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방법 논문

국소 및 국소 동맥 경직성 평가를 위한 영상 없는 초음파 기반 접근법

346 조회수

⸱

DOI:

10.3791/69002

⸱

2025년 12월 19일

 ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

이 프로토콜은 국소 및 국소 동맥 경직도를 동시에 평가하는 영상 없는 초음파 기반 기법을 설명합니다. 이 기법은 단일 요소 압전 초음파 프로브를 사용해 총경동맥을 삽입하고, 오실로메트릭 커프를 사용해 대퇴골 맥박 파형을 포착하여 국소 및 국소 동맥 경직성을 측정합니다.

초록

동맥 경직성은 혈관 노화의 주요 지표로, 노화와 다양한 심혈관 위험 요인으로 인해 생기는 기계적 및 생물학적 스트레스 요인이 혈관벽에 누적적으로 영향을 미치는 결과를 나타내며, 이는 중심 및 말초 동맥의 재료 특성과 벽 역학에 변화를 초래합니다. 동맥 경직은 심혈관 이환율과 사망률의 독립적인 예측 요인으로 확인되었습니다. 강직성 평가가 특정 해부학적 위치에서 수행되는지, 아니면 동맥 계통수의 일부 구간에서 수행되는지에 따라 동맥 경직성 측정은 넓게 지역별 및 지역적 평가로 분류됩니다. 국소 측정은 항복성, 신축성, 탄성 계수 등 동맥벽의 특성을 정량화하는 것이고, 지역 평가는 동맥 구간을 따라 펄스파가 전파하는 속도를 측정하는 데 기반합니다. 여기서는 국소 및 국소 동맥 경직도를 동시에 평가할 수 있는 검증된 영상 없는 초음파 기반 접근법을 제시합니다. 이 기법은 단일 요소 압전 초음파 프로브를 사용해 총경동맥을 소진하고, 동맥벽에서 발생하는 반향을 실시간으로 추적하여 경동맥 팽창 파형을 포착하는 방식을 포함합니다. 동맥 경직의 국소 측정은 팽창 데이터와 경동맥 혈압에서 도출됩니다. 허벅지에 부착된 오실로메트릭 커프를 사용하여 대퇴동맥 펄스 파형을 동시에 획득하고, 경동맥과 대퇴동맥 부위까지의 펄스 이동 시간과 표면 측정된 동맥 경로 길이를 측정하여 경동맥-대퇴동맥 펄스 파동 속도를 계산합니다.

서론

동맥 경직성은 혈관 노화의 주요 지표로, 노화와 다양한 심혈관 위험 요인과 관련된 기계적 및 생물학적 손상이 동맥벽에 누적적으로 영향을 미치는 것을 반영합니다 1,2. 병태생물학적으로 이러한 변화는 엘라스틴 분해, 콜라겐 침착 및 교차결합, 평활근 경직화, 동맥벽의 세포외기질 변형을 포함하여 동맥벽을 더 경직하고 덜 순응하게 만들어 큰 탄성 동맥의 윈드케셀 기능을 저해합니다 1,2.

대동맥 경직(LAS)의 생리학적 결과는 다면적입니다. 대동맥의 특성적 임피던스와 수축기 후부하가 좌심실에 작용하면 정상적인 심기-동맥 상호작용이 교란되고 심근 기능장애, 심근섬유증, 좌심실 비대를 촉진합니다 1,2. 또한, 윙케셀 기능에 기인하는 기계적 완충 상실은 뇌와 신장을 포함한 다양한 표적 장기의 미세혈관에서 압력과 흐름 펄스를 증폭시켜 이 주요 장기들의 미세혈관 및 실질 기능 장애를 초래합니다 1,2. 이러한 LAS의 병태생리학적 구성과 그 결과는 대규모 인구 기반 연구를 통해 역학적으로 재현되어, 동맥 경직성이 기존의 심혈관 위험 요인을 넘어 심혈관 이환율과 사망률의 독립적인 예측 변수임을 명백히 밝혀냈다 3,4,5,6. 이와 관련해 증거가 축적되면서, 혈압7이 높은 개인에 대한 위험 기반 혈압 저하 치료 결정이 불확실할 경우 동맥 경직성 평가가 임상 진료 지침에 포함되는 길을 열었습니다. 이러한 발전은 특히 혈관 건강 평가와 위험 계층화를 위해 인간의 동맥 경직성 비침습적 측정을 위한 유효하고 신뢰할 수 있는 도구에 대한 접근의 중요성을 강조합니다.

