超聲血流速度檢測(cè)及其應(yīng)用研究

【作 者】張笑潮，昂清，王衛(wèi)東

1 北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京市，100191

2 解放軍總醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究室，北京市，100853

0 引言

具有不同密度、聲傳導(dǎo)速度等理化特性的生物組織器官，對(duì)外來(lái)的超聲波能量會(huì)產(chǎn)生反射、投射、散射、衰減和非線性參量等效應(yīng)，提取、分析并顯示這些經(jīng)生物組織作用后的超聲波所含的信息，就可察知生物組織的內(nèi)在特性[1]。例如，血管內(nèi)的血流速度信息不僅可以反映人體新陳代謝水平、心臟和血液循環(huán)系統(tǒng)功能，還有助于血管類(lèi)疾病的診斷，如外周血管硬化、狹窄、阻塞、斑塊的評(píng)估、斷肢再植和燒傷病人血管完好性[1-2]的判斷等。由此看來(lái)，血流速度的定量測(cè)量在臨床上具有很重要的診斷意義。

超聲波血流速度測(cè)量方法以其非侵入式的特點(diǎn)，受到了醫(yī)生和患者的青睞，成為醫(yī)學(xué)超聲界十分感興趣的研究課題之一?；诔暤难魉俣葯z測(cè)方法主要利用的是超聲在傳播過(guò)程中與血流中的運(yùn)動(dòng)散射子之間發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的回波信號(hào)所攜帶的血流速度信息。目前臨床上用于血流速度測(cè)量的方法主要是超聲多普勒頻移測(cè)速法，這種方法操作簡(jiǎn)便，但有一定的局限性。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究者們又提出了一些非多普勒頻移測(cè)速法，如目標(biāo)追蹤法、時(shí)延估計(jì)法等。本文在深入研讀相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的血流速度檢測(cè)方法以及近年發(fā)展起來(lái)的幾種新型檢測(cè)方法進(jìn)行綜述。

1 超聲多普勒頻移法

超聲多普勒頻移法是利用多普勒效應(yīng)來(lái)檢查心臟、血管運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及血液流動(dòng)狀態(tài)，借以評(píng)估和診斷其病變的方法。這種方法對(duì)人體無(wú)損傷且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，因此是目前臨床上最普遍采用的血流速度檢測(cè)方法。

多普勒回波信號(hào)的生成[3-4]如圖1所示。特定頻率聲波到達(dá)運(yùn)動(dòng)物體后，將產(chǎn)生反射或散射現(xiàn)象，返回的信號(hào)頻率會(huì)有一定變化，其中頻率的改變值稱(chēng)為多普勒頻移，如式(1)所示：

其中，fd為多普勒頻移值，fi為發(fā)射信號(hào)頻率，fr為回波信號(hào)頻率，v為被測(cè)物速度，cf為超聲在該物體中傳播速度，θ為超聲波束與被測(cè)物體夾角，即多普勒夾角。

圖1 超聲多普勒血流檢測(cè)原理圖Fig.1 Principle of ultrasonic Doppler shift

根據(jù)多普勒效應(yīng)建立的血流檢測(cè)方式主要有連續(xù)波多普勒法和脈沖波多普勒法。連續(xù)波法是指發(fā)射和接收超聲波的方式是連續(xù)的，這種方法可測(cè)血流速度的范圍較大，能用來(lái)測(cè)量血管狹窄段或硬化等高速血流部位。脈沖法在較短的脈沖期內(nèi)間斷的發(fā)射超聲波，通過(guò)采樣門(mén)的設(shè)置來(lái)選擇延遲時(shí)間，從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位診斷，適用于疾病的判斷，有利于掌握血流的動(dòng)態(tài)信息。

超聲多普勒頻移法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已較為成熟，但仍具有一定的局限性。脈沖波多普勒法的主要局限性在于：奈奎斯特準(zhǔn)則決定了可檢測(cè)的多普勒頻移不能超過(guò)脈沖重復(fù)頻率的一半，否則會(huì)出現(xiàn)頻率混淆的現(xiàn)象，這就使得脈沖法可檢測(cè)的血流速度范圍受到限制。連續(xù)波多普勒法的局限性在于不能進(jìn)行定位診斷，針對(duì)這一點(diǎn)，近年來(lái)Kunita[5]提出了基于調(diào)頻連續(xù)波的超聲多普勒血流測(cè)量系統(tǒng)。由于調(diào)頻連續(xù)波的周期性會(huì)帶來(lái)距離模糊，彭京思等[6-7]在此基礎(chǔ)上又提出了混沌調(diào)頻連續(xù)波超聲多普勒血流測(cè)量方法，該方法將調(diào)制信號(hào)設(shè)置為近似零均值的混沌連續(xù)信號(hào)來(lái)進(jìn)行混頻，得到的多普勒信號(hào)頻譜沒(méi)有周期性，不存在距離模糊。因?yàn)槟軌蚋鶕?jù)實(shí)際距離與參考距離的匹配來(lái)確定實(shí)際距離，從而解決了普通連續(xù)波法無(wú)法獲得距離信息的不足，同時(shí)能夠獲得較高的信噪比及較低的雜波功率。但是需指出的是，當(dāng)調(diào)頻指數(shù)或血流速度較大時(shí)，調(diào)制頻率引起的多普勒邊帶和諧波能量較大。

