李桂香，黄德群，唐元梁，陈军，刘凯，伊翔，吴新社

广东省医疗器械研究所/国家医疗保健器具工程技术研究中心 广东省医用电子仪器与高分子材料制品重点实验室，广东 广州 510500

引言

血管内皮细胞是一层连续覆盖在血管腔表面的扁平单层鳞状细胞，它不仅是血管的渗透屏障，而且是人体最大的内分泌、旁分泌器官，分泌几十种血管活性物质，还是许多活性物质的靶器官。血管内皮细胞在调节血管舒张状态、维持凝血和纤溶系统平衡、抑制血小板聚集、抑制炎症细胞与内皮细胞间的黏附以及调控血管平滑肌生长等方面有重要的生理功能，正常的血管内皮功能是维持心血管系统稳态的基本条件。内皮功能障碍与诸多疾病存在着密切联系，包括糖尿病、高血压、中风等，且多发生于心血管事件的早期、可治疗阶段。内皮结构和功能损伤均是动脉粥样硬化斑块形成的重要原因，也是血管病变最早的标志，当管壁还未见明显的结构变化时，内皮功能已经出现了障碍，并且参与损伤的进展及随后的临床并发症，与心血管疾病关系密切。若在内皮损伤阶段，未出现动脉粥样硬化斑块或动脉粥样硬化斑块形成早期，进行血管内皮功能病变检测早期筛选高危人群，可避免血管管壁进一步出现内膜增厚、弹性下降、斑块形成等病变，当发现血管内皮功能障碍时，进行及时干预和指导治疗，可以逆转内皮功能损害，对维护心血管健康、降低心血管疾病的发病率和死亡率以及医疗成本具有重要意义。目前血管内皮功能检测方法主要有创和无创两种方式。无创方法具有少/无创伤、检查费用相对低且操作简单、重复性好、适用人群广、更易被接受等优点，逐渐在临床应用，但实现广泛推广存在局限。新型无创血管内皮功能评价方法成为血管内皮功能诊断研究的热点。本文通过分析和总结无创血管内皮功能诊断方法研究与应用相关的国内外文献，对无创血管内皮功能检测技术研究和应用进行综述，以促进国民对血管内皮功能诊断的重视，实现心血管类疾病的早预防、早诊断、早治疗，减少心血管疾病事件发生或减缓发生进程，提升人们健康水平和生活质量。

1 无创血管内皮功能检测技术研究进展

1.1 应用需求

血管内皮是一个具有高度活性的代谢和分泌器官，既是感应细胞又是效应细胞，能感知血液中的炎性信号、激素水平、切应力等信息，同时释放活性物质对这些信息作出反应，具有参与血管形成、调节血管张力、抗凝促纤溶、参与炎症反应等功能。内皮功能障碍主要受血管舒张因子减少、血管收缩因子增加、炎症因子等影响[1-2]。内皮源性舒张因子和收缩因子之间存在平衡，但这种平衡状态偏离时就被认为内皮功能障碍[3]。血管舒张因子包括一氧化碳（Nitric Oxide，NO）、内皮源性超级化因子（Endothelial-Derived Hyperpolarisation Factors，EDHF），前列环素等，其中最主要的是NO，它主要由内皮细胞受剪切应力作用而释放。在动脉粥样硬化早期，当NO生物活性明显减低时，内皮功能可由前列环素和EDHF上调代偿调节[4-6]。同时，在剪切应力、血管紧张素II、肾上腺素、凝血酶、氧化型低密度脂蛋白等调控下，血管收缩因子如内皮素1、血栓素A2也相应增加[7]。血管内皮正常时释放内皮依赖舒张因子及血管收缩因子，舒张因子占优势；但血管内皮受损时，血管收缩因子占优势，造成血管功能受损，炎症因子增加使低密度脂蛋白转化为氧化型低密度脂蛋白，从而损伤内皮细胞，影响内皮功能[8-9]。随着临床研究的深入，医学界已逐渐意识到血管壁病变及其发生发展所致的管腔病变才是心肌梗死、中风等各种心血管并发症的基础[10-13]。另外，近年研究表明血管内皮生长因子在血管生成刺激的多步骤中起重要作用，与包括胃癌在内癌症的发展密切相关，内皮功能障碍已被证实是心血管事件的独立风险因素[14]。逆转血管内皮功能障碍已成为心血管病领域的新研究方向，医学界一直致力于发明一种能早期诊断血管内皮功能病变的方法，使血管内皮功能诊断成为一项常规检查项目[15-16]。

