賀纓，唐元梁，Irina Mizeva

1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院海洋能利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.俄羅斯科學(xué)院連續(xù)介質(zhì)力學(xué)研究所，俄羅斯 彼爾姆 614013

基于熱分析方法的血流及內(nèi)皮功能檢測(cè)技術(shù)與儀器

賀纓1，唐元梁1，Irina Mizeva2

1.大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院海洋能利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.俄羅斯科學(xué)院連續(xù)介質(zhì)力學(xué)研究所，俄羅斯 彼爾姆 614013

末梢血流反映了人體的生理狀態(tài)，可以為人類(lèi)的健康管理提供有用的信息。血流的熱分析方法是近年發(fā)展起來(lái)的新方法。本文結(jié)合筆者在生物傳熱方面的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)血流及內(nèi)皮功能檢測(cè)的熱分析方法進(jìn)行了綜述。首先介紹了血流熱分析方法的基本原理，進(jìn)一步介紹了基于末梢溫度及振蕩信號(hào)檢測(cè)內(nèi)皮功能的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，最后分別對(duì)超薄型便攜式血流傳感器，血流-溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換軟件以及基于溫度信號(hào)的內(nèi)皮功能檢測(cè)儀器進(jìn)行了介紹。

微循環(huán)；血液灌注率；內(nèi)皮功能；傳熱分析；小波變化；末梢溫度檢測(cè)；內(nèi)皮功能檢測(cè)儀器

0 引言

越來(lái)越多的研究表明，微循環(huán)功能可以作為評(píng)價(jià)心血管和代謝功能的重要指標(biāo)，發(fā)展檢測(cè)微循環(huán)血流方法就成為開(kāi)發(fā)循環(huán)系統(tǒng)早期疾病診斷儀器的重要步驟。血管內(nèi)皮細(xì)胞不僅是血液和血管平滑肌細(xì)胞之間的屏障，而且是活躍的代謝庫(kù)、能釋放多種血管活性物質(zhì)，參與機(jī)體的凝血、免疫、物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和生物活性物質(zhì)釋放等重要的生命活動(dòng)。血管內(nèi)皮細(xì)胞中，L-精氨酸在eNOS的作用下產(chǎn)生NO，NO從內(nèi)皮釋出后經(jīng)內(nèi)皮下間歇彌散至血管平滑肌細(xì)胞，與細(xì)胞膜上的鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶結(jié)合后刺激產(chǎn)生環(huán)磷酸鳥(niǎo)苷（cGMP）,從而引起血管平滑肌舒張[1]。NO是迄今所知最強(qiáng)有力的內(nèi)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(zhì)過(guò)氧化等特性，內(nèi)源性NO產(chǎn)生及釋放增多可直接保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞功能,引起血管舒張、血流增加和血管通透性增高。內(nèi)皮功能異常，特別是內(nèi)皮NO釋放、利用障礙都可能是動(dòng)脈粥樣硬化等疾病的重要機(jī)制。

皮膚非常容易接觸到，它為考察末梢微循環(huán)提供了很好的測(cè)試部位。過(guò)去二十幾年間，激光多普勒技術(shù)測(cè)量是測(cè)量皮膚血流的主要技術(shù)。激光多普勒技術(shù)通過(guò)測(cè)量紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)引起的單色光移動(dòng)來(lái)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(hào)是紅細(xì)胞速度和濃度的乘積，因此，它所提供的是血液流動(dòng)的相對(duì)量[2]。通過(guò)離子電滲透的方法將乙酰膽堿（Acetylcholine，ACH）及硝酸甘油導(dǎo)入到前臂皮膚，采用激光多普勒成像儀測(cè)定藥物作用局部皮膚微血管血流量，比較藥物導(dǎo)入前后血流灌注量的變化就可以反映血管內(nèi)皮功能[3]。該方法已在有關(guān)糖尿病、高血壓、血脂異常等的多項(xiàng)臨床研究中得到了應(yīng)用。雖然激光多普勒技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)和精確的數(shù)據(jù)，但儀器的復(fù)雜性和高價(jià)格限制了其在臨床上的廣泛應(yīng)用。

