是新的血管檢測“金標準”。20世紀90年代就出現(xiàn)了IVUS，它的精確度十分的高，在動脈硬化早期不明顯的時候也可檢查出來，缺點是需要專業(yè)人員操作，檢測費用較高，對人體有傷害。

2 直接無創(chuàng)脈搏波檢測的測量方法

2.1 CT掃描

CT成像的原理是被檢測物體對X線的吸收差異。讓高度準直的X線束按照一定的厚度掃描受試者，然后探測器接收穿過人體的X線[13]。放大轉為電子流由A/D轉換成不同數(shù)值的數(shù)字信號，計算獲得檢測面上的X線吸收值，將它們排列成矩陣，再通過D/A轉換成灰度等級不同的圖像，這樣就獲得了檢測部位的CT圖像，它顯示的是橫切面或者冠狀面的圖像。它的發(fā)展是1971年，當時英國的工程師Hounsfield設計了第一臺顱腦CT機，經(jīng)過3年，美國的工程師Ledley研究出全身CT機。它的密度分辨率高，一次掃描可以獲得多層圖片，掃描效率高，缺點就是需要專業(yè)人員操作，定期需要進行空氣校準，維護成本高。

2.2 超聲彩色多普勒

超聲彩色多普勒通常稱之為彩超，是一種高度清晰的黑白B超上再加上彩色多普勒技術[14]。當聲源和探頭存在相對運動時，回聲的頻率會發(fā)生變化，我們稱這樣的頻率變化為頻移。彩色多普勒超聲要實現(xiàn)多普勒信號處理通常采用自相關技術，通過此技術得到血流信號，然后經(jīng)過彩色編碼實時顯示在二維圖像上，這就是彩色多普勒血流成像[15]。它與二維超聲相似，可以在檢測中提供受試者豐富的血液動力學信息，對病人無痛苦、可重復操作、顯像清晰。缺點是容易受氣體影響，對結果有干擾等，相對于CT掃描，它的清晰度和分辨率要弱一點。

2.3 磁共振成像

自20世紀80年代開始，磁共振成像技術就得到了迅速發(fā)展，是CT掃描后的一大進步。原理是受試者在一種特殊的磁場中，由于受到無線電射頻的沖激體內(nèi)的氫原子核，吸收能量，產(chǎn)生共振[16]。再等到射頻脈沖停止以后，受試者體內(nèi)的氫原子核會按照一定的頻率發(fā)出電信號，釋放開始接收的能量，接收器收到信號[17]，然后處理轉化成數(shù)值以形成圖像。磁共振成像技術是安全、快速的臨床診斷方法，對人體沒有傷害，提供的受試者信息豐富。同時它的價格昂貴，帶有心臟起搏器的患者和重病患者不能采用磁共振成像[18]。

3 間接無創(chuàng)脈搏波檢測的測量方法

3.1 頸-股脈搏波檢測

頸-股脈搏波傳導速度的檢測位置通常檢測的是主動脈，方法是選擇受試者的同一側的頸部動脈和腹股溝部動脈為檢測點，將系統(tǒng)的壓力傳感器放在兩處動脈位置來測量脈搏波的變化[19]。這種方式是檢測大動脈硬化的“金標準”。由于這兩處的位置不好確定，操作者必須專業(yè)。VAB00001是一套檢測頸-股脈搏波的動脈硬化系統(tǒng)，它由法國公司研制生產(chǎn)，其系統(tǒng)所用的探頭靈敏度高和特異性強。系統(tǒng)探頭是非侵入的，這樣就避免了給受試者的健康帶來損害。雖然操作時間長，但是全身的動脈彈性和僵硬程度都可以系統(tǒng)完整檢測出來。它是檢測大動脈功能最經(jīng)典和最權威的設備，在國際上廣泛認可。

