行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
臨床非侵入式動脈阻抗之量測技術研發
Clinical Non-invasive Ar ter ial Impedance Mesur ement Technique
計畫編號：NSC 88-2314-B-002-200 M08
執行期限：87 年 8 月 1 日至 88 年 7 月 31 日
主持人：邵耀華 國立台灣大學應用力學研究所
一、中文摘要 本研究完成非侵入式動脈血管阻抗量 測技術。 由於血管阻抗描述血壓與血流 脈波頻譜的動態比值關係，代表該位置下 游血管負載。我們利用臨床超音波系統都 卜勒血流頻譜，結合觸診壓力計，取得阻 抗特性，可以協助血管相關疾病診斷。 由 於胸腹腔大動脈血管近乎彈性，血壓難以 在體外量測，我們可由血管管壁之脈動近 似估算血壓脈波。 週邊血管血壓因受到 黏彈特性的影響，無法以管壁之脈動代 替。本系統經過假體及動物實驗的校正， 效果良好。 並以腹腔動脈、頸動脈及週 邊血管阻抗為例，結果顯示單側阻塞性腦 中風病人正常邊阻抗變化不大，阻塞邊之 阻抗明顯增加。而單側出血性之中風病人 兩邊低頻阻抗皆比正常人高。高血壓病患 之動脈阻抗，在靠近心臟之大血管與周邊 血管都比一般人高，其趨勢也一致。 關鍵詞：非侵入式、超音波，動脈阻抗 Abstr actIn this study, a non-invasive arterial impedance measurement technique is developed. Since the vascular impedance describes the spectral relationship of blood pressure and flow, it is an important index for vascular load downstream. By combining the ultrasound Doppler and tonometry pressure transducer, the vascular impedance can be calculated. Since the central artery is nearly elastic, the blood pressure is directly related to the change of diameter. For the peripheral arteries, the palpating pressure is recorded to
account for the vascular visco-elasticity. Vascular impedance was demonstrated at the abdominal aorta, common carotid artery and peripheries. We found the abnormal side of stroke patients with one-side occlusion had a higher mean resistance than the normal side. In patients with one-side hemorrhagic infarction, both of their CCA impedance increased due to higher afterload. The hypertensive patients showed consistent higher arterial impedance than normal from the central to peripheries.
Keywor ds: Non-invasive、Ultrasound、 Vascular impedance 二、緣由與目的 動脈阻抗描述血壓與血流量動態頻譜 比值，代表該位置下游組織負載特性。 由 於血液循環以及週邊血管舒縮性會影響心 臟負載，所以動脈阻抗頻譜的分析漸受重 視[1-3]。動脈阻抗頻譜因為同時考慮血壓 與血流的脈動，其數值比單純血壓或血流 量更具有代表性。 但是臨床應用動脈阻抗 的分析很少，其原因在於人體實驗限制； 非侵入式、同步同位置之血壓與血流量測 很困難，所以很難推展到一般臨床診斷。 如果能夠克服目前非侵入式血壓量測的困 難，則結合超音波都卜勒血流計、就可以 建立非侵入式血管阻抗量測系統。 近年來，超音波技術隨著電腦及訊號影 像處理技術的快速發展，在臨床醫學已成 為重要的設備之一。 其非侵入式且符合醫 療安全的優點，對於血液循環相關疾病； 例如急性血管阻塞、動脈粥狀硬化或阻