동맥 강성을 정량화하는 전통적인 방법은 두 가지로 나뉩니다: (1) 동맥 트리의 특정 위치에서 동맥 직경과 압력의 맥박성 변화를 기록하여 동맥 확장성 또는 기타 지표를 '국소' 동맥 강성의 척도로 계산하고, (2) 동맥 트리의 두 지점 간 동맥 맥박의 전파 속도를 측정하여 맥박파 속도(PWV)를 지역적 동맥 척도로 산출하는 것, 뻣뻣함. 이론적으로 PWV는 Bramwell-Hill 방정식에 의해 확립된 확장성의 제곱근과 반비례하며, 이는 동맥 강성의 두 광범위한 측정 간의 생리학적 일치를 보여줍니다8. 주요 중심동맥의 PWV를 정량화하려면 전용 센서(토노미터 포함)를 사용하여 동맥 나무 내 두 개의 접근 가능한 위치에서 동맥 펄스 파형을 비침습적으로 기록하는 것이 필요합니다. 경동맥-대퇴부 PWV는 대동맥 경직도를 측정하는 골드 스탠다드로, 총경동맥과 대퇴동맥에서 순차적으로 또는 동시에 포착된 동맥 맥박 파형을 사용하여 계산됩니다 2,8.

동맥 강성의 국소 측정은 초음파나 MRI를 포함한 영상 기법을 사용하는 경우가 많으며, 강성 지수 8,9 계산을 위해 직경과 면적 데이터를 추출하기 위해 이미지 시퀀스의 광범위한 후처리가필요합니다. 동맥 나무의 기압 민감 부위에서 얻은 국소 동맥 강성 측정은 신경학적 및 대사 질환에서 자주 혼란스러운 단기 심혈관 항상성에 중요한 경로인 바로수용기 반사 호의 기계적 이득에 대한 중요한 생리학적 통찰을 제공할 수 있습니다10,11. 강성 지수 외에도, 초음파 기반 도플러 및 벡터 흐름 영상 기법은 혈류 속도, 유속, 벽 전단 응력의 정량적 측정을 제공하여 죽상동맥경화증 및 혈관 재형성과 관련된 국소 혈역학적 환경을 특성화하는 데 도움을 줍니다12,13. 마찬가지로, 위상 차이 및 4D 흐름 MRI는 부피 혈류, 압력 구배, 벽 전단 응력, 난류 흐름 패턴, 소용돌이, 대동맥 맥박파 속도를 제공하여, 동맥 벽 강성 측정을 보완하는 포괄적이고 비침습적인 혈역학 특성 분석을 제공합니다14,15. 최근에는 광전력탐사법(PPG)을 기반으로 한 커플리스 혈압(BP) 기술이 개발되어 주변 맥박 파형을 통해 국소 또는 국소 혈압과 맥박파 속도를 추정할 수 있습니다16,17. 이 시스템들은 일반적으로 PPG 기반 펄스 통과 시간이나 펄스파 분석에서 혈압을 산출하며, 때로는 ECG 또는 다중 부위 PPG와 결합하여 착용 가능하거나 스마트폰 기반 형태 16,17,18에서 국소 동맥 강성 및 혈역학의 박동 간 변화를 추적할 수 있습니다.

