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方法文章

一种无需影像的基于超声的人体局部与区域性动脉僵硬度联合评估方法

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DOI：

10.3791/69002

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2025年12月19日

 ,  ,  , 
1Department of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology Madras, 2Healthcare Technology Innovation Centre, IIT Madras, 3Department of Physiology, All India Institute of Medical Sciences, New Delhi

本文内容

摘要

本方案描述了一种无需成像的基于超声的技术，用于同时评估人体局部和区域动脉僵硬度。该技术采用单元件压电超声探头对颈总动脉进行超声照射，并使用示波法袖带采集股动脉脉搏波形，以确定局部和区域动脉僵硬度。

摘要

动脉僵硬度是血管老化的一个核心标志，反映了衰老和多种心血管危险因素对血管壁造成的机械性和生物性应激的累积效应，导致中心和外周动脉的材料特性及管壁力学性质发生改变。动脉僵硬度已被确认为心血管疾病发病率和死亡率的独立预测因子。根据僵硬度评估是在特定解剖位置进行，还是在动脉树的某一段范围内进行，动脉僵硬度的测量 broadly 被分为局部评估和区域评估。局部测量包括量化动脉壁的特性，如顺应性、可扩张性或弹性模量；而区域评估则基于测量脉搏波在动脉节段中的传播速度。本文介绍一种经过验证、无需成像、基于超声的技术，可在人体中同时评估局部和区域动脉僵硬度。该技术采用单元件压电超声探头对颈总动脉进行超声照射，并实时追踪来自动脉壁的回波，以获取颈总动脉的扩张波形。局部动脉僵硬度指标由扩张数据和颈动脉血压推导得出。在大腿处应用示波法袖带，同步采集股动脉脉搏波形，并通过确定脉搏到达颈动脉和股动脉的时间差以及体表测量的动脉路径长度，计算颈-股脉搏波速度。

引言

动脉僵硬度是血管老化的一个关键标志，反映了衰老及各种心血管危险因素对动脉壁造成的机械性和生物学损伤的累积效应1,2。从病理生物学角度看，这些变化包括弹性蛋白降解、胶原沉积与交联、平滑肌硬化以及动脉壁细胞外基质的改变，导致动脉壁变得更僵硬且顺应性降低，从而损害大弹性动脉的Windkessel功能1,2。

大动脉硬化（LAS）的生理后果是多方面的。主动脉特征性阻抗增加以及作用于左心室的收缩期后负荷升高，会破坏正常的心室-动脉相互作用，促进心肌功能障碍、心肌纤维化和左心室肥厚1,2。此外，由于Windkessel功能受损导致的机械缓冲能力丧失，会放大脑和肾等靶器官微血管中的压力和血流脉动性，从而引起这些重要器官的微血管和实质功能障碍1,2。这些LAS的病理生理机制及其后果已在大规模基于人群的流行病学研究中得到重现，这些研究无可辩驳地揭示了动脉僵硬度作为一个独立于传统心血管危险因素之外的心血管发病率和死亡率预测指标的重要意义3,4,5,6。在此基础上积累的证据已推动将动脉僵硬度评估纳入临床实践指南，特别是在血压升高个体中，当基于风险的降压治疗决策尚不明确时7。这些进展凸显了获取有效且可靠的无创人体动脉僵硬度测量工具的重要性，尤其在血管健康评估和风险分层方面。

量化动脉硬度的传统方法包括两个方面2,8：（1）记录动脉树特定位置的动脉直径和压力的脉动变化，以计算动脉可扩张性或其他指数，作为动脉硬度的“局部”测量指标；（2）测量动脉脉搏在动脉树两点之间的传播速度，以确定脉搏波速度（PWV），作为动脉硬度的区域性测量指标。理论上，根据Bramwell-Hill方程，PWV与可扩张性的平方根成反比，表明这两种动脉硬度测量指标在生理上具有一致性8。量化大中动脉的PWV需要使用专用传感器（如张力计），通过无创方式从动脉树两个可及部位记录动脉脉搏波形。颈-股动脉PWV是评估大动脉硬度的金标准指标，通过依次或同步采集颈总动脉和股动脉的动脉脉搏波形进行计算2,8。