1.2 无创血管内皮功能检测技术的研究进展

目前，评价血管功能的常用的检测手段主要包括侵入式和非侵入式检测两大类。侵入性检测需要将乙酰胆碱注入人体冠脉，但因其对人体有创、耗时长、费用高，不建议健康或无症状患者使用，所以在临床应用上受到极大限制。非侵入式内皮功能检测方法最早出现在20世纪90年代，随着基础和临床研究的不断发展，医疗行业对心血管疾病中检查内皮功能的重视程度越来越高，无创血管内皮功能检测因其少或无创伤、检查费用相对低且操作简单、重复性好、适用人群广、更易被接受等优点成为研究热点[17]。在2018年第二十九届长城国际心脏病学会议上特别设立了“无创血管功能诊断”的专场会议。血管内皮功能无创检测技术的研究发展迅速。

在临床应用上，评价内皮功能的无创检测方法主要包括基于血流介导的血管扩张（Flow Mediated Dilation，FMD）技术、外周动脉张力（Peripheral Artery Tonometry，PAT）、光学体积描记法和无创生化检测等4大方法。其中，血流介导的血管扩张FDM技术是评价和衡量内皮功能的“金指标”[18-20]； PAT可以预测人群中心血管事件的发生风险，其安全性及重复性较好，近年来在美国冠心病患者的血管内皮功能检测中广泛应用，逐渐被证明可以在门诊或社区对心血管高危人群进行筛查[21]；光学体积描记法能平行反映年龄对动脉老化的影响，与PWV相关性很好，可能会成为心血管事件的独立预测因子[22-24]；无创生化检测方法常用于评价血管内皮功能的新方法和研发的无创血管功能诊断设备的效用，临床应用中主要包括微量白蛋白尿化验和循环生物标记物检测。

虽然FDM、PAT、光学体积描记法和无创生化检测等在实际临床应用上成为替代有创检测的重要方法，但是广泛推广到日常血管内皮功能筛查和临床应用受到检测设备价格高昂、彩超探头易故障、从业者需要训练有素、完成评估的时间长等局限[25]。无创生化检测方法中微量白蛋白尿检测虽然可以非常准确的判断血管功能，但它更多的是反映内皮结构损伤情况，而且化验检查样本采集有一定难度，影响检测的准确性；循环生物标记物ADMA、CRP、内皮素、凝血有关血友病因子、T-PA和PA1-1、可溶性细胞黏附分子等都可在某一方面预测心血管疾病事件的发生，但是检测样本量大、分析过程繁琐[26]。