溫度是人體重要的健康指標(biāo)。因?yàn)楸砻鏈囟纫蕾?lài)于血液灌注率和組織熱特性，通過(guò)人體表面溫度可以間接獲得人體內(nèi)部血液流動(dòng)和血管機(jī)能信息。例如，運(yùn)用紅外熱像儀和雙向彩色超聲成像對(duì)頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄病人的眼部溫度和頸內(nèi)動(dòng)脈處的血流及狹窄程度進(jìn)行測(cè)試，考察平均眼部表面溫度與頸內(nèi)動(dòng)脈狹窄度的相關(guān)性[4]；通過(guò)比較手部溫度回升曲線區(qū)別初期和次級(jí)狀態(tài)雷諾綜合征[5-6]。近年來(lái)，由于在溫度檢測(cè)精度的提高和對(duì)微循環(huán)與組織傳熱相關(guān)性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，已經(jīng)有一些很好的基于熱分析方法的血流檢測(cè)儀器推出。在下面幾節(jié)中，將分別對(duì)血流熱分析方法的基本原理，指尖熱監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)展，基于溫度振蕩的內(nèi)皮功能檢測(cè)方法以及幾款相應(yīng)的儀器和軟件進(jìn)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(biāo)。生物傳熱分析中應(yīng)用最廣泛的是Pennes方程[7]，可寫(xiě)為：

其中r為密度，c為比熱，l為導(dǎo)熱系數(shù)，Qm為新陳代謝產(chǎn)熱率，ωb為血液灌注率，T為溫度，下標(biāo)b表示血液。根據(jù)Pennes傳熱方程可知，皮膚溫度不僅與組織熱傳導(dǎo)，新陳代謝產(chǎn)熱率，環(huán)境溫度有關(guān)，還與血液灌注率ωb有關(guān)。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(dāng)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(hào)測(cè)量血流信號(hào)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(fā)展了一種通過(guò)測(cè)量三點(diǎn)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(cè)得加熱器中心處的皮膚溫度，并獲得離開(kāi)加熱器中心1 cm和2 cm處的皮膚溫度。另外，通過(guò)生物傳熱方程獲得手臂皮膚溫度，通過(guò)優(yōu)化模擬值與計(jì)算值間的目標(biāo)函數(shù)，獲得最優(yōu)血液灌注率。Nagata等[9]發(fā)展的方法可以根據(jù)皮膚初始溫度和接觸皮膚的傳感器溫度隨時(shí)間的變化率推算血液灌注率。Tang等[10]基于類(lèi)似的方法研發(fā)了傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，所測(cè)血液灌注率與激光多普勒所測(cè)數(shù)值的相關(guān)性達(dá)到0.89。這些方法的共同特點(diǎn)是需要檢測(cè)皮膚溫度的空間或時(shí)間的變化率。這些研究為通過(guò)皮膚溫度獲得血流信息提供了很好的思路。

