负荷前激发期间的连续静脉动脉多普勒超声检查

摘要

Frank-Starling-Sarnoff曲线在临床上很重要，描述了心脏前负荷和输出量之间的关系。本报告说明了一种同时进行颈静脉和颈动脉多普勒测速的新方法，分别作为心脏前负荷和输出量的瞬时替代;这种方法是通过无线、可穿戴多普勒超声实现的。

摘要

前负荷激发试验 （PC） 是一种临床操作，首先增加心脏充盈（即预负荷），其次计算心输出量的变化。从根本上说，PC是一种用于测试Frank-Starling-Sarnoff（即"心脏功能"）曲线的床边方法。通常，该曲线具有陡峭的斜率，因此心脏前负荷的微小变化会导致每搏输出量（SV）或心输出量的巨大变化。然而，在各种疾病状态下，这种关系的斜率趋于平缓，以至于增加进入心脏的体积会导致SV几乎没有上升。在这种病理情况下，额外的心脏前负荷（例如静脉输液）不太可能在生理上有效，如果器官充血发展，可能会导致伤害。因此，推断心脏负荷和输出量在临床上是有用的，因为它可以指导静脉 （IV） 液体复苏。因此，该协议的目标是描述一种在经过充分验证的预负荷挑战期间使用新颖的无线可穿戴超声同时跟踪心脏前负荷和输出量替代物的方法。

引言

在其基础上，Frank-Starling-Sarnoff曲线描述了心脏前负荷与输出^量1，²，^3，4之间的关系。从历史上看，该曲线是通过在横坐标上绘制右心房压力和在纵坐标上绘制心输出量或每振输出量 （SV）⁵ 来描绘的。评估该曲线的斜率在临床上很重要，因为心脏充盈和输出量之间的关系是动态的;因此，曲线的斜率告知复苏策略^1，4。具体而言，如果Frank-Starling-Sarnoff（即"心脏功能"）曲线的斜率陡峭，则增加前负荷（例如，静脉输液）可增加输出量。相反，如果心功能曲线的斜率较浅，则静脉输液 （IV） 不会增加 SV²。

了解静脉输液何时增加或不增加SV很重要，这样治疗临床医生就可以避免生理上无效的液体⁴，^{6，换句话说}，给患者静脉输液不会增加SV^7，8的情况。通过前负荷激发（PC）确定这种相对常见的临床状态，这是一种"测试"心^{功能曲线3}斜率的临床操作。通过快速增加心脏充盈和测量SV⁹的变化来实现PC。如上所述，静脉输液可以充当PC，重力操作也可以，例如将头部移动到心脏水平以下（即特伦德伦堡定位）¹⁰或从半卧位移动到仰卧位，双腿抬高（即被动抬腿）¹¹。事实上，被动抬腿术 （PLR） 是一种广为接受且经过充分验证的 PC，用于现代重症监护病房，并在脓毒症复苏期间静脉输液之前由专家推荐^4，12。重要的是，建议在PLR期间，临床医生应测量心脏前负荷（例如，右心房压的变化）和输出量（例如，SV的变化），以充分测试心脏功能曲线¹³。然而，前者很少进行，因为同时测量很麻烦，并且通常需要将侵入性导管放置在右心房。

在过去的几十年中，心脏充盈和输出的超声替代物越来越受欢迎，特别是在急诊科和重症监护室^2，14。具体来说，同时评估大静脉和大动脉分别作为心脏前负荷和输出量的替代物2^，15。例如，已发现大静脉多普勒的形态变化可跟踪右心房压力 - 颈内静脉¹⁶、¹⁷、¹⁸、肝静脉和门静脉¹⁹、上腔静脉 20、下腔静脉^21、股静脉 22，甚至肾内静脉 ²³ 也是如此。因此，大静脉多普勒测速法可替代心脏充盈²。然而，大动脉的多普勒可以短暂地跟踪心输出量的变化。例如，颈总动脉收缩期 24，25、速度²⁶、^27、28 和血流 ^29，30 的测量已显示出检测 SV 变化的希望。

