行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
脊髓損傷及腦中風患者脈波波速之量測
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC93-2314-B-002-100- 執行期間： 93 年 08 月 01 日至 94 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學醫學院復健科 計畫主持人： 王亭貴 共同主持人： 蕭自佑，邵耀華，王崇禮 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 94 年 10 月 17 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫
成果報告書
脊髓損傷及腦中風患者脈波波速之量測
Measurement of pulse wave velocity in spinal cord injury
and stroke patients
計
畫
編
號：NSC 93-2314-B-002-100
執
行
期
限：93 年 8 月 1 日至 94 年 7 月 31 日
主 持 人：王亭貴 國立台灣大學醫學院附設醫院 復健部
共同主持人：邵耀華
1、王崇禮
2、蕭自佑
3國立台灣大學 應用力學研究所
1、國立台灣大學醫學院
附設醫院 骨科部
2國立台灣大學醫學院附設醫院 耳鼻
喉科
3一、中文摘要
動脈波速長期以來被用來評估動 脈硬化的程度，近年來也有部分研究 者利用動脈波波速來評估自主神經功 能，特別是交感神經的興奮度。偏癱 中風患者其偏癱瘓側常有溫度的變 化，甚至嚴重者會發生反射性交感神 經失養症。過去評估交感神經活性的 方法不是穩定性不足就是過於侵入 性。本研究的目的是自行研發之動脈 脈波波速量測儀，評估其穩定性及中 風患者兩側之動脈脈波是否有差異， 進而推論中風後兩側交感神經興奮度 的改變。 共15 名正常人及中風患者參與本 研究。中風患者共10 位男性 5 位女 性，平均年齡59.3±19.0 歲，距中風發 生日期平均52 天。受試者於檢查時先 平躺五分鐘，將檢查之壓力帶（cuff） 置於兩手之橈動脈、肱動脈、膕動脈 及脛動脈，同時記錄各壓力帶所得到 之動脈波，以簡易心電圖當參考點， 由不同點記錄到之波的時間和壓力帶 之間的距離可算出四肢之波速，結果 顯示在正常人方面，本機器的 inter-reliability 其 coefficiency of variance<5%，intra0reliability 則介於 10～12％之間。當氣壓帶壓力增加 時，CV 值會減少，但也會下降 6～8 ％的PWV，在中風患者方面，我們發 現在上肢方面，癱瘓側之波速為10.7 ± 2.7 m/sec 比健側 9.7 ± 2.3 m/sec 快，但 未達到統計差異（P = 0.17）；在下肢方 面，癱瘓側之波速為9.8 ± 2.7 m/sec 也 比健側之9.0 ± 3.2 m/sec 快，但仍未達 到統計差異（P = 0.10），但在癱瘓側之 下肢波速明顯比上肢慢（P < 0.05）。 由本研究我們發現自製式動脈脈 波波速量測儀可有足夠的穩定性，並 有效偵測中風患者之動脈波速，且癱 瘓側似乎有波速較快的趨勢，但未達 統計差異。若能增加病例數，或許可 以更確認偏癱中風患者中風後自主神 經變化。 關鍵字：脈波波速、交感神經、腦中 風、動脈硬化二、英文摘要
Pulse wave velocity (PWV) has been used to evaluate the atherosclerosis, and further to measure the status of autonomic nerve recently, especially the sympathetic activity. Thermal change frequent occurred in hemiplegic side of strokes patients and sometimes
sympathetic dystrophy developed later on. The method has beenused to measure the sympathetic activity is either unstable or invasive till now. The present project attempted to measure the pulse wave simultaneously at four limbs by pressure receptors, and use the electrocardiogram as the reference to synchronize the recorded pulse wave at different vessels. With the pulse wave velocity of different vessels, we can understand the local sympathetic nerve activity in different diseases and different sites. We tested the reliability of self-designed machine and measured the PWV change of hemiplegic stroke patients.