2 指尖熱監(jiān)測(cè)技術(shù)（Digital Thermal Monitoring，DTM）

指尖熱監(jiān)測(cè)是血流熱分析方法的一個(gè)直接應(yīng)用。通過(guò)連續(xù)測(cè)量阻斷肱動(dòng)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(lái)反映其內(nèi)皮功能。圖1(a)給出了一側(cè)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(cè)的手部溫度有明顯的下降。圖1(b)給出了血流阻斷側(cè)手指平均溫度隨時(shí)間的變化。在穩(wěn)定情況下，指尖溫度保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平并由于脈動(dòng)的影響而伴隨有微小的波動(dòng)；在動(dòng)脈阻塞的過(guò)程中，指尖由于缺血而發(fā)生溫度持續(xù)降低的現(xiàn)象；而當(dāng)動(dòng)脈阻塞被釋放以后，指尖溫度會(huì)持續(xù)升高并在達(dá)到溫度最高點(diǎn)后逐漸恢復(fù)至正常情況下的穩(wěn)定水平，這一過(guò)程也被稱(chēng)為充血反應(yīng)（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(yīng)中指尖溫度所達(dá)到最大值與正常情況下的指尖基準(zhǔn)溫度的差被稱(chēng)為溫度回升值（Temperature Rebound，TR），通常對(duì)于心血管疾病患者來(lái)說(shuō)，其TR值比正常人低，充血響應(yīng)比正常人弱。圖2顯示了這一特性，它被用來(lái)判斷被測(cè)者是否具有患心血管疾病的危險(xiǎn)。

圖1 反應(yīng)性充血實(shí)驗(yàn)過(guò)程中[11]

圖2 健康人與心血管疾病患者的血管響應(yīng)性測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

Gul等[12]為了檢驗(yàn)DTM技術(shù)對(duì)于預(yù)測(cè)冠心病等心血管疾病是否具有通用性，選取133人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，這些被測(cè)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(shí)驗(yàn)中，使用壓力夾對(duì)被測(cè)者的右手臂施加壓力，造成血管閉塞，并用熱電偶同時(shí)記錄雙手指尖的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于患有冠心病或Framingham風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分（Framingham Risk Score，F(xiàn)RS）值較高的被測(cè)者（FRS，應(yīng)用性別、年齡、總膽固醇、收縮壓、是否治療高血壓及吸煙危險(xiǎn)等因素來(lái)預(yù)測(cè)以后10年發(fā)生心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)，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(shí)手部三維模型，利用多孔介質(zhì)理論對(duì)這一充血反應(yīng)過(guò)程中的手部血流和溫度進(jìn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。圖中的最低點(diǎn)是上肢動(dòng)脈阻塞結(jié)束時(shí)的溫度值，若沒(méi)有反應(yīng)性充血（Reactive Hyperemia，RH），即血液灌注率與阻塞前相同，此時(shí)的溫度回復(fù)速率遠(yuǎn)較實(shí)驗(yàn)值低。

圖3 不同反應(yīng)性充血條件下手指溫度變化的模擬結(jié)果[11]

這些研究證明了DTM技術(shù)可以很好地檢查出被測(cè)者是否患有血管功能障礙，可以用來(lái)預(yù)測(cè)心血管疾病。但是，DTM法采用的是皮膚絕對(duì)溫度信息，不可避免地易受到環(huán)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(chǔ)上，建立了集總參數(shù)模型，討論周?chē)h(huán)境溫度、初始皮膚溫度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、體溫等參數(shù)對(duì)VR測(cè)試過(guò)程中對(duì)指尖溫度的影響。在后續(xù)的研究中Ley等[17]指出，指尖皮膚的初始溫度和血管閉塞時(shí)的最低溫度對(duì)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(nèi)皮功能檢測(cè)

相對(duì)而言，評(píng)價(jià)指尖溫度振蕩或許更能準(zhǔn)確反映末梢血流變化和內(nèi)皮功能。通過(guò)對(duì)末梢血流信號(hào)的小波分析[18]表明，微血管的血流調(diào)節(jié)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(nèi)皮作用頻段，0.02～0.05 Hz為神經(jīng)調(diào)節(jié)頻段，0.05～0.14 Hz為肌源性調(diào)節(jié)頻段，0.14～0.5 Hz為呼吸頻段，0.5～2 Hz為脈搏頻段，見(jiàn)圖4。而最低頻段（0.0095～0.021 Hz）與微血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能性活動(dòng)有關(guān)，尤其是0.01 Hz附近的血流振蕩信號(hào)與NO的合成活動(dòng)有關(guān)。

圖4 皮膚血流變化的頻譜分析圖[19]

