连续静脉-动脉多普勒超声监测在容量负荷试验期间的应用

摘要

Frank-Starling-Sarnoff 曲线在临床上具有重要意义，描述了心脏前负荷与心输出量之间的关系。本报告介绍了一种新颖的方法，即同时采用颈静脉和颈动脉多普勒血流速度测定，分别作为心脏前负荷和心输出量的瞬时替代指标；该方法得益于无线可穿戴式多普勒超声技术。

摘要

负荷前挑战（PC）是一种临床操作，首先增加心脏充盈（即前负荷），其次计算心输出量的变化。从根本上说，PC 是一种在床旁评估弗兰克-斯塔林-萨诺夫（即“心脏功能”）曲线的方法。正常情况下，该曲线斜率较陡，微小的心脏前负荷变化即可引起每搏输出量（SV）或心输出量的显著改变。然而，在多种疾病状态下，该关系的斜率变平，增加心脏容量几乎不会提升每搏输出量。在这种病理情况下，额外增加心脏前负荷（例如静脉输液）可能无法产生生理效应，若发生器官充血，还可能造成损害。因此，临床推断心脏前负荷与输出量具有重要意义，可指导静脉（IV）液体复苏。据此，本方案的目标是描述一种方法，利用一种新型无线可穿戴超声设备，在经过充分验证的负荷前挑战过程中，同步监测心脏前负荷和输出量的替代指标。

引言

从根本上讲，Frank-Starling-Sarnoff 曲线描述了心脏前负荷与心输出量之间的关系^1,2,3,4。传统上，该曲线以右心房压为横坐标，心输出量或每搏输出量（SV）⁵为纵坐标进行绘制。评估该曲线的斜率在临床上具有重要意义，因为心脏充盈与输出之间的关系是动态变化的；因此，曲线的斜率可指导复苏策略的选择^1,4。具体而言，若 Frank-Starling-Sarnoff（即"心功能"）曲线的斜率较陡，则增加前负荷（例如给予静脉输液）可提升心输出量。相反，若心功能曲线的斜率较平缓，则给予静脉（IV）输液并不能增加每搏输出量²。

了解静脉输液是否能够增加每搏输出量（SV）至关重要，以便临床医生能够避免使用在生理上无效的液体治疗^4,6，换句话说，即给患者输注静脉液体后每搏输出量（SV）并未增加的情况^7,8识别这一相对常见的临床状态是通过 通过 一种前负荷刺激（PC），这是一种临床操作手法 "测试" 心功能曲线的斜率³通过快速增加心脏前负荷并测量每搏输出量（SV）的变化来实现压力-容量环（PC）。⁹与上述情况相同，静脉输液可起到占位性作用，重力操作（如将头部移至心脏水平以下，即特伦德伦堡体位）亦可起到同样作用。¹⁰ 或从半卧位转为仰卧位并抬高下肢（即被动抬腿试验）¹¹事实上，被动抬腿试验（passive leg raise, PLR）是一种在现代重症监护病房中广泛应用且经过充分验证的容量反应性预测指标（PC），专家建议在脓毒症复苏期间静脉输液前采用该方法进行评估。^4,12重要的是，建议在进行被动抬腿试验（PLR）时，临床医生应同时测量心脏前负荷（例如右心房压力的变化）和心输出量（例如每搏输出量SV的变化），以充分评估心脏功能曲线。¹³然而，前者很少被实施，因为同步测量较为繁琐，且通常需要将侵入性导管插入右心房。

近年来，超声心动图对心脏充盈和心输出量的替代评估指标越来越受到关注，尤其是在急诊科和重症监护病房^2,14。具体而言，同时评估大静脉和大动脉可分别作为心脏前负荷和心输出量的替代指标^2,15。例如，大静脉多普勒的形态学变化已被发现可反映右心房压力——这一现象在颈内静脉^16,17,18、肝静脉、门静脉¹⁹、上腔静脉²⁰、下腔静脉²¹、股静脉²²，甚至肾内静脉²³中均成立。因此，大静脉多普勒血流速度测定可作为心脏充盈的替代指标²。然而，大动脉的多普勒信号可短暂追踪心输出量的变化。例如，颈总动脉收缩期时间^24,25、血流速度^26,27,28和血流量^29,30等参数在检测每搏输出量（SV）变化方面已显示出应用潜力。