一种新颖的、无线的、可穿戴的、连续波多普勒超声，可以同时对颈内静脉和颈总动脉进行超声处理，14，15，²⁷，²⁸，^31，32，³³，³⁴，^35，36.本文示出了在临床PC期间使用该装置的被动抬腿方法。此外，PC期间的颈内静脉和颈总动脉多普勒形态分别被描述为心脏前负荷和输出量的可能替代物。该协议在临床上很重要，因为它为未来的患者研究提供了实践和生理基础。例如，住院患者（例如围手术期环境、败血症、危重患者）和门诊患者（例如充血性心力衰竭、透析）可以通过下述方法或其修改进行监测。

研究方案

使用无线可穿戴多普勒超声系统执行预负荷挑战时，用户应考虑许多关键步骤。该协议获得了书面和知情同意;该研究由北方健康科学研究伦理委员会审查和批准。所遵循的程序符合人体实验委员会的地方道德标准和1975年的《赫尔辛基宣言》。

1. 确定合适的患者

1. 确定将放置可穿戴多普勒超声设备的患者。确保患者保持平静且相对不动，以尽量减少评估期间（1-5分钟）的发声和脱口。
2. 将患者置于医院病床或轮床的半卧位或半福勒位。具体来说，调整床，使躯干与水平面成 30-45° 的角度。

2.获取颈动脉和颈内静脉多普勒信号

1. 按下超声设备中央的圆形按钮，打开可穿戴多普勒超声。按钮外围的蓝灯将闪烁，表示设备已打开并准备与智能设备配对。
2. 打开智能设备上的专用应用程序。按智能设备应用程序上的 开始 按钮。观察应用程序上显示的列表，其中显示了智能设备物理范围内可发现的可穿戴超声设备。将贴在所需超声设备表面的数字与应用程序列表中的指示设备相匹配。按 连接 将所需的超声设备与应用程序配对。
3. 通过观察设备中心按钮周围的白色闪烁灯来确认所需的超声设备已配对。在智能设备应用程序上按 右 键以完成配对。
4. 将少量超声凝胶涂在超声设备背面换能器楔块的大面上。
   注意:凝胶应用会产生特征性的多普勒信号伪影，可以在智能设备应用中看到。
5. 轻触换能器楔块的大面，确保设备带电并与智能设备应用程序配对。通过按应用程序显示屏右上角的音量图标按钮，确保智能设备应用程序的 音量 已打开。
6. 在患者颈部略微伸展的情况下，注意喉部突出，并握住超声装置，使换能器楔形的大面朝下朝向患者的心脏。将装置的楔形放在患者喉突起的外侧。在智能设备应用程序上查找音频和视频响应:应用程序的顶部将显示颈动脉和颈静脉的波形频谱。应用程序的底部量化了每个心动周期的校正流速（ccFT），显示为绿色条。
7. 从气管定义的垂直平面横向滑动患者颈部的换能器面，直到在智能设备应用程序上从视觉和听觉上检测到颈动脉多普勒频谱。
   注意:在大多数患者中，颈动脉和颈静脉的音频和视觉多普勒频谱在喉外侧边界几厘米内检测到。

