【作 者】 沈瑩瑩，杜宜綱，黃永，丁海艷，陳志杰，李雙雙，李雷，朱磊，何緒金

1 深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司，深圳市，518047

2 清華大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系 生物醫(yī)學(xué)影像研究中心，北京市，100084

0 引言

阻力指數(shù)（resistance index,RI）是臨床超聲評(píng)估人體血流動(dòng)力學(xué)變化的重要指標(biāo)之一，表示測(cè)量位置血流行進(jìn)時(shí)遇到的前方阻力，其數(shù)值變化可反映檢查者體內(nèi)血流灌注改變和血管病變情況[1-3]。超聲血流評(píng)估具有無(wú)輻射、實(shí)時(shí)性的顯著優(yōu)勢(shì)，在頸動(dòng)脈狹窄、經(jīng)顱多普勒、卵巢病變、胎兒腦中動(dòng)脈、臍動(dòng)脈、腎功能評(píng)估等臨床中得到廣泛應(yīng)用[1-8]。具體計(jì)算公式如下：

其中，vPS為收縮期峰值流速（peak systole,PS）；vED為舒張末期流速（end diastole,ED）。

在傳統(tǒng)超聲中，醫(yī)生常使用脈沖多普勒（pulsed wave,PW）進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估，檢查手段的可靠性已得到普遍認(rèn)可。有別于傳統(tǒng)的PW掃查對(duì)超聲波束發(fā)射方向與血流實(shí)際運(yùn)動(dòng)方向夾角的依賴(lài)，超聲向量血流技術(shù)可測(cè)得人體血管內(nèi)紅細(xì)胞實(shí)際流速大小及方向[9-10]。

在PEDERSEN等[11]的文章中，比較了一種向量血流技術(shù)VFI（BK超聲向量血流技術(shù)）與PW方式對(duì)RI評(píng)估的差異。VFI采用橫向波振蕩（transverse oscillation,TO）技術(shù)[12]實(shí)現(xiàn)血流向量速度的計(jì)算。TO是在傳統(tǒng)超聲多普勒聚焦波掃描基礎(chǔ)上，通過(guò)雙孔徑接收產(chǎn)生的橫向振蕩聲場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的向量血流技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性和計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，但由于聚焦波的使用，幀率受到一定限制。

本研究將采用另一種超聲向量血流成像技術(shù)（V Flow）[13-14]進(jìn)行人體血流RI值評(píng)估。V Flow技術(shù)采用了多角度偏轉(zhuǎn)發(fā)射接收[15]，并結(jié)合多普勒技術(shù)及交替掃描方式[16]實(shí)現(xiàn)目標(biāo)掃查與速度計(jì)算，具有高幀率非實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，在時(shí)間分辨率上具有顯著優(yōu)勢(shì)，可充分展示心動(dòng)周期內(nèi)的豐富細(xì)節(jié)信息。

下面以PW工作方式為參考，研究V Flow與PW兩種超聲檢查模式的技術(shù)差異及在RI測(cè)量中的不同點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)采集方法

實(shí)驗(yàn)中對(duì)10例年輕男性志愿者（年齡25～34歲）雙側(cè)頸總動(dòng)脈起始段、中段、末段進(jìn)行超聲掃查，檢查內(nèi)容包括PW及V Flow（無(wú)創(chuàng)超聲檢查），對(duì)比測(cè)量時(shí)確保掃查切面一致，所有志愿者均簽署知情同意書(shū)。1例樣本在右側(cè)頸總動(dòng)脈末段（R-末段）的V Flow及PW測(cè)量示意，如圖1所示。

圖1 1例樣本的V Flow（左）及PW（右）測(cè)量示意Fig.1 Sample of V Flow measurement（left）,sample of PW measurement（right）

使用的儀器為Resona 7商用超聲多普勒診斷儀（深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司，深圳，中國(guó)），配置探頭線(xiàn)陣L11-3U。其中，PW通過(guò)測(cè)量PS、ED值由超聲儀器直接計(jì)算得到RI，檢查過(guò)程中保證聲束與血流之間的夾角不大于60°。V Flow采集3 s時(shí)長(zhǎng)的向量速度數(shù)據(jù)后在PW的相同取樣容積位置獲取流速曲線(xiàn)，導(dǎo)出至電腦端進(jìn)行后處理得到PS、ED和RI值，并根據(jù)向量速度的方向信息得到PS與ED時(shí)刻的角度差。最終處理結(jié)果采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果

實(shí)驗(yàn)最終得到59組頸總動(dòng)脈對(duì)照結(jié)果，除左側(cè)頸總動(dòng)脈起始段為9組樣本外、其余部位均為10組樣本。樣本按不同部位順序排列：右側(cè)頸動(dòng)脈起始段（R-起始段），右側(cè)頸動(dòng)脈中段（R-中段）、右側(cè)頸動(dòng)脈末段（R-末段）、左側(cè)頸動(dòng)脈起始段（L-起始段），左側(cè)頸動(dòng)脈中段（L-中段）、左側(cè)頸動(dòng)脈末段（L-末段）。

