彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量的不確定度評定與表示

黃海旭

（莆田市計量所，福建 莆田 351100）

彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量的不確定度評定與表示

黃海旭

（莆田市計量所，福建 莆田 351100）

文章以弦線式多普勒模體為例，分析了彩色多普勒超聲診斷儀關(guān)于血流測量部分的校準(zhǔn)過程，并建立彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量不確定度的數(shù)學(xué)模型，對血流速度測量過程中引入的不確定度進(jìn)行分類和量化，較為全面地評定了各個不確定度分量，并求出了血流設(shè)定速度分別為50cm/s和100cm/s的相對擴(kuò)展不確定度。

彩色多普勒超聲診斷儀；血流速度；不確定度

1 引言

彩色多普勒超聲診斷儀，簡稱彩超，廣泛應(yīng)用于腹部臟器、心血管、小器官等的診斷，它不僅擁有二維超聲圖像所具備的所有優(yōu)點，而且也能給使用者提供豐富的血流速度和血流方向等血流動力信息，因此在臨床上，人們形象的稱之為“非創(chuàng)傷性血管造影”。在彩色多普勒超聲診斷儀顯示的血流圖像上，人們通常使用紅色和藍(lán)色這兩種常見顏色來區(qū)分血流方向（當(dāng)血流與探頭朝向一致時，用紅色表示；當(dāng)血流與探頭朝向相反時，則用藍(lán)色表示）[1]。用彩色亮度表示血流速度，彩色明亮的程度體現(xiàn)在隨著速度的逐漸增大而變亮。彩超通過發(fā)射超聲可以獲得相應(yīng)器官的血管運動狀態(tài)，通過解析血流的時相、速度，能夠明顯地發(fā)現(xiàn)分流和返流，所以對血流束的起源、寬度、長度、面積等指標(biāo)可以進(jìn)行定量分析[2]。因此血流速度測量的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到醫(yī)生對相關(guān)疾病的診斷與治療。文中對于彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量的不確定度評定為其測量量值的準(zhǔn)確可靠提供了校準(zhǔn)參考。

2 彩色多普勒超聲診斷儀（血流測量部分）主要計量特性和校準(zhǔn)

2.1 概述

彩色多普勒超聲診斷儀（血流測量部分）的測量與校準(zhǔn)，通常可以采用6種方法，分別是弦線式、條帶式、圓盤式、活塞式、小球式和仿血流式[3]。文中將重點對使用弦線式模體的校準(zhǔn)方法進(jìn)行探討，弦線式多普勒模體主要功能模塊包括伺服控制系統(tǒng)、水槽、數(shù)字控制器和探頭固定裝置等，并將吸聲材料鋪在槽底[3]。弦線式多普勒模體操作簡單，容易學(xué)習(xí)，量傳方便科學(xué)，具有其他體模無法比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在測量流體速度、解析被測參數(shù)數(shù)值和確定多普勒頻譜算法上，該體模的校驗軟件更具有準(zhǔn)確性，大大減小了測量誤差；且該體模還內(nèi)置多種人體生理血流波形，可以有效地驗證彩超及頻譜多普勒能否準(zhǔn)確地檢測人體的血流分布信息。因此文中將以弦線式多普勒模體為例對彩色多普勒超聲診斷儀（血流測量部分）整個校準(zhǔn)過程進(jìn)行分析。

2.2 測量前準(zhǔn)備

檢測前，需將弦線式仿血管模體、驅(qū)動器、儲液器、流量計等各組件連接成一個閉合的通道，同時確保這個閉合通道內(nèi)氣泡被全部且有效的排干凈，在穩(wěn)定一段時間后，觀察懸浮顆粒，等待懸浮顆粒在仿血液模體中的分布逐漸均勻后才能開始測量，這樣就可以有效避免檢測過程中閉合通道內(nèi)氣泡的出現(xiàn)。

2.3 校準(zhǔn)過程

彩色多普勒超聲診斷儀血流探測深度測量：將探頭的掃描面放在模體的液面下，與模擬血管的弦線對準(zhǔn)；弦線在圖像上清晰顯示可以通過調(diào)節(jié)彩超上面總增益、對比度和亮度等控制鍵來實現(xiàn)[1]。測量血流探測深度，測量方式：探頭向弦線的深處移動直到彩色信號漸漸消失，后將測量探頭退到彩色圖像消失前那一刻所處的位置，凍結(jié)圖像再用電子游標(biāo)卡尺測量這個時候的弦線最遠(yuǎn)端深度，即可獲得血流探測深度。

