动脉硬化：背景、检测手段和我们的工作
主旨
前几个月写了一些深度学习的笔记，最近几个月忙于和团队伙伴一起用深度学习解决创新型医疗健康领域的实际问题，因此今天这篇文章简单介绍我们工作的一个方面：非加压式动脉硬化检测。本文主要篇幅会依据教材和可信论文介绍动脉硬化检测的基本原理和手段，预期为读者提供此领域的基本了解。对于我们团队的工作在文章末尾做简要介绍。
动脉硬化是什么
在今天人人对于健康倍加关注的语境下，动脉硬化早已不是医学教科书里鲜为人知的专业术语，而是一份又一份医生处方、体检报告、乃至父母转来的微信养生文章中的常用词了。如果对动脉硬化有些了解，就会注意到医院和体检机构书面描述动脉硬化时常用“动脉粥样硬化”这个词，这和动脉硬化是一样的吗？
为了正本清源，首先要请出医学课本，课本对两个名词定义如下
动脉硬化Arteriosclerosis：包括细小动脉硬化、动脉中膜硬化和动脉粥样硬化。（第244页，文献[1]）
动脉粥样硬化Atherosclerosis：动脉内由于病变形成粥样斑块和其他复合型病变，主要累及大中型动脉。（第243页，文献[1]）
从上述定义可以看出，“动脉粥样硬化”是一种“动脉硬化”。由于动脉粥样硬化危害是冠心病、脑梗死、外周血管病的主要原因，同时，“随着生活水平的提高和饮食结构的改变，动脉粥样硬化在我国已严重影响人类健康”（第57页，文献[1]），因此，日常生活中我们谈论动脉硬化时一般指的就是动脉粥样硬化。
上图是Wikipedia[2]给出的动脉粥样硬化病程发展示意图，最上端为健康，最下段为严重动脉粥样硬化。从图中可以看出，随着病程发展，动脉血管内膜逐渐增厚，血管半径狭窄，引发一系列健康问题。进一步，有文献指出，在动脉粥样硬化发病过程中血管壁的结构改变可以在概念上理解为“血管年龄”，“血管年龄”的增长速度与每个个人的心血管事件风险有关[3]。
现有动脉粥样硬化检测手段
由于动脉粥样硬化是一种与饮食习惯和生活方式强相关的疾病，及早检测到病变征兆对于干预和改善动脉血管健康程度存在着重大意义。
基于目前的研究和临床实践，动脉硬化的检测方法大体可以分为以下几类
- 生化检测
动脉粥样硬化与胆固醇含量有很强的关系，因此可以通过血液化验得到的总胆固醇(TC)，高密度脂蛋白胆固醇(HDL-C)，低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的含量判断动脉粥样硬化风险因子。
医学教材指出，LDL-C水平增高是“唯一不需要其他危险因素协同作用，即可诱发和促进动脉粥样硬化发生发展的因素”（第244页，文献[1]）
文献[4]在20年的时间跨度上，跟踪了3000名左右的被试者，经过研究发现胆固醇含量TC与心血管风险正相关，HDL-C与心血管风险负相关。
- 影像检查
文献[3]给出，已经形成的动脉硬化损害可以通过B型超声影像中以下特征观察到
1) 内膜介质(Intima-media)的隆起
2) 总斑块区域
3) 总斑块体积
上图是论文中给出的B型超声观察颈动脉图片[3]
此外，动脉硬化斑块的回波特性也能提供附加信息：
1) 包含脂类核的斑块呈现透射性echolucent，无回波。
2) 纤维变性和钙化呈现反射性echogenic，有回声。
高解析度超声设备可以测量颈动脉内膜厚度(C-IMT)，C-IMT的增长早于斑块发展。在大量观察实验中已经证实C-IMT增长与心血管事件有关。有文献指出C-IMT可以用作动脉硬化粗筛 [5]
- 物理方式测量动脉僵硬度(Arterial Stiffness)
动脉僵硬程度(Arterial Stiffness)是动脉血管本身的物理性质，因此可以通过脉搏波沿着动脉血管传播的速度，即脉搏波传导速度PWV，实现测量。
目前已经有大量研究证实PWV可以准确反映动脉僵硬程度(Arterial Stiffness)。教材给出“颈动脉-股动脉脉搏波传导速度cfPWV是检查主动脉僵硬程度的金标准”（第146页，文献[6]）。美国心脏学会(American Heart Association)的研究报告[7]中指出cfPWV是检查动脉僵硬程度(Arterial Stiffness)的可信标准，其循证医学等级为Class I，Level of Evidence A。手臂-脚踝脉搏波传导速度baPWV，在亚洲人中能有效预测心血管事件，但是对欧美人缺乏纵深研究，其循证医学等级为Class I，Level of evidence B。
由于baPWV在临床操作性更好，同时对于亚洲人群有很好的指示作用，基于充气式袖带的baPWV测量仪在临床得到了广泛应用。