一种新型的无线可穿戴连续波多普勒超声设备，可同时对颈内静脉和颈总动脉进行超声照射，此前已有描述^{14,15,27,28,31,32,33,34,35,36}。本文展示了在临床常用的被动抬腿试验（PC）过程中使用该设备的方法。此外，描述了在被动抬腿试验期间颈内静脉和颈总动脉多普勒波形的变化，分别作为心脏前负荷和心输出量的潜在替代指标。本方案具有重要的临床意义，因为它为未来患者研究提供了实践和生理学基础。例如，住院患者（如围手术期、脓毒症、危重症患者）和门诊患者（如充血性心力衰竭、透析患者）均可通过下述方法或其改良方法进行监测。

方案

使用无线可穿戴多普勒超声系统进行前负荷挑战时，操作者应考虑若干关键步骤。本方案已获得受试者的书面知情同意；研究经北方法兰克福健康科学研究院伦理委员会审查并批准。所遵循的程序符合当地人体实验委员会的伦理标准以及1975年《赫尔辛基宣言》的规定。

1. 确定合适的患者

1. 确定一名将佩戴可穿戴多普勒超声设备的患者。确保患者保持平静且相对静止，以尽量减少评估期间（1-5 分钟）的发声和吞咽动作。
2. 将患者置于病床或推床上的半卧位或半弗勒位。具体而言，调整病床角度，使躯干与水平面成 30-45° 角。

2. 获取颈动脉和颈内静脉多普勒信号

1. 按下超声设备中心的圆形按钮，打开可穿戴多普勒超声设备。按钮周围将有蓝灯闪烁，表示设备已开启并准备与智能设备配对。
2. 在智能设备上启动专用应用程序。点击智能设备应用程序上的开始按钮。观察应用程序上显示的列表，其中列出了在物理位置上靠近该智能设备的可发现的可穿戴超声设备。将目标超声设备正面贴附的编号与应用程序列表中对应的设备匹配。点击连接，将目标超声设备与应用程序配对。
3. 通过观察设备中心按钮周围出现的白色闪烁灯光，确认目标超声设备已成功配对。在智能设备应用程序上点击确认，完成配对过程。
4. 在超声设备背面换能器楔形面的大面积表面上涂抹少量超声耦合剂。
   注：涂抹耦合剂会产生特征性的多普勒信号伪影，可在智能设备应用程序上观察到。
5. 轻敲换能器楔形面的大面积表面，以确保设备已激活并与智能设备应用程序成功连接。通过点击应用程序显示界面右上角的音量图标按钮，确保智能设备应用程序的音量已打开。
6. 让患者颈部轻微后仰，定位喉结突起，并手持超声设备，使换能器楔形面的大面积表面朝下指向患者心脏方向。将设备的楔形部分置于患者喉结突起的侧面。在智能设备应用程序上寻找音频和视觉反馈：应用程序的上部区域将显示颈动脉和颈静脉的波形频谱，下部区域则量化每个心动周期的校正血流时间（ccFT），以绿色条形图显示。
7. 将换能器面从气管定义的垂直平面开始，在患者颈部向侧面滑动，直至在智能设备应用程序上同时通过视觉和听觉检测到颈动脉多普勒频谱。
   ​注：在大多数患者中，颈动脉和颈静脉的音频与视觉多普勒频谱可在喉结外侧边界数厘米范围内被检测到。

