基于熱分析方法的血流及內皮功能檢測技術與儀器

賀纓，唐元梁，Irina Mizeva

1.大連理工大學 能源與動力工程學院海洋能利用與節能教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.俄羅斯科學院連續介質力學研究所，俄羅斯 彼爾姆 614013

基于熱分析方法的血流及內皮功能檢測技術與儀器

賀纓1，唐元梁1，Irina Mizeva2

1.大連理工大學 能源與動力工程學院海洋能利用與節能教育部重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.俄羅斯科學院連續介質力學研究所，俄羅斯 彼爾姆 614013

末梢血流反映了人體的生理狀態，可以為人類的健康管理提供有用的信息。血流的熱分析方法是近年發展起來的新方法。本文結合筆者在生物傳熱方面的研究經驗，對血流及內皮功能檢測的熱分析方法進行了綜述。首先介紹了血流熱分析方法的基本原理，進一步介紹了基于末梢溫度及振蕩信號檢測內皮功能的國內外研究進展，最后分別對超薄型便攜式血流傳感器，血流-溫度信號轉換軟件以及基于溫度信號的內皮功能檢測儀器進行了介紹。

微循環；血液灌注率；內皮功能；傳熱分析；小波變化；末梢溫度檢測；內皮功能檢測儀器

0 引言

越來越多的研究表明，微循環功能可以作為評價心血管和代謝功能的重要指標，發展檢測微循環血流方法就成為開發循環系統早期疾病診斷儀器的重要步驟。血管內皮細胞不僅是血液和血管平滑肌細胞之間的屏障，而且是活躍的代謝庫、能釋放多種血管活性物質，參與機體的凝血、免疫、物質轉運和生物活性物質釋放等重要的生命活動。血管內皮細胞中，L-精氨酸在eNOS的作用下產生NO，NO從內皮釋出后經內皮下間歇彌散至血管平滑肌細胞，與細胞膜上的鳥苷酸環化酶結合后刺激產生環磷酸鳥苷（cGMP）,從而引起血管平滑肌舒張[1]。NO是迄今所知最強有力的內源性血管舒張因子，并且具有抗炎、減少血小板黏附及減少脂質過氧化等特性，內源性NO產生及釋放增多可直接保護血管內皮細胞功能,引起血管舒張、血流增加和血管通透性增高。內皮功能異常，特別是內皮NO釋放、利用障礙都可能是動脈粥樣硬化等疾病的重要機制。

皮膚非常容易接觸到，它為考察末梢微循環提供了很好的測試部位。過去二十幾年間，激光多普勒技術測量是測量皮膚血流的主要技術。激光多普勒技術通過測量紅細胞運動引起的單色光移動來獲得皮膚血液灌注率，光線可以穿透皮下1.5～2.0 mm深度。LDF輸出的信號是紅細胞速度和濃度的乘積，因此，它所提供的是血液流動的相對量[2]。通過離子電滲透的方法將乙酰膽堿（Acetylcholine，ACH）及硝酸甘油導入到前臂皮膚，采用激光多普勒成像儀測定藥物作用局部皮膚微血管血流量，比較藥物導入前后血流灌注量的變化就可以反映血管內皮功能[3]。該方法已在有關糖尿病、高血壓、血脂異常等的多項臨床研究中得到了應用。雖然激光多普勒技術能夠提供實時和精確的數據，但儀器的復雜性和高價格限制了其在臨床上的廣泛應用。

溫度是人體重要的健康指標。因為表面溫度依賴于血液灌注率和組織熱特性，通過人體表面溫度可以間接獲得人體內部血液流動和血管機能信息。例如，運用紅外熱像儀和雙向彩色超聲成像對頸內動脈狹窄病人的眼部溫度和頸內動脈處的血流及狹窄程度進行測試，考察平均眼部表面溫度與頸內動脈狹窄度的相關性[4]；通過比較手部溫度回升曲線區別初期和次級狀態雷諾綜合征[5-6]。近年來，由于在溫度檢測精度的提高和對微循環與組織傳熱相關性的進一步認識，已經有一些很好的基于熱分析方法的血流檢測儀器推出。在下面幾節中，將分別對血流熱分析方法的基本原理，指尖熱監測技術進展，基于溫度振蕩的內皮功能檢測方法以及幾款相應的儀器和軟件進行介紹。

