临床研究中肱动脉内皮依赖性血流介导血管舒张功能的超声评估

摘要

内皮功能障碍与多种疾病状态相关，并可预测人类不良心血管事件。血流介导的血管舒张（FMD）是一种评估内皮功能的无创超声方法。方法学选择和操作者经验可能影响结果。本文讨论了在人类研究中系统化实施FMD的方案。

摘要

血管内皮是一层覆盖在血管内表面的单层细胞，在结构和功能上均发挥重要作用。内皮细胞作为屏障，可防止白细胞黏附和聚集，并调控血浆成分的通透性。在功能上，内皮细胞影响血管张力。

内皮功能障碍是指调节血管张力、抗血栓形成、细胞增殖和有丝分裂的化学物质之间失衡的状态。它是动脉粥样硬化的第一步，与冠状动脉疾病、外周动脉疾病、心力衰竭、高血压和高脂血症密切相关。

首次证明内皮功能障碍的实验涉及乙酰胆碱的直接输注和定量冠状动脉血管造影。乙酰胆碱与内皮细胞表面的毒蕈碱受体结合，导致细胞内钙离子浓度升高，进而增加一氧化氮（NO）的生成。在内皮完整的受试者中观察到血管舒张，而在内皮受损的受试者中则出现反常的血管收缩。

存在一种无创的、体内方法，可利用高分辨率B型超声检测外周动脉的内皮功能。外周动脉的内皮功能与冠状动脉功能密切相关。该技术通过测量肢体缺血后反应性充血期间肱动脉直径变化的百分比来评估内皮功能。

这种技术被称为内皮依赖性血流介导的血管舒张（FMD），在临床研究领域具有重要价值。然而，多种生理和技术因素可能影响结果的准确性，目前已有针对该技术的规范指南发布。尽管如此，FMD的测量仍高度依赖操作者，且学习曲线较陡。本文介绍一种在上臂肱动脉上测量FMD的标准化方法，并提出若干建议以减少操作者内部的变异。

引言

人体血管内皮在体内发挥着结构和功能作用。在组织学切片中，内皮层显得很薄，由一层厚度为1-2微米的细胞构成，位于平滑肌细胞层（中膜）和较厚的结缔组织层（外膜）之上。总体而言，内皮为血液与血管平滑肌组织之间的信息交换提供了广阔的表面积。据估算，在一个70公斤重的男性体内，内皮的横截面积可达700 m²，质量为1,000-1,500克，其质量与肝脏相当¹。健康的内皮能够实现机械信号向化学信号的转导，从而维持血管的稳态。内皮功能障碍则是这些调节介质的失衡状态，是血管疾病的最初阶段，出现在动脉粥样硬化组织学证据之前。目前存在一种无创的、in vivo方法，用于定量评估人类动脉的血管舒张功能。这种方法称为内皮依赖性、血流介导的血管舒张（FMD），在临床试验中被广泛应用。

内皮细胞作为血管系统的一个结构组分，能够合成细胞外基质的多种成分，如糖胺聚糖和纤维连接蛋白²。血流的长期变化或动脉的急性损伤可能导致结构改变。在功能上，血管内皮细胞参与调节血管张力、炎症过程、抗血栓形成以及抗凝作用。内皮细胞通过内皮素介导血管收缩，而血管舒张则由一氧化氮（NO）、前列环素以及内皮源性超极化因子（EDHF）介导^3-6。

内皮功能障碍是指上述任何一种调节因子的功能受损，是动脉粥样硬化的第一步。作为一种疾病机制，它与多种临床重要疾病相关，例如冠状动脉疾病、高血压和糖尿病，这一点并不令人意外^7-11。重要的是，内皮功能障碍可在尚未确诊心血管疾病的个体中被观察到，并能预测未来心血管事件的发生^7,12,13。将内皮功能障碍的一项检测指标与弗雷明汉评分联合使用，可提供比单独任一指标更丰富的预后信息¹⁴。

评估内皮功能障碍的指标可能涉及直接输注药理学试剂。例如，冠状动脉内输注乙酰胆碱并结合定量血管造影，可显示内皮完整的受试者出现血管舒张。然而，内皮受损的个体则会出现反常的血管收缩。¹⁵ 在外周动脉中，也可通过应变容积描记法测量血流，实现药理学试剂输注后的检测¹⁶。

直接作用于血管内皮并引发化学信号的物质被称为内皮依赖性血管扩张剂。例如，乙酰胆碱作用于内皮细胞表面的毒蕈碱受体，导致细胞内钙离子浓度升高，激活一氧化氮合酶，从而引起血管扩张。不通过内皮参与而影响血管扩张的物质则称为内皮非依赖性血管扩张剂。例如，硝酸甘油可激活可溶性鸟苷酸环化酶，产生环磷酸鸟苷（cGMP），后者通过调节细胞内钙离子浓度的蛋白激酶介导血管壁的血管扩张¹⁷。