여기서는 국소 및 국소 동맥 경직도를 동시에 평가하는 검증된 영상 없는 초음파 기반 기법을 제시합니다 9,19,20. 이 방법은 단일 요소 압전 초음파 프로브를 사용하여 총경동맥을 자극하며, 동맥벽에서 실시간으로 에코 신호를 포착하여 경동맥 팽창 파형을 생성합니다. 국소 동맥 경직성은 동맥 혈압과 함께 팽창 데이터를 사용하여 정량화합니다. 지역 동맥 강성을 평가하기 위해 대퇴 맥박 파형을 비침습적으로 포착하기 위해 허벅지에 오실로메트릭 커프를 부착합니다. 경동맥-대퇴동맥 맥박파 속도(cf-PWV)는 대퇴동맥과 경동맥 부위 사이의 맥박 도착 지연과 표면에서 측정된 동맥 경로 길이를 측정하여 계산합니다.

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프로토콜

연구 프로토콜은 뉴델리 전인도 의학과학연구소 기관 윤리 위원회(IEC-477/17.06.2022, RP-04/2022)에서 승인되었습니다. 연구에 자원한 모든 참가자로부터 서면 동의서를 받았습니다. 사용된 소모품과 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.

1. 장비 구성 요소 및 연결

참고: 측정 장치는 ARTSENS Plus PWV 장치(영상 없는 동맥 강직성 측정 장치), 두 개의 팽창식 커프(상완 및 대퇴 커프), 호스파이프, A-모드 초음파 변환기, 마이크로 USB 케이블, 줄자, 충전 어댑터로 구성되어 있습니다. 장치에서 제공되는 인터페이스는 그림 1에 나와 있습니다. 측정 준비를 위해 다음 단계를 따라야 합니다:

  1. 전원 어댑터를 기기의 전원 포트에 연결하고, 반대쪽 끝을 AC 전원 콘센트에 꽂으세요. 기기에 충분한 배터리 백업이 있다면 이 단계를 생략할 수도 있습니다.
  2. 호스트 컴퓨터가 작동할 때 전원이 공급되어 처리나 통신 중단을 방지해야 합니다.
  3. 호스 파이프를 영상 없는 동맥 경직성 측정 장치의 커프 포트에 연결해 '딸깍' 소리가 나면 안전한 잠금이 확인될 때까지 유지하세요.
  4. 원하는 크기에 따라 코프(상완 또는 대퇴 커프)를 호스파이프의 반대편에 부착하세요. 커넥터는 트위스트 투 락 메커니즘을 사용합니다.
  5. 마이크로 USB 케이블을 장치에 연결하고, 다른 쪽 끝을 호스트 컴퓨터에 연결하세요. 직접 연결하는 것이 권장됩니다. 호스트에 USB 타입-A 포트가 없다면, 안정적인 데이터 전송을 위해 전원 공급 가능한 USB 2.0 허브를 사용하세요.

2. 평가 준비

참고: 새로운 측정을 시작하려면, 호스트 컴퓨터에서 이미지 없는 동맥 강직성 측정 장치(소프트웨어 빌드 버전: V1.0)를 실행하는 전용 소프트웨어 애플리케이션을 실행하고 다음 단계를 따르세요:

