Review - Arterial stiffness and Pulse wave velocity E4a 0260028 박서연

Methods for evaluation of large artery Invasive methods : angiography 등 복잡하고, 비싸고, 매우 정교한 장비 필요 Noninvasive methods : 주로 초음파를 이용, 그 신호를 분석하여 관찰함 Pulse wave velocity(PWV)를 가장 많이 사용 싸고, 간단하고, 정확하며, 재현성 있음 Large artery diz가 cardiovascular diz에 있어서 주된 역할을 하지만, artherosclerosis같이 그것의 시작과 진행은 일부만 밝혀진 상황이다. 그리고 이러한 대혈관의 변화 및 손상을 조기 발견하는 것이 심혈관 질환의 위험도를 낮추는 데 도움이 되며, 그것을 발견하기 위한 방법에는 이러한 종류가 있다.

Properties of the pressure wave Incident wave : 심장→말초 LV ejection과 arterial stiffness(PWV)에 의해 영향 Reflect wave : 말초→심장 Arterial stiffness와 potential sites of wave reflection에 의해 영향

Pulse wave velocity Pulse wave : LV의 수축으로 asc. aorta로 혈액이 분출되고, 이때 이완된 aortic wall이 만드는 파형 그러므로 높은 velocity는, 낮은 distensibility와, 높아진 arterial rigidity를 반영한다.

Pulse wave velocity Arterial distensibility, Arterial stiffness 반영 서로 다른 곳에서 기록된 pulse pressure wave의 기저부와 그 둘 사이의 거리로 결정

Principles Speed of pressure pulse Major factors of PWV Arterial wall Elastic property Geometric property Density of blood Major factors of PWV Properties of arterial wall Thickness of arterial wall Arterial lumen

Moens-Korteweg equation PWV2=E.h/2r.ρ h : wall thickness r : internal radius ρ : blood density E=ΔP.D/h.ΔD : arterial wall property 반영 ΔP, ΔD : pressure & diameter의 변화

Bramwell-Hill equation PWV2=ΔP.V/ΔV.ρ ΔP : changes in pressure ΔV : changes in volume V : baseline volume ρ : blood density D(distensibility) = 1/ρ (PWV)2

PWV in different arteries Age↑ : central elastic artery부터 변화 Central과 peripheral 사이의 PWV차이가 줄어듬 Aorta에서 peripheral a.로 갈수록 PWV 증가 Blood pressure : pulse pressure가 증가할 수록 PWV 증가 Arterial diameter & wall thickness : diameter는 말초혈관으로 갈 수록 좁아지지만 diameter에 대한 wall thickness의 비율은 말초로 갈 수록 증가함 Blood viscosity, density : viscosity (hematocrit이 영향 끼침)는 말초혈관 내에서 더 낮음

Elastic properties of arterial wall Predominant elastic material in arteries : collagen & elastin Proximal aorta : elastin>collagen Distal aorta : collagen>elastin Peripheral arteries : collagen & smooth muscle is dominant Elastic modulus : collagen> elastin Low~normal BP : elastin fibers mediate stiffness High(>200mmHg) BP : collagen Aging

Calculation of PWV Velocity=D/T D: 2 recording sites 사이의 거리 T: 2 site간에 wave가 지나간 시간의 차이 Respiratory variabilty에 따라 PWV 역시 variability보임 => 10번을 측정하여 영향을 없애야 함

Recordings of pulse signal Which pulse signals? Pressure-volume pulse waves 주로 invasive 한 방법으로 측정할 수 있으며 Noninvasive 한 방법 사용시에는 맥박이 만져지는 superficial a.에서 밖에 측정 못함 Air- or fluid containing capsule을 pulse point에 둠 Plethysmography Mercury-filled silastic tuve or light source + photo-detector

Flow waves Diameter waves Doppler transducer이용 Noninvasive하게 비교적 깊은 곳의 artery측정 가능 측정자의 경험과 probe application angle에 의존적임 Diameter waves Ultrasound를 이용, artery diameter의 변화를 측정

Recording of the signals Successive recordings Probe가 한개 있을 때 사용 EKG등과 같이 fixed signal을 한개 두고, 두 군데서 측정되는 시간 과의 거리(T1, T2)를 측정, 그 차를 구함 같은 heartbeat에 의한 것이 아니므로 오류가 날 가능성이 있음

