【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，對外來的超聲波能量會產(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，還有助于血管類疾病的診斷，如外周血管硬化、狹窄、阻塞、斑塊的評估、斷肢再植和燒傷病人血管完好性[1-2]的判斷等。由此看來，血流速度的定量測量在臨床上具有很重要的診斷意義。

超聲波血流速度測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測方法主要利用的是超聲在傳播過程中與血流中的運(yùn)動散射子之間發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的回波信號所攜帶的血流速度信息。目前臨床上用于血流速度測量的方法主要是超聲多普勒頻移測速法，這種方法操作簡便，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，對傳統(tǒng)的血流速度檢測方法以及近年發(fā)展起來的幾種新型檢測方法進(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)來檢查心臟、血管運(yùn)動狀態(tài)以及血液流動狀態(tài)，借以評估和診斷其病變的方法。這種方法對人體無損傷且能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，因此是目前臨床上最普遍采用的血流速度檢測方法。

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

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

圖1 超聲多普勒血流檢測原理圖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，這種方法可測血流速度的范圍較大，能用來測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，通過采樣門的設(shè)置來選擇延遲時(shí)間，從而對目標(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態(tài)信息。

超聲多普勒頻移法經(jīng)過幾十年的發(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)則決定了可檢測的多普勒頻移不能超過脈沖重復(fù)頻率的一半，否則會出現(xiàn)頻率混淆的現(xiàn)象，這就使得脈沖法可檢測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，針對這一點(diǎn)，近年來Kunita[5]提出了基于調(diào)頻連續(xù)波的超聲多普勒血流測量系統(tǒng)。由于調(diào)頻連續(xù)波的周期性會帶來距離模糊，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量方法，該方法將調(diào)制信號設(shè)置為近似零均值的混沌連續(xù)信號來進(jìn)行混頻，得到的多普勒信號頻譜沒有周期性，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確定實(shí)際距離，從而解決了普通連續(xù)波法無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)為了避免血管壁對超聲波的全反射，需θ>30o。夾角依賴性使得該種方法只能對軸向血流速度進(jìn)行一維測量，這無法滿足臨床診斷中對復(fù)雜動靜脈血流的測量需求。對側(cè)向血流速度的測量，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)在大角度流速測量時(shí)存在盲區(qū)的缺陷。此外，通過采用多個(gè)不同角度收發(fā)傳感器對血流速度進(jìn)行多維測量的十字梁矢量多普勒法[10-12]部分解決了夾角依賴性，是常規(guī)多普勒測速法的擴(kuò)展。

2 非多普勒頻移法

由于血流的運(yùn)動性，除了測量多普勒頻移之外， 還可以通過測量不同回波信號之間的相移、時(shí)移等參量來估算血流速度。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方法近年來也得到迅猛地發(fā)展。

2.1 目標(biāo)追蹤法

基于目標(biāo)追蹤的血流速度檢測方法是近年來研究較多的方法之一，主要有超聲散斑測速技術(shù)和超聲粒子圖像測速技術(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。超聲散斑測速技術(shù)[13-16]是通過分析流場中散射微粒的聲學(xué)散斑圖的變化來間接換取血流速度；超聲粒子圖像測速技術(shù)[17-18]是基于追蹤粒子的流場測速技術(shù)，考慮到超聲微泡對超聲的強(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)值的峰值來實(shí)現(xiàn)的。這種方法計(jì)算量大，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測速。近年來，研究者提出了多種高效算法以解決這一問題。目前較為常用的算法是計(jì)算絕對誤差和，如式(2)所示：

其中，ε即為絕對誤差和系數(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，測量精度依賴于圖像的質(zhì)量。這類方法最主要的優(yōu)點(diǎn)在于方便對血流速度進(jìn)行多維檢測，為人體血液循環(huán)的重現(xiàn)提供基礎(chǔ)。但對于超聲散斑測速技術(shù)來說，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。超聲粒子圖像測速技術(shù)也需要引入超聲微泡等造影劑。針對現(xiàn)有系統(tǒng)的缺陷性，近年來的研究主要集中在對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)上對血流速度進(jìn)行估算。

總體來說，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)代信號處理中信號檢測與參數(shù)提取問題的一個(gè)重要組成部分，其研究的基本問題為根據(jù)所接收到的目標(biāo)信號準(zhǔn)確、快速地估計(jì)和測定出接收信號相對于基準(zhǔn)時(shí)間的延遲，或者是所接收的不同信號之間由于傳播距離的不同所導(dǎo)致的相對的時(shí)間延遲。設(shè)s(n)為源信號，x1(n)和x2(n)分別是接收的2個(gè)信號：

其中，x1(n)和x2(n)為噪聲信號，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。

總的來說，時(shí)延估計(jì)法對于血流的運(yùn)動方向能方便的進(jìn)行檢測，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)際操作中可能帶來的問題還有待模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析。

3 總結(jié)

經(jīng)過前面簡單的原理介紹后，對多普勒頻移法和非多普勒頻移法做以下簡單對比。對比結(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方法最大的優(yōu)勢在于可以對血流進(jìn)行多維測量。傳統(tǒng)的多普勒頻移方法在對血流方向的檢測中，需要將接收的信號與兩路正交的參考信號分別解調(diào)得到兩路正交的音頻多普勒信號對，通過信號對來判定血流的方向。而非多普勒頻移法多是基于多維，因此，血流方向的檢測能夠方便進(jìn)行，從而可以用來測量血流方向混亂不規(guī)則部位，如動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量方法所存在的夾角依賴性、頻率混淆、低速血流測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量方法成本低、實(shí)現(xiàn)快、對患者和使用環(huán)境沒有特殊需求、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，這就對醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備使用的可操作性和便攜性提出了更高的要求?！?012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生命和健康的頭號殺手，血流速度這一心血管疾病重要指標(biāo)的檢測將向更精確、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)檢測儀方面，血壓、血氧含量等生理參數(shù)的檢測已經(jīng)達(dá)到了家庭化、便攜化。隨之而來，血流速度檢測也在向該目標(biāo)邁進(jìn)，目前已開展了一些該方向的研究[33]。便攜式血流速度檢測儀的研究將會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不能完整重現(xiàn)血流狀況，給疾病診斷帶來了阻礙。考慮到人體解剖結(jié)構(gòu)以及血管分布的復(fù)雜性，以及檢測系統(tǒng)的可操作性，臨床診療中超聲血流速度檢測將向兩個(gè)方向發(fā)展：多維檢測，高效高精度算法實(shí)現(xiàn)。

多維血流速度檢測方法能夠提供更精細(xì)范圍內(nèi)的血流速度信息，并能對不同方向血流的速度進(jìn)行方便的檢測，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，在未來的血流速度檢測技術(shù)研究中，能夠?qū)崿F(xiàn)多維測量的方法將會是研究熱點(diǎn)。目前，針對多維血流速度檢測已提出了多種方法。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，不同檢測部位會包含不同特性組織的運(yùn)動對超聲的反射，復(fù)雜的病變部位會呈現(xiàn)異常結(jié)構(gòu)，這些都可能對臨床中的實(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試血流檢測系統(tǒng)的有效性和魯棒性是必要的，這也是超聲血流速度檢測的重點(diǎn)研究方向之一。

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