【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）是臨床超聲評估人體血流動力學(xué)變化的重要指標(biāo)之一，表示測量位置血流行進時遇到的前方阻力，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]。超聲血流評估具有無輻射、實時性的顯著優(yōu)勢，在頸動脈狹窄、經(jīng)顱多普勒、卵巢病變、胎兒腦中動脈、臍動脈、腎功能評估等臨床中得到廣泛應(yīng)用[1-8]。具體計算公式如下：

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）進行指標(biāo)評估，檢查手段的可靠性已得到普遍認(rèn)可。有別于傳統(tǒng)的PW掃查對超聲波束發(fā)射方向與血流實際運動方向夾角的依賴，超聲向量血流技術(shù)可測得人體血管內(nèi)紅細胞實際流速大小及方向[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RI評估的差異。VFI采用橫向波振蕩（transverse oscillation,TO）技術(shù)[12]實現(xiàn)血流向量速度的計算。TO是在傳統(tǒng)超聲多普勒聚焦波掃描基礎(chǔ)上，通過雙孔徑接收產(chǎn)生的橫向振蕩聲場實現(xiàn)的向量血流技術(shù)，具有實時性和計算量小的優(yōu)點，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]進行人體血流RI值評估。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]實現(xiàn)目標(biāo)掃查與速度計算，具有高幀率非實時的特點，在時間分辨率上具有顯著優(yōu)勢，可充分展示心動周期內(nèi)的豐富細節(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測量中的不同點。

1 數(shù)據(jù)采集方法

實驗中對10例年輕男性志愿者（年齡25～34歲）雙側(cè)頸總動脈起始段、中段、末段進行超聲掃查，檢查內(nèi)容包括PW及V Flow（無創(chuàng)超聲檢查），對比測量時確保掃查切面一致，所有志愿者均簽署知情同意書。1例樣本在右側(cè)頸總動脈末段（R-末段）的V Flow及PW測量示意，如圖1所示。

圖1 1例樣本的V Flow（左）及PW（右）測量示意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），配置探頭線陣L11-3U。其中，PW通過測量PS、ED值由超聲儀器直接計算得到RI，檢查過程中保證聲束與血流之間的夾角不大于60°。V Flow采集3 s時長的向量速度數(shù)據(jù)后在PW的相同取樣容積位置獲取流速曲線，導(dǎo)出至電腦端進行后處理得到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

實驗最終得到59組頸總動脈對照結(jié)果，除左側(cè)頸總動脈起始段為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)頸動脈起始段（R-起始段），右側(cè)頸動脈中段（R-中段）、右側(cè)頸動脈末段（R-末段）、左側(cè)頸動脈起始段（L-起始段），左側(cè)頸動脈中段（L-中段）、左側(cè)頸動脈末段（L-末段）。

V Flow與PW的PS、ED值分布對比，如圖2所示。其中，橫坐標(biāo)表示59例樣本編號（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（排序同圖2），橫線為RI誤差百分均值。此外，在V Flow模式下還可測得PS、ED兩個時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計算實際血流速度的示意如圖5所示。圖5中黑色箭頭為紅細胞實際流速，紅色及藍色箭頭為紅細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)射對目標(biāo)區(qū)域進行整場掃描，用戶使用角度校正線計算得到與實際流速接近的結(jié)果。角度校正線以血管走向為參考，多平行于血管壁設(shè)計。圖5中用戶根據(jù)單一藍色速度分量計算黑色箭頭速度，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右圖綠色虛線框內(nèi)所示）內(nèi)收縮期向量速度的絕對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)的一個特例。理想狀態(tài)下，血流為層流分布，血流實際走向與血管壁平行，即式(3)、(4)結(jié)果是相同的。但實際中，常常有流速最大值非中軸線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)與實際情況更加匹配。本研究中對應(yīng)的V Flow及PW模式下的RI分析分別對應(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刻的流速角度差，式(6)表示同一位置一段時間內(nèi)的平均速度方向（NA為此段時間參與計算的角度數(shù)量），式(7)表示同一時刻兩個不同位置的流速角度差，式(8)表示兩個不同位置一段時間內(nèi)的平均流速角度差。下面針對式(5)的結(jié)果進行分析。

表1所示為59例樣本PS、ED、RI均值對照，從結(jié)果可知V Flow模式下PS、ED均值相比PW均值較小（見圖2），且均具有統(tǒng)計學(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測值相對PW更小，由式(1)可知，RI值是基于PS和ED的相對值計算得到的，由于PS和ED的相對誤差不同，因此導(dǎo)致V Flow的最終計算結(jié)果與PW存在一定誤差（約10.25%），并且具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.000 1）。

