CN102805616A - 一项测定动脉局部弹性的新指标 - Google Patents

Abstract

一项测定动脉局部弹性的新指标。本发明属心血管力学领域一项新的发明，对相关基础研究和临床工作具有重要意义。目前，已有多种多样的指标来反映整体血管的弹性，但是没有一个指标是反映血管局部的弹性的，而基础研究和临床工作都迫切需要一项衡量局部动脉弹性的新指标。本发明的提出填补了这一空白。新指标的获得是在测定血管壁在经受一个血压变化时的不同局部和方向上(环向和纵向)的应变，通过拉普拉斯定律推导计算得出，其本质上反映了使局部血管壁在某一方向上产生一定应变所需要的力(脉压)，代表局部血管的弹性，并且利用新指标还可以直接计算出局部血管的杨氏模量。

Description

一项测定动脉局部弹性的新指标

所属技术领域

本发明专利涉及一种新的能够反映动脉局部弹性的指标，基于本专利提出的这一新指标，可以通过超声仪器实现动脉局部血管弹性的定量检测和评估，通过对比了解局部血管弹性的改变有助于实现对动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的更早期诊断和预防。本专利属医学科学心血管力学领域一项新的发明，可应用于该领域的基础研究和相关疾病的临床诊疗。 

背景技术

目前，动脉血管的弹性减退已经成为判断和预测心血管疾病的重要指标之一。我们知道，动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的发生发展与血管硬化、弹性减退密切相关。早期，主要因内皮损伤而引起动脉内皮依赖性和非内皮依赖性舒张功能异常，弹性出现下降；若病情持续或进一步加重，则动脉内膜受损，中膜平滑肌大量增生而使管壁增厚，动脉弹性下降。动脉粥样硬化作为血管硬化的常见类型，属于一种血管受侵区域比其他区域紧缩得更为严重的局灶性病变，受损动脉弹性下降，血管力学属性发生改变。另外，在临床中，常常可见动脉粥样硬化形成引起局部血管狭窄而该血管在同一水平对侧的血管壁扩张。这充分说明同一段血管不同局部的弹性存在明显差异。早期识别这种差异会有重要临床意义。高血压病在引起血管结构、功能、机械特性发生改变的同时能够加速动脉粥样硬化的发展，加重动脉弹性的减低，二者形成恶性循环。可见，早期检测动脉血管的弹性指标的改变对动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的早期诊断尤为重要。目前衡量动脉血管弹性的指标有：压力应变弹性系数(Ep)、僵硬系数(β)、动脉顺应性(AC)、脉搏波放大指数(AI)、脉搏波传导速度(PWV)等，其中PWV被公认为是一项可靠指标。但是这些指标均为整体血管弹性的平均指标，不能反映局部动脉血管的弹性变化，PWV虽然可以反映节段性的弹性，但是对于某段血管局部的弹性变化则难以反映。目前还没有一种指标能够准确反映局部动脉血管弹性和力学性质的指标，本发明专利提出的这一新指标填补了这项空白，能够定量检测和评估局部动脉血管弹性，对动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的更早期诊断和预防具有重要意义。 

发明内容

目前，已有多种多样的指标来反映整体血管的弹性，但是没有一个指标是反映局部血管的弹性的，而受损动脉管壁的力学性质或者弹性的变化应是伴随动脉粥样硬化形成同时发生的，并且要早于血管壁的增厚和扩张。因此，心血管力学基础研究和临床工作都需要一项局部动脉弹性指标来检测这一变化，从而帮助基础研究和临床医生识别这种病变，超早期进行诊断和预防。本专利提出的一项局部动脉弹性的新指标填补了这一空白，能够定量检测和评估局部动脉血管弹性，对动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的超早期诊断和预防具有重要意义。 

本发明专利涉及的一项动脉局部弹性的新指标，其核心原理是测定血管壁在经受一个血压变化时的不同局部和方向上(环向和纵向)的应变，血压和脉压值可由血压计测得，环向或者纵向的应变、血管内径和厚度可由超声仪器测得，通过拉普拉斯定律推导计算得出，其本质上反映了使血管壁在某一方向上产生一定应变所需要的力(脉压)，代表局部血管的僵硬度或弹性。通过新指标可直接计算得出血管的杨氏模量。具体的理论推导如下： 

以下所有的推导都基于这样的假定：血管壁的厚度t远远小于血管的半径r，即t＜＜r。 

考虑沿血管壁纵向上的压力，结合拉普拉斯定律，可得： 

${\mathrm{\σ}}_L=\frac{\mathrm{pr}}{2t}---\left(1\right)$

式中p为管腔内的压力，σ为应力。 

考虑沿血管壁环向上的压力，结合拉普拉斯定律，可得： 

${\mathrm{\σ}}_C=\frac{\mathrm{pr}}{t}---\left(2\right)$

在这里，为了使问题简化，可以认为血管是均质和各项同性的。这样，血管的环向应变就是： 

${\mathrm{\ϵ}}_C=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_C-v{\mathrm{\σ}}_L)---\left(3\right)$

