基于多普勒超声的非受控环境下单腿膝伸肌运动期间腿部血流评估

摘要

这项重测研究评估了在单腿膝关节伸展运动期间，使用多普勒超声技术测量下肢血流量的方法。研究考察了该方法在同一天内、不同天之间以及不同操作者之间的可靠性。结果表明，该方法在同一天内的重复性较高，不同天之间的可靠性可接受；然而，在静息状态及低负荷运动时，不同操作者之间的可靠性较低，无法接受。

摘要

多普勒超声已彻底改变了器官血流评估方式，被广泛应用于科研和临床领域。尽管基于多普勒超声的人体下肢肌肉收缩期血流评估较为常见，但该方法的可靠性仍需进一步研究。因此，本研究旨在探讨多普勒超声在评估静息状态及分级单腿膝关节伸展运动（0 W、6 W、12 W 和 18 W）期间下肢血流时，同日内重复测试、不同日间重复测试以及不同操作者之间的可靠性，且每次测量之间均移除超声探头。研究共纳入30名健康受试者（年龄：33 ± 9.3岁，男性/女性：14/16），他们在相隔10天的两个不同实验日到实验室进行测试。本研究未控制营养状态、一天中的时间或激素水平等主要混杂因素。在不同运动强度下，结果显示同日内重复测试具有较高的可靠性，变异系数（CV）为4.0%至4.3%；不同日间重复测试的可靠性可接受，CV为10.1%至20.2%；不同操作者之间的可靠性CV为17.9%至26.8%。因此，在难以控制多种环境因素的真实临床场景中，由同一名超声操作者实施时，多普勒超声可用于评估亚极量单腿膝关节伸肌运动期间的下肢血流，具有较高的同日内重复性和可接受的不同日间重复性。

引言

多普勒超声自20世纪80年代引入以来，已广泛用于测定收缩肌肉的血流量，特别是在单腿膝伸肌模型中，可实现小肌肉群激活期间股总动脉（CFA）血流的测量^1,2,3,4,5,6。基于多普勒超声的血流检测技术为不同人群的血管调节机制提供了重要见解，包括健康成年人^7,8、糖尿病患者⁹、高血压患者¹⁰、慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者^11,12以及心力衰竭患者^13,14。

多普勒超声的一个优势在于其相对于其他血流测定方法（如热稀释法）具有非侵入性，并且在必要时可与动脉和静脉导管插入术结合使用^3,4,6,15。此外，它还能实现逐搏血流速度测量，从而可检测快速变化¹⁶。然而，基于多普勒超声的血流测量也存在局限性，包括在接近最大运动强度下因肢体过度活动而难以获得稳定的记录，以及需要目标血管具备超声可及性，因此无法在功率自行车运动期间进行评估¹⁵。因此，单腿膝伸肌模型非常适合在次最大强度的动态运动期间利用多普勒超声评估下肢血流量¹⁷，该模型可最小化运动相关的心肺功能限制影响，并有助于健康受试者与心肺疾病患者之间的比较研究¹¹。

尽管该方法被广泛使用，但近年来尚未在较大规模人群中研究过利用多普勒超声进行单腿膝伸肌模型的日内可靠性，此前的研究仅涉及小样本量（n = 2）^3,18,19,20。

本研究旨在探讨多普勒超声在单腿膝关节伸展运动期间（0 W、6 W、12 W 和 18 W 功率下）评估下肢血流量（LBF）的（1）日内重复测试信度、（2）日间重复测试信度以及（3）不同评定者间的信度。测量在接近临床实际的情境下进行，每次测量之间将探头移除。需要特别指出的是，测量过程中未控制多种已知会影响下肢血流量的内在和外在环境因素，这可能引入变异并影响信度。考虑到多普勒超声技术和血流分析软件的进步，我们假设即使在未加控制的条件下，由同一名超声操作人员在各个运动强度下进行测量，仍可获得可接受的日内和日间重复性。