Celermajer 及其同事提出了一种用于量化内皮功能障碍的无创、体内方法，称为“血流介导的、内皮依赖性血管舒张”（FMD）¹⁸。简而言之，动脉血流的变化会打开内皮细胞上的剪切应力敏感性离子通道。该信号通过第二信使级联反应进行转导，并激活内皮型一氧化氮合酶（eNOS），从而生成一氧化氮（NO）。该物质扩散通过细胞膜进入邻近的平滑肌细胞（SMC）。在平滑肌细胞内，信号被转导，降低细胞内钙离子浓度，进而引起血管舒张¹⁹。动脉管腔直径增大，导致血流量增加，符合哈根-泊肃叶方程（Hagen-Poiseuille equation）。使用一氧化氮合酶抑制剂（如单甲基精氨酸，L-NMMA）可消除 FMD 的效应²⁰。

Celermajer et al. 的开创性工作使得利用高分辨率 B 型超声评估缺血后反应性充血期间动脉直径的变化成为可能。在该技术中，受试者取仰卧位，在纵切面测量肱动脉的直径。使用血压袖带使肢体产生缺血。在释放血压袖带后，再次测量动脉直径。血流剪切应力的快速变化是介导一氧化氮（NO）依赖性血管舒张的刺激因素。一个简单的公式用于描述直径相对于基线直径的变化（公式 1）。有关该公式参数、充血及基线直径的详细讨论，见 实验步骤 和 结果 部分。

在多项研究中，FMD 百分比已被证实可预测已确诊心血管疾病患者的心血管事件^21-24。Anderson et al. 建立了肱动脉 FMD 百分比与冠状动脉 FMD 之间的相关性，表明外周测量结果与临床上更为相关的心肌缺血性改变之间存在关联²⁵。FMD 并不能反映血管的最大舒张能力。为了评估这一指标，可在同一血管上先进行 FMD 检测，随后再进行内皮依赖性、硝酸甘油介导的血管舒张检测。

影响FMD百分比测量的技术问题包括：自该技术引入以来，多项研究显示受试者内部及操作者之间的变异性较高²⁶。已知吸烟、降压药物、一天中的测量时间以及空腹状态等生理因素会影响FMD百分比。同样，技术选择如袖带相对于测量部位的位置和阻塞持续时间也被证明会影响测量结果^27,28。目前已有指南发布，描述了当前的共识，可在不同实验室之间实现技术的标准化^19,29。

尽管测量技术的共识不断发展，血流介导的血管舒张（FMD）检测仍高度依赖操作者，且学习曲线较长。例如，Corretti 建议，超声检查人员需在经验丰富的研究人员指导下完成至少 100 次扫描后，方可独立操作。为保持足够的专业水平，建议技术人员每年完成 100 次扫描。对于样本量较小且资源有限的研究人员而言，较长的学习曲线构成了入门障碍。本文将演示一种在上臂肱动脉中进行血流介导血管舒张的标准化检测方法，并提供技术建议以减少操作者内部变异。

方案

以下操作步骤是作为研究者发起的研究项目的一部分而制定的，已通过加州大学旧金山分校（UCSF）人类研究委员会（CHR）的审查和批准，所有参与者均签署了知情同意书。

1. 仪器设备

1. 使用心电图门控图像采集系统记录和分析血流介导性舒张功能（FMD）。将飞利浦HD11超声设备连接至台式电脑。
2. 通过电脑上的专用帧捕获卡连接超声设备的视频信号。
3. 将超声设备的音频信号传递至心电图门控模块，该模块对信号进行放大，并将放大后的信号传送至电脑，使图像采集软件能够在心动周期的相同时相点识别并记录图像。该信号由心电图中R波的急剧偏转产生。
4. 使用5-12 MHz线性阵列探头，以优化肱动脉深度处的分辨率。

2. 受试者准备

1. 确保受试者禁食并避免运动8小时 检查前应避免摄入咖啡因或尼古丁至少四小时。确保受试者在检查前避开影响血管张力或心输出量的药物，持续时间为该药物四个半衰期。
   注意：饮食、药物和一天中的时间可能影响实验结果。
2. 在安静、避光且温度为 21 °C 的房间内进行检查。开展纵向研究时，重复检查应固定在每天的同一时间进行。

3. 基线测量

1. 要求受试者仰卧于检查床上。以标准位置连接三导联心电图。处理任何骨科问题，确保受试者在检查期间感到舒适且避免移动。
2. 在检查开始前，让受试者休息10分钟。休息5分钟后，使用示波法无创血压监测仪测量受试者的血压。
   1. 在上臂近端或远端位置应用5 cm止血带袖带，以演示上臂技术。
   2. 将受试者手臂向外侧伸展，并保持与心脏水平一致。
   3. 根据操作者的偏好，使用桌子和枕头固定受试者的手臂。
   4. 将操作者的手臂置于不易疲劳且能为手腕提供支撑的位置。尽量减少手腕的伸展，保持前臂处于解剖学中立位。
3. 对肱动脉进行横断面扫描，从肱二头肌止点开始，向近端推进。使用彩色血流成像确认肱动脉，并定位可能作为解剖标志的侧支血管。
4. 当找到合适位置后，将探头旋转90°，使近端边缘出现在超声屏幕左侧。通过充分练习和轻柔操作，保持探头在动脉上的稳定位置。通过按压探头远端边缘附近的组织来验证方向。沿探头远端边缘在受试者皮肤上做标记。
5. 将探头的焦点设置对准肱动脉的深层（“远”）壁，以提高图像的横向分辨率。通过调整探头设置来改变轴向分辨率，较高频率可改善轴向分辨率。
6. 调整探头角度，以优化近壁和远壁的对比分辨率。微小的角度变化即可改善对比度。若对同一受试者进行系列检查，可使用简易量角器估算角度。
7. 为确保测量质量，需保证血管呈水平状态并与纵轴对齐。通过轻微调整压力（将探头一端轻压）帮助对齐动脉。总体应保持轻柔压力，以减少操作者的疲劳。
8. 当图像优化后，应能观察到两侧管壁均显示“皮尼奥利双线征”，对应于内膜-中膜厚度。调节增益以减少血管腔内的回声。两侧均应保留至少2 cm的内膜-中膜厚度（IMT）区域，以便进行准确的直径测量。