上图是基于充气式袖带的动脉硬化测量仪（图片来自网络，侵删）。从图中可以看出被测者在测量时需要在手臂和脚踝佩戴充气式袖带，袖带加压后通过示波法获得脉搏波。通过计算脉搏波从心脏传导到手臂和脚踝的时间差，并且通过身高推算“心脏到手臂”与“心脏到脚踝”的距离差，从而计算出baPWV。
动脉僵硬程度Arterial Stiffness与动脉粥样硬化存在关联吗？可信研究证明存在，文献[8]研究了3000多名60岁以上老人，得出结论为动脉僵硬度与动脉粥样硬化存在有统计意义的强相关。因此，临床可以通过测量动脉僵硬程度Arterial Stiffness作为检测动脉粥样硬化的手段
充气式袖带测量baPWV的缺点
由于需要袖带加压获得脉搏波信号，前述袖带加压式baPWV测量设备在使用中存在一些禁忌症和使用不便，主要体现在
测量时手臂和脚踝袖带加压可能达到200mmHg以上，被测者感觉不适。为了避免血压变化对baPWV测量精度的影响，短时间内测量两次或以上时，在部分被测者皮肤上会留下挤压伤痕。进一步，部分病人由于基础疾病限制，不允许对手臂和脚踝施加如此巨大的压力。下图是我司实测中某同事脚踝由于袖带挤压作用留下的挤压伤痕
袖带式设备本身需要充气机械，设备整体体积较大，搬运与使用便利度不高。
我们的工作
针对上述两点问题，我们团队使用自研的BioRF动脉雷达传感器（http://www.lohas-tech.com.cn）采集脉搏波信号，替代了传统的充气加压式袖带，既避免了高压袖带带来的挤压伤问题，又利用动脉雷达传感器小巧的特点，实现了设备整体小型化、便携化。
在分析非充气袖带采集的脉搏波信号中，我们大量使用了深度学习技术，用神经网络替代传统生物信号处理中一般采用的规则算法，从目前内部研发评测来看，无论从研发效率还是实际测量精度，都得到了较好的结果。
参考文献
[1]. 臧伟进，吴立玲主编. 《心血管系统》，北京：人民卫生出版社，2015. ISBN: 978-7-117-20110-0
[2]. https://en.wikipedia.org/wiki/Atherosclerosis
[3]. Steinl D, Kaufmann B A. Ultrasound Imaging for Risk Assessment in Atherosclerosis[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2015, 16(5): 9749-9769.
[4]. Brunner, Daniel, et al. “Relation of serum total cholesterol and high-density lipoprotein cholesterol percentage to the incidence of definite coronary events: twenty-year follow-up of the Donolo-Tel Aviv Prospective Coronary Artery Disease Study.” The American journal of cardiology 59.15 (1987): 1271-1276.
[5]. Peters, S.A.; den Ruijter, H.M.; Grobbee, D.E.; Bots, M.L. Results from a carotid intima-media thickness trial as a decision tool for launching a large-scale morbidity and mortality trial. Circ. Cardiovasc. Imaging 2013, 6, 20–25.
[6]. 马爱群，王建安主编. 《心血管系统疾病》，北京：人民卫生出版社，2015. ISBN：978-7-117-20979-3
[7]. Townsend R R, Wilkinson I B, Schiffrin E L, et al. Recommendations for Improving and Standardizing Vascular Research on Arterial Stiffness: A Scientific Statement From the American Heart Association.[J]. Hypertension, 2015, 66(3): 698-722.
[8]. Van Popele N M, Grobbee D E, Bots M L, et al. Association Between Arterial Stiffness and Atherosclerosis The Rotterdam Study[J]. Stroke, 2001, 32(2): 454-460.