方案

该研究由丹麦首都大区区域伦理委员会（文件编号：H-21054272）进行评估，该委员会认定本研究属于质量改进研究。根据丹麦法律法规，该研究已获得哥本哈根大学医院临床生理学与核医学科内部科研与质量改进委员会的本地批准（文件编号：KF-509-22）。本研究遵循《赫尔辛基宣言》的指导原则。所有受试者在入组前均签署了书面知情同意书并提供了口头知情同意。研究纳入年龄≥18岁的男性和女性。患有外周动脉疾病、心力衰竭、神经系统或肌肉骨骼疾病（影响膝关节伸展运动能力）以及在研究开始前2周内出现任何疾病症状的个体被排除在外。

1. 受试者的准备

1. 将受试者置于单腿膝关节伸展椅上，使其背部紧靠椅背（补充图1）。让受试者穿着便于使用超声探头接触腹股沟区域的内衣。
2. 在受试者身上放置三个心电图电极（见材料表）。将电极分别置于胸壁右侧第三肋间隙、左侧第三肋间隙以及左侧第十一肋间隙，使各电极与心脏的距离相等。
3. 调整受试者腹部与大腿之间的角度至>90度。
4. 调节单膝伸展椅与飞轮之间的连接臂，使受试者能够完全伸展膝关节。
5. 将受试者的腿部牢固地绑在椅子的踏板上，以避免肢体下部肌肉参与运动。
6. 放置一把椅子或长凳以固定非活动腿。
   注意：>90度的角度被视为最小值。增大角度可使腹股沟区域更开放，便于超声探头更好地接触股动脉。当受试者存在腹部脂肪过多而可能干扰扫描时，通常采用此方法。
   不同型号和类型的单腿膝关节伸展椅增加阻力的方法各异，因此此处不作详细描述。可报告绝对强度或相对强度。若需报告相对强度，应在前一天进行力竭测试。

2. 超声设备的设置

1. 按下开机按钮。
2. 按下患者以创建用于保存检查数据的文件。将光标移至"新患者"，然后按回车键。填写"患者ID"，将光标移至"创建"，然后按Enter键（补充图2和补充图3）。
3. 按下探头，选择线性探头（9 MHz），并在探头上涂抹超声耦合剂（参见材料表）。
   ​注意：未分配"患者ID"则无法保存受试者数据。可向该文件中添加更多数据，但对完成检查而言并非必需。

3. 多普勒超声扫描

1. 用靠近受试者的手操作线性探头，并将其置于腹股沟区域。仔细寻找最适合获取下肢血流量（LBF）测量值的动脉节段，该位置位于腹股沟韧带下方，且在股总动脉分叉处上方3-4 cm的动脉直线段。
2. 将探头垂直于血管放置。按下2D按钮，获取股总动脉（CFA）的横截面图像。
3. 优化并保持增益和深度设置，确保动脉位于屏幕中央且血液呈黑色。转动 增益 顺时针旋转按钮以增加增益，逆时针旋转以降低增益。转动该按钮 深度 顺时针旋转以增加深度，逆时针旋转以减小深度。
   注意：请参见 补充图2 和 补充图3 用于按钮的定位以及 补充图4 经过增益和深度优化的超声图像。
4. 在2D模式下，按下 冷冻 一次，然后使用轨迹球滚动寻找收缩末期图像。在心电图引导下，于T波结束时停止图像以完成此操作。
5. 按压 测量 一次，并将光标移至动脉的浅层内膜层，然后按压 进入将光标移至动脉的深层内膜，然后按压 输入 以获取收缩末期的直径。该直径将显示在左上角。
6. 按压 冷冻 并将探头顺时针旋转90度，同时保持动脉位于屏幕中央，并使探头与动脉平行，以获得纵向视图。按下脉冲波按钮 PW 然后按压 测量这将在屏幕右侧显示一个下拉菜单。将光标移至 CFA 并按回车键。
7. 将光标移至 "自动" 并按压 输入. 将光标移至 "流量容积" 并按压 输入. 将光标移至 "活体，" 并按压 输入 获取轨迹，然后按压完成 测量 一次。
8. 在尽可能低的声束入射角下获取速度，并始终确保角度低于60度。转动 转向角 顺时针旋转按钮以减小，逆时针旋转以增大。转动 角度校正 按钮，以确保获取的图像中光标与动脉保持水平，如图所示 补充图4.
9. 按压 样品体积 根据动脉宽度进行调整，并避免接触动脉壁。为减小采样尺寸，请按压 左箭头. 为增加样本量，按下 右箭头.
10. 通过同步二维动脉可视化以及音视频血流速度反馈，获取血流速度曲线。确保开启声音，打开 声音 顺时针旋转按钮。
11. 在静坐休息状态下获取第一条轨迹，持续时间不少于 30 s，然后按压 图像库 两次以保存轨迹。然后指导受试者在测试期间保持每分钟60转（RPM）的节奏，仅使用股四头肌完成腿部伸展动作，并保持腘绳肌放松。整个实验过程中保持探头固定不动。
12. 指导受试者以每分钟60转（RPM）的速度在0 W功率下进行运动，仅使用股四头肌完成腿部伸展动作，并保持腘绳肌放松。在整个实验过程中保持探头固定并按压 图像库 两次以保存轨迹。
13. 增加阻力，让受试者完成至少150秒的运动后，再获取30秒的轨迹记录，然后按下 图像库 两次以保存轨迹。