3. 优化颈动脉和颈内静脉多普勒信号

1. 将设备固定到位时，观察应用显示屏顶部的颈动脉多普勒频谱及其特征。良好的颈动脉多普勒信号通过其特征性的急速上冲程、良好的信噪比和清晰的双搏裂口来识别，这标志着机械收缩期的结束。一旦获得足够强的信号，应用程序将自动开始跟踪多普勒频谱，由波形最大值周围的白线表示。
2. 将设备固定到位时，使用智能设备显示屏左上角的刻度观察速度测量值。对颈动脉最大值使用自动示踪，确保示踪在典型范围内。颈动脉的收缩期峰值速度通常在 50 cm/s 和 120 cm/s 之间，舒张末期速度通常小于 20 cm/s。
3. 缓慢地将超声设备横向滑动几毫米，同时观察动脉频谱上的双切口，以确保可靠地观察到清晰的速度最低点。如果双裂口速度变得难以看到，请重复此步骤，但向内侧滑动超声设备。
4. 在对侧颈动脉上重复步骤 3.1-3.3，以评估是否存在更清晰的双搏裂口速度。
5. 在观察两条颈动脉上是否存在明显的双搏裂口速度后，选择将粘附装置的颈部一侧。选择具有最明显的双裂槽速度的一侧。如果颈部两侧的双搏切口速度相同，则选择颈内静脉多普勒频谱最强的颈部一侧。

4.将超声设备粘附在颈部

1. 准备通过目视注意颈部获得最佳信号的位置，将装置粘附在所选的颈动脉上。如果需要，请使用皮肤标记笔来确定最佳放置位置。从颈部提起设备，然后从连接到超声设备的粘合剂上取下保护背衬。
2. 观察超声设备上的换能器面，并确定是否剩余足够量的超声凝胶。如果需要，在换能器表面重新涂抹少量超声凝胶。从颈部取出在信号发现过程中可能残留的多余超声凝胶，因为这可能会干扰设备的粘附。
3. 将设备放回颈部到步骤 4.1 中确定的位置，换能器楔块的大面朝下指向心脏。将粘合剂的翅膀平滑在颈部。拉紧后从粘合剂尖端取下保护背衬;将胶片贴在皮肤上，将设备完全固定在颈部。在整个粘附过程中监测颈动脉和颈静脉光谱，以确保信号不会丢失。

5. 通过被动抬腿 （PLR） 执行 预载挑战

1. 确保患者在医院病床或轮床上处于半卧位，如步骤 1.2 中所述。
2. 通过在智能设备应用程序上按 重新启动 来清除智能设备应用程序数据。按智能设备应用程序上的 开始评估 以获取被动抬腿 （PLR） 的基线测量值。从 30-60 秒的静息基线开始，患者在医院病床或轮床上处于半卧位。查找应用程序显示屏底部显示的标记，以表示评估的开始。
3. 准备必要的措施来执行公共出借权（例如，根据需要获得额外的护理帮助）。
4. 准备好执行 PLR 后，在智能设备应用程序上按 标记干预 ，以表示预载荷挑战（在本例中为 PLR）的开始。查找应用程序显示屏底部显示的标记，以表示干预的开始。执行公共借阅报告;在不接触患者的情况下，重新定位医院病床或轮床，使躯干向下移动到水平方向，并将腿抬高到水平上方 30-45°。
   注意:在此操作过程中，用户必须非常小心地保持患者完全被动。
5. 将患者保持在PLR位置90-120秒。
   注意:在整个操作过程中，患者必须保持颈部完全静止，以免改变换能器面和颈部血管之间的谐振角度。如果需要，手动稳定患者的颈部。
6. 在干预期间观察智能设备应用的颈静脉多普勒频谱;评估颈静脉绝对速度的变化及其作为颈静脉压替代物的模式。
7. 在干预过程中观察智能设备应用程序上绿色条的演变;评估预载荷挑战开始前后ccFT的变化。智能设备应用程序会自动量化每个心动周期的ccFT，并将其表示为绿色条。
8. 干预完成后，按智能设备应用程序上的 结束评估 。查找将显示在应用程序显示底部的标记，以表示评估结束。
9. 将患者恢复到基线半卧位。
10. 如果需要，请在智能设备应用程序上按保存以 保存 评估并导出数据文件（有关更多详细信息，请参阅其他数据注释）。

