主动脉血流傅里叶分析研究高血压的血管功能障碍

1、主动脉血流傅里叶分析研究高血压的血管功能障碍机设102（10100808）张胜利（译）摘要：阻抗测量已用于量化与高血压有关的变化在血管功能，基于动脉血流波的傅里叶分析可提供一个有用的替代传统的技术，因此血流频谱分析鉴别的工具在高血压血管进行测试，一个基于频率的方法制定出在自发高血压，硝普钠的条件下（SNP）诱导正常血压自发性 高血压的大鼠（SHR）和去氧肾上腺素（PE）引起的高血压的Wistar-Kyoto大鼠（WKY）。在麻醉下，动物仪表进行数字化的动脉血压信号测量，主动脉血流量测量，同时测量心电图。对血流动力学参数进行提取并对主动脉血流信号经傅立叶分析处理，以产生脉冲传输的指纹。结果表明在

2、基线压力上SHR和之间的存在显著指纹差异。对指纹的差异由进行了模拟来研究由PE引起的高血压，但是，他们并没有匹配SHR指纹，虽然有类似的基于流的生物标志物相反，SNP的综合和到SHR会存在在指纹的差异，然而，SNP没有近似于WKY指纹，尽管有类似的血流动力学，此外，特征指纹的差异 与SHR和WKY血管保持互不相关的关系，总之，研究结果表明傅里叶分析可用于不管压力如何揭示功能性血管的状态，提供的数据显示功能。 在高血压血管差异不能有效改善SNP，或者在血压正常中继续P作用E血管。这可能是用以识别血管功能障碍与之前公开的高血压在临床上的应用。关键词：血流动力学，主动脉，傅立叶分析，超声，高血压。介

3、绍高血压有一个显著的病理人口群体，通过治疗高血压可以有效减少心血管发病率和死亡率。 对于生理，高血压具有广泛的不好的影响。当然，流动阻力的提高可以 导致急性心肌应变和长时间的心室肥厚。外围有害的高血压是由于损坏的血管壁和内皮细胞表面血流量的减少从而导致末端器官的损伤。此外，高血压是带标记的平滑肌细胞，胶原增殖和在血管壁和心肌的其它成分由于正常的血液流向发生阻碍影响血液流向重要器官的一种疾病。目前治疗高血压的焦点在于减少一组标量的值的能力，不直接对血管的臂丛sphygmomanometry计量的非侵入性进行直接评价。在目前高血压的治疗方法。无论肱动脉血压的压力，通过检查血管中的高血压，可以很好的

4、对机制功能障碍疾病进行指导同时也可以更好地理解治疗血管功能障碍策略。 脉搏波已通过各种不同的模式的审查，并根据不同的治疗方法，条件和沿动脉13脉搏波分析的位置取决于流波形态，脉搏波的优势和特性取决于心脏功能，固有容器性能如刚度和 下游血管网络的功能，如波的反11,13前底层生理机制评估在于动脉促进血液流动，专注于非嵌入性和数学推导的高血压10,13,14时间是对于脉搏波的测量形态有两种形临床意义危险分层和病人监护仪，如经食管道的多普勒超1,6计算方法有表征血管的能力刚度，每搏输出量（SV），血管狭窄，心肌收缩，心肌射血时间，以及其他标志物血管和心脏功1,2。用非侵入性心血管诊断是通过这些数学方

5、法应用到目前超声心动图主动脉测量速度结合区的M型估计胸骨旁长轴或胸骨切迹窗口的方法优势。因此，数学的方法允许在紧密的调查和临床的实验相关的血流动力学中实践。 数学方法的描述血流不作为速度或体积的函数时而是正弦波。这是由于周期性 和窦房节律的定期性质，此外，心脏是唯一的活动产生力产生的脉搏波形，这些特质满足线性关系，因此血流的波形转换为一系列正弦波是有理论依据11,13，快速傅立叶变换（FFT）是提供了将波形转换为频率的一种数学方法，周期是时间信号的成分。部分在FFT的存在，从0赫兹开始，也就是说，一个非振荡稳流元件是在测量的时间帧里的类似于心脏输出量（CO），该波形在FFT的其余部分由若干正弦

