Review - Arterial stiffness and Pulse wave velocity

1. Review - Arterial stiffness and Pulse wave velocity E4a 0260028 박서연

2. 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

3. 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

4. Pulse wave velocity • Pulse wave : LV의 수축으로 asc. aorta로 혈액이 분출되고, 이때 이완된 aortic wall이 만드는 파형

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

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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

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

14. 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

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

16. 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

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

18. 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

19. 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)

20. 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

21. 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

22. Smoking • 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

24. Diabetes • Type 1 • 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

25. Dyslipidemia • 건강인 • 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

26. in organ damage • Microalbuminuria • 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

27. PWV as a marker • Atherosclerosis • 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

28. 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

29. 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!!

30. 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

31. 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

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