楊兵社，湯巧，羅婷，張開元

1. 陜西中醫(yī)藥大學第二附屬醫(yī)院 超聲科，陜西 咸陽 712000；2. 陜西中醫(yī)藥大學 醫(yī)學技術學院，陜西 咸陽 712046；3. 西安醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院 超聲科，陜西 西安 710077

引言

人體血流動力學的檢測，在很長一段時間里，依賴于造影和漂浮導管技術。1989 年彩色多普勒血流顯像（Color Doppler Flow Imaging，CDFI）技術的臨床應用，開啟了超聲動態(tài)、實時、無創(chuàng)監(jiān)測血流動力學狀態(tài)的新時代。此后，彩色能量多普勒（Color Doppler Energy，CDE）、彩色組織多普勒、超微血流顯現(xiàn)技術（Superb Microvascular lmaging，SMI）等相繼問世。為人體血流動力學檢測和器官血流灌注評價提供了工具。在業(yè)內(nèi)，彩色多普勒超聲一般是指CDFI，即狹義的彩色多普勒，本文所稱彩色多普勒，既包括CDFI，也包括CDE、SMI 等基于多普勒原理開發(fā)的超聲技術，即在廣義上使用這一概念。

超聲偽像是指超聲斷層圖像與其相應解剖斷面圖像之間的差異，表現(xiàn)為聲像圖中回聲信息的增添、減少或失真[1]。由于醫(yī)學超聲診斷儀，在設計上普遍基于以下模型。即：聲波在人體內(nèi)直線傳播，不同組織，聲速相同。對聲能的衰減相同等所謂的三大假設[2]。而實際情況并非如此。人體是一個聲學特性非常復雜的系統(tǒng)，人體聲學特征與儀器設計所采用的假設之間存在差異，這是超聲偽像產(chǎn)生的系統(tǒng)性原因。偽像可形成于信息采集、信息加工、圖像處理的各個環(huán)節(jié)。另外，檢查者操作不當，也是形成偽像的重要原因[3]。超聲偽像表現(xiàn)形式多樣，現(xiàn)有的超聲技術，無論二維、頻譜多普勒、彩色多普勒、超聲造影、三維超聲都會出現(xiàn)偽像[4]，已經(jīng)報道的偽像形式不下百余種，僅三維超聲就有閾值、運動、幀失落等7 大類[5]。但截至目前，對于因顯示幀頻不同而導致的2D 圖像與彩色多普勒圖像在時相上的錯位所形成的偽像，卻鮮有報道。本文暫且將其命名為“幀差偽像”，在此，其成因與特征進行分析探討。

1 超聲儀器物理通道與振元數(shù)匹配方式

現(xiàn)代超聲診斷儀由發(fā)射接收、回波處理、成像顯示系統(tǒng)控制4 個單元組成。發(fā)射接收單元中的物理通道數(shù)對圖像質(zhì)量起制約作用。早期的儀器，通道數(shù)等于振元數(shù)，1 個振元匹配1 個通道。新近開發(fā)的儀器，振元數(shù)往往多于通道數(shù)[6]。如GE 公司Voluson E8 機型，振元數(shù)256，通道數(shù)128，為2:1 的關系。如此設計是基于如下思想：除連續(xù)多普勒外，診斷用超聲均以短脈沖方式發(fā)射，寬度1～10 μs，周期100～500 μs，用于2D 成像的脈沖重復頻率（Pulse Repetition Frequency，PRF）在2000～4000 Hz 之間，用于彩色多普勒成像的PRF 在4000～12000 Hz 之間[2]。脈沖寬度相對于脈沖周期，占時十分短暫。

也就是說，探頭發(fā)射短脈沖后較長時間里處于“休息”狀態(tài)，通道也是“空閑的”。這樣，就可以采用錯時發(fā)射的方式，使幾個振元共用一個通道。具體實現(xiàn)方法是在探頭和通道之間設置一個高壓開關，通過控制發(fā)射次序?qū)崿F(xiàn)不同振元對同一通道的共享[6]。通道數(shù)與脈沖數(shù)的關系，猶如高速公路的車道數(shù)與行駛于其上的車輛數(shù)的關系。作為這種設計思想的延伸，近年又產(chǎn)生了在數(shù)字化基礎上，將探頭振元排列成電子矩陣。高比例匹配，最大限度利用硬件資源的設計。如GE 公司Voluson E10 配備的eM6c 探頭，用256 通道，實現(xiàn)了8192 振元的發(fā)射與接收。