Fifteen normal subjects were included in the project for testing the reliability of machine. The subjects were measured by two independent observers and at two different points. Another 15 stroke patients were included in this project. There were 10 male and 5 female with the mean age of 59 years old and after stroke around 52 days. The pulse wave was detected at the radial artery, brachial artery, popliteal artery, and tibial artery simultaneously. The
result showed that the coefficient of variance (CV) of inter-reliability was less than 5%, but the CV of
intra-reliability of the machine was 10-12%. When the cuff pressure
increased from 20 to 60 mmHg, the CV of the machine significantly decreased, but the velocity of pulse wave also reduced 6 to 8 %. In stroke patients, the PWV of upper limb of hemiplegic side was slowed than that of the sound side ( 10.7 + 2.7 m/sec vs 9.7+ 2.3 m/sec) but not statically significant ( P=0.17). For lower limbs, the PWV of hemiplegic side was also slower than that of sound side (9.8 + 2.7 m/sec vs 9.0+ 3.2 m/sec) without statically significant (p=0.10). However, the PWV of upper limbs was faster than that of lower limbs
significantly.
We conclude that the self-designed PWV machine has adequate reliability. It can be used to evaluate the sympathetic activity. The PWV of hemiplegic side in stroke patients seemed faster then that of sound side. Included more cases is indicted to draw a more definite conclusion.
Key word: pulse wave velocity, sympathetic nerve activity,
cerebrovascular accident, atherosclerosis
三、前言及背景
交感神經在心臟血管循環系統的 控制扮演著重要的角色［1］，而且對 於許多心血管疾病，例如：本態性高 血壓，心肌梗塞，心律不整也負擔著 部分責任［2-4］，而這些不正常的心血管功能常是造成復健部腦血管病變患 者的重要危險因子。除此之外，在復 健領域還有許多患者會有自律神經的 異常而造成患者功能的障礙，例如高 位脊髓損傷患者常有自律神經異常反 射（autonomic dysreflex），而使得患者 血壓突然上升，或者因交感神經的活 性過低而使得血壓過低，心跳減慢， 而且於姿勢變動時易形成姿勢性低血 壓［5-6］。又例如在中風患者常見的肩 手症候群，也被認為是和交感神經有 很密切的相關［7］。