3. 优化颈动脉和颈内静脉多普勒信号

1. 固定设备位置的同时，观察应用程序显示顶部的颈动脉多普勒频谱及其特征。良好的颈动脉多普勒信号表现为特征性的陡峭速度上升支，具有较高的信噪比以及清晰的重搏切迹，后者标志着机械收缩期的结束。当获得足够强的信号时，应用程序将自动开始追踪多普勒频谱，此时波形峰值周围会出现一条白线作为提示。
2. 保持设备位置不变，通过智能设备显示屏左上角的标尺观察速度测量值。利用自动追踪功能覆盖颈动脉最大速度区域，确保追踪结果处于典型范围内。颈动脉的收缩期峰值速度通常在 50 cm/s 至 120 cm/s 之间，舒张末期速度通常低于 20 cm/s。
3. 在观察动脉频谱上的重搏切迹时，缓慢地将超声设备横向移动数毫米，以确保能够稳定观察到清晰的速度谷值。如果重搏切迹处的速度变得难以辨认，则重复此步骤，但改为将超声设备向内侧（即朝向中线方向）移动。
4. 在对侧颈动脉重复执行步骤 3.1–3.3，以评估是否存在更清晰的重搏切迹速度信号。
5. 在双侧颈动脉均观察到清晰的重搏切迹速度后，选择将设备粘附的一侧颈部。优先选择重搏切迹速度最明显的一侧。若双侧颈部的重搏切迹速度均同样可接受，则选择颈内静脉多普勒频谱更显著的一侧。

4. 将超声设备粘附至颈部

1. 通过目视观察在颈部何处获得最佳信号，准备将设备粘附至选定的颈动脉。如有需要，可使用皮肤标记笔标出最佳放置位置。将设备从颈部抬起，并撕下超声设备上粘合剂的保护背衬。
2. 观察超声设备的换能器面，判断是否存在足量的超声耦合凝胶。如有需要，在换能器面上重新涂抹少量超声耦合凝胶。清除在信号定位过程中可能残留在颈部的多余超声耦合凝胶，以免影响设备的粘附效果。
3. 将设备放回第4.1步确定的位置，使换能器楔形面较大的一面朝下指向心脏方向。将粘合剂的翼片在颈部表面抚平。在拉紧后，撕下粘合剂尖端的保护背衬，将薄膜贴紧皮肤，以完全固定设备。在整个粘附过程中持续监测颈动脉和颈静脉频谱，确保信号未丢失。

5. 进行前负荷挑战  通过 被动抬腿试验（PLR）

1. 确保患者处于半卧位，仰卧于病床或推床上，具体位置见步骤1.2。
2. 通过点击智能设备应用程序中的重启清除应用程序数据。在智能设备应用程序中点击开始评估，以获取被动抬腿（PLR）的基线测量值。首先让患者在病床或推床上保持半卧位，静息30-60秒作为基线期。观察应用程序显示界面底部出现的标记，以确认评估已开始。
3. 准备实施被动抬腿（PLR）所需的各项措施（例如，根据需要额外安排护理人员协助）。
4. 准备就绪后，在智能设备应用程序中点击标记干预，以标记前负荷激发试验（本例中为PLR）的开始。观察应用程序显示界面底部出现的标记，以确认干预已开始。实施PLR操作：在不触碰患者身体的前提下，调整病床或推床，使躯干下降至水平位置，同时将双腿抬高至水平面上方30-45°。
   注意：操作过程中必须确保患者完全保持被动状态，避免主动参与动作。
5. 使患者保持PLR体位90-120秒。
   注意：在整个操作过程中，患者必须保持颈部完全静止，以避免改变探头表面与颈部血管之间的声束入射角度。如有需要，可手动固定患者颈部。
6. 在干预期间，观察智能设备应用程序上的颈静脉多普勒频谱；通过颈静脉血流速度的绝对值及其波形模式的变化，间接评估颈静脉压的变化。
7. 在干预期间，观察智能设备应用程序上绿色条形图的动态变化；评估前负荷激发开始前后收缩期校正血流时间（ccFT）的变化情况。智能设备应用程序会自动量化每一心动周期的ccFT，并以绿色条形图表示。
8. 干预完成后，在智能设备应用程序中点击结束评估。观察应用程序显示界面底部出现的标记，以确认评估已结束。
9. 将患者恢复至基线状态的半卧位。
10. 如需保存数据，可在智能设备应用程序中点击保存，以保存本次评估并导出数据文件（详见附加数据说明）。

6. 在完成评估后，于智能设备应用程序中观察颈动脉校正血流时间（ccFT）的变化

1. 观察应用程序右下角黄色框内显示的ccFT评估变化。
   注意：智能设备应用程序会自动量化记录的基线测量值与前负荷挑战/干预测量值之间ccFT的变化。
2. 在应用程序中点击保存，等待数据分割为以下文件：两个包含来自多普勒设备硬件的IQ和Tick数据的.txt格式文件；一个包含频谱图信息的PKL格式文件（可用于在线可视化实时采集的数据）；以及两个包含每次心动周期会话信息（如日期和时间、智能设备硬件设置、用户设置等）和实时计算结果的.json格式文件。

