彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量的不确定度评定与表示

黄海旭

（莆田市计量所，福建 莆田 351100）

彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量的不确定度评定与表示

黄海旭

（莆田市计量所，福建 莆田 351100）

文章以弦线式多普勒模体为例，分析了彩色多普勒超声诊断仪关于血流测量部分的校准过程，并建立彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量不确定度的数学模型，对血流速度测量过程中引入的不确定度进行分类和量化，较为全面地评定了各个不确定度分量，并求出了血流设定速度分别为50cm/s和100cm/s的相对扩展不确定度。

彩色多普勒超声诊断仪；血流速度；不确定度

1 引言

彩色多普勒超声诊断仪，简称彩超，广泛应用于腹部脏器、心血管、小器官等的诊断，它不仅拥有二维超声图像所具备的所有优点，而且也能给使用者提供丰富的血流速度和血流方向等血流动力信息，因此在临床上，人们形象的称之为“非创伤性血管造影”。在彩色多普勒超声诊断仪显示的血流图像上，人们通常使用红色和蓝色这两种常见颜色来区分血流方向（当血流与探头朝向一致时，用红色表示；当血流与探头朝向相反时，则用蓝色表示）[1]。用彩色亮度表示血流速度，彩色明亮的程度体现在随着速度的逐渐增大而变亮。彩超通过发射超声可以获得相应器官的血管运动状态，通过解析血流的时相、速度，能够明显地发现分流和返流，所以对血流束的起源、宽度、长度、面积等指标可以进行定量分析[2]。因此血流速度测量的准确与否，直接关系到医生对相关疾病的诊断与治疗。文中对于彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量的不确定度评定为其测量量值的准确可靠提供了校准参考。

2 彩色多普勒超声诊断仪（血流测量部分）主要计量特性和校准

2.1 概述

彩色多普勒超声诊断仪（血流测量部分）的测量与校准，通常可以采用6种方法，分别是弦线式、条带式、圆盘式、活塞式、小球式和仿血流式[3]。文中将重点对使用弦线式模体的校准方法进行探讨，弦线式多普勒模体主要功能模块包括伺服控制系统、水槽、数字控制器和探头固定装置等，并将吸声材料铺在槽底[3]。弦线式多普勒模体操作简单，容易学习，量传方便科学，具有其他体模无法比拟的优势，主要体现在测量流体速度、解析被测参数数值和确定多普勒频谱算法上，该体模的校验软件更具有准确性，大大减小了测量误差；且该体模还内置多种人体生理血流波形，可以有效地验证彩超及频谱多普勒能否准确地检测人体的血流分布信息。因此文中将以弦线式多普勒模体为例对彩色多普勒超声诊断仪（血流测量部分）整个校准过程进行分析。

2.2 测量前准备

检测前，需将弦线式仿血管模体、驱动器、储液器、流量计等各组件连接成一个闭合的通道，同时确保这个闭合通道内气泡被全部且有效的排干净，在稳定一段时间后，观察悬浮颗粒，等待悬浮颗粒在仿血液模体中的分布逐渐均匀后才能开始测量，这样就可以有效避免检测过程中闭合通道内气泡的出现。

2.3 校准过程

彩色多普勒超声诊断仪血流探测深度测量：将探头的扫描面放在模体的液面下，与模拟血管的弦线对准；弦线在图像上清晰显示可以通过调节彩超上面总增益、对比度和亮度等控制键来实现[1]。测量血流探测深度，测量方式：探头向弦线的深处移动直到彩色信号渐渐消失，后将测量探头退到彩色图像消失前那一刻所处的位置，冻结图像再用电子游标卡尺测量这个时候的弦线最远端深度，即可获得血流探测深度。

彩色多普勒超声诊断仪血流方向识别能力评价：将测量探头的扫描面放在模体的液面下同时对准两根并行且方向相反的弦线，然后调节彩超的相关控制键，即可获得清晰的弦线图像[1]。微动探头，可以清楚的观察到图像上颜色不同的且距离为2mm的血液流向。测量过程中可以通过变换血流方向（相对于探头），来观察血流图有没有发生红变蓝或者蓝变红的相应的颜色变化。

彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量：将探头的扫描面放在模体的液面下并对准模拟血管的弦线；通过调节被校仪器的总增益、亮度和对比度让弦线在图像上能够清楚的显示出来。测量血流速度时，适当的在弦线图像上选择出取样区，同时使用多普勒角度校正功能，平行测量3次的血流速度，然后取平均值，并通过计算获得它的相对误差。一般选择50cm/s和100cm/s这两个速度为测量点[1]。

3 彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量的不确定度评定

彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量的实际过程中，如果没办法准确地选择取样点的大小和位置，那就很难测量到比较真实的血液流速，所以需要操作人员必须熟练的调节被校彩超的总增益、对比度和亮度，使弦线在图像上清晰可辨；同时，流量计自身的误差、多普勒角校正误差、模体生产商提供模体主要材料的声学参数和血流速度修正因子等因素也给测量结果带来了不确定度。文中选取了以上几种影响度较高的因素来展开测量结果的不确定度评定来获得更加准确的校准结果。