1 血流熱分析方法的基本原理

溫度是人體重要的健康指標。生物傳熱分析中應用最廣泛的是Pennes方程[7]，可寫為：

其中r為密度，c為比熱，l為導熱系數，Qm為新陳代謝產熱率，ωb為血液灌注率，T為溫度，下標b表示血液。根據Pennes傳熱方程可知，皮膚溫度不僅與組織熱傳導，新陳代謝產熱率，環境溫度有關，還與血液灌注率ωb有關。一般情況下血液溫度（約37℃）高于皮膚溫度，組織中灌注的血液相當于熱源，灌注率的變化直接影響該熱源的大小并改變組織的溫度，因此由溫度信號測量血流信號就成為了可能。之后的血流熱分析方法大都基于這一傳熱方程。Yue等[8]發展了一種通過測量三點皮膚溫度獲得血液灌注率的方法。首先將加熱器纏繞手臂，測得加熱器中心處的皮膚溫度，并獲得離開加熱器中心1 cm和2 cm處的皮膚溫度。另外，通過生物傳熱方程獲得手臂皮膚溫度，通過優化模擬值與計算值間的目標函數，獲得最優血液灌注率。Nagata等[9]發展的方法可以根據皮膚初始溫度和接觸皮膚的傳感器溫度隨時間的變化率推算血液灌注率。Tang等[10]基于類似的方法研發了傳感器檢測系統，所測血液灌注率與激光多普勒所測數值的相關性達到0.89。這些方法的共同特點是需要檢測皮膚溫度的空間或時間的變化率。這些研究為通過皮膚溫度獲得血流信息提供了很好的思路。

2 指尖熱監測技術（Digital Thermal Monitoring，DTM）

指尖熱監測是血流熱分析方法的一個直接應用。通過連續測量阻斷肱動脈血流前后的指尖溫度并觀察充血后指尖溫度回升速率來反映其內皮功能。圖1(a)給出了一側上肢被阻斷血流前后的雙手紅外熱圖像，可以看到，血流阻斷側的手部溫度有明顯的下降。圖1(b)給出了血流阻斷側手指平均溫度隨時間的變化。在穩定情況下，指尖溫度保持在一個穩定的水平并由于脈動的影響而伴隨有微小的波動；在動脈阻塞的過程中，指尖由于缺血而發生溫度持續降低的現象；而當動脈阻塞被釋放以后，指尖溫度會持續升高并在達到溫度最高點后逐漸恢復至正常情況下的穩定水平，這一過程也被稱為充血反應（Vascular Reactivity，VR）。通常高血壓和糖尿病患者的指尖溫度回升速率要比健康組慢。充血響應中指尖溫度所達到最大值與正常情況下的指尖基準溫度的差被稱為溫度回升值（Temperature Rebound，TR），通常對于心血管疾病患者來說，其TR值比正常人低，充血響應比正常人弱。圖2顯示了這一特性，它被用來判斷被測者是否具有患心血管疾病的危險。

圖1 反應性充血實驗過程中[11]

圖2 健康人與心血管疾病患者的血管響應性測試結果對比圖

Gul等[12]為了檢驗DTM技術對于預測冠心病等心血管疾病是否具有通用性，選取133人進行了實驗研究，這些被測者年齡都在50歲左右，男女各半，其中19人被檢查出患有冠心病。實驗中，使用壓力夾對被測者的右手臂施加壓力，造成血管閉塞，并用熱電偶同時記錄雙手指尖的溫度變化。實驗結果表明，對于患有冠心病或Framingham風險評分（Framingham Risk Score，FRS）值較高的被測者（FRS，應用性別、年齡、總膽固醇、收縮壓、是否治療高血壓及吸煙危險等因素來預測以后10年發生心血管疾病的風險，Grundyet al，1999）[13]，其指尖溫度在解除血管閉塞后的回升值比健康人的溫度回升值小。Shao等[14]利用核磁影像資料建立了真實手部三維模型，利用多孔介質理論對這一充血反應過程中的手部血流和溫度進行了有限元分析，給出了不同血液灌注率與充血后皮膚溫度的對應關系，如圖3所示。圖中的最低點是上肢動脈阻塞結束時的溫度值，若沒有反應性充血（Reactive Hyperemia，RH），即血液灌注率與阻塞前相同，此時的溫度回復速率遠較實驗值低。