V Flow與PW的PS、ED值分布對(duì)比，如圖2所示。其中，橫坐標(biāo)表示59例樣本編號(hào)（樣本排序從左到右依次為R-起始段、R-中段、R-末段、L-起始段、L-中段、L-末段）。

圖2 V Flow與PW的PS、ED值分布對(duì)比Fig.2 Distribution of PS、ED values in V Flow and PW

以PW為參照，分析V Flow模式下59組數(shù)據(jù)的RI誤差百分值分布，如圖3所示。橫坐標(biāo)表示59例樣本編號(hào)（排序同圖2），橫線(xiàn)為RI誤差百分均值。此外，在V Flow模式下還可測(cè)得PS、ED兩個(gè)時(shí)刻的血流速度角度差，59組數(shù)據(jù)分布如圖4所示（排序同圖2），橫線(xiàn)為角度差均值。

圖3 59組數(shù)據(jù)的RI誤差百分值分布Fig.3 Distribution of RI error in 59 sets of data

圖4 59組數(shù)據(jù)PS、ED時(shí)刻的血流角度差分布Fig.4 Distribution of blood flow angle difference between PS and ED in 59 sets of data

3 討論

血管及V Flow計(jì)算實(shí)際血流速度的示意如圖5所示。圖5中黑色箭頭為紅細(xì)胞實(shí)際流速，紅色及藍(lán)色箭頭為紅細(xì)胞速度在不同超聲發(fā)射方向上的分量。在V Flow中利用多角度的速度分量擬合得到與黑色箭頭最為接近的結(jié)果[13]。而傳統(tǒng)PW使用單一超聲波束發(fā)射對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行整場(chǎng)掃描，用戶(hù)使用角度校正線(xiàn)計(jì)算得到與實(shí)際流速接近的結(jié)果。角度校正線(xiàn)以血管走向?yàn)閰⒖?，多平行于血管壁設(shè)計(jì)。圖5中用戶(hù)根據(jù)單一藍(lán)色速度分量計(jì)算黑色箭頭速度，式(2)中使用的角度θ即為校正角度。

圖5 向量血流成像角度合成示意Fig.5 Schematic diagram of angle combination for V Flow

基于向量速度計(jì)算RI有如下可能：

式(3)中，|vPS|、|vED|選取心率周期（圖1右圖綠色虛線(xiàn)框內(nèi)所示）內(nèi)收縮期向量速度的絕對(duì)值峰值和心率周期內(nèi)的舒張末期速度波谷值。式(4)中，選取心率周期內(nèi)收縮期向量速度在預(yù)設(shè)方向上的速度分量的峰值和心率周期內(nèi)向量速度預(yù)設(shè)方向上的速度分量的波谷值，M表示預(yù)設(shè)方向。傳統(tǒng)PW方案為式(4)的一個(gè)特例。理想狀態(tài)下，血流為層流分布，血流實(shí)際走向與血管壁平行，即式(3)、(4)結(jié)果是相同的。但實(shí)際中，常常有流速最大值非中軸線(xiàn)或血流方向因生理原因或血管內(nèi)環(huán)境的改變（如斑塊）而偏離血流中軸方向，因而使用式(3)與實(shí)際情況更加匹配。本研究中對(duì)應(yīng)的V Flow及PW模式下的RI分析分別對(duì)應(yīng)式(3)、(4)兩種情況。

此外，在V Flow模式下新增了角度差分析，如式(5)～(8)所示。式(5)表示同一位置不同時(shí)刻的流速角度差，式(6)表示同一位置一段時(shí)間內(nèi)的平均速度方向（NA為此段時(shí)間參與計(jì)算的角度數(shù)量），式(7)表示同一時(shí)刻兩個(gè)不同位置的流速角度差，式(8)表示兩個(gè)不同位置一段時(shí)間內(nèi)的平均流速角度差。下面針對(duì)式(5)的結(jié)果進(jìn)行分析。

表1所示為59例樣本PS、ED、RI均值對(duì)照，從結(jié)果可知V Flow模式下PS、ED均值相比PW均值較小（見(jiàn)圖2），且均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異（P＜0.000 1），誤差分別為24.04%、44.13%。ED誤差更大一些，也意味著ED相比PS，其V Flow測(cè)值相對(duì)PW更小，由式(1)可知，RI值是基于PS和ED的相對(duì)值計(jì)算得到的，由于PS和ED的相對(duì)誤差不同，因此導(dǎo)致V Flow的最終計(jì)算結(jié)果與PW存在一定誤差（約10.25%），并且具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.000 1）。