Simultaneous recordings 두 곳에 probe를 두고 직접 두 wave의 기저부 사이의 시간 차를 측정함

Determination of the traveled distance Measurements of the corvered distance The arterial path length according to the propagation directions 측정하는 두 곳이 같은 arterial axis 에 있는 경우 : subclavian-radial, axillary-radial, brachial-radial, femoral-tibial 등 superficial length를 직접 측정 다른 arterial axis(carotid-femoral)에 있는 경우 Aortic arch에 가깝게 suprasternal notch에 최대한 붙여서 측정 Supraclavicular fossa에 probe를 두고 안쪽으로 향하게 하여 left subclavian a.의 뿌리쪽에 있는 aorta를 관찰

The arterial path length according to the patient’s cilinical characters Age : 나이가 들수록 tortuousness해지고 diameter가 커짐 Weight : 살이 찔 수록 abdominal surface증가 – neck과 femoral artery사이의 거리가 실제보다 길게 측정됨 Breast-burst measurements Spine-thorax-rib cage

Suggested methods for distance measurements and corrections Subclavian-radial distance 오른팔을 몸통축의 90˚되게 높은 뒤 Sternoclavicular joint ~ styloid process of radius 측정 Subclavian-carotid distance Sternoclavicular joint ~ carotid recording point Brachial-radial distance & Femoral-tibial distance 직접적으로 표면 거리 측정하면 됨

Carotid-femoral distance Aorta Sternal notch ~ level of umbilicus 15세 이상에서는 + 4cm, 15세 미만에서는 + 2cm Carotid-femoral distance (Lower border of left 1st rib ~ midline of the abdomen(iliac crest level)) + (this latter point ~ femoral point) ㅡ (land mark of the neck ~ 1st left rib) Carotid-radial distance (Proximal tip of right clavicle ~ right carotid a. 위의 transducer가 있는 위치) (Proximal tip of right clavicle ~ styloid process of radius)

Difficulties in pulse wave recordings Patient position Supine position으로 5~10분 안정을 취한 뒤 측정 측정하는 동안은 같은 자세 유지 Radial a. : 손목에서 촉지됨. 팔은 약간 펴지고 손은 ext. rotation Iliac/femoral a. : inguinal lig. 근처에서 촉지됨. 다리는 ext. rotation Tibial a. : ankle level에서 tibia뒤에서 촉지됨. 발은 ext. rotation Brachial a. : 팔꿈치 몇 cm 위에서 촉지됨 Aortic flow : Doppler로 관찰됨 Difficulties in pulse wave recordings Influence of applied force Extraneous tissue interference

PWV in cardiovascular risk factors Age 주로 central artery에 영향 끼침 Age and central(trunk or aortic) PWV – elastic a. 나이가 들 수록 PWV증가(major determinant of aortic PWV) Age and peripheral PWV – muscular a. 원래 PWV가 central artery보다 높음 역시 나이가 들 수록 PWV 증가 Gender 50세 이하의 건강한 성인에서는 aortic PWV가 남자가 더 빠르나, 이후(여성의 경우 폐경 이후)나 어린이에서는 비슷함

Smoking Hypertension Healthy nonsmokers : HR, BP, PWV ↑ β-blocker로 예방되지 않음 Healthy smokers(10~15 cigarettes/10yrs.) HR, BP, PWV ↑, forearm blood flow↓, vascular resistence 변화 없음 Hypertension Borderline and white-coat hypertension PWV와 arterial stiffness가 normotensive subjects에 비해 높음 Established hypertension 역시 PWV와 arterial stiffness가 더 높음 Normotensive subjects: PWV = 0.06 systolic BP + 0.09 age – 2.3 Hypertensive subjects: PWV = 0.06 systolic BP + 0.09 age – 2.7

Diabetes Type 1 Type 2 정상인에 비해 더 굳은 동맥(합병증 없이 잘 관리된 경우에도 해당) 유병기간과 관계 있음 Macroangiopathy를 조기진단하는 데 도움 Type 2 환자가 정상인에 비해 더 빠른 PWV 정상인이어도 type 2 DM의 가족력이 있는 경우 PWV가 더 빠름 유병기간, 조절 정도, 합병증과도 관련 있음