式中，E为血管的杨氏模量，v为血管的泊松比。 

(可参见：http://en.wikipedia.org/wiki/Hooke′s_law 

http://en.wikipedia.org/wiki/Young′s_modulus 

http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson′s_ratio) 

将(1)式和(2)式代入(3)式，可得： 

${\mathrm{\ϵ}}_C=\frac{1}{E}(2-v)\frac{\mathrm{pr}}{2t}---\left(4\right)$

这里，考虑血压分别在0、p₁、p₂三个水平时的情况，对于p₁和p₂，由(4)式可得： 

$\frac{L_1-L_0}{L_0}=\frac{1}{E}(2-v)\frac{p_1{r}_1}{2t_1}---\left(5\right)$

$\frac{L_2-L_0}{L_0}=\frac{1}{E}(2-v)\frac{p_2{r}_2}{2t_2}---\left(6\right)$

上式中L₀、L₁、L₂分别为血压在0、p₁、p₂时血管壁横切面局部节段的长度。这些值由超声仪器测量得到。 

式(5)可改写为： 

$\frac{L_1}{L_0}=1+\frac{1}{E}(2-v)\frac{p_1{r}_1}{2t_1}---\left(7\right)$

由超声仪器测量得到的应变可定义为： 

${\mathrm{\ϵ}}_C^{\mathrm{measure}}=\frac{L_2-L_1}{L_1}---\left(8\right)$

下面的等式(9)可由(5)-(8)式推导出来，即用(6)式减去(5)式后除以(7)式，代入(8)式右边即可得： 

${\mathrm{\ϵ}}_C^{\mathrm{measure}}=(2-v)\frac{\frac{p_2{r}_2}{2t_2}-\frac{p_1{r}_1}{2t_1}}{E+(2-v)\frac{p_1{r}_1}{2t_1}}---\left(9\right)$

由等式(9)，可得： 

$E=(2-v)(\frac{\frac{p_2{r}_2}{2t_2}-\frac{p_1{r}_1}{2t_1}}{{\mathrm{\ϵ}}_C^{\mathrm{measure}}}-\frac{p_1{r}_1}{2t_1})---\left(10\right)$

将新指标定义如下： 

由于公式(11)右边部分的各项数值均可直接测量得到，故新指标可直接计算出来，同时，公式(11)也表明新指标的计算需要血管内两种血压不为零时的状态。 

血管内径r和血管壁厚度t在一个心动周期中的变化相对较小，加上仪器精度有限和测量误差等因素的存在，在实际应用时，为简化操作，可忽略此两参数随心动周期的变化。即：将 

看成是常量，公式(11)则可进一步简化为 

由此可见，新指标代表使血管壁在某一方向上产生一定应变所需要的力(脉压)，代表局部血管的僵硬度。即：等式(12)中， $(\frac{p_2-p_1}{{\mathrm{\ϵ}}_C^{\mathrm{measure}}}-p_1)=\frac{\mathrm{\Δp}-{\mathrm{\ϵ}}_c^{\mathrm{measure}}{p}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_c^{\mathrm{measure}}}.$ 其中，Δp＝p₂-p₁，即为脉压。 

代入等式(10)，可得： 

E＝(2-v)·新指标                (13) 

这就意味着当v，即血管壁的泊松比(见前述)为常数0.5时，血管局部管壁的杨氏模量可由新指标直接计算出来。这样，我们把这种基于本专利推导动脉管壁杨氏模量的方法称为杨氏模量的新算法。 

等式(12)是非常重要的：它直接把新指标和血管壁的杨氏模量联系起来(泊松比一般来说是一个常数，对于血管来说，其值约为0.5)。同时，它还表明，新指标是一个血管弹性的直接可测指标。对于健康的血管，其值将在一个特定的范围之内；对于病变血管，其值将不在这个范围之内。这一点使其成为一个非常有意义的监测指标，就像脉搏这个用来监测病人健康状况的标准指标一样，这一新指标有可能成为监测病人血管健康状况的一项首选指标。 

同理，局部血管壁的纵向应变为： 

${\mathrm{\ϵ}}_L=\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_L-v{\mathrm{\σ}}_C)---\left(14\right)$ (可参见：http://en.wikipedia.org/wiki/Hooke′s_law) 

将式(1)和(2)代入等式(14)，可得： 

${\mathrm{\ϵ}}_L=\frac{1}{E}(1-2v)\frac{\mathrm{pr}}{2t}---\left(15\right)$

对于不可压缩材料，即泊松比 

此时，从上式可得： 

ε_L＝0            (16) 