表2所示為6個(gè)不同掃查部位及總的RI誤差均值±標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果。從表2中可知，除R-起始段誤差較大（22.13%）外，其余部位誤差約為10%。59組數(shù)據(jù)的RI誤差均值為12.23%。表1中，先取得各段的PS和ED均值后再計(jì)算RI及誤差；表2中各樣本分別計(jì)算RI，再得到各自的對(duì)應(yīng)誤差后取均值得到誤差均值為12.23%。

表1 PW與V Flow樣本測(cè)量均值與誤差Tab.1 Measurement mean and error between PW and V Flow data

表2 不同部位的RI誤差均值及標(biāo)準(zhǔn)差（%）Tab.2 Mean and standard deviation of RI errors at different parts

表3所示為6個(gè)不同掃查部位及總的PS、ED時(shí)刻角度差均值及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果。從表3中可知，R-起始段角度差最大，為13.30°，表明此處血流動(dòng)力學(xué)情況復(fù)雜，收縮期峰值與舒張末期之間血流方向存在較大偏差可能；R-中段及L-起始段其次，約為8.69°；其余部位角度差均值為3.50°左右。

表3 不同部位PS、ED時(shí)刻角度差均值及標(biāo)準(zhǔn)差/（°）Tab.3 Mean and standard deviation of angle difference between PS and ED at different parts

表4所示為起始段、中段、末段的RI誤差均值±標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果。從表4可知，除起始段誤差較大外（15.71%），中段及末段相對(duì)較小，分別為10.40%及10.12%。

表4 不同部位的RI誤差均值及標(biāo)準(zhǔn)差（%）Tab.4 RI error analysis at different parts

從表1可見(jiàn)，V Flow與PW有兩種成像模式，在計(jì)算PS、ED時(shí)刻的流速誤差存在一定差異，分別為24.04%、44.13%。這是由于兩種技術(shù)本身的實(shí)現(xiàn)不同所致。V Flow計(jì)算的是平均速度而基于包絡(luò)的PW得到的測(cè)值會(huì)受到探頭幾何因素的影響，且頻譜包絡(luò)理論上反映的也是少量紅細(xì)胞的最大速度。因此PW的測(cè)值（基于包絡(luò)曲線(xiàn)）應(yīng)高于V Flow的測(cè)值[17]。本研究結(jié)果也證實(shí)了此推斷，即兩種方法的速度測(cè)值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且差異顯著（P＜0.000 1）。此外，在低速時(shí)，V Flow的測(cè)量靈敏度不如PW。這和技術(shù)本身有關(guān)，因?yàn)镻W采用的是聚焦波掃描，其信噪比大于V Flow的區(qū)域式掃描。這是基于V Flow的RI測(cè)量誤差的主要來(lái)源。這也是為什么相比PS，ED測(cè)值比PW的誤差更大的原因。結(jié)合圖3、圖4、表2、表3可以看到，在R-起始段位置，V Flow與PW檢查結(jié)果之間存在較大差異。這與該位置血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜有較大關(guān)系，從數(shù)據(jù)上可見(jiàn)PS、ED時(shí)刻血流角度存在較大偏差（13.30°），而V Flow與PW兩種掃描方式對(duì)此部位的血流速度計(jì)算存在原理上的差別。PW僅采用一種統(tǒng)一的發(fā)射方向進(jìn)行超聲掃描，用戶(hù)須手動(dòng)角度校正（見(jiàn)圖1右）以獲得接近準(zhǔn)確的流速值。在整個(gè)PW掃查過(guò)程中，使用同一個(gè)流速校正角度對(duì)流速進(jìn)行計(jì)算。如果PS和ED時(shí)刻的血流速度方向改變較大將造成得到的流速值計(jì)算出現(xiàn)偏差，這在傳統(tǒng)的PW工作方式下是無(wú)法避免的。而在V Flow模式下速度提取過(guò)程不受血流內(nèi)環(huán)境角度影響，可直接得到實(shí)際的流速矢量，這是V Flow區(qū)別于PW的顯著優(yōu)勢(shì)。因此，PS、ED時(shí)刻的角度差可能是兩種計(jì)算方式在此部位存在較大誤差的原因之一。