Dyslipidemia 건강인 Heterozygous familial hypercholestrolemia 환자 total cholesterol과 arterial distensibility는 관련 없음 HDL은 높아질수록 arterial distensibility도 같이 늘어남 LDL이 높아지면 arterial distensibility는 감소 Heterozygous familial hypercholestrolemia 환자 질병 초기에 arterial distensibility가 증가하나, 진행할 수록 감소됨 Hypertension Dyslipidemia와 arterial distensibility에 관계는 보이지 않음 몇몇 subgroup에서 total cholesterol, HDL, apolipoprotein B 와 arterial distensibility 사이에 관계가 보고됨 End-stage renal disease, coronary artery disease Decreased arterial distensibility : LDL증가, HDL감소와 관련됨

in organ damage Microalbuminuria Arterial atherosclerosis Takegoshi et al. : 당뇨환자에서 microalbumiuria와 PWV사이에 관계 주장 Taniwaki et al. : 죽상경화증 환자에서 arterial stiffness는 GFR과는 관계 없음 주장 Arterial atherosclerosis Coronary heary disease, cerebrovascular disease, lower limb obliterans atherosclerosis 환자에서 PWV 증가함 Left ventricular hypertrophy Carotid-femoral PWV와 left ventricular mass-volume ratio간 관련 보임 : left ventricular load, hypertrophy, hemodynamic에 aortic distensibility가 영향 끼침

PWV as a marker Atherosclerosis Morbidity & mortality Lehmann et al. : cardiovascular risk factor가 많은 환자일 수록 stiffest aorta를 가짐 Blacher et al. : aortic PWV를 측정함으로 atherosclerosis의 진행을 알 수 있다. Morbidity & mortality Suzuki : PWV를 비롯한 여러 요소로 더 높은 심혈관/뇌혈관 질환에 의한 사망률 예측 가능 Blacher et al. Cardiovascular mortality예측에 가장 좋은 표지자 PWV > 13 m/s에서 더 확실하게 예측 됨 Lehmann et al. : type 2 DM에서 stiff aorta를 가진 사람들에게서 합병증과 사망이 더 많이 일어남 End-stage renal disease : PWV로 사망률을 예측 할 수 있음

PWV and therapy Antihypertensive agents 혈압 감소 효과와 관계없이 PWV 감소효과 + 혈압감소로 인한 PWV 감소 Acute administration/short-term tx. Cadralazine/dihydralazine : PWV에 대한 효과 없음 Nicoradil : brachial-radial PWV 감소 Long-term treatment(≥28일) β-blocker(nicoradil 제외) : PWV 변화 없음 Ca. antagonist, ACEI : PWV감소 Diuretics : PWV 변화 없음

장기간의 사용은 PWV의 감소를 가져오고 특히 ACEI가 가장 효과 좋음 The Complior study : ACEI를 이용한 arterial abnormality 향상을 보기 위한 첫번째 대규모 연구 Perindopril 이용함 BP, PWV 감소 – 특히 SBP와 PWV간의 관계 깊음 PWV는 BP감소와 관계 없이 독립적으로 감소함 Arterial abnormalities는 ACEI를 기초로 한 항 고혈압 약제 사용시 가역적으로 향상 가능!!

Anti-diabetic treatments Lipid-lowering drugs Kool et al. : primary hypercholesterolemia 환자에서 pravastatin의 단기간 사용으로는 arterial distensibility를 향상시키지 못함 Anti-diabetic treatments 몇몇 연구에서 HbA1c와 혈당 조절 정도가 carotid artery의 stiffness 향상에 관련 있다 보고됨 Salt intake Low salt intake → PWV 낮춤 Salt 자체가 arterial tone과 arterial stiffness에 영향 미침

Exercise & physical training Garlic intake 심혈관 질환에 대해 protective effect있음 Breithaupt-Grogler et al. : 하루 300mg 이상의 마늘가루를 2년 이상 섭취한 군에서 대조군에 비해 aortic PWV감소 Fish oil & fish intake 어촌주민이 산촌이나 농촌에 비해 PWV가 낮았다는 보고 Type 2 DM에서 fish oil을 먹인 경우 PWV가 낮아졌다는 보고 Exercise & physical training 운동선수의 PWV가 정상인에 비해 낮음 규칙적인 운동은 PWV를 낮춤 운동중에는 PWV가 빨라지나, 운동 후에는 낮아짐

Reference Roland Asmar, “Arterial stiffness and Pulse Wave Velocity”, 1999 Elsevier, page 25~75, 89~106, 135~161