因此，在復健的 領域瞭解或評估交感神經的活性，為 重要的課題。 評估交感神經活性的方法有許 多，由於交感神經控制人體之循環系 統，因此最常評估人體交感神經的方 法為測量人體之心跳及血壓並給予不 同的標準刺激，進而觀察心跳及血壓 的變化［8-9］，甚至觀察局部的血管的 血流動力學的變化，例如：臂、冠狀 及前臂肌肉等，以瞭解局部的交感神 經活性。但這種方法一直有幾個重要 問題：（1）每個受試對刺激的反應有 很大的差異，而不易有共通值［10］， （2）受試對不同刺激的反應可能源之 於血管壁的異常（如：管壁的過度肥 厚），而非交感神經的異常［11］，另 外若需偵測局部血管的反應可能還需 以侵入性的方法置入導管，屬於侵入 性方法。目前利用這種血流動力學的 方式來評估交感神經的活性，仍被廣 泛使用者，為利用改變姿勢及valsalva maneuver，視受試者血壓及心跳變 化，而此仍為有效評估自主神經功能 失調的方式。 測量尿液或血液中的 noradrenaline及adrenaline或其前軀 物，是測量交感神經活性的另一種方 法［12-13］。但是，這種方式大部分測 量的是”靜態”的交感神經活性，而對 於瞬間的交感神經變化無法測知 ［13］，反覆性抽血也許可以偵測交感 神經對外界的刺激，但其重覆性不 佳，主要的理由是有太多外界的干擾 因子，例如；天氣的冷熱［14］，另外 所測得的noradrenaline，可能是交感神 經末端分泌的神經傳導物的一小部分 ［15］，也是不可靠的原因之一。 臨床上也有人利用測量體表流汗 的程度來偵測交感神經的活性［16］， 但其步驟繁瑣，且以定性為主，適用 於交感神經全喪失功能的病例，其應 用範圍有限。利用體表的溫度來推測 交感神經的活性是近年來更盛行的一 種方法［17］，藉由各種電腦分析軟體 的進步，利用Thermography來偵測體 表溫度越來越精確而方便，其可信度 及應用度也不斷推廣［18-19］，但 Thermography不管如何的改善，目前 其重覆性仍受到質疑，且其外在環境 因子的影響甚鉅，因此，目前僅能當 作參考參數。 利用電學診斷的方式來評估交感 神經的活性應該是最正確的方法，早 期所使用的方式主要是測量交感神經 的皮膚反應（sympathetic skin reflex; SSR）［20］，SSR可以很正確的評估 un-myelinated axon的功能，但似乎和 臨床上交感神經的功能失調無直接相 關［21］。微神經圖（Microneurography） 是目前唯一可以直接由腓神經或臂神 經記錄到交感神經活性的方法［22］， 這個方法是利用置入微小電極 （microelectrode）進入神經小束（nerve fascile）內，再將該神經所支配的皮下
組織分佈畫出，加上參考電極，將電 極的訊號連上放大器及示波器，如此 便可記錄到自發性的交感神經活性 （spontaneous sympathetic activity） ［23］。這種方法實行至少30年，並沒 有重大的危險，只有大約10％的患者 會有短暫的皮膚感覺異常 （paresthesia），但大約於一週後便消 失［24］。甚至部分學者可以留置針於 神經內數小時，做較長時間的監控。 但Microneurography仍有一些無法克 服的缺點，其一為侵入性的檢查，其 二所測得的振幅（amplitude）大小無 法於受試之間比較，因個人差異較 大，其三測得的交感神經活性只代表 局部的皮膚及肌肉狀態，是否能代表 整個心臟血管系統之交感神經系統值 得討論［25］。 本研究的目的在於建立一套非侵入的 方法可以有效地評估局部的交感神經 的活性，評估這套系統的可靠性並應 用於中風患者。
四、材料及方法
（甲）多頻道脈波波速儀的建立 以心電圖計及多部壓力感測器， 同步測量心電圖電壓訊號、周邊動脈 脈波電壓訊號，再利用資料擷取卡擷 取訊號，由個人電腦儲存資料，並以 電子血壓計量取上肢肱動脈，下肢脛 動脈之血壓值以為參考，並進行訊號 分析，主要的量測點為肱動脈（brachial artery），橈動脈（radial artery），膕動 脈（poplitear artery），脛動脈（tibial artery），其基本架構如圖一，完成機器 如圖二 （乙）正常受試者 共有15名健康、無心血管疾病或 神經系統疾病受試者參加本研究 1、將心電圖電極片夾於受試四肢。 