2 人體組織器官運動形式及其多普勒信號特征

只要在超聲傳播路徑上有運動目標，回波信號譜中就會有多普勒頻移信號。差別只在于對回波信號中不同頻譜成分的處理方式。人體內(nèi)存在多種運動形式，既有機械位移，也有周期振蕩。這些運動，在超聲場中，都會產(chǎn)生多普勒頻移信號。為了下文敘述方便，筆者根據(jù)運動速度，將人體器官分為靜止器官、慢運動器官、快運動器官3 類。靜止器官指在平靜呼吸狀態(tài)下，幾乎沒有機械運動的器官，如顱骨、椎骨、靜息狀態(tài)的四肢肌肉；緩慢運動器官指在平靜呼吸過程中，有緩慢機械位移的器官，如膈肌、隨呼吸而上下移動的肝臟、肺臟，進食后的胃腸壁等；快速運動器官，如心室壁、心臟瓣膜；由于血液是密度1.05～1.06 g/cm3、不可壓縮的非牛頓流體[7]，在密閉管道中連續(xù)流動，可作為快速運動器官來看待。

人體器官的運動，有速度、幅度參量，根據(jù)運動幅度，可分為大幅運動器官、小幅度運動器官、微幅運動器官。正常成年人在呼吸周期內(nèi)膈肌運動幅度在6～8 cm，為大幅運動器官；心室壁及大血管根部，在心動周期內(nèi)運動幅度約0.8～1.5 cm，為小幅運動器官；外周血管壁運動幅度在0.2～0.5 cm 之間[8]，為微幅度運動器官；器官運動的頻率、振幅，見圖1。

圖1 人體器官運動頻率、振幅關系示意圖

人體器官運動，在超聲場中都會產(chǎn)生多普勒信號，不同運動所形成的多普勒信號，強弱與頻移不同。信號強弱與運動幅度的平方成正比，頻移大小與運動速度、聲束與速度方向夾角余弦呈正比。膈肌呼吸運動所產(chǎn)生的多普勒信號強度大而頻移小，動脈內(nèi)血液流動所產(chǎn)生的多普勒信號強度小而頻移大。超聲儀器目前只有對頻移信號進行提取分析[9]，即系統(tǒng)內(nèi)部自動將多普勒頻移轉(zhuǎn)化為靶目標的運動速度，而強度信號尚未見有量化的評價參數(shù)。在顯示器上，不同運動速度目標的正確顯示，有賴于不同的幀頻。

3 彩色多普勒幀差偽像的成因探討

彩色多普勒成像技術是在脈沖多普勒（Pulsed Wave Doppler，PW）基礎上發(fā)展起來的，PW 只有一條取樣線，一個取樣容積，而彩色多普勒是在取樣框內(nèi)設置N 條發(fā)射聲束，每條聲束方向上設置M 個取樣容積，因此需要計算的數(shù)據(jù)量是PW 的數(shù)十倍，2D 的數(shù)千倍。而儀器CPU、總線等硬件資源是有限的。因此彩色多普勒的設計原則是，優(yōu)先滿足探查深度、彩色取樣容積數(shù)據(jù)計算，其次才是幀頻。即依賴減少幀頻來平衡掃查深度和彩色容積數(shù)據(jù)分析之間對硬件資源分配需求的矛盾[2]。由于器官運動的存在，彩色多普勒信號與2D 圖像要真正“實時”顯示，必須是2D圖像與彩色多普勒圖像的幀同步，即幀頻和時相均相同。

所謂幀頻，是指每秒鐘顯示器上顯示的圖像幀數(shù)。超聲醫(yī)生在顯示器上所看到的圖像，并不是原始射頻回波信號的直接顯示，而是經(jīng)信號處理器、圖像處理器的多次轉(zhuǎn)換，形成顯示器所接受的矩形或扇形圖像格式并存儲于內(nèi)存內(nèi)，再按照出廠時的設定，或醫(yī)生在檢查時設定的幀數(shù)，逐幀調(diào)用。在儀器內(nèi)部，2D 圖像處理器與彩色多普勒的圖像處理器是兩個互相獨立的硬件單元，互相獨立進行2D 圖像和彩色多普勒圖像的轉(zhuǎn)換與存儲。但是，呈現(xiàn)于顯示屏上的彩色聲像圖，在視覺上卻似乎是人體解剖結(jié)構(gòu)和血流的“實時”顯示。這是因采用了類似于Office 辦公軟件的“圖層”概念，將彩色多普勒信號疊加于2D 圖像之上。如GE 公司Voluson 730、Voluson E8，三星公司W(wǎng)S80 等。