Podtaev等[20]通過(guò)對(duì)皮膚溫度信息進(jìn)行小波分析并與激光多普勒血流信息進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，皮膚溫度能夠反映血管的內(nèi)皮，神經(jīng)以及肌源性調(diào)節(jié)的不同頻段。Liu等[21]通過(guò)對(duì)皮膚動(dòng)態(tài)熱圖像的頻譜分析也表明，末梢皮膚溫度能夠反映內(nèi)皮釋放一氧化氮NO的低頻頻段（0.0095～0.021 Hz），Smirnova等[22]則通過(guò)對(duì)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(fā)現(xiàn)，無(wú)血管病變的實(shí)驗(yàn)對(duì)象在受到冷刺激時(shí)內(nèi)皮、神經(jīng)和肌源性調(diào)節(jié)頻段的皮膚溫度波動(dòng)幅值減小，冷刺激結(jié)束后恢復(fù)；而二型糖尿病和糖耐量受損患者在結(jié)束冷刺激后，內(nèi)皮、肌源性頻段的皮膚溫度波動(dòng)幅值沒(méi)有恢復(fù)。與此同時(shí)，Podtaev等[23]還比較了局部加熱對(duì)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(guò)對(duì)皮膚溫度信號(hào)的小波分析發(fā)現(xiàn)，健康人群溫度信號(hào)的振蕩幅值在肌源活動(dòng)，神經(jīng)調(diào)節(jié)以及內(nèi)皮活動(dòng)頻段都有很大的增加，反應(yīng)了基于加熱的血管舒張運(yùn)動(dòng)。但2型糖尿病患者皮膚溫度的小波分析結(jié)果顯示，加熱前后內(nèi)活動(dòng)皮頻段的振蕩幅值沒(méi)有顯著變化。相較于冷水刺激，局部加熱的檢測(cè)方法更易用于臨床，因?yàn)楸粶y(cè)者對(duì)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(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)記。

Tang等[25]為此運(yùn)用多孔介質(zhì)血流和傳熱模型初步分析了血流變化對(duì)皮膚溫度振蕩特性的影響。圖5為模型所預(yù)測(cè)的皮膚溫度在0.01 Hz頻段的振蕩特性。振蕩幅值最弱的區(qū)間對(duì)應(yīng)的是皮膚受到冷水刺激的區(qū)間。這一工作雖然可以解釋組織內(nèi)血流脈動(dòng)對(duì)皮膚溫度振蕩的影響，但溫度振蕩的幅值比實(shí)驗(yàn)所測(cè)幅值大，同時(shí)，模型還不能反映血管舒張因子NO濃度對(duì)血管舒張運(yùn)動(dòng)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(guān)性工作中，采用了間隙小波技術(shù)。采用此技術(shù)進(jìn)行信號(hào)分析時(shí)，若采集的信號(hào)存在間斷或信號(hào)長(zhǎng)度有限，則間斷處或信號(hào)兩端處的小波信號(hào)分析容易失真。間隙小波技術(shù)（gapped wavelet technique）可以對(duì)邊界效應(yīng)引起的干擾進(jìn)行抑制。它的主要思想是通過(guò)修正小波函數(shù)使容許性條件在信號(hào)間斷處或信號(hào)兩端重新得到滿(mǎn)足。

圖5 冷水刺激前后內(nèi)皮頻段皮膚溫度振蕩幅值變化（模擬分析）

兩個(gè)信號(hào)小波變換的互相關(guān)函數(shù)可定義為：

其中W1(a,b)，W2(a,b)分別為兩個(gè)信號(hào)的小波變換形式（即小波系數(shù)）。當(dāng)選取的小波函數(shù)為復(fù)小波時(shí)，互相關(guān)函數(shù)C(a)為復(fù)數(shù)，其模和相位值分別表示兩個(gè)信號(hào)在尺度a上的相關(guān)性大小和相位差。