3.1 概述

（1）测量依据：JJF1438-2013《彩色多普勒超声诊断仪(血流测量部分)校准规范》。

（2）环境条件：环境温度：（15～35）℃；湿度：（30～80）%RH 。

（3）测量标准：弦线式仿血流模体。

（4）被测对象：彩色多普勒超声诊断仪血流速度。

3.2 数学模型

3.2.1 数学模型

式中：Δv ——血流速度测量误差，cm/s ；

v——血流速度测量平均值，cm/s ；

v——血流速度设定值，cm/s 。

3.2.2 灵敏系数

3.2.3 传播率公式

3.3 彩色多普勒超声诊断仪血流速度输入量标准不确定的评定[4]

3.3.1 血流速度测量读数误差引起的不确定度分量u1；

3.3.1.1 血流速度测量重复性估算的标准不确定度u11：

在参考环境条件下，对一台彩色多普勒超声诊断仪血流速度进行10次测量，设定血流速度为50cm/s，测量结果如表1。

表1 血流速度为50cm/s时的彩色多普勒超声诊断仪血流速度的10次测量结果 单位cm/s

实际情况以3次测量算数平均值为测量结果，故取n=3 ，则得到。

附：当设定血流速度为100cm/s，测量结果如表2：

表2 血流速度为100cm/s时的彩色多普勒超声诊断仪血流速度的10次测量结果 单位cm/s

实际情况以3次测量算数平均值为测量结果，故取n=3 ，则得到。

3.3.1.2 彩色多普勒超声诊断仪分辨力引入的标准不确定度 u12：

弦线式多普勒模体的分辨力为0.1cm/s，设定血流速度为50cm/s，按均匀分布处理，则：

3.3.2 标准器设定值引入的标准不确定度u2：

3.3.2.1 标准器血流速度设定值引入的标准不确定度u21：

弦线式多普勒模体的模拟血流速度的设定值的最大允许误差为±5.0%，按均匀分布考虑，得：。

所以：当血流速度设定为50cm/s时，

当血流速度设定为100cm/s时，

3.3.2.2 多普勒角校正影响导致测量不准引入的标准不确定度u22：

多普勒角的大小对测量存在着相应的影响，根据AAPM(美国医学物理师协会)的相关报道和JJF1438-2013起草小组的大量试验，多普勒角变大，相对应的血流速度测量结果误差也就越大[5]，从计量校准最佳测量条件出发，一般将多普勒角设定为30°上下。

根据相关资料显示，若选择30°多普勒角进行血流速度测量时，当改变角度校正线时，测量数据产生明显变化，相差1度，引入的血流速度误差约为1.2%，按均匀分布考虑，得：

所以：当血流速度设定为50cm/s时，

当血流速度设定为100cm/s时，

3.4 合成标准不确定度评定

3.4.1 当血流速度设定值为50cm/s时，标准不确定度一览表如表3所示。

表3 流速设定值为50 cm/s时测量不确定汇总表单位：cm/s

同理当血流速度设定值为100cm/s时，标准不确定度一览表如表4所示。

表4 流速设定值为100cm/s时测量不确定汇总表单位：cm/s

3.4.2 合成标准不确定度的计算

当血流速度设定为50cm/s时：

3.5 彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量结果不确定度报告

在最佳测量能力条件下，取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

同理，当血流速度设定值为100cm/s时，U'=6.0cm/s。

因此，彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量结果不确定度为：

4 结束语

血流多普勒信号的三维彩色超声成像技术在血流的立体成像以及血流动力学的三维定量分析方面有着独特且重要的临床和科研价值，值得进行更为深入的研究，以求进一步提高其成像技术性能，进一步发掘其临床运用价值。文中浅谈了多普勒效应在超声诊断领域的应用，阐述了彩色多普勒超声诊断仪超声源多普勒血液流速、多普勒血液探测深度以及多普勒血液血流方向识别能力的测量，重点评定了彩色多普勒超声诊断仪血流速度测量的不确定度，根据JJF 1438-2013彩色多普勒超声诊断仪(血流测量部分)校准规范：多普勒超声诊断仪血流速度的最大允许相对误差为±20%，当血流速度设定值分别为50cm/s和100cm/s时，则最大允许误差分别为10cm/s和20 cm/s，计算得U ≤ 1/3MPE，符合JJF1033-2008计量标准考核规范[6]，因此文中不确定度评定结果合理可靠。

[1]JJF 1438-2013.彩色多普勒超声诊断仪(血流测量部分)校准规范 [S].中国计量出版社,2013.

[2]闫文杰. 彩超在诊断胎儿畸形中的作用及预防措施 [J].辽宁医学杂志.2011,02,08.

[3]夏勋荣,姚绍卫. JJF1438-2013《彩色多普勒超声诊断仪(血流测量部分)校准范》解读 [J]. 江苏现代计量.2014,05,30.

[4]JJF 1059.1-2012.测量不确定度评定与表示 [S].中国计量出版社,2012.

[5]段云友,曹铁生.多普勒角度校正功能对血流速度测量的影响 [J].中国临床医学影像杂志.1998,04.

[6]JJF 1033-2008.计量标准考核规范[S].中国计量出版社,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

黄海旭，男，莆田市计量所,检测一室副主任，助理工程师