动脉粥样硬化(As)病变范围可累及体循环系统各大小动脉,使受累动脉弹性减弱、脆性增加、管腔变窄,严重者甚至完全闭塞,是导致各种急慢性心脑血管事件的主要原因。As经过积极治疗后较早期的病变可部分消退,因此早期诊断As至关重要。由于As病变是一个缓慢进展的过程,早在出现临床症状之前,已经出现动脉弹性减弱、顺应性减退等病理变化,脉搏波传导速度(pulsewavevelocity,PWV)正是在此原理上检测As早期病变的一种方法,由于其无创、便捷、经济等优点获得广泛应用。本文将从PWV测定原理及应用进展方面作一综述。

1、脉搏波传导速度的测定原理

脉搏波是心脏周期性射血使血管产生的波动,随着心脏射血从主动脉根部起始,沿着动脉树向周身传播,PWV正是基于此原理,通过检测两个部位传感器之间的距离(△L)及一次心动周期所产生的脉搏波波形时间差(△t)而获得脉搏波传导速度[1](图1)。其计算公式为PWV(cm/s)=两定点间距离(△L)/压力波通过两定点间距离的时间差(△t)。动脉除了具有为血液提供到达周围组织的导管作用外,在血液循环中还发挥了缓冲作用,以保证在心脏不射血时体内血液循环的持续状态及每个心动周期血压的平稳。在循环系统中各节段动脉的导管及缓冲特性是不同的,一般情况下近端动脉弹性更大,起到的缓冲作用较大,远端动脉弹性较小,缓冲功能会逐渐丧失,而导管功能占主导地位,这种异质性是由动脉壁的分子、细胞和组织学结构等因素引起的[2]。1878年,Moens等通过研究得出脉搏波传导速度公式为:PWV=KEhρD−−−√,其中K是Moens常数,对人体而言常取值0.8,E是指管壁的弹性系数,h是血管壁厚度,ρ是流体密度,D是平衡状态下血管内径。由此可见影响PWV的主要因素为血管的几何特性(管壁厚度与腔径大小)、生物力学特性(弹性)和血液密度,由于血管几何特性及血液密度变化相对小,因此动脉弹性是影响PWV大小的主要因素,动脉弹性越差,顺应性越低,PWV越大。由于As主要累及体循环内大中动脉,以血管内膜形成粥样瘤或粥样斑块为特征,逐渐致动脉管壁结构破坏,管壁僵硬,管腔弹性减退,大中动脉在循环系统中承担主要的缓冲作用,该作用被削弱后,两点之间血液流速加快,PWV随之增加。

图1.PWV检测原理

目前临床及科研上应用的PWV检测系统主要有光电传感、压敏传感及超声多普勒检测系统。其中,光电传感检测系统是通过光敏器件感受血流反射或投射光的强弱变化信号,记录微小动脉中血流量的变化情况[3],该系统使用较为便捷,但因光线反射及投射能力有限,不适宜肌肉较厚的组织,因此常用于手指、脚趾等末梢循环部位,准确性一般。基于压敏传感的检测系统是目前临床及科研应用最为广泛的PWV检测系统,它通过压力敏感的探头检测体表压力波,从而采集脉搏波信号,具有操作便捷、仪器成本较低等优势,但因其是利用置于体表的传感器来采集脉搏信号,因此该方法仅限于测量体表可触及动脉[4]。超声多普勒检测系统是基于超声波的脉搏信号采集系统,由超声波探头通过压电晶片发射及接收超声波,来感受超声波在动脉血管中遇到血流产生的多普勒效应,产生反射波和频移,再由压电晶片接受反射波信号转变为脉搏波信号[5]。血管回声跟踪(echotracking,ET)技术是近年来较为受关注的一项检测PWV的超声诊断技术,它通过超声波探头同时采集射频信号的时相信息,将相邻两次射频信号时相信息转化为距离信息,以此来描记血管壁运动曲线[6];该测量方法精确度高,能早期发现动脉硬化改变,但也存在着操作时间长、仪器昂贵等缺点。超声极速成像技术(ultrafastimaging,UFI)是近年兴起的一项新技术[7],通过获得血管壁收缩起始和结束时的PWV来评价血管管壁扩张性和僵硬度,由于采集帧频快,具有较快的采集和处理数据速度,测量PWV更加简便、快速、准确,但目前临床工作中尚未普及,多见于科研。