2、將壓力感測器置於受試右側肢體肘 部之肱動脈，腕部之橈動脈，膝部 之膕動脈和下肢之脛動脈，並量測 各點之間的距離。 3、受試者平躺床上休息 5 分鐘，雙手 平放床的兩側，室溫維持250C～ 280C之間 4、分別以電子血壓計量取上之右肱動 脈及下肢右脛動脈血壓值（收縮 壓、舒張壓）。 5、在訊號穩定情況下，利用資料擷取 卡記錄5 分鐘，同時記錄上肢體和 下肢體之血壓脈波，並以資料擷取 卡擷取血壓脈波訊號及心電圖計訊 號儲存於電腦中。 資料分析及處理： 利用自行撰寫之Labview 資料擷取 軟體，以取樣頻率設定為1500Hz 用資 料擷取卡得到數據以文字檔格式儲 存，利用Excel 文書處理軟體及 Matlab 軟體訊號分析及繪圖比較。 脈波波速的計算：在同一動脈血 管，兩個已知距離位置同時記錄壓力 脈波波形，用脈波波速來表現血管波 傳遞的速度。 所有受試者並接受兩次檢查於不同時 段，並於同一時段由二名不同檢查者 檢查，在檢查時為了瞭解壓力感測器 是否會因為加壓不同而影響其正確 性，我們同時用20～60 mmHg不同的 壓力來檢測並記錄其結果。 （丙）腦中風患者共15名，患者皆意 識清楚，合作度佳、紀錄患者兩肩之 關節活動度，疼痛之VAS scale，四肢 Pwv =(△)兩點間的已知距離 （t遠端-t近端）之體表溫度，肌肉張力等。 1、將心電圖電極片夾於受試者四肢。 2、將壓力感測器置於受試兩側肢體肘 部之肱動脈，腕部之橈動脈。 3、受試者平躺床上休息 5 分鐘，雙手 平放床的兩側，室溫維持250C～ 280C之間。 4、分別以電子血壓計量取上之兩側肱 動脈血壓值（收縮壓、舒張壓）。 5、在訊號穩定情況下，利用資料擷取 卡記錄5 分鐘，同時記錄上肢體和 下肢體之血壓脈波，並以資料擷取 卡擷取血壓脈波訊號及心電圖計訊 號儲存於電腦中。 圖一：多頻道脈波波速量測儀架構 5V DC 電源 壓力感應器 圖二：自製多頻道脈波波速量測儀
五、結果
動脈脈波量測儀可靠性檢定 在 Inter-reliability 方面，不管是上 O Labview （多組） A / D board ＋computer
. . . 放大濾波器加
加
壓
壓
帶
帶
電
電
腦
腦
及
及
分
分
析
析
軟
軟
體
體
加
加
壓
壓
球
球
訊
訊
號
號
擷
擷
取
取
器
器
肢或下肢其coefficient variance（CV） 皆小於5％，在 Intra-reliability 方面上 肢其CV 值<10％，在下肢則介於 10-12 ％ 之間，且上肢隨著壓力帶的壓力增 加，CV 值有意義的下降，但下肢 CV 值則不因為壓力的增加而改善（表一） 當壓力帶壓力由20 mmHg 提至 60 mmHg 時，上肢的波速由 10.3±1.8 m/sec 降至 9.5±2.2 m/sec，減少了 8％ （P<0.001）。而下肢的波速由 8.1±2.4 m/sec 降至 7.6±2.4 m/sec，減少了 6％ （P=0.035），其詳細 data 見表二。 有 關 hemiplegia 及 mon-hemiplegia side 的 脈 波 波 速 比 較 。 在 上 肢 方 面 ， 癱 瘓 側 的 波 速 為 10.7±2.7 m/sec 比好側 9.7±2.3 m/sec 為 快，但無統計上差異（P=0.17），在下 肢方面，癱瘓側之波速為9.8±2.7 m/sec 也比好側之9.0±3.2 m/sec 為快，但仍 未達統計上差異（P=0.10）。好側之上 肢比下肢波速為快（9.7±2.3 m/sec VS 9.0±3.2 m/sec P=0.22）但無統計上差 異，但在癱瘓側則上肢明顯比下肢快 （10.7±2.7 m/sec VS 9.8±2.7 m/sec P<0.05） 表一：動脈脈波量測儀 intra-reliability 和壓力之間的關係 氣帶壓力 （mmHg） 20 30 40 50 60 上肢CV MEAN 9.63％ 8.13％ 7.16％ 6.64％ 5.31％ SD 7.08％ 5.19％ 4.17％ 5.39％ 3.62％ 下肢CV MEAN 10.77％ 11.66％ 10.58％ 11.86％ 12.74％ SD 5.08％ 7.67％ 6.01％ 8.27％ 8.78％ 表二：不同氣帶壓力對動派波波速的影響 上肢平均 下肢平均 氣帶壓力
(mmHg) Mean (m/sec) SD (m/sec) Mean (m/sec) SD(m/sec)