6. 在完成评估后，观察智能设备应用上颈动脉矫正流时间（ccFT）的变化

1. 观察应用程序右下角黄色框中显示的ccFT中的评估更改。
   注意: 智能设备应用程序会自动量化记录的基线测量值和预负荷挑战/干预测量值之间的ccFT变化。
2. 在应用程序上按 保存 ，然后等待数据拆分为以下文件:两个.txt格式文件，其中包含来自多普勒设备硬件的 IQ 和 Tick 数据;一个包含频谱图信息的PKL格式文件（使用它来可视化在线实时收集的数据）;以及两个 .json 格式文件，其中包含会话信息（例如日期和时间、智能设备硬件设置、用户设置等）以及每个心动周期的实时计算。

结果

关于在前负荷激发期间解释连续静脉动脉多普勒超声，一般生理反应如图1、图2、图3和图4所示。

首先，在心脏功能曲线正常、直立的患者中，心脏前负荷的小幅增加（例如，通过颈静脉多普勒推断）伴随着每搏输出量相对较大的增加（例如，如ccFT增强所示）²，^14，36;图 1 对此如例证所示。在预负荷挑战期间，从颈静脉多普勒谱推断颈静脉压 （JVP） 的变化值得详细阐述。同样，这个生理变量是心脏前负荷或充盈的替代品。正常情况下，当颈静脉压小于大气压时，颈静脉在直立位塌陷。在多普勒频谱中，这意味着相对较高的速度（即通常超过50厘米/秒），脉动最小，振幅低（即颈静脉信号的强度或"亮度"）。然后，如果颈静脉压在操作过程中升高，静脉直径变圆，其速度下降（即通常小于50 cm / s），强度（即"亮度"）增加，波形^{变得更加脉动}2，^14，36。如图1所示，静脉多普勒形态的变化表明颈静脉直径增加（即下降速度，振幅上升），并开始跟随右心房压力偏转。虽然没有图片，但随着右心房压力的增加，收缩后期的"v"波可以将图1中看到的单相波切割成收缩期"s"速度波和舒张期"d"速度波²，^14，36。在健康志愿者尚未发表的数据中，我们观察到颈静脉多普勒形态是区分低负荷和高前负荷状态的最准确的静脉超声测量方法。

相反，异常响应如图2所示。这种病理生理学的一个临床例子是低血容量、静脉扩张、脓毒症患者伴进展性脓毒性心功能不全²，^15，36。这样的患者静脉回流减少（这会降低心脏前负荷，即右心房或颈静脉压），同时降低心脏功能²，¹⁵，^35，36。因此，在基线时，该患者表现出连续的低 JVP 静脉多普勒形态，在前负荷激发期间增加（即，变得更加脉动），而 ccFT 没有显着升高。这有效地描述了心功能曲线的平坦斜率。

连续静脉动脉多普勒的结果也可以提醒治疗临床医生注意PLR本身的问题。例如，在某些情况下，PLR 可能无法从下肢和内脏循环募集足够的静脉血来产生生理上有效的预负荷激发⁴。如果不评估心脏充盈，这可能会导致"假阴性"PLR。然而，如果临床医生看到ccFT反应很小（即，作为卒中容量替代物），并且静脉多普勒没有变化（即，作为前负荷的替代物），这可能预示着PLR无效，如图 3所示。

最后，至关重要的是，PLR动作必须忠实于其同名，这意味着当躯干下降并且腿抬高¹³时，患者不会用力。这避免了肾上腺素能分泌物，肾上腺素能分泌物可能会增加独立于静脉回流的心脏功能;然而，如图 4所示，这种不希望的情况可能由动脉信号中每搏输出量增加的参数加上静脉多普勒形态来表示，提示静脉压 降低 。

图1:心功能曲线斜率增加。 在"正常"或"预期"结果的示例中， 静脉 波形从高速、低振幅和非脉动性发展为低速度、高振幅和脉动性。脉动静脉波形可以用单相信号标记，如图所示。同时，动脉多普勒波形显示ccFT较基线升高，表明心输出量增加可以满足心脏前负荷的增加。这些反应加在一起，表明"心脏功能"曲线具有陡峭的斜率。光谱上的 y 轴表示以厘米/秒为单位的速度。正速度朝向大脑（例如颈动脉），而负速度朝向心脏（例如颈静脉速度）。光谱上的 x 轴是时间。 请点击此处查看此图的大图。