结果

关于在前负荷试验期间解读连续的静脉-动脉多普勒超声，一般生理反应如图1、图2、图3和图4所示。

首先，在心脏功能曲线正常且直立的患者中，心脏前负荷的轻微增加（例如通过颈静脉多普勒推断）会伴随每搏输出量的显著升高（例如通过 ccFT 增强来指示）^2,14,36；这在图1中得到了例证。在前负荷负荷试验期间，从颈静脉多普勒频谱推断颈静脉压（JVP）的变化需要进一步说明。这一生理变量通常作为心脏前负荷或充盈状态的替代指标。正常情况下，当颈静脉压低于大气压时，人体直立位时颈静脉呈塌陷状态。在多普勒频谱上，这表现为相对较高的血流速度（通常超过 50 cm/s），且搏动微弱、振幅较低（即颈静脉信号的强度或“亮度”较低）。当操作过程中颈静脉压升高时，静脉管径扩张，血流速度下降（通常降至 50 cm/s 以下），信号强度（即“亮度”）增强，波形搏动性也更加明显^2,14,36。如图1所示，静脉多普勒形态的改变表明颈静脉管径增大（即速度降低、振幅升高），并开始跟随右心房压力的波动变化。尽管未在图中显示，但随着右心房压力进一步升高，收缩晚期的“v”波可将图1中所见的单相波形分裂为收缩期的“s”速度波和舒张期的“d”速度波^2,14,36。在尚未发表的健康志愿者数据中，我们观察到颈静脉多普勒形态是区分低前负荷与高前负荷状态最准确的静脉超声测量指标。

相比之下，图2展示了一种异常反应。这种病理生理状态的一个临床实例是低血容量、静脉扩张的脓毒症患者，伴有逐渐发展的脓毒性心功能障碍^2,15,36。此类患者的静脉回流减少（导致心脏前负荷降低，即右心房压或颈静脉压降低），同时存在心功能抑制^2,15,35,36。因此，在基线状态下，该患者表现为持续性的低JVP静脉多普勒波形，在前负荷增加时波形增高（即搏动性增强），但ccFT无明显升高。这实际上描述了心脏功能曲线斜率变平。

连续静脉-动脉多普勒的结果还可提醒治疗临床医生注意被动抬腿试验（PLR）本身存在的问题。例如，在某些情况下，被动抬腿可能无法从下肢和内脏循环充分募集足够的静脉血，从而无法产生生理上有效的前负荷刺激⁴。如果不评估心脏充盈情况，这可能导致出现“假阴性”的被动抬腿结果。然而，如果临床医生观察到心室射血时间（ccFT）反应较小（作为每搏输出量的替代指标），同时静脉多普勒参数无变化（作为前负荷的替代指标），则可能提示被动抬腿无效，如图3所示。

最后，PLR 操作必须严格符合其命名本意，即在躯干下降和下肢抬高过程中，患者不应有任何主动用力¹³。这可以避免交感神经系统的激活，从而防止因肾上腺素能释放导致的心功能增强，而这种增强与静脉回流无关；然而，如图4所述，若动脉信号显示每搏输出量升高，同时静脉多普勒波形提示静脉压降低，则可能表明出现了上述不良情况。