表2所示為6個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均值后再計算RI及誤差；表2中各樣本分別計算RI，再得到各自的對應(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個不同掃查部位及總的PS、ED時刻角度差均值及標(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，V Flow與PW有兩種成像模式，在計算PS、ED時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)本身的實現(xiàn)不同所致。V Flow計算的是平均速度而基于包絡(luò)的PW得到的測值會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胞的最大速度。因此PW的測值（基于包絡(luò)曲線）應(yīng)高于V Flow的測值[17]。本研究結(jié)果也證實了此推斷，即兩種方法的速度測值具有統(tǒng)計學(xué)差異，且差異顯著（P＜0.000 1）。此外，在低速時，V Flow的測量靈敏度不如PW。這和技術(shù)本身有關(guān)，因為PW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測量誤差的主要來源。這也是為什么相比PS，ED測值比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。這與該位置血流動力學(xué)環(huán)境復(fù)雜有較大關(guān)系，從數(shù)據(jù)上可見PS、ED時刻血流角度存在較大偏差（13.30°），而V Flow與PW兩種掃描方式對此部位的血流速度計算存在原理上的差別。PW僅采用一種統(tǒng)一的發(fā)射方向進行超聲掃描，用戶須手動角度校正（見圖1右）以獲得接近準(zhǔn)確的流速值。在整個PW掃查過程中，使用同一個流速校正角度對流速進行計算。如果PS和ED時刻的血流速度方向改變較大將造成得到的流速值計算出現(xiàn)偏差，這在傳統(tǒng)的PW工作方式下是無法避免的。而在V Flow模式下速度提取過程不受血流內(nèi)環(huán)境角度影響，可直接得到實際的流速矢量，這是V Flow區(qū)別于PW的顯著優(yōu)勢。因此，PS、ED時刻的角度差可能是兩種計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、末段進行分析得各段RI誤差均值分別為15.71%、10.40%、10.12%（見表4）。當(dāng)我們僅取頸動脈中段做分析時，其結(jié)果與PEDERSEN等[11]更加接近。此外，兩種向量速度計算方式與PW的誤差在PS時刻均小于ED時刻，這進一步說明了低速血流的測量誤差更大，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個健康志愿者雙側(cè)頸動脈各一個位置共計32組數(shù)據(jù)，而本研究在10個志愿者雙側(cè)頸動脈起始段、中段、末段共計6處位置進行數(shù)據(jù)采集。志愿者及檢測部位的差異均是影響因素。其次是向量速度的計算原理區(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)上通過雙孔徑接收產(chǎn)生的橫向振蕩聲場實現(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，兩者的向量速度計算過程存在一定差異。再者是因為PW非金標(biāo)準(zhǔn)，其算法本身存在缺陷。由于血流速度的實際方向是不確定的，根據(jù)血管走勢進行的角度校正，很可能也是不準(zhǔn)確的[17]，從而影響PS和ED的測值精度。本研究對比的兩種技術(shù)測值具有顯著統(tǒng)計學(xué)差異。結(jié)果表明，PW的速度測值大于V Flow，而對于ED測值，通常情況下（尤其是健康志愿者）它的絕對值相對于PS要低得多，由于PW算法的缺陷，其測值理論上高于實際值的相對幅度也比PS多。這與本研究的對比結(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測值的角度誤差考慮進去后，可對PW測值進行相應(yīng)補償，得到校正后的基于PW的RI測值。

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

式中：vPS和vED為校正前PW測值，θ為PW測量時基于血管走形得到的速度方向，而μ1和μ2為V Flow的角度測量結(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測值為：

將式(9)和(10)代入式(11)得到：

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

圖6 兩種測量方法（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

定量分析頸動脈阻力指數(shù)RI測量結(jié)果后可知，PW和V Flow測值的相對誤差約為12%。V Flow掃描方式可獲得PW無法直接測量的不同時刻之間的血流角度差異，且可直接獲得血流實際運動速度（大小及方向），這是傳統(tǒng)PW掃描方式無法實現(xiàn)的。實驗數(shù)據(jù)表明，V Flow與PW的測值具有非常顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。V Flow的PS和ED測值小于PW，RI測值則大于PW。這是不同技術(shù)本身帶來的固有誤差。通過角度校正補償，PW的測值會更加接近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，在血流動力學(xué)環(huán)境復(fù)雜部位，V Flow測量結(jié)果與PW之間誤差相對較大，這是未來需要進一步深入分析的方向。