使用光电容积脉搏描记法与激光多普勒流变仪进行多模态动脉弹性评估

动脉弹性为何重要

随着年龄增长，我们的动脉会逐步变硬，使血液更难平稳流动。这种与年龄相关的变化称为动脉僵硬，与心肌梗死、中风及其他心血管问题有密切关联。然而，目前发现早期预警信号通常需要到医院并使用专门设备。本研究探讨了能否将两种已常见于医疗设备的简单光学技术结合，构建一种快速且低成本的动脉健康检测方法，未来或可在家庭医生诊所甚至可穿戴设备上实现。

用光照亮血液与血管健康

研究者聚焦于两种不破皮的光学方法。第一种是光电容积脉搏描记法（PPG），已出现在智能手表和指夹式脉搏血氧仪中。它将光照入皮肤并测量反射回来的光强，随心跳而变化，因为微血管内的血容量随收缩与舒张而起伏。第二种是激光多普勒流变仪（LDF），使用低功率激光感测红细胞的运动速度，从而观察微血管内的血流。由于僵硬的动脉扩张较少并可能扰乱正常的流动模式，研究团队推测，精细地联合分析这两种信号可能揭示血管的“年龄”——甚至在出现症状之前。

构建仿真动脉以检验想法

为安全且精确地检验这一点，科学家们没有直接从患者入手，而是在实验室中构建了逼真的人体腿动脉模型。每个模型由嵌入管道以模拟股动脉的柔性块材组成。共制作三种版本：一种“健康”且富有弹性，一种明显“不健康”且僵硬，还有一种介于两者之间。这些管道内注入了特制的类血流体，含有能以受控方式散射光的小颗粒，使团队得以研究不同光学配方如何影响信号。他们使用模拟每分钟60次心跳的泵循环这些流体，并记录每条人工动脉四分钟的PPG和LDF数据段。

光信号揭示了什么

从PPG记录中，团队提取了若干描述每个脉搏波的特征，例如高度（振幅）、覆盖面积以及上升和下降的陡峭程度。正如预期，来自较僵硬“动脉”的信号显示出较小、较弱的脉动，反映出僵硬血管壁扩张能力降低。激光测量则提供了互补的信息：随着刚度增加，平均流量信号（称为流量通量）稳步下降。这与基础流体力学一致：更窄、更不柔韧的管道阻力更大，从而承载的流量更少。其中一种以名为intralipid的物质为基础的类血流体，特别放大了健康与病变状态在体积和流量信号上的差异，尽管它使一种PPG颜色的读取变得更困难。

结合两种视角以获得更明确的结论

关键测试在于这些测量不仅能显示趋势，还能否可靠地区分三种动脉类型。研究者使用机器学习算法，基于提取的特征训练计算机模型，将每段记录分类为健康、介于两者之间或不健康。仅用PPG，尤其是红光和绿光，已表现良好。然而，当加入LDF的流量信息后，准确性进一步提高，在某些情况下对保留测试数据全部正确识别。这表明体积和流量共同提供了比任何单一指标更丰富的血管僵硬指纹，并且那些最关键的、微妙的中间阶段——对早期干预最重要——通过多模态方法可能更容易被检测到。

从实验台走向诊室

简而言之，研究表明温和地照射光线与激光束到血管上即可揭示其柔韧或僵硬程度，并且结合这两种视角可以提高评估的可靠性。尽管这些实验是在受控的人工模型中进行，而非人体上，但结果证明该技术在技术上可行且对动脉僵硬的变化敏感。作者认为，经过进一步改进、在志愿者和患者中的验证以及将其封装为小型传感器，这种双技术方法有望发展为一线诊所的实用工具，从而实现更早发现“老化”动脉、更精准地针对生活方式和药物干预，并减少人群在无声无息中进展为严重心血管疾病的情况。

引用: Karimpour, P., Ferizoli, R., May, J.M. et al. Multimodal assessment of arterial stiffness using photoplethysmography and laser Doppler flowmetry. npj Cardiovasc Health 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44325-026-00115-8

关键词: 动脉僵硬度, 光电容积脉搏描记法, 激光多普勒流变仪, 血管老化, 无创心血管筛查