图 1：心功能曲线斜率增加。 在一个“正常”或“预期”结果的示例中，静脉波形由高速度、低振幅、非脉动性特征，转变为低速度、高振幅、脉动性特征。此处所示的脉动性静脉波形可表现为单相波信号。与此同时，动脉多普勒波形显示心室射血时间（ccFT）较基线增加，提示心脏前负荷的增加伴随着心输出量的上升。综合这些反应表明，心功能曲线具有较陡的斜率。频谱的纵轴表示速度，单位为厘米每秒。正向速度指向大脑方向（如颈动脉），负向速度则指向心脏方向（如颈静脉血流速度）。频谱的横轴为时间。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：心功能曲线的平坦斜率。 在前负荷激发过程中，“异常”反应表现为静脉多普勒波形如上图所示发生变化，但动脉反应显示与基线相比，校正的心室射血时间（ccFT）无明显变化甚至下降，如此处所示。这种静脉与动脉表现的组合提示在前负荷增加的情况下，心功能曲线呈平坦状，甚至可能存在心功能受损。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 3：静脉多普勒无变化。 一项前负荷试验显示静脉多普勒波形无明显改变，可能提示心室充盈改变不足，因此预期动脉频谱亦无变化。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4：前负荷负荷试验中前负荷下降。 在前负荷负荷试验中，若观察到静脉血流速度升高且动脉多普勒参数显著增加，可能提示交感神经张力增强（即交感兴奋），导致心功能的改善独立于静脉回心血量的变化。这种情况可能源于“非被动”的抬腿动作，例如患者在调整体位时主动用力。请点击此处查看该图的放大版本。

图5：设备佩戴在志愿者身上的情况。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

本视觉实验的主要目的是描述一种利用无线可穿戴超声设备，在进行经过充分验证的被动抬腿试验（PC）过程中，同步监测心脏前负荷及心输出量替代指标的实验方案。其目标并非描述针对患者的特定研究方案， 本身然而，连续性静脉和动脉多普勒的描述为设计针对需要复苏（如围手术期、脓毒症）或需要减液治疗（如充血性心力衰竭、透析、无法脱离机械通气）患者的临床研究提供了实用且符合生理学基础的依据。^15,36.

本方法采用一种可穿戴的连续波多普勒超声设备，同时对一条主要静脉和动脉进行超声照射，以推断PC¹⁵期间的心脏功能。该方法的关键在于选择合适且配合良好的患者，并在整个评估过程中确保血管与换能器之间的角度变化最小。此外，必须保证清晰且稳定的二切迹切迹速度，以便持续测量收缩时间。最后，操作者需充分理解静脉多普勒波形特征及其在不同颈静脉压（JVP）范围内的变化情况，如上文代表性结果部分所述。

作为对所述方法的一种改进，替代被动抬腿试验（PLR）的方法可能包括快速静脉输液⁹、将完全仰卧的患者从水平位调整为头低15–30°（即仰卧位倾斜，Trendelenburg体位）¹⁰，或采用呼吸动作干预，例如呼气末阻断³⁴。这些方法的优势在于患者体位变动较小，且在评估过程中角度改变的风险理论上更低。通常情况下，使用可穿戴超声设备对所有被动容量负荷试验（PC）进行故障排查时，需保持颈部稳定，额外使用粘合剂以固定声束入射角度；当出现发声或吞咽伪影时，应延长评估时间，或重新放置设备，亦可添加超声耦合凝胶以优化设备与患者之间的声学耦合效果³¹。

本文所述的心血管推断方法存在一定的局限性。就颈静脉信号而言，多普勒形态学表现是颈静脉压的替代指标，而颈静脉压本身又是右心房压的替代指标^37,38,39,40。因此，仅依据静脉多普勒的变化，无法确定心脏前负荷是否增加。然而，静脉多普勒波形的形态会随着右心房压力波动而发生变化^17,18,41；这种现象不仅在颈静脉中被观察到，也在其他多条大静脉中得到证实。例如，对上腔静脉、下腔静脉以及肝静脉、门静脉、肾内静脉和股静脉的评估均可定性地估计静脉压力⁴²。更具体地说，收缩期明显的静脉流速波由右心房压力的x降支形成，而舒张期流速波则由右心房压力的y降支形成。收缩期与舒张期之间的流速最低点则是由于右心房压力的"v波"^16,17,18,42所致。

此外，虽然机械收缩期的持续时间与每搏输出量成正比，但收缩时间与每搏输出量（SV）类似，也受到心率、前负荷、后负荷和心肌收缩力的调节⁴³。尽管校正后的血流加速时间（ccFT）方程已对心率进行了校正，但ccFT作为每搏输出量替代指标的一个局限性在于，它还受到其他血流动力学因素的影响。然而，研究显示，在重症患者²⁴、进行前负荷调节操作的健康志愿者^44,45以及接受模拟中度至重度失血复苏的健康志愿者²⁷中，ccFT增加至少7 ms²⁴或增加+2%–4%可准确检测到SV升高10%。此外，ccFT已被用于在择期手术人群中准确追踪呼吸操作期间变化的SV⁴⁶。因此，在假设后负荷和心肌收缩力在一次集中的PC过程中相对恒定的情况下，ccFT的变化主要由SV的改变引起。