图 2:心功能曲线的平坦斜率。 前负荷激发期间的"异常"反应以静脉多普勒波形为特征，该波形如上所述，但动脉反应显示与基线相比ccFT没有显着变化甚至降低，如图所示。这一系列静脉和动脉表现提示心脏功能曲线平坦或可能受损，前负荷增加。 请点击此处查看此图的大图。

图 3:静脉多普勒无变化。 显示静脉多普勒波形无显著变化的预负荷激发可能表示心脏充盈变化不足，这意味着预计动脉频谱不会发生变化。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:预载荷挑战期间的预载荷下降。 显示静脉速度上升和动脉多普勒测量显著增加的负荷前激发试验可能意味着肾上腺素能张力增强（即交感神经刺激），使得心脏功能独立于静脉回流而增加。这种情况可能是"非被动"抬腿的结果，例如，如果患者用力改变身体姿势。 请点击此处查看此图的大图。

图 5:志愿者上的设备。 请点击此处查看此图的大图。

讨论

该视觉实验的主要目的是描述一种协议，用于使用无线可穿戴超声在经过良好验证的PC期间同时跟踪心脏前负荷和输出的替代物。目标本身不是描述患者的特定研究 方案。然而，连续静脉和动脉多普勒的描述可作为设计需要复苏（例如围手术期、脓毒症）或去复苏（例如充血性心力衰竭、透析、无法从机械通气中解放出来）的患者的研究的实践和生理基础^15，36。

所描述的方法采用可穿戴的连续波多普勒超声，该超声同时对大静脉和动脉进行超声处理，以推断PC¹⁵期间的心脏功能。这种方法的关键是选择合适的合作患者，并确保在整个评估过程中血管和换能器之间的角度变化最小。此外，确保清晰一致的双扣切口速度对于一致测量收缩期至关重要。最后，用户必须了解静脉多普勒形态及其在颈静脉压（JVP）谱上的变化，如上文代表性结果中所述。

作为对所述方法的修改，PC可能包括快速输注静脉输液⁹，将完全仰卧的患者从水平移动到头部向下15-30°（即特伦德伦堡体位）¹⁰，而不是PLR，或呼吸操作，例如呼气末闭塞³⁴。这些方法有益于患者活动较少，表面上看，评估期间角度改变的风险降低。一般来说，使用可穿戴超声对所有PC进行故障排除需要稳定的颈部定位，额外的粘合剂以确保谐振角度，在发生发声或脱光伪影时延长评估时间，重新定位设备，或添加超声凝胶以优化与患者的声耦合³¹。

本手稿中描述的心血管推断方法存在局限性。关于颈静脉信号，多普勒形态是颈静脉压的替代物，颈静脉压本身是右心房压³⁷，^38，39，40的替代物。因此，不确定仅根据静脉多普勒改变会增加心脏前负荷。然而，静脉多普勒波形根据右心房的压力偏转而改变其形态¹⁷，^18，41;除颈静脉外，在多个大静脉中也观察到了这一点。例如，对上腔静脉和下腔静脉以及肝静脉、门静脉、肾内静脉和股静脉的评估都定性估计静脉压⁴²。更具体地说，收缩期突出的静脉速度波由右心房压力的 X 下降和舒张速度波由右心房压的 y 下降形成。收缩期和舒张期之间的速度最低点是由于右心房压力"v波"¹⁶，¹⁷，^18，42。