塞、靜脈血栓症都能提供很好的臨床佐證 [4-6]。 目前臨床超音波之應用，除了利 用 B 模式做組織剖面分析，另一個用途為 腫瘤的分析。 由臨床資料顯示，惡性腫 瘤因為許多新生的血管聚集，使通過該區 域之血流量增加。 常用的參考值為超音波 都卜勒提供血流波型之 PI、RI 比值，最新 的有 VI。惡性腫瘤前端血管之 RI 應有明顯 下降的趨勢，但是由於血壓的脈動沒有在 考慮在內，臨床結果仍然有許多不能確定 的案例，對於糖尿病病人，其下肢血管循 環受到相當大的影響，卻也不能以血流量 表示週邊血管負載的大小。 Arndt、Hokanson 及 Hansen[7,8,9] 使用 脈衝式超音波回音裝置觀察人體頸動脈之 管徑變化與血壓脈波之關係，而至今在文 獻上仍然沒有很具體的作法進行臨床非侵 入式阻抗的量測。 Brands[10]以橡皮管假 體做實驗，利用一個超音波探頭所量測得 到反射與散射訊號，由管徑波型再推算血 壓波，並量取血管中心線的流速波型建立 血管阻抗頻譜。 由於壓力的確實數值無法 量測，所以阻抗以正規化(Normalized)之值 表示。 本研究結合目前臨床超音波，發展非侵 入式血壓及血流量測技術，推測週邊血管 之阻力以協助診斷。 我們利用超音波 M 模式分析血管管徑變化，推算血壓波，同 時以 超音 波 取得 血 流的 速 度(血流量)脈 波，可以計算血管阻抗頻譜。 三、材料與方法 由於研究初期我們採用超音波 Echo-tracking 系統 A-mode 回音訊號觀察血管的 脈動，血流的流速則由都卜勒頻移的訊號 計算。 結果發現人體組織的聲阻抗差異性 小，不像水槽假體(Brands [10])模擬之單 純，需要高倍數高頻的示波器配合，而且 分析的硬體價位很高。 在組織定位上，仍 然需要令一套超音波機器(B-Mode)提供組 織影像做參考，對於較深或扭曲分支的血 管很難定位。 同時，在有心臟血管疾病的 病人或年長者身上我們發現，其週邊血管 管壁之脈動與血壓波型並不一致(圖一)，血 管的黏彈特性並不可忽視。因此，我們設 計 超 音 波 探 頭 之 夾 具 ， 將 觸 診 壓 力 計 (KYOWA PS-2KB)結合臨床超音波 CL10-5 26mm 10MHz 線性探頭(HDI-3000, ATL Bethell, Washington, USA)，同步量測週邊 血管壓力與血流量(圖二)。 對於胸腹腔之 主動脈，由於血管黏彈特性較不明顯，我 們利用 M-模式影像分析血管管壁移動波 形。 由於超音波無法顯示血壓數值，我們 使 用 Cuff 血 壓 計 (Sphygmomanometer, Dinamap Vital Sign Monitor 1856SX, Critokon)量取該部位血管收縮壓及舒張壓 來校正血壓波型。此方法可以同時估算血 管的彈性係數，雖然在管徑解析度略差， 但是可以看到血管的幾何形狀與角度，比 Echo-tracking 系統容易校正與定位。 目前 超音波偵測的空間解析度決定於探頭的頻 率及影像處理技術。 我們以假體驗証系統 的準確性，然後推展應用於血液循環相關 疾病病人，將研究構想與實際臨床診斷問 題結合。 圖一、人體動脈血壓與管徑脈動波型之 比較 (顯示血管之黏彈特性) 圖二、非侵入式同步量測週邊血管(CCA、 RA、BA、DPA) 60 70 80 90 100 110 120 血壓（B） 管徑脈動