此外，该方法的绝对和相对禁忌证尚未完全明确，尤其是在患者中的应用。如上所述，最常见的禁忌证可能是患者无法配合（例如谵妄、发声、移动、寒战）。这对于许多现代生命体征监测设备而言均是如此，但可穿戴超声设备对发声和颈部运动尤为敏感。因此，该设备在手术室中用于气管插管并接受肌松的患者时效果极佳；目前已有研究正在招募接受择期冠状动脉旁路移植术的患者以评估该设备的应用。同一患者双侧颈动脉之间可能存在生理差异；然而，在被动抬腿（PC）范式中，由于患者自身作为对照（即干预前与干预后比较），这一问题的影响较小。因此，我们预期尽管颈部两侧（图5）可能产生略有不同的静脉和动脉多普勒信号，但在无明显单侧异常（如狭窄）的情况下，其变化趋势应保持一致。物理限制因素也可能带来问题（例如中心静脉导管、颈椎固定颈托、气管切开固定带、创伤、短颈或严重颈椎后凸畸形）。生理方面的禁忌证也需考虑，包括中重度颈动脉狭窄、主动脉瓣狭窄、心律失常以及异常呼吸模式等。然而总体而言，结合心输出量实时监测的被动抬腿试验对上述多种情况具有较强的耐受性，包括心律失常^4,11。目前该设备正在自发呼吸的急诊科患者以及手术室患者中开展研究，无法获取有效信号的患者比例将从这些数据中得出。

上述方法的重要意义在于，可穿戴式超声能够采集数分钟连续的数据，而手持式方法通常仅限于采集几个心动周期^48,49。此外，可穿戴超声设备的软件可测量动脉多普勒变异系数。基于此，系统会启动一个"智能窗口"，用于在基线状态和干预期间采集足够数量的心动周期；该统计工具可针对每次前负荷挑战定制测量精度⁴⁷。而且，由于可穿戴超声持续固定于患者身上，导致测量变异性的操作者相关人为因素^50,51风险得以降低；这一点对动脉和静脉超声检测均适用。该方法的另一重要特点是，在动态操作过程中，可同时进行静脉和动脉多普勒评估，使临床医生能够间接判断心脏前负荷；该做法已被领域专家推荐¹³，但因测量右心房压力操作繁琐而很少实施。因此，在被动抬腿试验（PC）期间连续监测动静脉多普勒信号，可在床旁更深入地评估心脏功能。尽管上述方法可用于判断静脉输液复苏的效果，但它在评估"去复苏"^15,52或预测脱离机械通气的可行性⁵³方面也具有潜力，值得在未来临床研究中进一步探索。例如，随着容量清除的进行，静脉多普勒信号中右心房压力下降的迹象可能揭示容量超负荷患者的利尿效果。此外，若患者在透析前后均接受被动抬腿试验（PLR），动脉多普勒参数的变化应能反映心脏功能的改善，这与既往报道结果一致⁵²。

在进行容量挑战（PC）期间，连续静脉-动脉多普勒监测的最佳实施方法是遵循上述方案部分中列出的六个基本步骤。一种新型的无线可穿戴多普勒超声系统通过贴附于患者体表，可在前负荷变化期间保持相对固定的声束入射角度，从而支持这一模式的应用。从根本上讲，同步、实时的静脉-动脉多普勒监测能够揭示Frank-Starling-Sarnoff关系的两个轴向，因而为心功能评估提供新的见解。这在管理急重症患者时尤为重要；通过这一新方法，可更精确地优化容量输注与容量清除的决策。尽管上述讨论主要局限于住院患者的临床应用，但在门诊患者中，该技术在充血性心力衰竭、慢性肾功能衰竭以及肺动脉高压等领域的应用前景也值得探索。因此，连续静脉-动脉多普勒监测有望在血流动力学及相关医学领域中开辟前所未有的研究路径。

材料

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