根据感受器测量部位的不同,PWV检测项目分为以下几种:臂-踝动脉PWV(brachial-anklePWV,baPWV)、颈-股动脉PWV(carotid-femoralPWV,cfPWV)、颈-踝动脉PWV(carotid-anklePWV,caPWV)等,临床以cfPWV和baPWV常用。cfPWV作为评估动脉硬化的“金指标”,可直接反映中心动脉僵硬度,自2007年起已被欧洲高血压防治指南推荐用于评估高血压患者动脉硬化程度,能准确的预测心血管事件发生风险。baPWV同样可反映动脉硬化程度,其与cfPWV有着较高相关性,测量方法简便,在操作时只需将袖带放置于被检者双上肢肱动脉、双下肢胫后动脉波动最明显处,无需暴露腹股沟,被检者配合度高,对检查者技术要求低,可重复性良好,但由于各节段动脉弹性存在差异,且其感受器间距离较远,测量结果更容易受到各种动脉分叉、小动脉反射波及压力放大作用的影响,在评估As价值方面存在一定局限性[8]。

2、脉搏波传导速度的应用

2.1检测动脉粥样硬化早期病变

As是一个缓慢进展的体循环病变,受累动脉从出现管壁增厚、僵硬、弹性减弱、脆性增加起,逐渐发展为管腔狭窄、闭塞,甚至继发引起斑块内出血、斑块破溃、脱落形成栓子,引起全身各系统疾病。在其病变早期干预,不仅能延缓其进展,部分病变甚至可以消退。因此早期进行As筛查至关重要,尤其对于高龄、吸烟、高脂血症、高血压、糖尿病等高风险人群。

周围血管病变是糖尿病患者主要的并发症之一,其所致的心脑血管疾病极大的影响了糖尿病患者的生活质量与生存率。糖尿病周围血管病变的主要致病机制即As,其中氧化应激水平增高、晚期糖基化终末产物形成、蛋白激酶激活等均可能参与高血糖致As过程。有研究[9]9]表明,早在糖尿病前期,患者的动脉僵硬度已有所升高。有学者[10]10]发现糖尿病前期患者的baPWV明显高于健康对照组,认为baPWV可用于糖尿病患者早期并发症的评估。另有相关研究[11]11]结果表示,动脉僵硬度与早期糖尿病肾病有关,通过PWV的检测可发现尚未有临床表现的早期糖尿病肾病患者群体,并予以早期干预。

高血压人群同样为As高风险人群。在2007年欧洲高血压防治指南中已将PWV列为检测动脉硬化的有效手段。有临床研究[12]12]显示,在初发高血压人群中,尽管颈动脉超声未发现As等表现,但其双侧PWV均已显著高于健康对照组。王铖等[13]13]研究发现baPWV可作为诊断中青年原发性高血压患者早期肾损害的敏感指标。

为研究As早期血管壁功能和形态变化,Gotschy等[14]14]的一项动物研究发现As模型小鼠的PWV增高较动脉壁厚度显著增加提前12周出现,提示在As的病变过程中PWV的变化早于动脉管壁形态学改变。以上研究均表明PWV对As具有早期检测作用。

2.2预测动脉粥样硬化性疾病的发生

高血压、糖尿病、血脂异常等是心脑血管疾病发生的重要危险因素,但有许多致命性的心脑血管事件在发生之前并无先兆症状及上述危险因素预警。因此,在普通人群中检测亚临床的As,以识别将来发生的心脑血管疾病高风险人群同样重要。许多研究结果提示PWV在预测动脉粥样硬化性疾病发生方面发挥着重要作用。有前瞻性研究[15]15]结果显示,PWV可预测高血压的进展,并且是预测年轻人高血压发生的良好指标。一项对2835名健康受试者随访4年的研究[16]16]结果表明,cfPWV是冠心病和脑卒中的独立预测因子。Francesco等[17]17]的研究纳入了1678名健康受试者,通过9年的随访也得出了类似结果。一项荟萃研究[18]18]系统性分析了19项相关研究,结果显示cfPWV每升高1m/s,未来心血管事件的发生风险即增加1.12倍。一项共纳入了14673例研究对象的荟萃分析[19]19]显示,baPWV可增强评价心血管危险因素的Framingham风险评分预测心血管疾病发生风险的功效。