彩色多普勒超聲診斷儀血流方向識別能力評價：將測量探頭的掃描面放在模體的液面下同時對準(zhǔn)兩根并行且方向相反的弦線，然后調(diào)節(jié)彩超的相關(guān)控制鍵，即可獲得清晰的弦線圖像[1]。微動探頭，可以清楚的觀察到圖像上顏色不同的且距離為2mm的血液流向。測量過程中可以通過變換血流方向（相對于探頭），來觀察血流圖有沒有發(fā)生紅變藍(lán)或者藍(lán)變紅的相應(yīng)的顏色變化。

彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量：將探頭的掃描面放在模體的液面下并對準(zhǔn)模擬血管的弦線；通過調(diào)節(jié)被校儀器的總增益、亮度和對比度讓弦線在圖像上能夠清楚的顯示出來。測量血流速度時，適當(dāng)?shù)脑谙揖€圖像上選擇出取樣區(qū)，同時使用多普勒角度校正功能，平行測量3次的血流速度，然后取平均值，并通過計算獲得它的相對誤差。一般選擇50cm/s和100cm/s這兩個速度為測量點[1]。

3 彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量的不確定度評定

彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量的實際過程中，如果沒辦法準(zhǔn)確地選擇取樣點的大小和位置，那就很難測量到比較真實的血液流速，所以需要操作人員必須熟練的調(diào)節(jié)被校彩超的總增益、對比度和亮度，使弦線在圖像上清晰可辨；同時，流量計自身的誤差、多普勒角校正誤差、模體生產(chǎn)商提供模體主要材料的聲學(xué)參數(shù)和血流速度修正因子等因素也給測量結(jié)果帶來了不確定度。文中選取了以上幾種影響度較高的因素來展開測量結(jié)果的不確定度評定來獲得更加準(zhǔn)確的校準(zhǔn)結(jié)果。

3.1 概述

（1）測量依據(jù)：JJF1438-2013《彩色多普勒超聲診斷儀(血流測量部分)校準(zhǔn)規(guī)范》。

（2）環(huán)境條件：環(huán)境溫度：（15～35）℃；濕度：（30～80）%RH 。

（3）測量標(biāo)準(zhǔn)：弦線式仿血流模體。

（4）被測對象：彩色多普勒超聲診斷儀血流速度。

3.2 數(shù)學(xué)模型

3.2.1 數(shù)學(xué)模型

式中：Δv ——血流速度測量誤差，cm/s ；

v——血流速度測量平均值，cm/s ；

v——血流速度設(shè)定值，cm/s 。

3.2.2 靈敏系數(shù)

3.2.3 傳播率公式

3.3 彩色多普勒超聲診斷儀血流速度輸入量標(biāo)準(zhǔn)不確定的評定[4]

3.3.1 血流速度測量讀數(shù)誤差引起的不確定度分量u1；

3.3.1.1 血流速度測量重復(fù)性估算的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u11：

在參考環(huán)境條件下，對一臺彩色多普勒超聲診斷儀血流速度進(jìn)行10次測量，設(shè)定血流速度為50cm/s，測量結(jié)果如表1。

表1 血流速度為50cm/s時的彩色多普勒超聲診斷儀血流速度的10次測量結(jié)果 單位cm/s

實際情況以3次測量算數(shù)平均值為測量結(jié)果，故取n=3 ，則得到。

附：當(dāng)設(shè)定血流速度為100cm/s，測量結(jié)果如表2：

表2 血流速度為100cm/s時的彩色多普勒超聲診斷儀血流速度的10次測量結(jié)果 單位cm/s

實際情況以3次測量算數(shù)平均值為測量結(jié)果，故取n=3 ，則得到。

3.3.1.2 彩色多普勒超聲診斷儀分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 u12：

弦線式多普勒模體的分辨力為0.1cm/s，設(shè)定血流速度為50cm/s，按均勻分布處理，則：

3.3.2 標(biāo)準(zhǔn)器設(shè)定值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2：

3.3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)器血流速度設(shè)定值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u21：

弦線式多普勒模體的模擬血流速度的設(shè)定值的最大允許誤差為±5.0%，按均勻分布考慮，得：。

所以：當(dāng)血流速度設(shè)定為50cm/s時，

當(dāng)血流速度設(shè)定為100cm/s時，

3.3.2.2 多普勒角校正影響導(dǎo)致測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u22：