4. 血流的定量分析

1. 获取所有图像后，按下Review。
2. 按下Track Ball，将光标移至所需图像位置，然后双击Enter。
3. 当所需的轨迹出现后，按下Measure ，将光标移至屏幕右侧下拉菜单中的"Flow volume"选项，然后按下Enter。
4. 将光标移至二维超声图像，按下Enter，然后拖动光标至静息状态下测得的直径位置，再次按下Enter。
5. 将Cursor Select 按钮顺时针旋转两次，通过滚动轨迹球并按下Enter，选择显示在两条垂直线之间的30秒轨迹段。
6. 通过平均血流速度（cm/s）与股动脉横截面积（cm²）的乘积计算下肢血流量（LBF），结果将显示在屏幕左上角。
   注意：在数据分析前应通过目视检查轨迹进行质量控制，排除受运动伪影或心律不齐影响的脉搏波。检查完成后，可通过将Angle Corr.按钮顺时针旋转以减小角度校正，或逆时针旋转以增大角度校正，确保光标与动脉保持水平。

结果

参与者
2022年5月至2022年10月期间，共招募了三十名健康的男性和女性参与本研究。所有参与者均无心血管、代谢或神经系统疾病的病史。研究未要求他们对其日常习惯进行任何改变，包括咖啡因、酒精、尼古丁摄入、剧烈运动或任何可能影响血管功能的其他因素。

实验步骤
参与者在相隔10天的两个不同实验日到实验室进行测试。每位参与者在每天的相同时间进行实验，但不同参与者之间的实验时间可能不同。此外，实验均在同一个房间内进行，环境条件包括有限的光照、恒定的温度、无音乐干扰以及尽量减少交谈。在实验日1和实验日2，所有测量均由同一名超声检查员（S1）完成。

将受试者置于本方案及补充图1所述的单腿膝伸肌模型中。单腿膝伸肌椅由本研究中心前教授（Bengt Saltin 教授）设计，也称为“Saltin 椅”（见材料表）。

讨论

本研究评估了多普勒超声技术在健康受试者进行亚极量单腿膝关节伸展运动期间测量腿部血流量（LBF）的可靠性。结果表明，该方法在同一天内的重复性较高，日间重复性可接受，但在静息状态和0 W功率下，观察者间的重复性不可接受。

尽管在测量之间移除探头似乎影响甚微，但日内与日间测量可靠性的差异可能归因于未受控的环境因素。扫描部位、超声操作者及实验设置在整个研究过程中保持一致。然而，并未要求参与者在检查前避免摄入咖啡因、尼古丁、酒精或进行剧烈运动，而这些因素均已被证实会影响肢体血流^30,31,32,33。此外，饮食、液体摄入量以及高热量摄入（尤其是富含脂肪的餐食）等已知会影响肌肉血流的因素也未加以控制^34,35。研究亦未记录参...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
EKO GEL	EKKOMED A7S	DK-7500 Holstebro
RStudio，版本 1.4.1717	R 统计计算项目
萨尔廷椅（Saltin Chair）			该装置由 Bengt Saltin 教授的一辆功率自行车和汽车座椅改装而成。钢结构部分由专业人员定制制作。
配备线性探头（9 MHz，Logic E9）的超声设备	GE Healthcare	未知	GE Healthcare，美国威斯康星州密尔沃基
			超声耦合凝胶