另外，血流速度檢測(cè)是否準(zhǔn)確和多普勒夾角θ有很大關(guān)系。當(dāng)θ越高時(shí)，誤差越大；但當(dāng)θ<60o時(shí)，誤差可容忍。同時(shí)為了避免血管壁對(duì)超聲波的全反射，需θ>30o。夾角依賴(lài)性使得該種方法只能對(duì)軸向血流速度進(jìn)行一維測(cè)量，這無(wú)法滿(mǎn)足臨床診斷中對(duì)復(fù)雜動(dòng)靜脈血流的測(cè)量需求。對(duì)側(cè)向血流速度的測(cè)量，有學(xué)者提出采用橫向多普勒法[8-9]，當(dāng)超聲波束與流速垂直時(shí)，獲得的橫向多普勒功率譜寬度與采樣單元內(nèi)最大流速成正比，可以據(jù)此來(lái)推算與波束垂直的血流速度。因此橫向多普勒法可以彌補(bǔ)常規(guī)多普勒技術(shù)在大角度流速測(cè)量時(shí)存在盲區(qū)的缺陷。此外，通過(guò)采用多個(gè)不同角度收發(fā)傳感器對(duì)血流速度進(jìn)行多維測(cè)量的十字梁矢量多普勒法[10-12]部分解決了夾角依賴(lài)性，是常規(guī)多普勒測(cè)速法的擴(kuò)展。

2 非多普勒頻移法

由于血流的運(yùn)動(dòng)性，除了測(cè)量多普勒頻移之外， 還可以通過(guò)測(cè)量不同回波信號(hào)之間的相移、時(shí)移等參量來(lái)估算血流速度。隨著血流成像技術(shù)的應(yīng)用，一些基于血流成像的速度檢測(cè)方法近年來(lái)也得到迅猛地發(fā)展。

2.1 目標(biāo)追蹤法

基于目標(biāo)追蹤的血流速度檢測(cè)方法是近年來(lái)研究較多的方法之一，主要有超聲散斑測(cè)速技術(shù)和超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)。這兩種方法可以看作是一維彩色血流成像的多維擴(kuò)展。超聲散斑測(cè)速技術(shù)[13-16]是通過(guò)分析流場(chǎng)中散射微粒的聲學(xué)散斑圖的變化來(lái)間接換取血流速度；超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)[17-18]是基于追蹤粒子的流場(chǎng)測(cè)速技術(shù)，考慮到超聲微泡對(duì)超聲的強(qiáng)烈反射能夠獲得清晰的微泡超聲圖像，一般采用超聲微泡作為流場(chǎng)示蹤劑[19]。這兩種方法基本原理如圖2所示。

圖2 目標(biāo)追蹤法原理圖Fig.2 Principle of target tracking

在獲得連續(xù)血流圖像的前提下，首先選定采樣區(qū)域，在之后獲得的血流圖像中定義搜索區(qū)域，以搜尋采樣區(qū)域的最佳匹配位置。早期的區(qū)域匹配法是通過(guò)尋找采樣區(qū)域和后續(xù)圖像中搜索區(qū)域互相關(guān)值的峰值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方法計(jì)算量大，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)速。近年來(lái)，研究者提出了多種高效算法以解決這一問(wèn)題。目前較為常用的算法是計(jì)算絕對(duì)誤差和，如式(2)所示：

其中，ε即為絕對(duì)誤差和系數(shù)，代表采樣區(qū)域X0和搜索區(qū)域X1內(nèi)的模擬匹配區(qū)域的誤差之和。l、k分別代表采樣區(qū)域在軸向和側(cè)向的像素點(diǎn)數(shù)，α、β分別代表X0和X1的中心區(qū)域軸向和側(cè)向的距離。當(dāng)?shù)玫阶钚〉摩胖禃r(shí)，利用兩幅圖像獲取的時(shí)間差及α、β即可獲知血流的運(yùn)動(dòng)方向和速度。