20 10.3 1.8 8.1 2.4 30 10.3 2.3 8.1 2.4 40 10.2 2.6 8.1 2.6 50 10.0 2.1 7.9 2.5 60 9.5 2.2 7.6 2.4
六、討論
本研究顯示我們自製的動脈脈 波波速量測儀是一個穩定的儀器，在 inter-reliability 的檢定中，CV 值皆小 於5％，雖然在 intra-reliability，CV 值 >10％但也介於 10-12％之間。為何 intra-reliability 會比 inter-reliability 為 大，在國外相關機器的reliability 報告 也都有同樣的情形［26］。主要的理由 為intra-reliability 是同一位檢查者在不 同時間內檢查，但不同時間受試者的 生理狀況不盡相同，動脈脈波速受到 自主神經的影響極大［10］。當生理狀 況不同時自主神經的興奮度不同，自 然而然動脈脈波波速也會不同。因 此，較大的intra-reliability CV 值不盡 然是由於機器的不穩定性，可能是由 於受試者生理狀況不同所致。 壓力帶的壓力增加似乎可以增 加上肢脈波的穩定性但也會影響波速 的快慢。當壓力帶的壓力增加時，壓 力感應器可以和動脈必有較好的接 觸，自然可以測得較穩定的動脈波， 進而使波速較穩定。因此，目前市面 上的機器常將壓力帶的壓力加到受試 者的疏張壓值，也就是60-90 mmHg。 本研究也發現在上肢當壓力帶的壓力 由20 mmHg 升至 60 mmHg 時，CV 值 會由9.6％降至 5.3％，但下肢則沒有 此一現象，可能的原因是下肢的軟組 織較厚，即使加壓至60 mmHg 可能還 是不夠，雖然壓力帶的壓力增加會增 壓脈波波速的穩定性，但由本研究中 也發現會影響波速的正確性。當壓力 由20 mmHg 增加至 60 mmHg，波速的 傳導減少了6～8％。我們推測當外在 壓力增大時，動脈壁的擴張會受到壓 迫，使得波的傳導有些微的延遲所 致。因此，到底怎麼樣的壓力才能得 到較好而穩定的波速而不會影響波速 值得進一步研究。 自主神經，特別是交感神經，控 制人體的心跳及血壓，因此測量血壓 的變化是測量交感神經興奮度的一種 方式。但是，影響血壓的全身性因素 太多，本計畫擬利用測量動脈脈波的 傳導速度來評估局部交感神經的興奮 度是否可行呢？所謂動脈脈波的傳遞 速度指的是心臟收縮時除了將血液推 入動脈外產生一個壓力波，此壓力波 會沿著血管壁前進，壓力波於管壁的 傳導速度稱之脈波傳遞速度，不同於 血流流速，對於血管特性及材質的評 估有很重要的參考價值［26-27］，依據 Moens - korteweg 的公式脈波波速 Co=ρ DEh 其中 E：為動脈血管壁之 Young’s 係數，h：動脈血管壁厚度，D： 動脈內直徑，ρ：血液密度，在同一位 個體短時間內，其ρ 及 h 不會變動， 而影響D 及 E 之因子主要為交感神經 的活性，因此，若我們記錄一個人之 脈波波速變動，即可反應該區域之交 感神經活性，或是我們給予一個外在 的刺激，例如：由坐至站，其波速變 化便可代表身體交感神經的反應。 本研究發現腦中風患者在癱瘓 側之動脈脈波波速皆比健側為快，但 皆未達到統計上差異。由於本研究的 病例數只有15 名（原兩年計畫縮為一 年），若增加病例數也許便可達到統計 上的差異。在研究中，我們只能推測 中風患者其癱瘓側之動脈波波速有變 快的趨勢，一般上肢的動脈很少有動
脈硬化的趨勢，而下肢之兩側動脈其 硬化現象也常為對稱，因此推測，中 風患者癱瘓側動脈脈波波速的變快， 可能是來自交感神經的過度興奮。當 然，這樣的推論需要增加更多病例的 檢驗。 不管正常人或中風患者，我們都 發 現 上 肢 動 脈 波 波 速 明 顯 比 下 肢 為 快。動動脈波波速公式我們瞭解除了 血管的楊氏係數和血液密度外，管壁 直徑和管壁厚度是決定波速的重要因 子。直徑愈小，管壁愈粗其波速愈快， 上肢動脈的管壁雖然比下肢小但差異 不大，反而是血管的管徑上肢明顯比 下肢為小，因此，上肢波速比下肢為 快。
八、結論
由本研究我們結論自製的動脈脈 波波速量測儀其穩定性夠，可當作評 估人體局部自主神經興奮度的工具， 在中風患者癱瘓側之動脈波波速有變 快的趨勢，但需更多病例的研究來確 認。八、參考文獻
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