由式(4)和式(15)，可得： 

$\frac{{\mathrm{\ϵ}}_L}{{\mathrm{\ϵ}}_C}=\frac{1-2v}{2-v}---\left(17\right)$

由式(16)可以看出，纵向应变是不发生改变的，而环向应变可以反映高血压患者血管的力学特性。 

本发明专利的有益效果是，由以上推导可以看出，新指标可以定量准确地反映局部血管的弹性，通过环向应变的测量，利用拉普拉斯定律结合压力数据、血管内径和厚度数据可以直接计算得出，并且利用新指标还可以直接计算出局部血管的杨氏模量。这一可测指标能够在心血管力学基础和临床中反映动脉局部血管的弹性，有可能成为监测血管健康状况的一项首选指标。对动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的更早期诊断和预防具有重要意义。 

附图说明

下面结合附图对新指标进一步说明：附图中显示了测量特定血压下血管壁局部节段的环向和纵向应变的具体方法。图1和图2表示局部血管壁应变测量的范围和方向。附图中A表示局部血管可能的受损区，B表示管壁。图1表示的是血管壁局部环向应变的测量，图中双向箭头表示需要测量的血管壁局部应变的方向，L表示一定血管内压力下测得的长度。对于压力在p₁和p₂的条件下，可测得局部环向的长度为L₁、L₂，由式(8)可直接算出环向应变，进而由式(12)算出新指标的数值。图2表示的是管壁局部纵向应变的测量，双向箭头表示需要测量的血管壁局部应变的方向，L表示一定血管内压力下测得的长度。图3表示管壁应变的节段设计，其中A表示局部血管可能的受损区，B表示管壁，r为血管内径，t为管壁厚度。如图所示，在环向上，可将血管壁分为若干等份(图中为六等份)，其中的一份或许就包含了管壁的病变节段。每一个节段的局部应变均需测量，这样就实现了对血管壁局部弹性的测量计算，得出每一局部的新指标数值，通过对比检测局部血管弹性的改变就可以实现对动脉粥样硬化、高血压病等心血管疾病的超早期诊断和预防。 

具体实施方式

为了实现本专利涉及的局部动脉弹性的新指标的测量和计算，具体实施方式如下：动脉内血压的变化，即脉压，可以在体外用血压计测量得到。比如，在肱动脉处测量的血压是120/80mmHg，同时很容易算出脉压是40mmHg，这意味着在每一个心动周期都会有一个40mmHg的压力变化施加在血管壁上，这样一来，血管壁环向和纵向的应力变化就可以通过拉普拉斯定律计算出来，进而计算出新指标，实际中可测量收缩压和舒张压，以此来计算。在实施中可以利用电子测量血压或者人工测量后血压后输入计算机，通过计算机程序进行分析和计算得出新指标。而且，由于外周大动脉间的血压差别很小，加上测量仪器的精度有限和测量误差等因素的存在，在实际应用时可将其忽略不计，所以，在肱动脉处测量的血压可以代表其他外周大动脉的血压。动脉血管的内径及厚度采用目前的超声技术可以精确测量。动脉血管局部的环向和纵向应变可以通过超声仪器内置的斑点追踪技术或者其他组织形变测量技术实现，目前，这些技术已经比较成熟，经过技术和相关程序的进一步改进，可以通过超声仪器和相关软件实现这一局部动脉弹性的新指标的测量、计算和输出。 

Claims (5)

1.一项动脉局部弹性的新指标，本专利属心血管力学领域一项新发明，其特征是：测定血管壁在经受一个血压变化时的不同局部和方向上(环向和纵向)的应变，通过血压计测量前后两个血压值，超声仪器精确测量局部血管环向或者纵向的应变、血管内径和厚度，通过拉普拉斯定律推导计算得出新指标，其本质上反映了使局部血管壁在某一方向上产生一定应变所需要的力(脉压)，代表局部血管的弹性，并且利用新指标还可以直接计算出局部血管的杨氏模量。

2.根据权利要求1所述的一项动脉局部弹性的新指标，其特征是：基于拉普拉斯定律推导和计算的一项新指标，能够定量检测和评估动脉局部血管弹性，反映局部血管的弹性。

3.根据权利要求1所述的通过血压计测量前后两个血压值，超声仪器精确测量局部血管环向或者纵向的应变、血管内径和厚度，其特征是：对血管内前后两个血压值的测定，可通过体外利用电子血压计测量或者人工血压计测量血压的方法获得，一般测量收缩压和舒张压，数值可输入超声仪器或者计算机，对局部血管的环向或者纵向应变、血管内径和厚度采用超声组织形变技术实现对其的精确测量，最后可通过这些测值计算得出新指标。

4.根据权利要求1所述的代表局部血管的弹性，其特征是：新指标是用来描述动脉局部血管弹性的一项新指标，局部指的是将血管根据需要环向等分，对每个等份进行环向应变的测量，通过计算所得即为局部的弹性新指标，反映局部血管弹性，而血管局部纵向上应变为零。

5.根据权利要求1所述的利用新指标还可以直接计算出局部血管的杨氏模量，其特征是：通过本专利基于拉普拉斯定律的推导和计算，新指标和血管壁的杨氏模量能够直接用等式联系起来，即E＝(2-v)·新指标，为血管杨氏模量的计算提供了一种方法。 

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