超声血流速度检测及其应用研究

【作 者】张笑潮，昂清，王卫东

1 北京航空航天大学生物与医学工程学院，北京市，100191

2 解放军总医院生物医学工程研究室，北京市，100853

0 引言

具有不同密度、声传导速度等理化特性的生物组织器官，对外来的超声波能量会产生反射、投射、散射、衰减和非线性参量等效应，提取、分析并显示这些经生物组织作用后的超声波所含的信息，就可察知生物组织的内在特性[1]。例如，血管内的血流速度信息不仅可以反映人体新陈代谢水平、心脏和血液循环系统功能，还有助于血管类疾病的诊断，如外周血管硬化、狭窄、阻塞、斑块的评估、断肢再植和烧伤病人血管完好性[1-2]的判断等。由此看来，血流速度的定量测量在临床上具有很重要的诊断意义。

超声波血流速度测量方法以其非侵入式的特点，受到了医生和患者的青睐，成为医学超声界十分感兴趣的研究课题之一。基于超声的血流速度检测方法主要利用的是超声在传播过程中与血流中的运动散射子之间发生相互作用而产生的回波信号所携带的血流速度信息。目前临床上用于血流速度测量的方法主要是超声多普勒频移测速法，这种方法操作简便，但有一定的局限性。随着技术的发展，研究者们又提出了一些非多普勒频移测速法，如目标追踪法、时延估计法等。本文在深入研读相关文献的基础上，对传统的血流速度检测方法以及近年发展起来的几种新型检测方法进行综述。

1 超声多普勒频移法

超声多普勒频移法是利用多普勒效应来检查心脏、血管运动状态以及血液流动状态，借以评估和诊断其病变的方法。这种方法对人体无损伤且能够进行实时测量，因此是目前临床上最普遍采用的血流速度检测方法。

多普勒回波信号的生成[3-4]如图1所示。特定频率声波到达运动物体后，将产生反射或散射现象，返回的信号频率会有一定变化，其中频率的改变值称为多普勒频移，如式(1)所示：

其中，fd为多普勒频移值，fi为发射信号频率，fr为回波信号频率，v为被测物速度，cf为超声在该物体中传播速度，θ为超声波束与被测物体夹角，即多普勒夹角。

图1 超声多普勒血流检测原理图Fig.1 Principle of ultrasonic Doppler shift

根据多普勒效应建立的血流检测方式主要有连续波多普勒法和脉冲波多普勒法。连续波法是指发射和接收超声波的方式是连续的，这种方法可测血流速度的范围较大，能用来测量血管狭窄段或硬化等高速血流部位。脉冲法在较短的脉冲期内间断的发射超声波，通过采样门的设置来选择延迟时间，从而对目标进行定位诊断，适用于疾病的判断，有利于掌握血流的动态信息。

超声多普勒频移法经过几十年的发展已较为成熟，但仍具有一定的局限性。脉冲波多普勒法的主要局限性在于：奈奎斯特准则决定了可检测的多普勒频移不能超过脉冲重复频率的一半，否则会出现频率混淆的现象，这就使得脉冲法可检测的血流速度范围受到限制。连续波多普勒法的局限性在于不能进行定位诊断，针对这一点，近年来Kunita[5]提出了基于调频连续波的超声多普勒血流测量系统。由于调频连续波的周期性会带来距离模糊，彭京思等[6-7]在此基础上又提出了混沌调频连续波超声多普勒血流测量方法，该方法将调制信号设置为近似零均值的混沌连续信号来进行混频，得到的多普勒信号频谱没有周期性，不存在距离模糊。因为能够根据实际距离与参考距离的匹配来确定实际距离，从而解决了普通连续波法无法获得距离信息的不足，同时能够获得较高的信噪比及较低的杂波功率。但是需指出的是，当调频指数或血流速度较大时，调制频率引起的多普勒边带和谐波能量较大。