超聲儀器時間分辨力的高低，取決于顯示幀頻。影響幀頻的因素有PRF、單幀圖像掃描線密度與數(shù)量、探查深度等。由于彩色多普勒成像所需要的數(shù)據(jù)運算量遠遠大于2D 成像的數(shù)據(jù)，因此大多數(shù)儀器，彩色多普勒幀頻遠遠低于2D 幀頻。即彩色的時間分辨率遠遠低于2D 的時間分辨率。如三星公司W(wǎng)S80 機型，2D 模式下默認扇形掃查角度65°，深度設置為15 cm，幀頻為25 Hz。對于像成人肝臟這類“靜止性”器官，幀頻25 Hz 時，圖像就很連續(xù)。而對于胎兒心臟，它以120～160 次/min 的頻率搏動，25 Hz 幀頻，畫面就會卡頓。要提高畫面的流暢度，達到“實時”效果，就需要提高幀頻。

提高幀頻的一般方法是減少掃查面積，即縮小掃查角度，減少掃查深度以及使用局部放大功能。仍以三星公司W(wǎng)S80機型為例，胎心模式下默認扇掃角度38°，深度10 cm，此時2D幀頻為75 Hz。當啟動彩色多普勒后，即便是圖像局部放大，最大限度減少了掃查面積，彩色幀頻也只有18 Hz。這也許就是目前儀器硬件所能達到的最大運算能力吧。換句話說，在目前的設計理念和工藝水平下，超聲儀器的彩色多普勒幀頻要遠少于2D 幀頻，尤其在檢查高速運動器官的時候。二者難以實現(xiàn)幀同步，即幀數(shù)與時相的同步，這是幀差偽像產(chǎn)生的內(nèi)在原因。

4 彩色多普勒幀差偽像的特征

既然幀差偽像是源于兩種超聲技術的幀頻差別不同而帶來的解剖結(jié)構(gòu)與相應血流信息的非同步性，因此是一種系統(tǒng)性偽像，具有系統(tǒng)性偽像的必然性。即它并非偶然現(xiàn)象，而是要經(jīng)常發(fā)生。以往文獻所描述的超聲偽像，不論是2D圖像中的混響[10]、側(cè)邊回聲失落、還是彩色多普勒的快閃、混疊，或者近年來發(fā)現(xiàn)的超聲造影、介入超聲[11-12]的偽像，都是超聲在發(fā)射、傳播、回波接收、圖像處理不同環(huán)節(jié)的單一因素所致，或者由于醫(yī)生操作不當引起，相對容易識別。頻差偽像卻不同，它是由兩種技術在后期的圖像復合過程中形成的，因而具有一定的隱蔽性，特別是當檢查者對儀器圖像合成原理不熟悉的情況下，往往難以及時識別。近年來，超聲科室已經(jīng)成為各級醫(yī)院最忙碌的科室，超聲醫(yī)生更多的時間與注意力集中在對患者的診治上，沒有太多時間和精力關注儀器工作原理；而工程技術人員，由于缺乏臨床超聲的知識和能力，不容易發(fā)現(xiàn)幀差偽像；另外，各廠家的臨床應用醫(yī)生無意談論幀差偽像問題，以致眾多原因共同造成關于幀差偽像的報道較少，關注度較低。

幀差偽像有兩類表現(xiàn)，時空錯位和彩色缺失。所謂“時空錯位”是指血流信號被疊加于其周圍非血管的運動目標上，導致血流與運動目標的錯位。對于肝臟等“靜止”器官，幀頻差異不會導致2D 圖像所顯示的解剖結(jié)構(gòu)和彩色血流信號重疊時的明顯錯位，而對于胎兒心臟等高速運動的器官和組織，2D 與彩色幀頻的差異，卻可導致重疊于解剖結(jié)構(gòu)2D 圖像之上的血流信號，并非是同一心動周期內(nèi)同一時相下同一結(jié)構(gòu)的血流，即2D 切面圖像所反映的解剖結(jié)構(gòu)與彩色信號并不時刻一致，存在時相差。2D 與彩色多普勒幀頻關系，見圖2。