3.2 臂-踝脈搏波檢測

臂-踝脈搏波檢測原理與頸-股脈搏波檢測原理相似，都是檢測動脈硬化僵硬程度的重要參數(shù)，檢測的部位是人體上臂的肱動脈和踝部的踝動脈。它所用的技術是示波法線性膨脹技術，在測量部位采用的是高精度雙層袖帶（Cuff）[20]，就是把高精度傳感器放置袖帶內(nèi)層，給袖帶充氣膨脹擠壓測試部位，然后開始放氣，袖帶測出壓力波，再從中提取脈搏波，同時可以測量四肢的血壓。該系統(tǒng)降低了原來測量方式的難度，優(yōu)點是操作簡單、無需專業(yè)醫(yī)務人員、對受試者沒有創(chuàng)傷。但是此系統(tǒng)測量時需要踝臂四處的袖帶充氣與放氣要同步，在記錄脈搏波的時候也需要袖帶的同步性，這樣才能使脈搏波具有同步性。系統(tǒng)增加心電參數(shù)，其目的是檢測脈搏波是否同步。因為測量受試者的時候踝臂上需要綁定袖帶，所以受試者如果穿著厚衣服會影響測量出的波形，該系統(tǒng)最大的缺陷就是不能實現(xiàn)連續(xù)的測量，每次只能進行單次的脈搏波測量。

4 便攜式動脈硬化檢測技術及裝置

4.1 檢測原理

心臟的心室射血產(chǎn)生的壓力波動沿著人體的動脈管壁傳播，主要與血管的順應性有關。脈搏波傳導速度（PWV）是壓力波動在人體動脈系統(tǒng)中給定兩點之間距離的傳導速度，它主要取決于動脈血管的彈性、管壁厚度等，脈搏波傳導速度與動脈僵硬程度密切相關。隨著人體年齡的增長，一些危險因素的影響，例如肥胖、高血壓、高血脂等，使得人體動脈血管僵硬程度增加，順應性變小，大動脈彈性貯器功能相應減弱，脈搏波被血管壁吸收較少，這樣脈搏波在動脈中的傳導速度加快。這就是測量脈搏波傳導速度和評估動脈硬化的基本原理。脈搏波傳導速度是反應動脈硬化的重要指標，脈搏波傳導速度越快，說明動脈的順應性越差，僵硬度越高。

4.2 裝置特點與進展

現(xiàn)介紹一種便攜式無創(chuàng)測量的裝置。與上文中描述的兩種無創(chuàng)測量的方式，頸-股脈搏波檢測，踝-臂脈搏波檢測相比，本系統(tǒng)只需要測量受試者的手指和腳趾的脈搏波，利用手指和腳趾兩處的脈搏波傳導速度來反應人體主動脈僵硬程度。相對于頸-股脈搏波測量，其方式復雜，測量點不易找尋，需要專業(yè)醫(yī)務人員操作，而本系統(tǒng)很好地解決了以上問題。踝-臂脈搏波測量，采用在四肢戴上袖帶，經(jīng)過充氣和放氣從壓力波中提取脈搏波，此方法需要袖帶的同步性，外加需要綁定袖帶，穿著厚衣服會影響波形，都增加了測量難度，也不可連續(xù)測量。而本裝置可以實現(xiàn)連續(xù)測量，在測量脈搏波板卡上外加一路心電，增加測量脈搏波同步性的準確度，另外在本裝置中增加了四路血壓的測量，用來計算踝臂指數(shù)，輔助脈搏波傳導速度判斷人體動脈硬化程度。由于四路脈搏波測量和一路心電集成到一塊板卡，減小了整個裝置的體積，符合便攜式的特點。本裝置目前已經(jīng)完成硬件平臺與軟件平臺搭建，下一步需要采集數(shù)據(jù)進行平臺臨床驗證。

5 結束語

本研究綜合分析了有創(chuàng)動脈硬化檢測技術和基于脈搏波的無創(chuàng)動脈硬化檢測技術，深入介紹了各種技術的優(yōu)缺點，旨在讓讀者對心血管動脈硬化檢測的不同實現(xiàn)方法有更清晰的了解與認知。最后部分簡單地介紹了一種初步提出實現(xiàn)脈搏波檢測分析裝置的原理與特點。其利用了在同一個心動周期內(nèi)，指-趾脈搏波的傳導速度結合四肢血壓檢測參數(shù)綜合分析人體動脈硬化程度。其初步實現(xiàn)了對動脈硬化的檢測與分析，并可以簡單快速判別動脈硬化并提出預防措施。進一步的應用還需深入的工程化設計和臨床實踐研究，形成完整的評測參數(shù)及應用系統(tǒng)。