在PEDERSEN等[11]的文章中，VFI與PW計(jì)算結(jié)果之間也存在一定差異，角度差4%、PS偏差8%、ED偏差-27%、RI偏差10%。與本研究結(jié)果相比，RI測(cè)值差異分別為10%與12.23%，數(shù)值上比較接近。將本研究結(jié)果分別按起始段、中段、末段進(jìn)行分析得各段RI誤差均值分別為15.71%、10.40%、10.12%（見(jiàn)表4）。當(dāng)我們僅取頸動(dòng)脈中段做分析時(shí)，其結(jié)果與PEDERSEN等[11]更加接近。此外，兩種向量速度計(jì)算方式與PW的誤差在PS時(shí)刻均小于ED時(shí)刻，這進(jìn)一步說(shuō)明了低速血流的測(cè)量誤差更大，其中V Flow主要受到信噪比的影響，而PEDERSEN等[11]的研究主要受限于較低時(shí)間分辨率。因此，兩者導(dǎo)致的差異各不相同。此外，本研究在角度差異、PS、ED與PW差異方面更大。原因可能有多方面：首先是樣本差異，PEDERSEN等[11]采集了16個(gè)健康志愿者雙側(cè)頸動(dòng)脈各一個(gè)位置共計(jì)32組數(shù)據(jù)，而本研究在10個(gè)志愿者雙側(cè)頸動(dòng)脈起始段、中段、末段共計(jì)6處位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。志愿者及檢測(cè)部位的差異均是影響因素。其次是向量速度的計(jì)算原理區(qū)別，基于TO技術(shù)的VFI是在傳統(tǒng)超聲多普勒聚焦波掃描基礎(chǔ)上通過(guò)雙孔徑接收產(chǎn)生的橫向振蕩聲場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的向量血流技術(shù)[12]，其掃描與傳統(tǒng)的多普勒血流成像是相似的；而V Flow是基于多角度偏轉(zhuǎn)發(fā)射接收的高幀率成像技術(shù)[15]，與傳統(tǒng)血流成像的發(fā)射掃描方式有較大區(qū)別，兩者的向量速度計(jì)算過(guò)程存在一定差異。再者是因?yàn)镻W非金標(biāo)準(zhǔn)，其算法本身存在缺陷。由于血流速度的實(shí)際方向是不確定的，根據(jù)血管走勢(shì)進(jìn)行的角度校正，很可能也是不準(zhǔn)確的[17]，從而影響PS和ED的測(cè)值精度。本研究對(duì)比的兩種技術(shù)測(cè)值具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。結(jié)果表明，PW的速度測(cè)值大于V Flow，而對(duì)于ED測(cè)值，通常情況下（尤其是健康志愿者）它的絕對(duì)值相對(duì)于PS要低得多，由于PW算法的缺陷，其測(cè)值理論上高于實(shí)際值的相對(duì)幅度也比PS多。這與本研究的對(duì)比結(jié)果也是一致的，即24.04%（PS誤差）和44.13%（ED誤差）。

4 校正方法研究

V Flow與PW的差異是可以校正的。將PS和ED測(cè)值的角度誤差考慮進(jìn)去后，可對(duì)PW測(cè)值進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償，得到校正后的基于PW的RI測(cè)值。

根據(jù)式(9)～(10)得到校正后的PW測(cè)值，收縮期峰值速度和舒張末期速度，，計(jì)算如下：

式中：vPS和vED為校正前PW測(cè)值，θ為PW測(cè)量時(shí)基于血管走形得到的速度方向，而μ1和μ2為V Flow的角度測(cè)量結(jié)果，其中，μ1是收縮期峰值速度的角度，μ2是舒張末期速度的角度。

這樣，校正后的基于PW的RI測(cè)值為：

將式(9)和(10)代入式(11)得到：

根據(jù)式(12)重新計(jì)算基于PW的RI結(jié)果，與V Flow測(cè)量對(duì)比后發(fā)現(xiàn)平均絕對(duì)值誤差和方差由（12.2±12.0）%減小到（10.5±10.2）%，如圖6所示，其中上下兩條線(xiàn)表示±1.96 SD。

圖6 兩種測(cè)量方法（V Flow和PW）得到的阻力指數(shù)RI在校正前和校正后的Bland-Altman圖Fig.6 The Bland-Altman plots for RI measurements based on V Flow and PW before correction: and after correction

5 結(jié)論

定量分析頸動(dòng)脈阻力指數(shù)RI測(cè)量結(jié)果后可知，PW和V Flow測(cè)值的相對(duì)誤差約為12%。V Flow掃描方式可獲得PW無(wú)法直接測(cè)量的不同時(shí)刻之間的血流角度差異，且可直接獲得血流實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度（大小及方向），這是傳統(tǒng)PW掃描方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，V Flow與PW的測(cè)值具有非常顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。V Flow的PS和ED測(cè)值小于PW，RI測(cè)值則大于PW。這是不同技術(shù)本身帶來(lái)的固有誤差。通過(guò)角度校正補(bǔ)償，PW的測(cè)值會(huì)更加接近V Flow，并從數(shù)值可以看出兩者的平均誤差和誤差的方差均有所減少。

此外，在血流動(dòng)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜部位，V Flow測(cè)量結(jié)果與PW之間誤差相對(duì)較大，這是未來(lái)需要進(jìn)一步深入分析的方向。