  1. 홈 페이지에서 새 환자 를 선택하여 새로운 테스트 세션을 시작하세요.
  2. 환자 정보를 입력하고 오른쪽 하단의 오른쪽 화살 표 버튼을 클릭하여 평가 준비 페이지로 이동하세요. 필수 필드가 불완전하거나 잘못된 항목이 있으면 소프트웨어가 화면 하단에 오류 메시지를 표시합니다.
  3. 측정 전 최소 5분간 누운 자세로 쉬도록 지시하세요.
  4. 상완 커프와 대퇴 커프를 각각 왼팔과 왼쪽 허벅지에 착용하되, 너무 꽉 조이지 않도록 하세요.
  5. 호스 파이프를 상완 커프에 연결하세요. 연결 부위가 공기 누출이 없는지 꼭 확인하세요. 누출이나 커프의 잘못된 배치가 감지되면 이후 단계에서 오류 메시지가 나타납니다.
  6. 측정값( Measure Values )을 클릭하면 수축기, 이완기, 평균 동맥압과 심박수를 자동으로 기록할 수 있습니다.
  7. 인체 측정 데이터를 입력할 수 있다면 입력하세요.
  8. 목 왼쪽을 촉진해 경동맥 맥박을 찾아보세요.
  9. 다음 동맥 경로 길이(그림 2에 나타난 대로)를 측정하고 밀리미터 단위로 입력하세요:
    1. 경동맥 부위에서 흉골 절절반까지의 거리
    2. 흉골 노치에서 허벅지 커프 상단까지의 거리
    3. 대퇴동맥 부위에서 허벅지 커프 상단까지의 거리
      참고: 이 거리들은 정확한 입력을 돕기 위해 소프트웨어 인터페이스에 표시되어 있습니다. 거리는 환자 접촉을 이용해서는 안 되며, 환자의 신체 개별 윤곽이 각자의 해부학적 외부 신체 구조에 따라 PWV 거리를 잘못 증가시킬 수 있습니다. 또한, 센티미터 단위의 측정값을 10으로 곱해서 밀리미터로 변환한 후 소프트웨어에 거리를 입력하세요.
  10. 상완 커프를 호스 파이프에서 분리하고 허벅지 커프에 연결하세요.
  11. 페이지 오른쪽 하단의 오른쪽 화살 표 버튼을 클릭하여 혈관 강직성 측정을 시작하려면 다음 화면으로 이동하세요. 소프트웨어는 프로브와 커프의 연결성을 검증합니다. 커프는 자동 점검의 일부로 팽창과 수축을 반복하며 측정 화면으로 이동합니다.

3. 혈관 강성 측정

  1. A-모드 트랜스듀서에 초음파 젤 한 방울을 발라.
  2. 경동맥 박동이 느껴지는 부위에 프로브를 위치시키세요( 그림 3 참조).
  3. 측정 화면에 다음과 같은 피드백이 표시되는지 확인하세요:
    1. RF 파형: 경동맥에서 나오는 원시 초음파 반향 신호를 표시하도록 하세요( 그림 4, 오른쪽 열).
    2. 신호 품질 바: 동맥의 근벽(NW)과 멀리 벽(FW)의 에코 신호 품질을 나타냅니다. 이 신호들은 RF 파형 바로 아래에 위치해 있습니다.
    3. 진행 바: 유효한 심장 주기가 기록되어 있을 때 진행 상황을 표시하세요.
    4. 맥박 파형: 경동맥 팽창과 대퇴 압박 펄스 파형을 보여줘.
  4. RF 파형 디스플레이를 사용해 프로브를 이동시키고 방향을 조정하여 경동맥을 찾으세요( 그림 4 참조).
    참고: 두 개의 수직 정렬된 에코 패턴(동맥의 근거리와 먼 벽에 해당)이 반대 위상 운동을 보일 때 올바른 위치가 확인됩니다.
  5. 동맥 감지가 동맥벽을 경계하는 두 개의 커서로 시각적으로 표시되도록 하세요.
    참고: 이 과정에서 대퇴 커프가 자동으로 팽창합니다. 파형 색상이 빨간색에서 파란색으로 바뀌면 커프가 충분히 팽창했음을 나타냅니다. 프로브가 안정적으로 고정되면 경동맥과 대퇴골 파형이 모두 나타납니다. 이 신호들은 준주기적 성격을 가집니다.
  6. 사용자가 정의한 지속 시간 동안 파형을 기록하며, 이는 채우는 진행 바로 표시됩니다. 기본 설정은 경동맥과 대퇴동맥 모두에서 최소 10회의 고품질 심장 주기를 요구합니다.
    참고: 유효한 데이터를 성공적으로 획득하면 진행 바가 최대치에 도달하고 결과 페이지가 표시됩니다. 결과를 얻기 위해 필요한 사이클 수와 그에 따른 기록 시간은 운영자가 직접 설정할 수 있습니다.