量化局部动脉僵硬度通常需要使用成像技术，包括超声或磁共振成像（MRI），并需对图像序列进行详尽的后期处理，以提取血管直径和面积数据，用于计算僵硬度指数8,9。当从动脉树的血压敏感区域获取局部动脉僵硬度测量值时，还可为压力感受器反射弧的机械增益提供重要的生理学见解；该通路对短期心血管稳态至关重要，而在神经和代谢性疾病中常出现功能紊乱10,11。除了僵硬度指数外，基于超声的多普勒和矢量血流成像技术还可提供血流速度、流量和管壁剪切应力的定量测量，有助于表征与动脉粥样硬化及血管重塑相关的局部血流动力学环境12,13。类似地，相位对比和四维血流MRI可获得容积血流量、压力梯度、管壁剪切应力、湍流模式、涡度以及主动脉脉搏波速度，从而提供全面且无创的血流动力学特征描述，与动脉壁僵硬度测量互为补充14,15。近年来，基于光电容积描记法（PPG）的无袖带血压（BP）技术已被开发用于从外周脉搏波形估算局部或区域血压及脉搏波速度16,17。这些系统通常基于PPG的脉搏传导时间或脉搏波分析来推导血压，有时结合心电图（ECG）或多部位PPG信号，能够以可穿戴设备或智能手机的形式连续监测局部动脉僵硬度和血流动力学的逐搏变化16,17,18。

本文介绍一种经过验证的、无需影像的超声技术，可同时评估人体局部和区域性的动脉僵硬度9,19,20。该方法采用单元件压电超声探头对颈总动脉进行超声照射，实时采集动脉壁的回波信号，从而生成颈动脉扩张波形。通过结合动脉扩张数据与动脉血压，可量化局部动脉僵硬度。为评估区域性动脉僵硬度，需在大腿处使用示波法袖带无创采集股动脉脉搏波形。通过测量股动脉与颈动脉之间的脉搏传导延迟时间，并结合体表测量的动脉路径长度，计算颈-股脉搏波速度（cf-PWV）。

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方案

研究方案已获得新德里全印度医学科学研究所机构伦理委员会批准（IEC-477/17.06.2022，RP-04/2022）。所有自愿参加本研究的受试者均签署了书面知情同意书。实验耗材和仪器设备列于材料表中。

1. 仪器组件及连接

注意：测量装置包括 ARTSENS Plus PWV 设备（无影像动脉僵硬度测量设备）、两个可充气袖带（肱部和股部）、一根软管、A 型超声探头、一根 micro-USB 数据线、卷尺和充电适配器。设备上的接口如图 1所示。进行测量前，必须按以下步骤准备设备：

  1. 将电源适配器连接到设备的电源接口，另一端插入交流电源插座。如果设备具有充足的电池备用，则可省略此步骤。
  2. 确保主机计算机在运行期间保持通电，以避免处理或通信过程中断。
  3. 将软管连接至无影像动脉硬度测量设备的压力袖带接口，直至听到"咔嗒"声，确认已牢固锁定。
  4. 根据所需的测量部位，将袖带（臂部或股部）连接至软管的另一端。连接器采用旋转锁紧机制。
  5. 将 micro-USB 线缆一端连接至设备，另一端连接至主机计算机。建议使用直接连接。若主机无 USB Type-A 接口，请使用带电源的 USB 2.0 集线器，以确保数据传输稳定。

2. 评估准备

注意：要开始新的测量，请在主机计算机上启动专用软件应用程序以运行无图像动脉硬化测量设备（软件版本：V1.0），并按照以下步骤操作：

  1. 在主页上选择 NEW PATIENT 以启动新的测试会话。
  2. 输入患者信息，然后点击页面右下角的 Right Arrow 按钮进入评估准备页面。如果任何必填字段不完整或包含无效条目，软件将在屏幕底部显示错误消息。
  3. 指导受试者在测量前以仰卧位休息至少 5 分钟。
  4. 将臂部袖带和股部袖带分别放置在左臂和左大腿上，确保贴合但不过度紧绷。
  5. 将软管连接至臂部袖带，确保连接牢固且无漏气。如果在后续步骤中检测到漏气或袖带放置不当，将显示错误消息。
  6. 点击 Measure Values 以自动记录收缩压、舒张压、平均动脉压以及心率。
  7. 如有可用信息，请输入人体测量数据。
  8. 触诊颈部左侧以定位颈动脉搏动点。
  9. 测量并输入以下动脉路径长度（单位为毫米，如 图 2 所示）：
    1. 颈动脉测量点至胸骨切迹的距离
    2. 胸骨切迹至大腿袖带上缘的距离
    3. 股动脉测量点至大腿袖带上缘的距离
      注意：软件界面中已图示这些距离，以辅助准确输入。测量时不应沿患者体表轮廓进行，以免因个体外部解剖结构的差异而错误增加脉搏波传导速度（PWV）的计算距离。此外，若测量单位为厘米，需乘以 10 转换为毫米后再输入软件。
  10. 将臂部袖带从软管上断开，并将其连接至大腿袖带。
  11. 点击页面右下角的 Right Arrow 按钮进入下一屏幕，开始血管僵硬度测量。软件将验证探头和袖带的连接状态，随后袖带会自动充气和放气以完成自检，之后进入测量界面。