除了在普通人群中PWV可帮助预测动脉粥样硬化性疾病的发生,研究显示在As高风险人群中,PWV在预测未来心脑血管事件发生方面也发挥着重要作用。Pereira等[20]20]的一项纳入1133例高血压患者的前瞻性研究发现,PWV增加的高血压患者卒中累积发生率显著高于PWV正常患者,结果提示PWV是高血压患者发生脑卒中的独立预测因子。一项针对无临床冠心病症状的2型糖尿病患者的研究[21]21]表明,在排除其他干扰因素后,baPWV与冠状动脉钙化积分呈正相关。总之,PWV预测动脉粥样硬化性疾病发生的作用得到了临床及学术界的普遍认可。

2.3评估动脉粥样硬化性疾病严重程度及死亡风险

除了对As早期病变的检测作用之外,PWV在动脉粥样硬化性疾病的严重程度判断方面也具有一定价值。有研究[22,23]22-23]结果显示,在接受冠状动脉造影的冠心病患者中,冠状动脉病变的严重程度与cfPWV之间存在很强的相关性。Kim等[24]24]纳入了501例稳定型心绞痛患者,通过行冠状动脉造影检查后发现,baPWV与冠状动脉病变的严重程度显著相关。Chung等[25]25]研究结果显示在703例接受冠状动脉造影的患者中,baPWV和冠状动脉病变SYNTAX评分呈正相关,提示PWV与冠心病严重程度显著相关。一项对1124名接受一般健康检查的受试者随访2.7年的研究[26]26]发现,较高的baPWV与冠状动脉钙化进展呈显著正相关。但是也有学者持不同观点,国内有研究[27]27]通过比较正常组与各级冠状动脉病变组间baPWV,结果显示各组间baPWV无统计学差异,且各组间baPWV与反应冠状动脉造影病变的Gensini评分无明显相关,故认为baPWV对冠心病及病变程度无评估价值。韩国有研究[28]28]结果显示有冠状动脉病变组baPWV较无明确冠状动脉病变组显著升高,但在冠状动脉病变严重程度不同的各组间无显著差异,因此认为baPWV虽然是预测冠心病的良好指标,但对于判断冠心病严重程度价值有限。Chiha等[29]29]的研究也得出了类似结果。

PWV除了用于动脉粥样硬化性疾病严重程度的评估,也有学者将其应用于相关疾病死亡风险的预测。一项纳入2795例受试者的研究[30]30]结果显示,PWV是肾功能受损人群慢性肾脏病进展和死亡的重要预测指标,提示PWV测量可能有助于更好的确定慢性肾脏病患者的预后,以便对此类病人进行早期的As干预。Sarafidis等[31]31]对接受血液透析病人进行了一项前瞻性研究,随访28个月,结果显示PWV是唯一与死亡风险独立相关的血管参数。类似的还有Sarafidis等[32]32]的研究,结果显示接受血液透析的患者PWV检测对心血管疾病方面的预后和死亡风险具有重要的预测意义。也有相关大型纵向研究[33]33]结果显示,在校正混杂因素后,PWV是慢性阻塞性肺病患者心血管死亡风险的独立预测因子。另一项纳入了1557例急性脑卒中患者的随访研究[34]34]结果表明,更高的baPWV值有助于预估急性脑梗死患者死亡风险。