6、波组成，该对称振荡的振幅和波长在零附近。在简谐的物理运动中，各振荡分量（或正弦波）没有通过不添加稳流元件的容器来明确有助于转发流量然而，这些振荡的组成部分（在一个相应的相位角）可以合并以产生具有正的波形振幅。正是由于不同位置的振荡不同。这些振荡可以部分地描述兼容管内流作为一个结果由左心室产生的CO。然而，性质流在一个标准的容器后，不仅取决于由心肌而且对产生的输入力，还和容器本身的功能特征有关3,11,16。因此，我们假设在频域中的表征血流更好演示了在功能上的急性和慢性高血压状态的差异。 为了检验这一假设，傅立叶分析是施加到从主动脉产生的超声信号流波在高血压下大鼠模型。该方法揭示了功能性血管的差

7、异是与传统的时域技术显然是不一样的。对于本次调查，高血压大鼠（SHR）的基因相似，但功能不同的血压正常的Wistar-Kyoto大鼠（WKY）作为心血管系统的模型，为了确定是否傅立叶分析可以用来从压力区分血管功能，本来从SHR的主动脉血流波超声信号和大鼠进行比较药理学诱导的高血压的血压正常的血管。相反的和从主动脉血流的超声信号波WKY大鼠进行了比较，由于药理引起正常血压在SHR大鼠。血管 血压和流动指数的生物标记物是还测量了更完整的分析。虽然在这些实验中，研究的方法是嵌入式的，但他们提供了直接测量的高度和精度，并且必须对临床上的无创性进行潜在评估。方法试验协议所有程序进行与批准根据该机构的动物

8、护理与使用委员会的要求进行。在此之前的急性实验让动物自由饮水和标准的大鼠饲料，并安置在22.2下用12小时光照/黑暗周期。实验动物被分配到下面的各个组：第一组包括血压正常，雄性 WKY（查尔斯河，威尔明顿，MA），称重 293.02±14.31克（N=10）;第二组包括血压正常WKY大鼠组用去氧肾上腺素治疗（PE）;第三组由雄性SHR的 （查尔斯河，威尔明顿，MA或哈伦，印第安纳波利斯，IN），体重307.35±11.82克（N=10）， 选择压力匹配第二集团;第四组由雄性SHR（查尔斯河，威尔明顿，为硕士或哈伦，印第安纳波利斯，IN），称重 304.94±17.

9、34克（N=10）;第五组组成的第IV组的相同的动物用钠处理 硝普钠（SNP）来匹配血压与第一组血压压力的初始血流动力学测量，通过对治疗前的检测并获得心电图（ECG）第二组WKY大鼠接受PE在60 LG/千克的剂量在100 LL与 生理盐水，以增加100 LL冲洗血压以匹配SHR大鼠组三。 第V组SHR大鼠接受单核苷酸多态性在剂量20 LG/公斤，100 LL与100 LL冲洗，以降低血压，以符合傅立叶和血流动力学分析，然后应用到对血管的本组和V之间二组之间和III的前后差异干预。手术准备 动物经2的鼻锥麻醉异氟醚的解决方案，而仰卧在一个变暖的平台。为了获得被执行的切下来进入颈总动脉的连续压力

10、测量和颈内静脉通路的药物管理。一个切口，通过白线，使露出腹腔的脏器，肠等器官分离，以可视化的腹主动脉远端的肾吻合围绕主动脉结缔组织是轻轻 解剖，以获得一个清晰而有力的超声信号。 所有的血流动力学测量连续记录来监控关键的生理活动。测量数字化，在1千赫（提供500 Hz的奈奎斯特频率）的采样率记录ADinstruments Chart4软件（ADinstruments公司科罗拉多斯普林斯，CO）。压力测量是通过左侧颈总动脉插管肝素与7.75厘米PE50导管和古尔德压力计（型号P23）制成，供电和由草仪器单元（RPS7C8B测谎直流驱动7DA6）处理。建立与一个水银压力计在每个实验阶段的开始压力校准

11、。心电图数据是在用草机脚垫通过针电极测量。流是由一个超声换能器（跨音速T206，探针1RB1467）置于腹主动脉周围远端肾动脉评估。流速进行了标定扩展到价值内在的超声波设备。在整个过程中被记录，直到实验结束时的流量，压力和ECG的同步测量。我们开发利用Matlab （ MathWorks公司的Natick ， MA）的软件来开发previously.基线数据库来模拟血流动力学生理前面的输液药物（即PE或SNP ）的计算程序。输液后，数据的峰值血压反应过程中通过数据集的反思作为发现进行分析。所有数据集组成的流量，压力，和ECG的40秒（ 40000个数据点） 。全时域的生物标志物测定在拍来拍的基