通過(guò)采用Morlet小波對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行小波變換和互相關(guān)分析可以看出，在肌源性（0.05-0.14 Hz）、神經(jīng)（0.02-0.05 Hz）以及內(nèi)皮（0.0095-0.02 Hz）調(diào)節(jié)頻段，血流多普勒信號(hào)和皮膚溫度波動(dòng)信號(hào)的相關(guān)性系數(shù)遠(yuǎn)高于噪聲信號(hào)。而在0.14-2 Hz頻段，相關(guān)性系數(shù)值則與噪聲信號(hào)相差不大。溫度波動(dòng)幅值和相關(guān)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(zhì)。溫度波動(dòng)在傳播過(guò)程中其幅值以頻率的指數(shù)函數(shù)速度衰減，因此由心跳和呼吸引起的微小波動(dòng)難以從熱噪聲中識(shí)別出來(lái)。而肌源性，神經(jīng)以及內(nèi)皮等低頻信號(hào)的衰減程度沒(méi)有心跳和呼吸劇烈，因此可以從皮膚溫度振蕩信號(hào)中檢測(cè)出來(lái)。

4 基于熱分析技術(shù)的血流測(cè)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(bào)道了利用溫度測(cè)量檢測(cè)大血管和微循環(huán)血流信息的設(shè)備和方法。其設(shè)計(jì)的溫度傳感器設(shè)備由一個(gè)直徑3 mm的圓形加熱驅(qū)動(dòng)裝置和周?chē)鷥蓪庸?4個(gè)直徑1 mm、呈環(huán)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(jiàn)圖6。其超薄、柔性、貼合皮膚的特性保證了測(cè)量的便利、連續(xù)和準(zhǔn)確性。

圖6 新型超薄便攜式血流檢測(cè)傳感器[26]

圖7 TBF-Converter軟件截圖[25]

該設(shè)備測(cè)溫的精度可在采樣率2 Hz的情況下達(dá)到0.01℃，因此皮下血流導(dǎo)致組織傳熱呈現(xiàn)的各向異性可以被該設(shè)備精確測(cè)量到。結(jié)合有限元數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的熱分析技術(shù)，可將設(shè)備測(cè)量到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為血流信息。通過(guò)與先進(jìn)的光學(xué)血流檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試比較，驗(yàn)證了該設(shè)備在多種生理?xiàng)l件下檢測(cè)皮下大血管、微循環(huán)血流信息的能力。該設(shè)備和方法可以在不受運(yùn)動(dòng)、接觸和壓觸等條件的限制下對(duì)皮下（約2 mm）血流的方向和大小進(jìn)行量化檢測(cè)，展示了其在日?；顒?dòng)中應(yīng)用的潛力。

4.2 基于溫度信號(hào)的血流轉(zhuǎn)換軟件TBF-Converter[27]

TBF-Converter軟件有如下特點(diǎn)和功能：讀取、保存溫度或血流數(shù)據(jù)；利用PPG信號(hào)的包絡(luò)線，提取血流信號(hào)；選擇信號(hào)變換的方向和方法（小波變換，F(xiàn)ourier變換，Shitzer模型等），進(jìn)行信號(hào)變換。軟件既可將溫度信號(hào)變換為血流信號(hào)，也可將血流信號(hào)變換為溫度信號(hào)。除此之外，軟件還可定義皮膚、血液和空氣的物性參數(shù)（密度、比容、皮膚與空氣的換熱系數(shù)、空氣溫度等）以及對(duì)信號(hào)的尺度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化或線性縮放。圖7為T(mén)BF-Converter軟件的截圖。

該工作分析皮膚溫度信號(hào)與皮下血流信號(hào)的相關(guān)性是基于以下假設(shè)：① 血流波動(dòng)是皮膚溫度產(chǎn)生波動(dòng)的主要原因；② 波動(dòng)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(dòng)；③ 該熱波在傳播過(guò)程中存在頻率依賴(lài)的幅值衰減和相位變化。