3. 血管硬度测量

  1. 在A型超声探头上涂抹一滴超声耦合剂。
  2. 将探头置于可触及颈动脉搏动的位置（参见图3）。
  3. 确保测量屏幕显示以下反馈信息：
    1. 射频波形（RF waveform）：应显示来自颈动脉的原始超声回波信号（图4，右栏）。
    2. 信号质量条：指示动脉近壁（NW）和远壁（FW）回波信号的质量，位于射频波形下方。
    3. 进度条：随着有效心动周期的记录，应显示采集进度。
    4. 脉搏波形：显示颈动脉扩张波形和股动脉压力脉搏波形。
  4. 移动并调整探头方向，利用射频波形显示定位颈动脉（参见图4）。
    注：当观察到两个垂直对齐的回波图案（分别对应动脉的近壁和远壁）呈现反相运动时，表明探头位置正确。
  5. 确保动脉检测结果通过一对游标在图像上清晰标示出动脉壁的边界。
    注：在此过程中，股动脉袖带将自动充气。波形颜色由红色变为蓝色，表示袖带已充分充气。当探头稳定持有时，颈动脉和股动脉波形均会显示。这些信号具有准周期性特征。
  6. 根据用户设定的时长记录波形，进度条的填充程度指示记录进程。默认设置要求至少采集来自颈动脉和股动脉的10个高质量心动周期。
    注：成功获取有效数据后，进度条将填满，并显示结果页面。所需心动周期数量及相应的记录时长可根据操作者需求进行配置。

4. 获取设备输出

  1. 检查直接测量指标列表：
    1. 通过示波法测量肱动脉血压（收缩压 SBP、舒张压 DBP、平均动脉压 MAP）。
    2. 通过超声测量颈动脉直径脉搏波形及绝对值（收缩期、舒张期、最大扩张幅度）。
    3. 通过袖带式传感器测量股动脉压力脉搏波形。
    4. 颈-股脉搏波传导时间（cf-PTT），通过获取的颈动脉与股动脉波形之间的时间延迟直接测量，无需转换为估算的压力波形。
  2. 检查衍生测量指标列表：
    1. 中心血压（PS、PD），由肱动脉血压和颈动脉直径波形推导得出。（通过使用基本的非线性压力-直径关系对直径波形进行校准获得，并假设动脉树中的舒张末期压力和平均压力保持一致21,22。）
    2. 颈动脉僵硬度指数：包括僵硬度指数（β）、弹性模量（Ep）和动脉顺应性（AC），使用如表1所示的直接测量数据进行评估。
    3. 颈-股脉搏波传导速度（cf-PWV），作为区域僵硬度的金标准指标，使用如表1所示的直接测量数据进行评估。

5. 可靠测量的设备配置

  1. 测量设置：
    1. 将换能器频率设置为 10 MHz。
      注意：也可使用 5 MHz 换能器，可在基本设置中选择。
    2. 将超声信号采样率设置为 80 MHz。
    3. 将超声帧率设置为 250 Hz。
    4. 将股动脉压力脉搏波采样率设置为 250 Hz。
    5. 应用具有 20 个侧点的 Golay 滤波器进行信号平滑处理。
    6. 将袖带充气压力设定值设置为低于患者舒张压（DBP）10 mmHg。
  2. 探头操作：
    1. 参考图3确定最佳触诊区域及换能器放置位置。
    2. 触诊指定区域，定位最强的颈动脉搏动，以确保最佳信号质量。
    3. 施加轻柔且稳定的压力以维持探头接触。避免过度按压，以免造成信号失真并引起患者不适。
    4. 如有必要，可将操作者手腕置于支撑面上以提高稳定性。
  3. 袖带放置：
    1. 将袖带缠绕于大腿中段，确保软管朝下引出。
    2. 将尼龙搭扣带置于大腿内侧。
    3. 通过一只手牢固地按住袖带上端，另一只手顺时针缠绕，确保袖带贴合紧密。
    4. 确认软管未被夹在袖带织物下方。