12、础。第一步是压力，流量，和心电图信号通过数学方式确定拐点的分割，即斜坡的过零点，然后由magnitudes.2限制检索到的值这使识别的压力和流量波形的波峰和波谷。一旦波形是分段的，基本的数学公式可以应用在一个特定段来计算其他的生物标志物。心脏心率（HR ）的计算通过计算心电信号的识别R波之间的心脏周期。压力的分割允许收缩（SBP） ，舒张压（DBP）的计算和平均压力（MAP）的每个心跳。允许流量（ MAXV ）和集成的脉冲信号的最大速度的计算流程分割产生的流量，一个代理人为SV 。在早期收缩流波形的最大加速度（最大的dV / dt ）也被计算出来。衍生的二氧化碳，相当于输出通过利益主动脉段，是

13、通过计算SV和人力资源的产品。动脉顺应性（ CEST ）的估计，从SV的比率计算出来脉压（收缩压，舒张压）。遵守这一估计已证实与数学模型，可以作为心血管risk.4的临床上有用的评估，7表征在频域中的周期脉冲的波形数据可通过许多数学方法来完成。虽然功率谱密度和连贯性的功能也可以使用，傅立叶的13真正的变换部分采用了类似于传统的方法来计算输入阻抗。因此，一个脉冲指纹被从流动的波形数据的FFT构成。使用傅立叶级数的实部，在0赫兹分量提取。下面的局部极大值，其对应于所述第一谐波，然后确定。随后的9次谐波是由寻找下一个局部最大值各地出发的一次谐波的产生谐波定义的时间间隔找到。傅里叶级数可包含在相位角复

14、杂部分，诸如重要的脉波的准确重建，但这些值代表了高次谐波的相对位置，并且不反映调查的幅度。 3,16指纹是一组11值每隔一段时间，对应稳流组件和随后的前10次谐波。文献已经证实，该脉波数据的约95被包含在第10次谐波，而额外的谐波是这样的小幅度，以不获得可观的准确性。 11,13尽管以前的研究中使用的稳流组件来扩展后续谐波，指纹是通过缩放各次谐波的确定谐波幅值之和生产。 12规范化每个波形的最小化的波形的振幅和的HR差异的影响，从而表示各谐波作为整体流程的百分比。各次谐波分量的平均值计算每个组的所有指纹用于图形目的。所有的结果进行统计分析，使用SigmaStat软件（ SYSTAT软件公司，圣

15、何塞，加利福尼亚州）的完成。采用配对或配对t检验数据进行分析（如适用） 。一个采用Mann-Whitney或Wilcoxon符号秩和实施的软件，如果数据未能正常和/或方差时，提出了建议。图表和数字是用Matlab或Excel （微软Office 2007 ）生产的。结果流量特性的波形示于图1 ，用于当作为一个系列来说明组I，II ，IV和V。这些波形之间的形态差异进行了分析如上文所述，为血流动力学和频率分析。流信号从每个组中的单个成员傅立叶分析的例子被显示在图2 。这些数据代表每个感兴趣的谐波分量（稳流和谐波1-10）的幅度。高次谐波的分布，然后归一化每个动物其然后用于后续组的比较。与WKY组

16、和SHR组III和IV的平均值的标准误差基线血流动力学数据列于表1 。很显然，这两种生理系统工作在不同的压力，但类似的流动的血流动力学。虽然这些流动指数（的dV / dt ，最大流量，SV和CO）保持相似，较高的HR是出现在SHR与WKY相比。正如预期的那样，CEST是显著更高的WKY组。指纹比对（图3）确定了两组之前的任何干预之间流动波传输的差异。指纹数据（图3 ，4，5 ，6，和7）被表示在与标准误差数标度，以便更好地显示组间差异。对SHR保持流动的低次谐波的比例较大的稳定流动和减少幅度（1， 2，和3 ），以及一些不连续的高次谐波（7和10 ），其在统计学上是显著（P < 0.05

17、）。PE的向WKY给药导致了显著（P < 0.05 ）增加，如表2所指出的所有压力。基于血流动力学表现出最大血流只有显著差异。合规性，由CEST代表，是显著与PE的管理降低。指纹分析揭示了稳流分量和高次谐波的增强（ 5，6， 8，和9 ）与相应地减少低次谐波（1， 2，和3 ），它在统计学上是显著性（P <0.05），与给药的去氧肾上腺素相比WKY （ I组） 。与第二组（WKY注入PE）和三（ SHR）的平均值的标准误差血流动力学测量列于表3 。基于流的血流动力学揭示了在HR和CO唯一的差别，它们都减少了在第二组。派生CEST减少在第II组，但这种差异不是从第三组统计学差异。所有