为了突破上述检测方法存在的局限，研究学者基于前人的研究和高新技术的发展，开展了一系列新概念/检测方法研究，并基于新的理念创新研制新型的无创血管功能检测设备。主要包括磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、 正 电 子 发 射 扫 描（Positron Emission Tomography，PET）、聚合物传感器、指尖热（Digital Thermal Monitoring，DTM）、局部温度刺激诱导反应性充血理念与傅里叶/小波分析方法相结合等技术相应的设备；基于血管内皮调节与动脉弹性的关系，血管内皮功能受损导致动脉壁结构和功能的变化是引起动脉弹性下降的主要原因，还研究了辅助评价血管内皮功能的方法，包括检测脉冲波速（Pulse Wave Velocity，PWV）、心踝血管指数（Cardio-ankle Vascular Index，CAVI）、增强指数等[27-28]。其中，MRI和PET近年被发展起来并逐步应用于心血管系统的检查，常用于检测心肌活性功能，还可以与冷加压实验联合定量检测冠状动脉的血流量，评价血管舒张功能。但因设备价格昂贵、技术条件要求高，目前未能广泛应用；可穿戴技术和新材料的兴起，聚合物传感器的应用显示出一定的诊断潜力。将商业上可用的导电橡胶绳索拉伸传感器ERB（炭黑浸渍橡胶传感器）嵌入到一块可拉伸织物中，实现外周血流量可视化。研究发现，静止时电阻固定，拉伸时阻抗增大。当戴在小腿周围时可以监测腿部体积的变化，这种新型HeMo血流动力学监测仪对体位没有特别要求。可穿戴技术和基于聚合物的传感器的进步可能是满足临床医生对理想系统需求的最有竞争力的候选者，可以在功能活动和锻炼期间提供持续监测，还可能增加诊断功能。基于poly-mer技术的发展，因其存在低成本、低专业使用要求以及能够提供关于周围动脉和静脉的相对即时信息的优点，新型血流动力学检测仪具有提供早期诊断的前景[29]。

随着21世纪大健康理念的产生及老龄化社会的步入，便携移动家用健康监测兴起。美国研究学者提出了DTM技术，通过连续测量阻断肱动脉血流前后指尖温度的变化来反映反应性充血的血流量变化评价外周动脉内皮功能，原理同PAT相似，血流量改变引起的指尖温度改变可以反映血管扩张程度，用以评价血管内皮功能。研制的设备在检测时采取两个指尖对比测定消除系统误差及自身影响，通过与冠脉造影及多排CT及核素心肌灌注显像等对比研究发现，DTM与冠心病的多项危险因素有相关性并可以评价治疗情况，但仍需要前瞻性的研究和临床数据以明确DTM测定的内皮功能不全在心血管事件上的预测及指导价值。

近年来，研究学者研究血管内皮功能调节基础、探索调节机制突破发现人体血流脉动与如下的周期性调节活动有关：内皮调节（50～105 s），神经调节（20～50 s），肌源性调节（7～20 s），呼吸活动（2～7 s）以及心跳活动（0.5～2 s）。血流振荡的频率特征约为0.01 Hz，与内皮细胞活性有关，特别是NO的合成活性。可以将采集到的血流信号中将波动周期在50～105 s范围内的子信号提取出来，最大限度地反映单纯内皮源性血管舒张调节功能、减少其它调节活动和噪声的干扰。基于DTM技术和血管内皮功能的调节机制，研究学者创新开展了通过微血管局部刺激和小波分析来研究血管内皮功能调节的主要调节因子，将局部温度刺激诱导反应性充血理念与傅里叶/小波分析方法相结合，利用小波分析对激光多普勒血流仪测量的LDF信号可变成分进行频谱分析，评估血管张力的状态以及微血管系统中负责调节血流机制的因子，开展了一些内皮功能热检测的临床测试研究，在糖尿病和风湿病患者的微血管内皮功能障碍诊断上初步验证了该方法的可行性。但激光多普勒测流技术具有一定的局限性，限制了其应用。基于热信号时频分析技术的内皮功能检测理念在最近几年提出，虽然该技术在产品化方面还远远不够，但基于局部温度刺激诱导反应性充血测试则可最大限度地反映单纯内皮源性血管舒张调节功能，有望成为广泛推广应用的新型无创血管内皮功能检测方法[30]。