圖3 不同反應性充血條件下手指溫度變化的模擬結果[11]

這些研究證明了DTM技術可以很好地檢查出被測者是否患有血管功能障礙，可以用來預測心血管疾病。但是，DTM法采用的是皮膚絕對溫度信息，不可避免地易受到環境和皮膚初始溫度等的影響。為此，Ley等[15-16]在Pennes方程的基礎上，建立了集總參數模型，討論周圍環境溫度、初始皮膚溫度、熱傳導系數、體溫等參數對VR測試過程中對指尖溫度的影響。在后續的研究中Ley等[17]指出，指尖皮膚的初始溫度和血管閉塞時的最低溫度對閉塞釋放后的溫度反彈影響很大。

3 基于皮膚溫度振蕩的內皮功能檢測

相對而言，評價指尖溫度振蕩或許更能準確反映末梢血流變化和內皮功能。通過對末梢血流信號的小波分析[18]表明，微血管的血流調節包括了0.0095～2 Hz之間的五種不相重合的頻段：0.0095～0.021 Hz為內皮作用頻段，0.02～0.05 Hz為神經調節頻段，0.05～0.14 Hz為肌源性調節頻段，0.14～0.5 Hz為呼吸頻段，0.5～2 Hz為脈搏頻段，見圖4。而最低頻段（0.0095～0.021 Hz）與微血管內皮細胞的功能性活動有關，尤其是0.01 Hz附近的血流振蕩信號與NO的合成活動有關。

圖4 皮膚血流變化的頻譜分析圖[19]

Podtaev等[20]通過對皮膚溫度信息進行小波分析并與激光多普勒血流信息進行比較發現，皮膚溫度能夠反映血管的內皮，神經以及肌源性調節的不同頻段。Liu等[21]通過對皮膚動態熱圖像的頻譜分析也表明，末梢皮膚溫度能夠反映內皮釋放一氧化氮NO的低頻頻段（0.0095～0.021 Hz），Smirnova等[22]則通過對健康組、二型糖尿病和糖耐量受損患者手的皮膚溫度的頻譜分析發現，無血管病變的實驗對象在受到冷刺激時內皮、神經和肌源性調節頻段的皮膚溫度波動幅值減小，冷刺激結束后恢復；而二型糖尿病和糖耐量受損患者在結束冷刺激后，內皮、肌源性頻段的皮膚溫度波動幅值沒有恢復。與此同時，Podtaev等[23]還比較了局部加熱對健康人群和2型糖尿病患者的影響。將指尖溫度從22oC室溫加熱至40oC并維持10 min，通過對皮膚溫度信號的小波分析發現，健康人群溫度信號的振蕩幅值在肌源活動，神經調節以及內皮活動頻段都有很大的增加，反應了基于加熱的血管舒張運動。但2型糖尿病患者皮膚溫度的小波分析結果顯示，加熱前后內活動皮頻段的振蕩幅值沒有顯著變化。相較于冷水刺激，局部加熱的檢測方法更易用于臨床，因為被測者對加熱的耐受性更好。Frick等[24]在最新的論文中更直接地指出皮膚溫度可以作為跟蹤微血管調節運動的標記。

Tang等[25]為此運用多孔介質血流和傳熱模型初步分析了血流變化對皮膚溫度振蕩特性的影響。圖5為模型所預測的皮膚溫度在0.01 Hz頻段的振蕩特性。振蕩幅值最弱的區間對應的是皮膚受到冷水刺激的區間。這一工作雖然可以解釋組織內血流脈動對皮膚溫度振蕩的影響，但溫度振蕩的幅值比實驗所測幅值大，同時，模型還不能反映血管舒張因子NO濃度對血管舒張運動的影響。

在以上Frick,Podtaev等[20,23,24]的分析溫度振蕩和血流變化相關性工作中，采用了間隙小波技術。采用此技術進行信號分析時，若采集的信號存在間斷或信號長度有限，則間斷處或信號兩端處的小波信號分析容易失真。間隙小波技術（gapped wavelet technique）可以對邊界效應引起的干擾進行抑制。它的主要思想是通過修正小波函數使容許性條件在信號間斷處或信號兩端重新得到滿足。