2.4作为研究影响动脉粥样硬化进展因素的重要参考指标

在As病程中通过对危险因素的监测,使病情得到控制是动脉粥样硬化性疾病防治中的关键环节。许多研究将PWV作为评估As病变进展的有效指标,以研究影响As发生发展的因素。国内有学者[35]35]通过研究发现累积尿酸暴露是baPWV升高的危险因素,结果提示累积尿酸暴露可能加速As的发展。Karpettas等[36]36]以PWV作为参考指标,研究结果发现动态血压尤其是夜间收缩压对As影响较大。有前瞻性研究[37]37]纳入了5342例研究对象,随访5年,以cfPWV作为动脉僵硬度的参考指标,认为肺功能降低是促进As进展的危险因素。一项针对混合型结缔组织病的研究[38]38]将cfPWV用作评估As的指标,结果发现与对照组相比患病人群组的cfPWV更高,因此存在着更高的心血管疾病风险,除了疾病本身,年龄和血压也是该类患病人群中As的主要影响因素。Poon等[39]39]的研究纳入了2477例非糖尿病患者作为研究对象,以cfPWV评价中央动脉僵硬度,结果显示代表胰岛素抵抗程度的新标记甘油三酯/高密度脂蛋白比值与cfPWV呈正相关,因此认为在非糖尿病人群中,胰岛素抵抗与中央动脉僵硬度呈正相关。一项纳入3888例受试者的研究[40]40]中,以baPWV为观察指标,发现在女性中高血压与包括PWV在内的所有As参数均有关,因此需对高血压进行干预以期阻止As的进展。国内王来明等[41]41]纳入6143例研究对象,以baPWV作为动脉硬化参考指标,研究结果表明体质量指数在高水平保持稳定增长者更易发生动脉硬化。

因此研究中将PWV作为评价As病变进展的指标,有助于对可能影响As进展的利害因素进行识别,以指导临床诊疗。也有部分研究者以PWV为参照,验证一些生活方式或指标对As的影响,为预防动脉粥样硬化性疾病发生发展提供新靶点。Syed-Abdul等[42]42]研究结果显示,低碳水化合物饮食4周可显著改善PWV,并且女性比男性效果明显,因此饮食控制可改善女性As。

2.5评估动脉粥样硬化性疾病治疗效果

动脉粥样硬化性疾病的治疗是一个漫长的过程,需有更便捷有效的指标来辅助评估疗效以选择最佳治疗方案。一项Meta分析[43]43]表明,降压药物在降压之外有着改善PWV的作用,并且在随访期间PWV仍有着显著改善,其中血管紧张素转换酶抑制剂较其他降压药物降低PWV更为明显。一项双盲研究[44]44]显示,在经过8周的治疗后,坎地沙坦与氨氯地平对高血压患者的PWV无明显影响。另外有研究[45]45]通过比较治疗前后糖尿病患者PWV,结果显示降糖药物可明显减轻糖尿病患者动脉硬化。deBoer等[46]46]通过双盲随机研究得出,在治疗26周后,与安慰剂相比,利格列汀可降低早期2型糖尿病患者的主动脉PWV,提示利格列汀对改善动脉硬化具有良好作用。他汀类药物在心脑血管疾病中的防治作用已得到医学界较多肯定,国内外有研究在冠心病、高血压、糖尿病人群中以PWV为判断动脉硬化程度的指标,进一步证实了他汀类药物对As的改善作用;有Meta分析[47]47]通过总结关于各种他汀类药物对PWV改善作用的相关研究,综合评价分析后,显示他汀类药物对于改善动脉硬化具有良好疗效。

3、总结

As是导致各种心脑血管事件的主要因素,也是糖尿病、高血压、高脂血症等慢性疾病最主要的致病机制,由于其受累人群广泛,危害极大,且发展到一定程度很难逆转,因此需要一定的筛查手段发现早期病变以便及时干预。PWV因其无创、经济、操作简单、可重复性良好等优点,近年来逐渐成为有效评估As的常用手段。当然,PWV由于不进行血管成像,必须从体表估测血管长度,而忽略了动脉的立体形态与曲折性,检测结果可能存在一定误差,但随着技术的不断完善,PWV的准确性也在逐步提高。总之,PWV是一项评估As病变的良好检测手段,能指导临床更好的进行病变识别及早期干预。

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基金:南京医科大学康达学院科研发展基金(KD2018KYJJYB057);江苏盛泽医院院级科研项目(SYK202003)