2 应用现状

目前，基于束臂缺血诱导反应性充血理念的无创血管内皮功能检测方法已逐渐得到了业界的认可，基于该理念研制的无创血管内皮功能检测设备已应用于心血管疾病、糖尿病、肾病、男科疾病等多个领域。其中，基于加压阻断肱动脉，观察反应性充血前后的血管内径变化理念的内皮功能诊断仪器占据市场主导地位。但临床应用的设备都来自国外，典型的产品包括欧姆龙的UNEX EF 38G、BP-203RPE III，Itamar Medical公司的ENDOPAT以及ENDOTHELIX公司的VENDYS。其中，UNEX EF 38G是利用超声探头来检测反应性充血前后肱动脉内径的变化来反映内皮功能，ENDOPAT是利用PAT技术，以上设备已通过了美国FDA、中国CFDA、欧洲CE、日本SHONIN的认证，并被超过60个国家的权威临床机构和研究中心所使用；VENDYS是利用DTM技术。UNEX EF 38G和ENDOPAT已进行国内市场，应用于临床或科研。微血管功能检测仪器——俄罗斯FM Diagnostics公司研发的Microtest仪器，从理论上来说更能准确评价血管内皮功能，但目前尚处于临床测试阶段，国内还尚未见有同类设备研究成型。

上述临床应用的设备尚未实现广泛的日常筛查和早期血管内皮功能诊断。主要局限除了设备昂贵、需要专业人员维护外，还因其检测成本高、时间长容易使人身体产生不适以及评估结果受多种因素影响，具有不确定性[31]限制了这类设备的发展。另外，血管内皮功能早期筛查、诊断及康复训练对于减低心血管事件、癌症的发生发展具有重要意义，实现大健康，迫切需要一种能广泛推广应用的便携式家用或穿戴式内皮血管功能诊断方法及设备。

3 总结和展望

血管内皮细胞对维持正常的心血管功能起着重要作用，在各类心血管疾病及其相关疾病的发生、发展中扮演重要角色。研究发现内皮功能障碍不仅与心血管疾病息息相关，还与股骨头坏死、妊娠高血压综合症、癌症等发生有关。血管内皮功能具有可逆性，改善血管内皮功能的措施包括以下几类：① 干预措施，如药物治疗降压药肾素-血管紧张素系统抑制剂、他汀类药物；② 补充治疗，如注射L-精氨酸、雌激素替代等；③ 生活方式改变如有氧运动、限制钠的摄入、减轻体质量等。研究一种适合广泛推广的低成本无创血管内皮诊断方法和设备在广大人群中开展血管内皮功能检查，筛查冠心病高危人群，实现早发现、早干预、早治疗，逆转病理过程，为心血管疾病的诊断、治疗提供新思路，对防止或延缓冠心病及并发症发生具有重要意义。

目前，基于束臂缺血诱导反应性充血理念的无创血管内皮功能检测方法和研制的无创内皮功能诊断仪已逐渐应用于临床。内皮功能活性相关的循环生物标记物检测也进入了实验室辅助评价心血管事件。但这些方法对血管内皮功能变化、影响因素以及作用方式等缺乏系统阐述，加上设备昂贵，需要专业人员，血管疾病早期预防普及筛查还有一定难度。实际上血管内皮功能调节过程有5个调节活动参与，而束臂方式会造成缺血引起肱动脉代谢异常，代谢产物（前列腺素、腺苷、肌浆蛋白等）会随血流到达下游微血管处参与管径调节，内皮源性血管舒张只在充血反应中起到了部分作用，完全归结于血管内皮调节活动的影响而忽略其它调节因素获得的评估结果准确性有一定偏颇。随着临床对内皮功能、各种疾病的发病机制和变化影响因素揭示、医电和生化设备的研究进步以及临床数据的完善，便携式、穿戴式技术迅速发展。有研究学者为解决当前血管内皮功能诊断技术的缺陷和广泛推广应用的局限性，提出不使用束臂方式而利用诱导反应性充血原理，对微小末梢血管进行诱导冷/热刺激，基于诱导前后微小末梢血管的温度变化和信号时频分析提取内皮调节子信号，得到单纯内皮源性血管舒张调节功能，减少其它调节活动和噪声干扰，更直观准确反映血管内皮功能的新理念。预期不久，将会迎来无创血管内皮功能诊断新方法和便携、可穿戴的设备的广泛推广应用，实现内皮功能障碍的早预防、早发现、早治疗，在心血管疾病及其它疾病方面筛查诊断治疗中发挥重要作用，降低心血管事件或其它疾病的发生，提高人民生活质量和水平。