此外，虽然机械收缩的持续时间与每搏输出量成正比，但收缩期与SV类似，由心率、前负荷、后负荷和收缩力介导⁴³。虽然ccFT方程校正心率，但ccFT作为每搏输出量的替代物的限制在于它是由其他血流动力学输入决定的。尽管如此，ccFT 增加至少 7 ms 24 或 +2%-4% 已被证明可以准确检测危重患者²⁴、进行预负荷修改动作的健康志愿者^44，45 和接受模拟中重度出血复苏的健康志愿者^{SV 升高 27}。此外，ccFT已被用于在呼吸操作期间准确跟踪择期手术人群中不断变化的^SVs46。因此，假设在聚焦PC期间后载荷和收缩力相对恒定，ccFT主要由于SV的变化而变化。

此外，这种方法的绝对和相对禁忌症尚未详细说明，特别是在患者中。如上所述，最常见的禁忌证可能是无法合作（例如，谵妄、说话、运动、僵硬）。许多现代生命体征监护仪都是如此，尽管可穿戴超声对发声和颈部运动特别敏感。因此，该设备在手术室的插管和瘫痪患者中效果非常好;目前正在招募一项使用该装置对接受选择性冠状动脉旁路移植术的患者进行的研究。特定患者颈动脉之间的生理变化是可能的;然而，这种担忧得到了缓解，因为在PC范式中，患者充当自己的对照（即，事后干预）。因此，我们预计，虽然颈部不同侧（图5）可能产生略有不同的静脉和动脉多普勒信号，但除非出现任何明显的单侧异常（例如狭窄），否则这种变化应该是一致的。身体限制也可能带来问题（例如，中心线、颈椎项圈、气管切开带、创伤、短颈或严重的颈后凸）。生理禁忌证，如中至重度颈动脉狭窄、主动脉瓣狭窄、心律失常和异常呼吸模式也存在潜在问题。然而，一般来说，具有实时心输出量测量的PLR可以抵抗许多这些问题，包括心律失常^4，11。目前正在自主呼吸急诊科患者和手术室中研究该装置;信号不可用的比例将从这些数据中收集。

上述方法的意义在于，粘附超声可以对数分钟的连续数据进行采样，而手持式方法通常仅限于几个心动周期^48，49。此外，可穿戴超声软件可测量动脉多普勒变异系数。由此，实施"智能窗口"以在基线和干预期间对足够数量的心动周期进行采样;该统计仪器为每个预载荷挑战量身定制测量精度⁴⁷.此外，鉴于可穿戴超声仍然固定在患者身上，增加测量变异性的人为因素^50，51 的风险降低;这适用于动脉和静脉超声。该方法的另一个重要方面是，同时进行静脉和动脉多普勒评估允许临床医生在动态操作期间间接评估心脏前负荷;这是该领域专家推荐的¹³，但很少进行，因为测量正确的心房压很麻烦。因此，PC期间的连续静脉动脉多普勒可以更深入地了解床边的心脏功能。虽然上述方法可用于判断静脉输液复苏，但它也有望测量"复苏"¹⁵，⁵²或预测机械通气撤机^53，应在未来的临床研究中进行探索。例如，随着容量去除的进展，静脉多普勒信号内右心房压下降的体征可能显示容量超负荷患者的利尿。此外，如果患者在透析前后接受PLR，动脉多普勒测量的变化应表明心脏功能增加，如先前报道的那样⁵²。

PC期间连续静脉动脉多普勒的方法最好遵循上述协议部分中概述的六个常规步骤来完成。一种新颖的无线可穿戴多普勒超声系统通过粘附患者并在预载荷变化期间实现相对固定的谐振角度来辅助这种范式。从根本上说，同时，瞬时静脉 - 动脉多普勒可以阐述弗兰克 - 斯塔林 - 萨诺夫关系的两个轴，因此，为心脏功能提供新的见解。这在管理急症患者时尤其重要;卷管理和删除都可以通过这种新方法进行改进。虽然上述讨论主要限于住院应用，但在充血性心力衰竭、慢性肾衰竭和肺动脉高压领域内的其他门诊用途也是可能的。因此，连续静脉动脉多普勒可能会打开血流动力学和相关医学学科中不可预见的探索通道。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
FloPatch	Flosonics
iPad	Apple
ultrasound gel