18、测得的压力在两组之间达到平衡。主动脉流波的傅立叶分析显示组II和III （图5 ）之间的显著差异。统计分析表明，苯肾上腺素在WKY （第二组）产生的谐波5-10显著较高程度时，与压力相匹配SHR （第三组）进行比较。单核苷酸多态性的SHR显著（ P < 0.05），降低管理所有血压的预期，如表4 。其中流动的血流动力学的生物标志物，只有最大血流显著（ P <0.05）随SNP的管理。 CEST在自发性高血压大鼠慢性高血压血管保持不变，与干预。脉冲指纹分析揭示显著（P <0.05）增加1次谐波与随后降低图呈现为3-10次谐波的。6。与I组（正常血压WKY）和IV（SHR注入SN

19、P）的平均值的标准误差血流动力学数据列于表5。加入SNP对SHR大鼠导致血压的平衡，以使WKY（GROUPI）的。这两个心血管系统的操作类似的流动条件下，只有人力资源仍然显著差异（p<0.05）。是否合格，在诱发血压正常的V组显著减少相比，主动脉血流波的一组指纹分析结果显示如图呈现组I和V之间的差异。7。统计分析表明，SNP给药显著（P <0.05）降低了低次谐波（105，6，7，8，9，和）的幅度（2，3和4），高次谐波而充实的稳流幅值时相比于WKY（I组）。结果讨论在正常血压和高血压状态的波形形态具有超出了基于血流的幅度的差异所指出的不同图代表的组成，此外，即使与药物（肾上腺素

20、或SNP）压力的平衡，在高血压和血压正常血管之间流动的本质形态差异得以维持。这些差异作为一个动机后续傅立叶分析。在频域中的流波（如同图2中给出）的表示法是在整体特性类似于前面描述的压力和流量中animals7得到的分析数据,9,11 -13和演示了群体之间的差异，无论干预。这是显而易见的，在SHR频谱，当诱导下，高血压相比， WKY的确是有较大的高频振荡的幅度为0 Hz或稳流也。这个数据最终归一，以产生脉冲指纹和助剂以更清楚地界定的差异并不明显的时域表示。正如预期的那样， SHR和WKY的前介入特征存在，压力和HR差异（表1）。压力和人力资源进行了系统和显著高于合并SHR组比WKY组中。估计主

21、动脉顺应性计算为降低SHR组中，与慢性高血压状态保持一致。研究基于流的血流动力学检查未见明显差异，说明尽管升高的压力补偿和流量在慢性高血压的保存。然而，这些流动相似之处并非由傅立叶分析反射。对SHR指纹注意到有稳流元件的显著更高的幅度和减少低次谐波（1 ，2，和3）和如在图看出一些不连续的高次谐波（ 7和10）的数量级。 3 。自发性高血压大鼠进行的非振动元件更大比例的流波。这看似矛盾的基础上，脉搏波的目视解译。然而，谐波被缩放到波形的总能量，并因此表示为总流量的比例而引起的缓解。还应当注意的是，每个谐波的相位角是导致出现不同的相应的流动waveforms.3的，各组间可能不同16虽然变化与人

22、力资源相关联的不同谐波已经在早期实验中已注意到使用模拟记录系统中狗， 12最近的实验表明，这种情况不是这样，当数据是digitized.8 ， 15因此，在使用现有的技术时，流谐波的差异很可能的血液动力学，而不是变时性差异的结果。稳流的这种大的比例下降表明符合主动脉管腔的生理解释限制脉搏波腹胀，因而低频振荡（谐波1 ， 2 ，3） 。这些差异在WKY和SHR指纹不仅代表因压力功能上的差异，但也脉管系统的内在特性。血管收缩剂去氧肾上腺素的WKY大鼠血管给药增强全血的压力，同时减小最大流量和CEST （表2） 。检查用苯肾上腺素诱导的高血压有关的血管发生变化时，第II组指纹具有许多已存在的SHR和

23、WKY见于图3之间相同的特性差异，具体地说，增稳流和下降较低的频率幅度。然而，新福林还增强了高频分量急性高血压III组（图5）的高血压血管比较。因此，即使当压力平衡（表3 ），其中不仅有升高的管腔压力，同时也与慢性急性高血压血管状态相关的脉搏波传播存在指纹的差异。然后，它降低正常血压与血管的PE （由CEST测量）的规则和是发生在自发性高血压大鼠血管功能和结构的变化确实是不同的。这并不奇怪，因为长期高血压已被证明影响血管壁的组合物，从而导致改变的结构和功能。有当SNP施用给高血压脉管系统中平衡压力的WKY大鼠组（表5）中所发生的撞击的血流动力学变化。测量血流动力学的生物标志物显示出在降低的压力

