血管力學篇(8):從單跳升主動壓看體循環脈波反射現象
文: 張國柱(Chang,Kuo-Chu)
台大名譽教授
日期:2020/08/15
動脈波的物理特性(physical property of the arterial wave)包括波反射係數(wave reflection coefficient)和波傳輸時間(wave transit time)。先前的文章提過:動脈波的反射振幅(amplitude)與時序(timing)對心臟收縮功能和舒張功能的影響甚巨,因此波反射理論可用來解釋血管的病變對心臟功能的傷害。既然動脈波反射特性是如此地重要,那麼如何以最少的生理訊號去量化波反射性質,便是個重要的課題。在討論這個議題之前,吾人對動脈系統之脈衝響應(impulse response)和其所相對應之頻率響應(frequency response)必須有所認識,因為這是探討血管力學的重要基礎。
動脈系統之脈衝響應與頻率響應
就生理訊號與系統而言,若將動脈視為線性且為非時變之系統(linear and time-invariant system),那麼以脈態血流波作為此系統的輸入訊號,脈態血壓波作為此系統的輸出訊號,那麼系統的脈衝響應便具備了描述並量化動脈管的力學特性。相對於時域(time domain)的脈衝響應,其頻率響應便是頻域(frequency domain)的動脈阻抗頻譜。脈衝響應與血管阻抗頻譜脈之間的關係如下:脈衝響應的富利葉轉換(Fourier transformation)便是動脈阻抗頻譜;動脈阻抗頻譜的逆富利葉轉換(inverse Fourier transformation)即是脈衝響應。脈衝響應和動脈阻抗頻譜兩者所蘊含的血管資訊(information)完全一樣,只是各自以其所擁有的指標描述動脈管的物理特性,互補彼此之不足。
注意:脈衝響應和動脈阻抗頻譜之計算,非得同歩紀錄動脈血壓和動脈血流訊號不可。
動脈血壓和動脈血流訊號的測量
既然同歩紀錄動脈血壓和動脈血流的脈態訊號在脈衝響應和動脈阻抗頻譜的計算上是如此地重要,那麼導管技術之應用便不可避免。然而導管度量屬於侵入式技術,這在臨床研究上確實有為難之處。此外脈態血流訊號很是微弱,而且容易受到雜訊干擾,不易精準測得,故同步紀錄脈態的動脈血壓和動脈血流訊號是臨床應用上無法避免的限制。因此若能使用最少量的侵入性生理訊號探討動脈波的物理特性,那麼對臨床研究者來說將是一大助益。
使用單跳脈態血壓訊號計算動脈阻抗頻譜
既然臨床上動脈血流波的測得有所困難,而動脈血壓波的測量卻是相對穩定,那麼是否可以使用動脈血壓波經由某種技術處理,產生類似量測所得的血流波,進一步有效地計算動脈阻抗頻譜?這是一個吸引人的問題,倘若答案是肯定的話,那麼對臨床研究者和病患來說將是一大福音。
從超音波和電磁血流儀的測量所得,動脈血流似乎是呈現三角型態的波形(triangular shape),因此認為主動脈血流波類似三角形是個合理的假説。1989年 Kelly 等人發現:升主動脈壓四次微分的第二個跨零點非常接近其所相對應的血流波的峯值所在。2006年 Westerhof 等人使用量測所得的血壓波,配合血壓波經由四次微分所製造的三角血流波,成功地計算動脈阻抗頻譜,並分析了波反射振幅在不同心血管疾病所呈現的變化,驗證了動脈血流波可用三角血流波(triangular flow wave)近似處理的觀點。因此將所需的兩個侵入式訊號縮減成一個生理訊號,且不須對所製造的三角血流波做任何的校準(calibration),這在臨床應用上大大地提升了計劃執行的可行性和研究人員的意願,是個了不起的成就。
使用單跳脈態血壓訊號計算動脈波反射振幅與傳輸時間
Westerhof 等人使用測得的動脈壓和由此所產生的三角血流波,成功地拆解了血壓波而得到血壓的前進波和反射波,進而量化了脈波反射振幅和係數,合理地解釋了增大的反射特性對心室後負荷的影響。可惜的是他們的文章並沒有提及脈波速度(pulse wave velocity,PWV)或波傳輸時間的評估,在動脈波的物理特性方面留下了缺口。這個缺口在2008年由 Qasem 和 Avolio 等人提出:利用修正的前進波和反射波之交叉相關函數(cross-correlation function)計算波傳輸時間,而得到了彌補。
另一方面,波傳輸時間亦可使用血管的脈衝嚮應函數加以評估。1980年 Sipkema 等人驗証了:脈衝嚮應所呈現兩個清楚的峯值與非對稱T-管模型所展現的兩個有效反射位置(effective reflection sites)相對應。這兩個分離的反射(discrete reflection)是造成血管阻抗之振幅與相位震盪的主要因素。第一個反射峯值源於鎖骨下動脈(Subclavian artery)和頭臂動脈(Brachiocephalic artery)的上身有效反射位置(effective reflection site of the upper body),而在腎動脈附近的下身有效反射位置(effective reflection site of the lower body)則產生了第二個反射峯值。由於第一個反射峯值很容易受到瀰漫反射(diffuse reflection)的干擾,所以一般只評估來自於下身有效反射位置的波傳輸時間,亦即參考點到第二個波反射峯值時間間隔的一半。(請參考茁著 圖 2A 之綠色曲線)
動脈波傳輸時間的生理意義
波傳輸時間的長短可作為評估動脈病變的指標。根據 Moens-Korteweg 方程式(【PWV = (Eh/2rρ)1/2】)顯示:動脈重塑或動脈硬化都可增快脈波的傳播速度,其中動脈之幾何結構有管壁厚度(h)和血管半徑(r),此外管壁生物材質之彈性模數(elastic modulus,E)和血液密度(ρ)也是決定循環系統脈波傳播速度快慢的因子。當 PWV 因動脈重塑或動脈硬化而增快時,所需的波傳輸時間變短,反射波的最大振幅容易沒入前進波的收縮振幅而增大動脈收縮負荷(systolic loading),導致心肌耗氧量的增加而傷害心臟,造成心肌缺氧、心室肥厚以及心臟衰竭等危害生命的後果。
後記
本實驗室於2017年採用 Westerhof 等人之摡念,使用測量所得的動脈壓建構其所相對應的三角血流波,以動脈壓拆解法求得波反射係數,配合動脈脈衝嚮應所求得的波傳輸時間,完整地呈現了不同疾病對動脈波物理特性的傷害。至於臨床診間的應用,若能使用 tonometry 非侵入式地量測血壓波,配合單跳動脈壓評估法之電腦程式分析,便可自動量化動脈波的反射特性,探討動脈病變對心臟收縮負荷的影響,提供更完整、更有用的臨床資訊,作為醫師診斷疾病和評估藥物療效的參考。
附註說明
動脈參數之計算,請參考「動脈阻抗之計算與脈波反射特性之量化」
發表文獻
Chang RW, Chang CY, Lai LC, Wu MS, Young TH, Chen YS,Wang CH*, Chang KC*. Determining arterial wave transit time from a single aortic pressure pulse in rats: vascular impulse response analysis. Scientific Reports 7:40998 ; DOI:10.1038/srep40998 (2017)
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