圖2 2D與彩色多普勒幀頻關系示意圖

這種時相上的差別，表現(xiàn)隱蔽，加上視覺暫留效應的存在，不容易被檢查者察覺。例如在進行胎兒心臟縱四腔檢查時，即使2D 與彩色多普勒雙幅同步顯示，也可能將左室流出道的血流信號，疊加于二尖瓣周圍造成反流假象，見圖3。由于胎兒心臟每博所占時值約400 ms。也可能在探查胎兒氣管時，將本是上腔靜脈的血流疊加于其旁邊的氣管腔，而導致對管道系統(tǒng)的誤判。所謂“彩色缺失”是本來有血流流動的血管內(nèi)，未見血流信號。例如在進行胎兒心臟檢查時產(chǎn)生肺動脈內(nèi)血流缺失的錯覺，見圖4。

圖3 胎兒四腔心切面（雙幅實時顯示）

圖4 胎兒大血管根部短軸切面（雙幅實時顯示）

5 幀差偽像的識別與消除

幀差偽像是一種特殊的系統(tǒng)性偽像，它可能干擾、誤導醫(yī)生診斷，應及時識別并設法消除。對臨床超聲醫(yī)生而言，及時識別幀差偽像，防止其干擾診斷，具有現(xiàn)實意義。

作為超聲醫(yī)生，要理解幀差偽像的成因，了解顯示器上所看到的2D 和彩色多普勒“實時”圖像的疊加顯示原理，認識到兩種成像方式幀頻明顯不同，幀差偽像的出現(xiàn)有必然性，建立起自覺識別幀差偽像的思維自覺。

國內(nèi)超聲醫(yī)生的養(yǎng)成模式，大多是先從腹部做起，而后逐步學習心臟、血管、介入超聲等[13]。由于腹部器官大多屬于“靜止性”器官，大多數(shù)醫(yī)生習慣上不太關注幀頻變化。為了及時識別幀差偽像，就需要養(yǎng)成檢查開始前有意識關注2D 圖像幀頻的習慣。幀頻值顯示于儀器參數(shù)顯示區(qū)內(nèi)，一般是位于顯示屏的頂部或左右側(cè)。啟動彩色多普勒以后，更要留意彩色幀頻數(shù)以及由此而引起的2D 幀頻的減少。

理解檢查靶器官，尤其是快速運動器官的運動屬性和其產(chǎn)生的多普勒信號頻移、強度特征。例如，妊娠晚期胎兒主動脈瓣口血流速度多在60 cm/s 左右，三尖瓣口血流50 cm/s左右，一般認為病理性三尖瓣反流速度多大于80 cm/s，也有學者認為大于200 cm/s 才有意義[14]，因此在可以清晰顯示靶目標的前提下，要盡量使用局部放大功能，減小探查深度和彩色取樣框大小。由于脈沖重復頻率是可調(diào)節(jié)的，它在儀器面板上顯示為彩色標尺的速度范圍。增加彩色量程，即增加PRF，增加單位時間內(nèi)取樣容積數(shù)量，增加系統(tǒng)數(shù)據(jù)運算量，它以犧牲幀頻來實現(xiàn)。恰當設置PRF，以提高彩色幀頻。

當懷疑胎兒有三尖瓣反流時，盡量在心尖四腔切面或心底四腔切面觀察，并對所取圖像逐幀回放，確保不將心尖五腔切面上的左室流出道的彩色血流信號重疊于2D 的四腔心切面，避免出現(xiàn)2D 圖像和彩色圖像的錯位。

當然，要想徹底消除幀頻偽像，根本方法是提升彩色多普勒單元的處理速度。但由于用于彩色多普勒成像的發(fā)射脈沖是用于2D 成像的脈沖寬度的3～4 倍，換能器需要在彩色多普勒發(fā)射和2D 發(fā)射之間進行快速切換，因此單純依靠增加硬件來提升彩色幀頻的空間時有限的。設法優(yōu)化彩色多普勒數(shù)據(jù)算法[15-17]，減少數(shù)據(jù)處理量，并在2D 和彩色處理器之間增加一個幀同步裝置，統(tǒng)一進行顯示輸出，也許是實現(xiàn)2D 圖像與彩色多普勒圖像完全同步的一種思路，這有待于在研發(fā)實踐中解決。