圖5 冷水刺激前后內皮頻段皮膚溫度振蕩幅值變化（模擬分析）

兩個信號小波變換的互相關函數可定義為：

其中W1(a,b)，W2(a,b)分別為兩個信號的小波變換形式（即小波系數）。當選取的小波函數為復小波時，互相關函數C(a)為復數，其模和相位值分別表示兩個信號在尺度a上的相關性大小和相位差。

通過采用Morlet小波對獲取的信號進行小波變換和互相關分析可以看出，在肌源性（0.05-0.14 Hz）、神經（0.02-0.05 Hz）以及內皮（0.0095-0.02 Hz）調節頻段，血流多普勒信號和皮膚溫度波動信號的相關性系數遠高于噪聲信號。而在0.14-2 Hz頻段，相關性系數值則與噪聲信號相差不大。溫度波動幅值和相關性隨頻率上升而減小是由于人體皮膚具有低通濾波器的性質。溫度波動在傳播過程中其幅值以頻率的指數函數速度衰減，因此由心跳和呼吸引起的微小波動難以從熱噪聲中識別出來。而肌源性，神經以及內皮等低頻信號的衰減程度沒有心跳和呼吸劇烈，因此可以從皮膚溫度振蕩信號中檢測出來。

4 基于熱分析技術的血流測試軟件及儀器

4.1 便攜式傳感器[26]

2015年Webb等在Science Advances雜志中報道了利用溫度測量檢測大血管和微循環血流信息的設備和方法。其設計的溫度傳感器設備由一個直徑3 mm的圓形加熱驅動裝置和周圍兩層共14個直徑1 mm、呈環形均勻排布的溫度傳感器以及其他輔助溫度傳感器組成，見圖6。其超薄、柔性、貼合皮膚的特性保證了測量的便利、連續和準確性。

圖6 新型超薄便攜式血流檢測傳感器[26]

圖7 TBF-Converter軟件截圖[25]

該設備測溫的精度可在采樣率2 Hz的情況下達到0.01℃，因此皮下血流導致組織傳熱呈現的各向異性可以被該設備精確測量到。結合有限元數學模型和相應的熱分析技術，可將設備測量到的溫度信號轉換為血流信息。通過與先進的光學血流檢測系統的測試比較，驗證了該設備在多種生理條件下檢測皮下大血管、微循環血流信息的能力。該設備和方法可以在不受運動、接觸和壓觸等條件的限制下對皮下（約2 mm）血流的方向和大小進行量化檢測，展示了其在日?；顒又袘玫臐摿Α?/p>

4.2 基于溫度信號的血流轉換軟件TBF-Converter[27]

TBF-Converter軟件有如下特點和功能：讀取、保存溫度或血流數據；利用PPG信號的包絡線，提取血流信號；選擇信號變換的方向和方法（小波變換，Fourier變換，Shitzer模型等），進行信號變換。軟件既可將溫度信號變換為血流信號，也可將血流信號變換為溫度信號。除此之外，軟件還可定義皮膚、血液和空氣的物性參數（密度、比容、皮膚與空氣的換熱系數、空氣溫度等）以及對信號的尺度進行標準化或線性縮放。圖7為TBF-Converter軟件的截圖。

該工作分析皮膚溫度信號與皮下血流信號的相關性是基于以下假設：① 血流波動是皮膚溫度產生波動的主要原因；② 波動的血流是皮下的熱波源，該熱波傳至皮膚表面后引起皮膚溫度的波動；③ 該熱波在傳播過程中存在頻率依賴的幅值衰減和相位變化。

基于上述理論假設，在利用熱圖像或熱信號分析血流信號時，可采用如下步驟進行：① 對溫度信號進行小波變換，得到溫度信號的時頻分量；② 修正溫度時頻分量的幅值和相位；③ 利用小波反變換和修正的溫度時頻分量得到血流信號。

4.3 內皮功能診斷裝置Microtest 100WF[28]

Microtest 100WF通過檢測低幅值皮膚溫度波動來分析微血管運動。它由俄羅斯FM Diagnostics公司聯合俄羅斯科學院連續介質研究所以及當地醫院研發而成。它所帶的兩個溫度傳感器可以實時記錄溫度波動，測量精度可達0.001oC。內置軟件運用小波變化技術迅速由溫度信號分解出由肌源，神經和內皮調節引起的振蕩信號。通過分析這些信號的變化規律可以評價微血管內皮狀態（圖8）。