目標(biāo)追蹤法的空間分辨率由采樣區(qū)域的大小決定，速度分辨率由圖像的幀頻及搜索區(qū)域的大小決定，測(cè)量精度依賴(lài)于圖像的質(zhì)量。這類(lèi)方法最主要的優(yōu)點(diǎn)在于方便對(duì)血流速度進(jìn)行多維檢測(cè)，為人體血液循環(huán)的重現(xiàn)提供基礎(chǔ)。但對(duì)于超聲散斑測(cè)速技術(shù)來(lái)說(shuō)，當(dāng)以紅細(xì)胞作為散射子時(shí)，信噪比偏低[14]，采用造影劑作為散射子時(shí)，需要高劑量。超聲粒子圖像測(cè)速技術(shù)也需要引入超聲微泡等造影劑。針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷性，近年來(lái)的研究主要集中在對(duì)于超聲掃描方式的改進(jìn)上，包括采用陣列式換能器[12,20]、平面波掃描[21-23]、合成孔徑成像[9,24]等。

此外，針對(duì)目標(biāo)追蹤法需要多幅圖像的缺點(diǎn)，Xu T等[25-27]研究發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)血流成像中，散斑的拉伸程度與血流速度存在一定的線性關(guān)系，利用這一點(diǎn)，就可在單張血流圖像的基礎(chǔ)上對(duì)血流速度進(jìn)行估算。

總體來(lái)說(shuō)，目標(biāo)追蹤法主要有兩方面的進(jìn)步空間：一為提高幀頻速率以推進(jìn)對(duì)心臟等復(fù)雜生理結(jié)構(gòu)器官內(nèi)的復(fù)雜血流以及渦流信息的研究[24,28]，二為找到合適的方法以提高散斑圖的穩(wěn)定性，從而避免造影劑的使用。此外，還可以考慮結(jié)合不同方法的優(yōu)點(diǎn)，從而達(dá)到各個(gè)方向上的最優(yōu)測(cè)量[29]。

2.2 時(shí)延估計(jì)法

時(shí)延估計(jì)[30-32]是現(xiàn)代信號(hào)處理中信號(hào)檢測(cè)與參數(shù)提取問(wèn)題的一個(gè)重要組成部分，其研究的基本問(wèn)題為根據(jù)所接收到的目標(biāo)信號(hào)準(zhǔn)確、快速地估計(jì)和測(cè)定出接收信號(hào)相對(duì)于基準(zhǔn)時(shí)間的延遲，或者是所接收的不同信號(hào)之間由于傳播距離的不同所導(dǎo)致的相對(duì)的時(shí)間延遲。設(shè)s(n)為源信號(hào)，x1(n)和x2(n)分別是接收的2個(gè)信號(hào)：

其中，x1(n)和x2(n)為噪聲信號(hào)，D為到達(dá)兩傳感器的時(shí)間差。計(jì)算x1(n)和x2(n)的相關(guān)函數(shù)，有

其中，Rss(·)表示信號(hào)s的自相關(guān)函數(shù)，Rsv(·)表示s和v的互相關(guān)函數(shù)。在工程上，可以認(rèn)為信號(hào)和噪聲是互不相關(guān)的，則有

可知，當(dāng)τ-D=0時(shí)，Rss(·)達(dá)到最大值。因此，選擇Rss(τ-D)取得最大值的τ作為時(shí)間延遲D的估值。

式(9)中，arg[]表示取函數(shù)的自變量，max[]表示求函數(shù)的最大值。

總的來(lái)說(shuō)，時(shí)延估計(jì)法對(duì)于血流的運(yùn)動(dòng)方向能方便的進(jìn)行檢測(cè)，從時(shí)移的正負(fù)即可判斷血流是流向傳感器還是背離傳感器；另一方面，時(shí)延估計(jì)法的測(cè)速最大值的范圍大于脈沖多普勒法。此方法應(yīng)當(dāng)在算法簡(jiǎn)潔度上繼續(xù)提高，另外，它雖在理論上較為精確，但實(shí)際操作中可能帶來(lái)的問(wèn)題還有待模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析。

3 總結(jié)

經(jīng)過(guò)前面簡(jiǎn)單的原理介紹后，對(duì)多普勒頻移法和非多普勒頻移法做以下簡(jiǎn)單對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 多普勒頻移法和非多普勒頻移法對(duì)比Tab.1 Comparation between Doppler frequency shift and non-Doppler frequency shift