圖三、 阻抗流程分析圖 圖四、 腹腔動脈(AA)超音波影像 (a) B-M 模 式影像，管壁脈動非常明顯，可以提供 血管管徑在血壓作用下之變形量。(b)都 卜勒血流速度。(c) 血壓與管徑之波型 四、結果與討論 我們開發 C++醫學影像分析軟體，針對超 音波影像偵測血壓波型與血管脈動尺度 (圖三)，以計算阻抗頻譜。 圖四顯示正常 人的腹腔主動脈(Abdominal Aorta)超音波 影像，提供血管管徑變形量及血流速度。 在此影像處理技術的功能設計與超音波操 作的技術都相當的重要。深度的影像解析 度設定愈高愈好，掃描的位置角度也很重 要，才能增加血流量標示的正確性。 圖四(c)顯示超音波影像所取得之血壓 與最大血流速度波型。此結果與文獻中心 導管實驗結果非常接近，顯示非侵入式主 動脈阻抗式可行的。 藉由血壓、血流、平 均管徑與脈動，我們可以計算所對應之正 規化阻抗頻譜。由於管徑脈動與血流的資 料不是同步，而阻抗模數與血壓-血流波型 同步與否無關，所以只要修正相位差值。 由於心跳的週期略有差異，所以波型可以 用內插法在每個心跳週期中分成固定的點 數(128 或 512 點)，方便傅立葉頻譜運算並 減少相位不規則的誤差。 圖五、 週邊動脈(橈動脈 RA)超音波影像 同步顯示都卜勒血流速度及相對之血壓波型 由圖一的結果可以看出週邊血管的血 壓波型與血管管徑的脈動仍有差異。 所以 同步超音波量測是必要的。我們修改了超 音波的系統，在超音波的監視下將壓力計 輕貼血管，以不造成血管面積改變為原 則，調整壓力計的位置深度，以得到較佳 的血壓波型。將血壓的資料輸入超音波影 調整對比、明暗 度 人工選取區域 分割脈波週期 輸入影像 校正實際尺度 調整影像格式 Threshold 設定 自動邊緣擷取 波形傅立葉轉換 計算輸入阻抗值 與血流波 結合血壓波 100 120 140 160 180 200 220 240 1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 131 132 133 134 135 136 137 138 139 Flow Dwave
像。圖五顯示此系統所測量之週邊動脈(橈動 脈RA)超音波影像。在操作上，我們需要血 管橫切面影像提供血管直徑，以縱切面量 測血流速度，對血管角度做修正。 腦中風病人之頸動脈阻抗頻譜分析結 果(以圖六為例)，對單側阻塞性之腦中風病 人而言，由阻抗頻譜分佈中可以發現沒有 阻塞邊之頻譜分佈接近正常人之分佈，阻 塞邊之特性阻抗(Zo:dyne-sec-cm-6 )明顯大 於沒有阻塞邊，且在第四諧頻之前有阻抗 增加的趨勢。對單側出血性之中風病人而 言，出血邊在第一諧頻後有阻抗上升的情 形，而另一正常邊在第四諧頻前也有阻抗 上升的情形，顯示兩邊低頻阻抗及特性阻 抗(Zo)皆有上升之趨勢。
圖六、中風病人之頸動脈阻抗頻譜分析結 果(單側阻塞性與出血性病人) 圖七、正常人與高血壓病人週邊血管(肱動 脈 BA、橈動脈 RA) 阻抗模數之比 較。 由阻抗的實驗量測結果可以看出，正常 人與高血壓病患之量測部位在阻抗的比較 上與文獻相符。 Milnor et al.(1969)即指出 高血壓病患之肺動脈其阻抗 DC 值較正常 人之阻抗值高，由此可知在比較高血壓病 患與正常人血管的阻抗 DC 值的量測上， 靠近心臟之大血管與周邊之較小的血管所 量測出的阻抗值其趨勢是相同的（BA：5.86 ±2.63 vs. 9.36±5.77, p=0.078, RA：23.8± 16.9 vs. 44.3±39.2, p=0.016）。 五、結論 本研究利用臨床超音波系統開發非侵 入式動脈管徑脈動量測技術，結合都卜勒 血流計以推算血管阻抗，協助血管相關疾 病診斷。 血管管壁的脈動與血壓、血流有 關，也受血管組織硬度的影響。超音波 B-模式影像可以提供組織血管內圍截面積。 在胸腹腔的主動脈在正常情況下血管可視 為彈性管，我們可由管壁之脈動估算血壓 脈波。 但是週邊的血壓受到血管黏彈特性 的影響，需要用觸診壓力計取得血壓波 型。 我們開發一套高靈敏度之觸診壓力量 測系統，在同一斷面取得血壓脈波，配合 血管中心的流速，利用影像分析技術求得 血管阻抗頻譜。 我們將此系統驗證在腹腔 主動脈、頸動脈、及週邊動脈阻抗上，量 測結果與文獻侵入式實驗資料相符，單側 阻塞性腦中風病人正常邊與正常人結果大 致相同，阻塞邊之阻抗 DC 值皆大於沒有 阻塞邊。而單側出血性之中風病人兩邊低 頻阻抗皆有上升之趨勢。高血壓病患在分 支動脈阻抗上都比正常人高，與過去文獻 相符。 參考文獻 [1] Milnor, W. R. (1989), Hemodynamics, 2nd Ed. , Baltimore, Williams, and Wilkins.
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