圖8 Microtest 100WF裝置及測試方法[26]

5 血管反應測試儀器VENDYS[29]

VENDYS是Endothelix公司推出的測量血管反應（vascular reactivity）的儀器，它依據的正是前述DTM技術。它首先記錄安靜，袖帶加壓（2～5分鐘）以及袖帶壓力釋放時一側手指的溫度變化。再測量袖帶壓力釋放后指尖溫度所達到最大值與正常情況下指尖基準溫度的差，這一差值被稱為溫度回升值(Temperature Rebound,TR)，見圖9。通常心血管疾病患者的TR值比正常人低，充血反應比正常人弱。VENDYS通過判斷TR值的大小來判斷是否具有患心血管疾病的危險。VENDYS的原理非常簡單，核心的設備是溫度傳感器和相關分析軟件，與其他測量血流及內皮功能的設備相比價格自然非常便宜。但由于DTM技術容易受環境和初始溫度影響，目前還只能對內皮功能的大概范圍進行判斷。

6 總結

圖9 溫度回升值TR的定義

指尖含有豐富的毛細血管網，同時指尖部分的新陳代謝產熱非常小，可忽略不計，可以認為指尖皮膚溫度變化與毛細血管內血流變化直接相關。因此，通過監測指尖溫度變化可以間接達到監測血液灌注率的目的，而精確地檢測空間皮膚溫度分布以及皮膚溫度隨時間的變化率則是非常重要的一步。

本文介紹了兩種檢測內皮功能的熱分析方法：監測指尖充血反應的DTM方法以及基于小波變換的溫度振蕩分析方法。這兩種方法都是通過觀察皮膚溫度在受到壓力或冷熱刺激之后的動態變化考察微血管的收縮和舒張功能來實現的。相對而言，評價指尖溫度振蕩或許更能準確反映內皮功能，但由于溫度振蕩的幅值較低，高精度的溫度測量至關重要。

值得注意的是，盡管皮膚溫度振蕩與血流的波動高度相關，但熱波在傳播過程中存在頻率依賴的幅值衰減和相位變化，高頻振蕩信號傳到皮膚表面時已幾乎消失，但低頻振蕩信號衰減沒有如此迅速，這也是為什么通過溫度振蕩只檢測到內皮和神經調節頻段的原因。

已開發的儀器和軟件目前還沒有在臨床上廣泛應用，通過信號處理，生物力學和醫學專家的跨學科合作，隨著對微循環血流調節特性的深入研究，可以期待基于熱分析方法的血流及內皮功能檢測儀器會廣泛應用于臨床診斷及健康管理。

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[26]Available from:http://fm-diagnostics.com/index-eng.html.

Thermal Analysis Methods for Assessing Blood Flow and Endothelial Functions &Device

Blood microcirculation system is an important part of the cardiovascular system,and its properties refect human health,namely,physiological features of cardiovascular system among which one is endothelial function. Nowadays together with known optic techniques of blood fow monitoring skin temperature measurements are developed. In this paper,we review recent development of skin temperature monitoring methods for blood flow analysis and present research progress in numerical simulations of bioheat transfer reached by the authors. First the basic principle of thermal analysis method for assessing blood flow is introduced. Furthermore,the advancement for evaluation of endothelial function basing on skin temperature and temperature oscillation is reviewed. Finally,three kinds of innovative instruments are presented,including an ultrathin,soft,skin-conforming sensor for continuous blood fow mapping,blood fow-skin temperature converting software,and an instrument for diagnostics of endothelial dysfunction.

microcirculation;blood perfusion rate;endothelial function;heat transfer analysis;wavelet transform;peripheral temperature detection;endothelial function detecting instrument

HE Ying1,TANG Yuan-liang1,Irina Mizeva2
1. Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education,School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116024,China;2. Institute of Continuous Media Mechanics,Russian Academy of Science,614013 Perm,Russia

TP274；R54

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.09.004

1674-1633(2016)09-0014-05

2016-08-27

國家自然科學基金項目（51576033）；大連市科技項目（2015F11GH092）；中俄政府科技合作項目。

賀纓，教授，博士，研究方向：血液動力學，生物傳熱傳質。

通訊作者郵箱：heying@dlut.edu.cn