由此可看出：基于非多普勒頻移的血流速度檢測(cè)方法最大的優(yōu)勢(shì)在于可以對(duì)血流進(jìn)行多維測(cè)量。傳統(tǒng)的多普勒頻移方法在對(duì)血流方向的檢測(cè)中，需要將接收的信號(hào)與兩路正交的參考信號(hào)分別解調(diào)得到兩路正交的音頻多普勒信號(hào)對(duì)，通過(guò)信號(hào)對(duì)來(lái)判定血流的方向。而非多普勒頻移法多是基于多維，因此，血流方向的檢測(cè)能夠方便進(jìn)行，從而可以用來(lái)測(cè)量血流方向混亂不規(guī)則部位，如動(dòng)脈阻塞引起的湍流部位、血管分叉或改變方向引起的紊亂血流部位等。

在臨床應(yīng)用中，常規(guī)的超聲多普勒頻移血流速度測(cè)量方法所存在的夾角依賴(lài)性、頻率混淆、低速血流測(cè)量效果差等缺陷制約了它的發(fā)展。橫向多普勒法、混沌調(diào)頻連續(xù)波法等的提出也為彌補(bǔ)常規(guī)方法的缺陷提供了可能，目前只需進(jìn)一步做體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。因此，常規(guī)超聲多普勒頻移法的主要局限性在于只能測(cè)量一維血流速度。但需指出的是，超聲多普勒頻移血流速度測(cè)量方法成本低、實(shí)現(xiàn)快、對(duì)患者和使用環(huán)境沒(méi)有特殊需求、能提供不同生理狀態(tài)下峰值速度的即時(shí)信息。因此，短期內(nèi)超聲多普勒頻移法將仍是臨床中血流速度檢測(cè)的主要使用方法。

4 前景展望

目前伴隨著人口老齡化，醫(yī)療保健的發(fā)展呈現(xiàn)家庭化趨勢(shì)，這就對(duì)醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備使用的可操作性和便攜性提出了更高的要求。《2012世界衛(wèi)生統(tǒng)計(jì)報(bào)告》指出，心血管疾病已成為威脅人類(lèi)生命和健康的頭號(hào)殺手，血流速度這一心血管疾病重要指標(biāo)的檢測(cè)將向更精確、范圍更廣的臨床應(yīng)用以及家用、便攜化方向發(fā)展。

在家用生理參數(shù)檢測(cè)儀方面，血壓、血氧含量等生理參數(shù)的檢測(cè)已經(jīng)達(dá)到了家庭化、便攜化。隨之而來(lái)，血流速度檢測(cè)也在向該目標(biāo)邁進(jìn)，目前已開(kāi)展了一些該方向的研究[33]。便攜式血流速度檢測(cè)儀的研究將會(huì)主要集中在微型超聲探頭以及微型收發(fā)傳感器等方面，這也是超聲血流速度檢測(cè)的重要發(fā)展方向之一。

在臨床診療中，一維的血流速度檢測(cè)不能完整重現(xiàn)血流狀況，給疾病診斷帶來(lái)了阻礙。考慮到人體解剖結(jié)構(gòu)以及血管分布的復(fù)雜性，以及檢測(cè)系統(tǒng)的可操作性，臨床診療中超聲血流速度檢測(cè)將向兩個(gè)方向發(fā)展：多維檢測(cè)，高效高精度算法實(shí)現(xiàn)。

多維血流速度檢測(cè)方法能夠提供更精細(xì)范圍內(nèi)的血流速度信息，并能對(duì)不同方向血流的速度進(jìn)行方便的檢測(cè)，從而提供血管內(nèi)部的實(shí)際構(gòu)造以及血管內(nèi)湍流、急流的方向速度，為病變部位的精確診斷和分析提供更詳細(xì)的信息。

因此，在未來(lái)的血流速度檢測(cè)技術(shù)研究中，能夠?qū)崿F(xiàn)多維測(cè)量的方法將會(huì)是研究熱點(diǎn)。目前，針對(duì)多維血流速度檢測(cè)已提出了多種方法。但目前這些方法大多是基于體外血流模型進(jìn)行的模擬測(cè)量。在實(shí)際臨床應(yīng)用中，不同疾病的特性以及個(gè)體差異性使得人體內(nèi)的血管分布較為復(fù)雜，不同檢測(cè)部位會(huì)包含不同特性組織的運(yùn)動(dòng)對(duì)超聲的反射，復(fù)雜的病變部位會(huì)呈現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)，這些都可能對(duì)臨床中的實(shí)際應(yīng)用造成阻礙。因此，要想將多維血流速度測(cè)量方法運(yùn)用到臨床中去，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜的體外血流模型以及病理模型以測(cè)試血流檢測(cè)系統(tǒng)的有效性和魯棒性是必要的，這也是超聲血流速度檢測(cè)的重點(diǎn)研究方向之一。

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