4. 장치 출력 획득

  1. 직접 측정 목록을 확인하세요:
    1. 상완 혈압(SBP, DBP, MAP)은 오실로메트리로 측정됩니다.
    2. 초음파로 경동맥 직경 펄스 파형과 절대 값(수축기, 이완기, 최대 팽창기)을 측정합니다.
    3. 커프 트랜스듀서에 의한 대퇴골 압력 펄스 파형.
    4. 경동맥-대퇴동맥 맥박 통과 시간(cf-PTT)은 추정 압력파형으로 변환하지 않고 획득한 경동맥과 대퇴동맥 파동 사이의 시간 지연에서 직접 측정되었습니다.
  2. 도출된 측정 목록을 확인해 보세요:
    1. 중추 혈압(PS, PD)은 상완 혈압과 경동맥 직경 파형에서 유도됩니다. (이는 동맥 나무 전반에 걸쳐 일관된 말단 이완기 압력과 평균 압력을 가정하여, 기본 비선형 압력-직경 관계를 사용하여 직경 파형을 보정하여 얻어집니다21,22.)
    2. 경동맥 강성 지수: 강성 지수(β), 탄성 계수(Ep), 동맥 순응도(AC)는 표 1에 나타난 직접 측정을 통해 평가되었습니다.
    3. 경동맥-대퇴부 맥박파 속도(cf-PWV)는 표 1에 나타난 직접 측정을 통해 평가된 골드 스탠다드 지역 강성 지표입니다.

5. 신뢰할 수 있는 측정을 위한 장치 구성

  1. 측정 설정:
    1. 트랜스듀서 주파수를 10 MHz로 설정하세요.
      참고: 5 MHz 트랜스듀서도 지원되며 기본 설정에서 선택할 수 있습니다.
    2. 초음파 신호 샘플링 속도를 80 MHz로 설정하세요.
    3. 초음파 프레임 속도를 250Hz로 설정하세요.
    4. 대퇴골 압력 펄스파 샘플링 속도를 250Hz로 설정하세요.
    5. 20개의 사이드포인트가 있는 골레이 필터를 적용해 신호 부드럽게 만듭니다.
    6. 커프 팽창 압력 설정값을 환자의 DBP 아래 10 mmHg로 설정하세요.
  2. 프로브 취급:
    1. 촉진과 변환기 배치에 이상적인 부위를 확인하려면 그림 3 을 참고하세요.
    2. 최적의 신호 품질을 위해 가장 강한 경동맥 맥박을 찾기 위해 표시된 부위를 촉진하세요.
    3. 프로브 접촉을 유지하기 위해 부드럽고 일정한 압력을 가하세요. 과도한 압력을 가하지 마세요. 이는 신호를 왜곡시켜 환자의 불편함을 유발할 수 있습니다.
    4. 필요하다면 조작자의 손목을 지지면에 올려 안정성을 높이세요.
  3. 커프 위치:
    1. 커프를 허벅지 중간까지 감아 호스 파이프가 아래로 나오도록 하세요.
    2. 벨크로 랩을 허벅지 안쪽 위에 위치시키세요.
    3. 한쪽 끝을 허벅지 위에 단단히 잡고 다른 손으로 시계 방향으로 감아 커프스를 단단히 고정하세요.
    4. 호스파이프가 커프 패브릭 아래에 끼지 않았는지 확인하세요.

6. 실시간 측정 피드백을 위한 소프트웨어 GUI 사용

  1. RF 파형 디스플레이를 관찰하세요. 처음에는 구조화되지 않았지만, 동맥이 발견되면 상부 3분의 1 지점에 반대 운동을 하는 두 개의 에코 트레이스가 나타납니다.
  2. RF 파형 옆의 신호 품질 바를 모니터링하세요. 50% 이상의 채우기 레벨을 목표로 하세요(흰색에서 초록색으로 변하는 바로 표시됩니다).
  3. 표시된 프로브 상태, 커프 상태, 대퇴 압력 파형 색상 및 기타 시스템 진단 자료를 사용하여 획득을 안내하세요.
  4. 호스트 컴퓨터가 제대로 설정되어 있는지 확인하세요.
  5. 측정 과정 전 과정 동안 호스트 컴퓨터를 전원 콘센트에 연결해 데이터 수집과 USB 통신에 부정적인 영향을 줄 수 있는 성능 저하를 방지하세요.