另外，血流速度检测是否准确和多普勒夹角θ有很大关系。当θ越高时，误差越大；但当θ<60o时，误差可容忍。同时为了避免血管壁对超声波的全反射，需θ>30o。夹角依赖性使得该种方法只能对轴向血流速度进行一维测量，这无法满足临床诊断中对复杂动静脉血流的测量需求。对侧向血流速度的测量，有学者提出采用横向多普勒法[8-9]，当超声波束与流速垂直时，获得的横向多普勒功率谱宽度与采样单元内最大流速成正比，可以据此来推算与波束垂直的血流速度。因此横向多普勒法可以弥补常规多普勒技术在大角度流速测量时存在盲区的缺陷。此外，通过采用多个不同角度收发传感器对血流速度进行多维测量的十字梁矢量多普勒法[10-12]部分解决了夹角依赖性，是常规多普勒测速法的扩展。

2 非多普勒频移法

由于血流的运动性，除了测量多普勒频移之外， 还可以通过测量不同回波信号之间的相移、时移等参量来估算血流速度。随着血流成像技术的应用，一些基于血流成像的速度检测方法近年来也得到迅猛地发展。

2.1 目标追踪法

基于目标追踪的血流速度检测方法是近年来研究较多的方法之一，主要有超声散斑测速技术和超声粒子图像测速技术。这两种方法可以看作是一维彩色血流成像的多维扩展。超声散斑测速技术[13-16]是通过分析流场中散射微粒的声学散斑图的变化来间接换取血流速度；超声粒子图像测速技术[17-18]是基于追踪粒子的流场测速技术，考虑到超声微泡对超声的强烈反射能够获得清晰的微泡超声图像，一般采用超声微泡作为流场示踪剂[19]。这两种方法基本原理如图2所示。

图2 目标追踪法原理图Fig.2 Principle of target tracking

在获得连续血流图像的前提下，首先选定采样区域，在之后获得的血流图像中定义搜索区域，以搜寻采样区域的最佳匹配位置。早期的区域匹配法是通过寻找采样区域和后续图像中搜索区域互相关值的峰值来实现的。这种方法计算量大，不能进行实时测速。近年来，研究者提出了多种高效算法以解决这一问题。目前较为常用的算法是计算绝对误差和，如式(2)所示：

其中，ε即为绝对误差和系数，代表采样区域X0和搜索区域X1内的模拟匹配区域的误差之和。l、k分别代表采样区域在轴向和侧向的像素点数，α、β分别代表X0和X1的中心区域轴向和侧向的距离。当得到最小的ε值时，利用两幅图像获取的时间差及α、β即可获知血流的运动方向和速度。

目标追踪法的空间分辨率由采样区域的大小决定，速度分辨率由图像的帧频及搜索区域的大小决定，测量精度依赖于图像的质量。这类方法最主要的优点在于方便对血流速度进行多维检测，为人体血液循环的重现提供基础。但对于超声散斑测速技术来说，当以红细胞作为散射子时，信噪比偏低[14]，采用造影剂作为散射子时，需要高剂量。超声粒子图像测速技术也需要引入超声微泡等造影剂。针对现有系统的缺陷性，近年来的研究主要集中在对于超声扫描方式的改进上，包括采用阵列式换能器[12,20]、平面波扫描[21-23]、合成孔径成像[9,24]等。

此外，针对目标追踪法需要多幅图像的缺点，Xu T等[25-27]研究发现在运动血流成像中，散斑的拉伸程度与血流速度存在一定的线性关系，利用这一点，就可在单张血流图像的基础上对血流速度进行估算。

总体来说，目标追踪法主要有两方面的进步空间：一为提高帧频速率以推进对心脏等复杂生理结构器官内的复杂血流以及涡流信息的研究[24,28]，二为找到合适的方法以提高散斑图的稳定性，从而避免造影剂的使用。此外，还可以考虑结合不同方法的优点，从而达到各个方向上的最优测量[29]。

2.2 时延估计法

时延估计[30-32]是现代信号处理中信号检测与参数提取问题的一个重要组成部分，其研究的基本问题为根据所接收到的目标信号准确、快速地估计和测定出接收信号相对于基准时间的延迟，或者是所接收的不同信号之间由于传播距离的不同所导致的相对的时间延迟。设s(n)为源信号，x1(n)和x2(n)分别是接收的2个信号：