基于上述理論假設(shè)，在利用熱圖像或熱信號(hào)分析血流信號(hào)時(shí)，可采用如下步驟進(jìn)行：① 對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)行小波變換，得到溫度信號(hào)的時(shí)頻分量；② 修正溫度時(shí)頻分量的幅值和相位；③ 利用小波反變換和修正的溫度時(shí)頻分量得到血流信號(hào)。

4.3 內(nèi)皮功能診斷裝置Microtest 100WF[28]

Microtest 100WF通過(guò)檢測(cè)低幅值皮膚溫度波動(dòng)來(lái)分析微血管運(yùn)動(dòng)。它由俄羅斯FM Diagnostics公司聯(lián)合俄羅斯科學(xué)院連續(xù)介質(zhì)研究所以及當(dāng)?shù)蒯t(yī)院研發(fā)而成。它所帶的兩個(gè)溫度傳感器可以實(shí)時(shí)記錄溫度波動(dòng)，測(cè)量精度可達(dá)0.001oC。內(nèi)置軟件運(yùn)用小波變化技術(shù)迅速由溫度信號(hào)分解出由肌源，神經(jīng)和內(nèi)皮調(diào)節(jié)引起的振蕩信號(hào)。通過(guò)分析這些信號(hào)的變化規(guī)律可以評(píng)價(jià)微血管內(nèi)皮狀態(tài)（圖8）。

圖8 Microtest 100WF裝置及測(cè)試方法[26]

5 血管反應(yīng)測(cè)試儀器VENDYS[29]

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

6 總結(jié)

圖9 溫度回升值TR的定義

指尖含有豐富的毛細(xì)血管網(wǎng)，同時(shí)指尖部分的新陳代謝產(chǎn)熱非常小，可忽略不計(jì)，可以認(rèn)為指尖皮膚溫度變化與毛細(xì)血管內(nèi)血流變化直接相關(guān)。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)指尖溫度變化可以間接達(dá)到監(jiān)測(cè)血液灌注率的目的，而精確地檢測(cè)空間皮膚溫度分布以及皮膚溫度隨時(shí)間的變化率則是非常重要的一步。

本文介紹了兩種檢測(cè)內(nèi)皮功能的熱分析方法：監(jiān)測(cè)指尖充血反應(yīng)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(guò)觀察皮膚溫度在受到壓力或冷熱刺激之后的動(dòng)態(tài)變化考察微血管的收縮和舒張功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。相對(duì)而言，評(píng)價(jià)指尖溫度振蕩或許更能準(zhǔn)確反映內(nèi)皮功能，但由于溫度振蕩的幅值較低，高精度的溫度測(cè)量至關(guān)重要。

值得注意的是，盡管皮膚溫度振蕩與血流的波動(dòng)高度相關(guān)，但熱波在傳播過(guò)程中存在頻率依賴(lài)的幅值衰減和相位變化，高頻振蕩信號(hào)傳到皮膚表面時(shí)已幾乎消失，但低頻振蕩信號(hào)衰減沒(méi)有如此迅速，這也是為什么通過(guò)溫度振蕩只檢測(cè)到內(nèi)皮和神經(jīng)調(diào)節(jié)頻段的原因。

已開(kāi)發(fā)的儀器和軟件目前還沒(méi)有在臨床上廣泛應(yīng)用，通過(guò)信號(hào)處理，生物力學(xué)和醫(yī)學(xué)專(zhuān)家的跨學(xué)科合作，隨著對(duì)微循環(huán)血流調(diào)節(jié)特性的深入研究，可以期待基于熱分析方法的血流及內(nèi)皮功能檢測(cè)儀器會(huì)廣泛應(yīng)用于臨床診斷及健康管理。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51576033）；大連市科技項(xiàng)目（2015F11GH092）；中俄政府科技合作項(xiàng)目。

賀纓，教授，博士，研究方向：血液動(dòng)力學(xué)，生物傳熱傳質(zhì)。

通訊作者郵箱：heying@dlut.edu.cn