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결과

그림 4는 프로브 방향이 올바르고 잘못된 신호로 인해 발생하는 좋은 신호와 나쁜 신호를 보여주는 대표적인 초음파 기록을 보여줍니다. 그림 5에는 측정된 강직성 및 혈압 지표를 나타내는 샘플 결과 페이지가 나와 있습니다. (설명을 위해 결과가 페이지에 많이 포함되어 있음을 참고하세요.) 개별 강성 측정(지역 및 지역)은 연령 관련 참조 범위가 문헌23, 24, 25, 26에서 채택됩니다. 그림 5에서 보듯이, 각 강성 지표는 색상으로 구분된 막대와 함께 표시됩니다. 측정값이 연령 일치 ...

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토론

이 방법은 단일 영상 없는 초음파 기반 검사를 통해 국소 및 국소 동맥 경직도를 동시에 평가할 수 있게 합니다. 이 접근법은 단일소자 압전 초음파 프로브를 통합하여 국소 강성 평가를 위한 경동맥 직경 파형을 포착하고, 대퇴 맥박 파형을 기록하여 경동맥-대퇴동맥 맥박파 속도를 측정하는 허벅지 커프를 사용합니다(cf-PWV). 이 이중 측정 접근법은 단일 검사 내에서 동맥 건강을 포괄적으로 평가하여 혈관 노화의 통합 평가에 대한 임상적 필요성을 충족시킵니다.

길이와 펄스 파형 측정의 신뢰성 있는 획득은 프로토콜의 정확성을 위해 필수적입니다. 길이 측정은 일반적으로 환자 옆에 부착된 유연한 비윤곽 줄자를 사용하여 측정하며, 이는 표준적이고 현장에서 적합한 방법입니다. 또는 가능한 경우 캘리퍼스를 사용하기도 하는데, 이는 정확도를 높여줍니다. 동맥학회 지침은 경동맥에서 대퇴골 부위 거리의 80%를 표준 선택 기준으로 사용할 것...

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공개 사항

저자는 이해 상충을 공개할 필요가 없습니다.

감사의 글

저자들은 이 기술 개발과 연구 제작 및 출판을 지원하기 위해 IIT 마드라스 헬스케어 기술 혁신 센터와 뉴델리 전인도 의학 과학 연구소가 제공한 기관 보조금에 감사드립니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
ARTSENS 플러스 유닛VascRisk LLCAP020201001치수: 240 mm x 170 mm x 60 mm, 무게: ~1 kg
AC 전원 어댑터VascRisk LLCAP020201005MOPP 클래스 II 2대, 9V - 3.3A, 36W
USB 케이블VascRisk LLCAP0202010091개의 마이크로 USB to USB 타입 A 케이블; 길이: 1m
허벅지 커프스VascRisk LLCAP020201002성체 및 표준 크기
상완 커프VascRisk LLCAP0203020021성체 및 표준 크기
호스파이프VascRisk LLCAP0202010041 x 1/8" 파이프; 길이: 1.5m
초음파 변환기 프로브VascRisk LLCAP0202010081 x 단일소자 압전 초음파 프로브
줄자VascRisk LLCAP0202010101 x 150cm, 해상도 1mm
호스트 컴퓨터사용자 선호최소 요구 사양: 인텔 i5 프로세서, 8GB RAM, 마이크로소프트 윈도우 10 이상, USB2.0 포트 1개
소프트웨어 드라이브VascRisk LLCAP020202056ISO 설치 파일; < 1 GB

참고문헌

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