其中，x1(n)和x2(n)为噪声信号，D为到达两传感器的时间差。计算x1(n)和x2(n)的相关函数，有

其中，Rss(·)表示信号s的自相关函数，Rsv(·)表示s和v的互相关函数。在工程上，可以认为信号和噪声是互不相关的，则有

可知，当τ-D=0时，Rss(·)达到最大值。因此，选择Rss(τ-D)取得最大值的τ作为时间延迟D的估值。

式(9)中，arg[]表示取函数的自变量，max[]表示求函数的最大值。

总的来说，时延估计法对于血流的运动方向能方便的进行检测，从时移的正负即可判断血流是流向传感器还是背离传感器；另一方面，时延估计法的测速最大值的范围大于脉冲多普勒法。此方法应当在算法简洁度上继续提高，另外，它虽在理论上较为精确，但实际操作中可能带来的问题还有待模拟实验的结果分析。

3 总结

经过前面简单的原理介绍后，对多普勒频移法和非多普勒频移法做以下简单对比。对比结果如表1所示。

表1 多普勒频移法和非多普勒频移法对比Tab.1 Comparation between Doppler frequency shift and non-Doppler frequency shift

由此可看出：基于非多普勒频移的血流速度检测方法最大的优势在于可以对血流进行多维测量。传统的多普勒频移方法在对血流方向的检测中，需要将接收的信号与两路正交的参考信号分别解调得到两路正交的音频多普勒信号对，通过信号对来判定血流的方向。而非多普勒频移法多是基于多维，因此，血流方向的检测能够方便进行，从而可以用来测量血流方向混乱不规则部位，如动脉阻塞引起的湍流部位、血管分叉或改变方向引起的紊乱血流部位等。

在临床应用中，常规的超声多普勒频移血流速度测量方法所存在的夹角依赖性、频率混淆、低速血流测量效果差等缺陷制约了它的发展。横向多普勒法、混沌调频连续波法等的提出也为弥补常规方法的缺陷提供了可能，目前只需进一步做体内体外实验以验证方法的准确性及稳定性。因此，常规超声多普勒频移法的主要局限性在于只能测量一维血流速度。但需指出的是，超声多普勒频移血流速度测量方法成本低、实现快、对患者和使用环境没有特殊需求、能提供不同生理状态下峰值速度的即时信息。因此，短期内超声多普勒频移法将仍是临床中血流速度检测的主要使用方法。

4 前景展望

目前伴随着人口老龄化，医疗保健的发展呈现家庭化趋势，这就对医疗监测设备使用的可操作性和便携性提出了更高的要求。《2012世界卫生统计报告》指出，心血管疾病已成为威胁人类生命和健康的头号杀手，血流速度这一心血管疾病重要指标的检测将向更精确、范围更广的临床应用以及家用、便携化方向发展。

在家用生理参数检测仪方面，血压、血氧含量等生理参数的检测已经达到了家庭化、便携化。随之而来，血流速度检测也在向该目标迈进，目前已开展了一些该方向的研究[33]。便携式血流速度检测仪的研究将会主要集中在微型超声探头以及微型收发传感器等方面，这也是超声血流速度检测的重要发展方向之一。

在临床诊疗中，一维的血流速度检测不能完整重现血流状况，给疾病诊断带来了阻碍。考虑到人体解剖结构以及血管分布的复杂性，以及检测系统的可操作性，临床诊疗中超声血流速度检测将向两个方向发展：多维检测，高效高精度算法实现。

多维血流速度检测方法能够提供更精细范围内的血流速度信息，并能对不同方向血流的速度进行方便的检测，从而提供血管内部的实际构造以及血管内湍流、急流的方向速度，为病变部位的精确诊断和分析提供更详细的信息。

因此，在未来的血流速度检测技术研究中，能够实现多维测量的方法将会是研究热点。目前，针对多维血流速度检测已提出了多种方法。但目前这些方法大多是基于体外血流模型进行的模拟测量。在实际临床应用中，不同疾病的特性以及个体差异性使得人体内的血管分布较为复杂，不同检测部位会包含不同特性组织的运动对超声的反射，复杂的病变部位会呈现异常结构，这些都可能对临床中的实际应用造成阻碍。因此，要想将多维血流速度测量方法运用到临床中去，设计更为复杂的体外血流模型以及病理模型以测试血流检测系统的有效性和鲁棒性是必要的，这也是超声血流速度检测的重点研究方向之一。

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