24、下的最大流量与养护SV和CO的增强。这个有趣的发现是可能的主动脉壁提供了一个更大的管腔面积，或流动的截面积（最大流量），而不在整个流相关联的增加（CO），或者收缩反应（SV）作为SNP诱导的扩张的结果从表4的解释。这一发现与降低后负荷，并由于SNP的血管扩张增加主动脉量一致。然而，尽管降低压力至血压正常的水平，主动脉柔顺性的慢性高血压脉管系统（CEST ）保持自其基准（表4）不变。这一发现与芬克尔斯坦等8在近端合规性和特性阻抗在使用SNP狗模型的评估结果一致。那么它可能遵循的SNP distends通过松弛平滑肌主动脉壁的高血压血管的结构约束，压力降低不增加净流量，所以估计顺应性（ CEST

25、）保持不变。因此，在SHR大鼠长期高血压血管功能障碍可能无法校正甚至当压力恢复正常。当诱导正常血压在SHR ，第V组表现出了减少大部分谐波与增加时相比，它的基线，第IV组，如在图6中说明的第一谐波。然而，检查组I和V在图7的指纹，增强稳流，减少低次谐波（谐波2 ， 3 ，4）是出现在第五组是与慢性高血压血管状态保持一致。 SNP还降低了高次谐波（5-10 ），它是在基线的SHR和WKY大鼠之间的显着增加差异的幅度。负荷后血管扩张与单核苷酸多态性降低，从而导致振荡的能量减少元件。似乎流的较高频率振荡分量部分是由于周围血管阻力增加，并通过与PE和SNP相关联的指纹的变化表示的动态波反射。这一结果与

26、先前建立类似的阻抗谱分析是一致的减小反射波有助于阻抗在高次谐波降低。这一系列的干预和傅立叶方法的应用表明一致的结果：（1）高血压状态与增加的稳流和减压下的谐波幅值，（2）急性高血压与增加高次谐波的幅度相关联，以及（相关3）在高血压脉管诱导正常血压是与在较高的谐波幅值的降低相关联。在血管功能传达一致性响应于血管收缩剂和血管扩张剂在急性和慢性高血压的设定相关的变化已被阐明通过傅里叶分析。这个方法会成为一个有价值的临床工具，因为它决定了潜在的血管状态不是由传统的血流动力学透露。限制 本研究代表了一种新的基于频率的脉冲波分析的应用。开发出的方法不是为了破译的脉波而确定在血管反应的功能差异。傅立叶级数，

27、如扩展频率分量，非谐波幅值和相角的其它部分可以提供额外的信息以进一步定义复杂的脉冲波形。血管状态的明显的差异分别实现了，尽管数量相对较少的用于该实验中从而可能导致II型误差的动物。预期的动物更大的样本将揭示在脉冲波更强的差异。利用周边流动指数来估算核心特征，如与dV / dt和SV ，引入了一些生理的不确定性。同样的，因为它们不直接测量而得的生物标志物，例如CEST ，可能会引入错误。然而，这些替代指标通常用于临床医学，并全面广泛接受的做法，但的确代表了当前研究的限制。比较超声生物标志物和组织病理学将被证明是结构性的关系，然而，这组织学数据是超出了本研究的范围。最后，高血压的大鼠模型需要使用侵

28、入性的方法来监测压力和流量最大的准确性和相关性。然而，在目前的研究中，所有的数据可以非侵入性地在人类中测量。结论在高血压血管病变存在于血管功能病变的差异，但方法来识别这些功能障碍一直难以实现。而血流量的傅立叶分析已经非常成熟，以往的研究主要是探讨压力波或阻抗检查血管功能是繁琐和入侵。在这里，这样的分析对主动脉血流的效用已被证实。与高血压有关的血管功能的改变变得明显时，与这里所开发的基于频率的方法检验。尽管类似的血流动力学指标，差异正常血压和高血压vasculatures之间存在，即使在药理学相匹配的压力，因而4血管功能状态可以区别。看来好像是出现在傅里叶分析的功能上的差异在很大程度上是由于改变波反射，在正常血压和高血压vasculatures及其后续交