6. 使用软件图形用户界面进行实时测量反馈

  1. 观察射频（RF）波形显示。最初无结构，一旦定位到动脉，显示区域的上三分之一将出现两条运动方向相反的回波轨迹。
  2. 监测射频波形旁边的信号质量条。目标填充水平应高于50%（指示条由白色变为绿色）。
  3. 利用显示的探头状态、袖带状态、股动脉压力波形颜色及其他系统诊断信息，指导数据采集过程。
  4. 确保主机计算机已正确配置。
  5. 在整个测量过程中，保持主机计算机连接至电源插座，以防止性能降频，从而避免对数据采集和USB通信造成不利影响。

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结果

图4 展示了具有代表性的超声记录图像，分别说明了探头方向正确和错误时所获得的高质量和低质量信号。一个示例结果页面如图5所示，显示了测得的硬度和血压参数。（请注意，该页面加载了示例结果以供说明之用）。对于局部和区域性的个体硬度测量，其与年龄相关的参考范围源自文献23,24,25,26。如图5所示，每个硬度参数均附有一个颜色编码的条形图。如果测量值超出同龄人群参考范围的第25至第75百分位数区间，则标记显示为红色；否则显示为绿色。例如，图5中的Beta硬度指数标记为红色，表明该值位于四分位距之外。

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讨论

本方法通过一种无需成像、基于超声的单一检查，实现对人体局部和区域性动脉硬度的同步评估。该方法结合使用单元件压电超声探头采集颈动脉直径波形以评估局部硬度，同时利用大腿袖带记录股动脉脉搏波形，用于测定颈-股脉搏波速度（cf-PWV）。这种双重测量方法可在一次检测中全面评估动脉健康状况，满足临床对血管老化进行综合评价的需求。

准确获取长度和脉搏波形测量数据对于本实验方案的准确性至关重要。长度测量通常采用柔软且无弧度的卷尺，沿患者体侧进行测量，这是标准且便于现场操作的方法。在条件允许的情况下，也可使用卡尺，因其可提供更高的测量精度。动脉学会指南建议，将颈动脉至股动脉直接距离的80%作为标准测量距离28。高质量波形的采集还依赖于探头的正确方向、稳定的按压力度，以及适当的袖带位置和紧固程度。系统提供的实时波形质量反馈可帮助操作人员确保测量结果具有高度可重复性。用于计算的最终波形将在结果页面上显示，以反映逐搏之间的可重复性。

操作人员在测量过程中可能会偶尔遇到问题。常见问题之一是超声信号缺失或...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

作者感谢印度马德拉斯印度理工学院医疗技术创新中心和新德里全印度医学科学研究所提供的机构资助，这些资助支持了本技术的开发以及本作品的制作与发表。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
ARTSENS Plus 设备VascRisk LLCAP020201001尺寸：240 mm × 170 mm × 60 mm，重量：约 1 kg
交流电源适配器VascRisk LLCAP0202010052 MOPP II 类，9 V - 3.3 A，36 W
USB 数据线VascRisk LLCAP0202010091 根 Micro USB 转 USB Type A 数据线；长度：1 m
大腿袖带VascRisk LLCAP020201002成人标准尺寸
上臂袖带VascRisk LLCAP0203020021成人标准尺寸
连接软管VascRisk LLCAP0202010041 根 1/8" 管道；长度：1.5 m
超声探头VascRisk LLCAP0202010081 个单元件压电式超声探头
测量卷尺VascRisk LLCAP0202010101 把，150 cm，最小刻度 1 mm
主机计算机用户自选最低配置要求：Intel i5 处理器，8 GB 内存，Microsoft Windows 10 或更高版本，1 个 USB 2.0 接口
软件驱动盘VascRisk LLCAP020202056ISO 安装文件；< 1 GB

参考文献

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超声评估局部动脉僵硬度脉搏波速度颈动脉股动脉脉搏波形血管老化扩张波形压电超声探头

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