多普勒角的大小對測量存在著相應(yīng)的影響，根據(jù)AAPM(美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會)的相關(guān)報道和JJF1438-2013起草小組的大量試驗，多普勒角變大，相對應(yīng)的血流速度測量結(jié)果誤差也就越大[5]，從計量校準(zhǔn)最佳測量條件出發(fā)，一般將多普勒角設(shè)定為30°上下。

根據(jù)相關(guān)資料顯示，若選擇30°多普勒角進(jìn)行血流速度測量時，當(dāng)改變角度校正線時，測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯變化，相差1度，引入的血流速度誤差約為1.2%，按均勻分布考慮，得：

所以：當(dāng)血流速度設(shè)定為50cm/s時，

當(dāng)血流速度設(shè)定為100cm/s時，

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.4.1 當(dāng)血流速度設(shè)定值為50cm/s時，標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表如表3所示。

表3 流速設(shè)定值為50 cm/s時測量不確定匯總表單位：cm/s

同理當(dāng)血流速度設(shè)定值為100cm/s時，標(biāo)準(zhǔn)不確定度一覽表如表4所示。

表4 流速設(shè)定值為100cm/s時測量不確定匯總表單位：cm/s

3.4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算

當(dāng)血流速度設(shè)定為50cm/s時：

3.5 彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量結(jié)果不確定度報告

在最佳測量能力條件下，取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為：

同理，當(dāng)血流速度設(shè)定值為100cm/s時，U'=6.0cm/s。

因此，彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量結(jié)果不確定度為：

4 結(jié)束語

血流多普勒信號的三維彩色超聲成像技術(shù)在血流的立體成像以及血流動力學(xué)的三維定量分析方面有著獨特且重要的臨床和科研價值，值得進(jìn)行更為深入的研究，以求進(jìn)一步提高其成像技術(shù)性能，進(jìn)一步發(fā)掘其臨床運用價值。文中淺談了多普勒效應(yīng)在超聲診斷領(lǐng)域的應(yīng)用，闡述了彩色多普勒超聲診斷儀超聲源多普勒血液流速、多普勒血液探測深度以及多普勒血液血流方向識別能力的測量，重點評定了彩色多普勒超聲診斷儀血流速度測量的不確定度，根據(jù)JJF 1438-2013彩色多普勒超聲診斷儀(血流測量部分)校準(zhǔn)規(guī)范：多普勒超聲診斷儀血流速度的最大允許相對誤差為±20%，當(dāng)血流速度設(shè)定值分別為50cm/s和100cm/s時，則最大允許誤差分別為10cm/s和20 cm/s，計算得U ≤ 1/3MPE，符合JJF1033-2008計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范[6]，因此文中不確定度評定結(jié)果合理可靠。

[1]JJF 1438-2013.彩色多普勒超聲診斷儀(血流測量部分)校準(zhǔn)規(guī)范 [S].中國計量出版社,2013.

[2]閆文杰. 彩超在診斷胎兒畸形中的作用及預(yù)防措施 [J].遼寧醫(yī)學(xué)雜志.2011,02,08.

[3]夏勛榮,姚紹衛(wèi). JJF1438-2013《彩色多普勒超聲診斷儀(血流測量部分)校準(zhǔn)范》解讀 [J]. 江蘇現(xiàn)代計量.2014,05,30.

[4]JJF 1059.1-2012.測量不確定度評定與表示 [S].中國計量出版社,2012.

[5]段云友,曹鐵生.多普勒角度校正功能對血流速度測量的影響 [J].中國臨床醫(yī)學(xué)影像雜志.1998,04.

[6]JJF 1033-2008.計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范[S].中國計量出版社,2008.

Evaluation and Expression of Measurement Uncertainty of Blood Flow Velocity Detected by Color Doppler Ultrasound

HUANG Hai-Xu
( Putian Institute of Metrology, Putian 35100, Fujian, China)

Taking the case of Doppler chord motif, the paper aims at analyzing the process of how to calibrate the blood flow measurement by color Doppler ultrasound, establishing the mathematical model of blood flow velocity’s indeterminacy by color Doppler ultrasound, so as to classify and quantify the uncertainty in the process of blood flow measurement. Then we can fully assess the components of the indeterminacy and get the relative expanded indeterminacy which is set as 50cm/s and 100cm/s.

Color Doppler ultrasonic diagnostic apparatus; Blood flow velocity; Uncertainty

2015-03-16

黃海旭，男，莆田市計量所,檢測一室副主任，助理工程師