4. 基线测量

1. 使用二维多普勒模式记录基线速度。将取样门置于管腔中央，并保持60°的入射角。采集60秒的数据。

5. 闭塞阶段

1. 将袖带充气至高于受试者收缩压 50 mm Hg 的水平。使用 5 cm 宽的止血带袖带会高估收缩压。采用二维多普勒模式确认血管完全闭塞。
2. 使用计时器记录闭塞持续时间，因为许多血压袖带在 5 分钟内会缓慢漏气导致压力下降。使用二维多普勒模式确认完全闭塞。
3. 闭塞进行至 4 分 30 秒时，将二维多普勒取样门置于动脉长轴稍表浅的位置。调整垂直刻度，以适应比基线高 2–3 倍的血流速度。
4. 设置图像采集软件的记录时长为 3 分 10 秒。
5. 在释放袖带前 10 秒开始记录，以捕捉袖带释放的准确时间点，该参数在数据分析阶段测量峰值直径所需时间时至关重要。

6. 充血

1. 松开袖带。由于动脉在袖带释放后可能发生浅表移位，需在听测声音放大时对探头位置进行微调，以补偿这种移位。若动脉发生移动，应重新调整多普勒取样门和入射角。
2. 在记录血流速度30秒后，将超声切换至B模式。
3. 由于检查过程中探头常会向近端滑动，应利用血管解剖标志或受试者皮肤上的标记来确认探头位置。此阶段对获得准确结果至关重要。
4. 调整探头位置或角度，以优化两侧管壁的内中膜厚度（IMT）图像，因微小调整可显著改善成像质量。连续记录管径3分钟。
5. 若计划进行重复测量，应利用受试者皮肤上的标记记录距肘窝的距离。请受试者将手臂弯曲至90°，标记皮肤皱褶线，并测量该线与先前标记线之间的距离。

结果

血流介导的血管舒张的关键变量如表1所示。

...

变量	描述
平均流速 (cm/sec)	一个心动周期内，血管管腔中段50%部分的动脉血流平均速度，由多普勒频谱波形估算得出，与血流量成正比，与横截面积成反比（见图1）。
直径 (mm)	沿血管轴向的纵切面测量的内膜-内膜距离（见图2）。该值在基线状态和反应性充血期间分别测量。
血流量 (ml/min)	循环中液体的总体流量，通过平均流速和直径进行数学推导得出（见公式2）。

讨论

内皮功能障碍是指影响血管张力的化学介质失衡，是动脉粥样硬化发展的早期步骤。通过测量动脉的反应性可评估这些化学通路的状态。针对不同血管床，存在直接和间接两种评估反应性的方法，范围从冠状动脉循环中直接输注内皮激动剂，到无创性的指尖脉搏波形分析³⁸。

肱动脉血流介导性舒张（FMD）是一种通过高频超声间接评估内皮功能的成熟技术。在临床试验中使用FMD具有多项优势。首先，该技术为非侵入性且易于理解，有助于降低受试者招募的障碍。此外，在无症状患者中使用冠状动脉造影等侵入性技术会引发伦理问题。其次，与侵入性方法相比，FMD所需的受试者准备较少，且整个检查可在较短时间内完成。只要阻塞时间控制在指南范围内，并对受试者进行适当筛查，FMD的安全性风险极低。FMD检查相对简便，使得在纵向研究中进行系列检查成为可能，但其在评估治疗效果方面的应用仍存在争议。同样，根据现行临床指南，FMD不适用于个体心血管事件风险的评估或临床决策³⁹。分析软件的发展使得FMD数据能够快速分析、实现盲法评估和重复分析。最后，该技术已较为成熟，已有大量研究发表，便于结果之间的比较

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
飞利浦 HD 11XE 超声设备	飞利浦医疗
5-12 MHz 线阵探头	飞利浦医疗	L12-5
超声耦合剂	Parker Laboratories
血管研究工具软件 v.5.0	Medical Imaging Applications, LLC
MIA 门控模块	Medical Imaging Applications, LLC
Windows XP	微软公司
手持式无液汞血压计	Welch Allyn	DS66