彩色速度成像及血流定量技术
作者：张琦
单位：上海第二军医大学长海医院超声科，上海 200433
关键词：
中国医学影像技术000637[中图分类号] R445.1 [文献标识码] A
[文章编号] 1003-3289(2000)06-0497-03
1 前言
无创性血流速度及血流量的超声准确测量一直是人们追求的目标。这些血流动力学资料对于许多疾病，尤其是血管性疾病的诊断有较大的帮助。80年代后期彩色双相多普勒技术(CDI)将彩色显示叠加在灰阶B超图像上，经彩色编码血流动力学数据和解剖学信息组合起来的视觉图像比先前的技术具有较大的优越性。但由于多普勒技术基础物理方面的局限性，其应用有一定的限度，在血流定量方面尤为突出[1]。血管内血流流速分布遵循流体动力学规律，其“流速剖面”分布是一个随时间变化的变数，使用频谱多普勒曲线的包络线积分只能获得“空间平均流速”的时间平均值，在理论上不可能获得血流量数据。近年来经过超声医学、超声工程学、电子学和计算机学专业人员的努力，于1996年诞生了使用新原理与新技术进行超声血流成像及定量的新方法，这就是彩色速度成像技术(color velocity imaging;CVI)或称时域相关技术(time domain correlation;TCD)。该技术不采用多普勒频移，而是利用包括灰阶B阶扫描在内的时间数据获取所需血流流速信息来建立彩色血流图像，可以避免以多普勒为基础的彩色血流技术所固有一些限制[1]，对血管结构的血流动力学评价可信度更高，使用价值更大。
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2 基本原理及技术
2.1 血流流速测定 参照徐智章教授的表述：入射声波抵达血流中红细胞的时间与红细胞产生散射回声返回探头的时间相等。红细胞与探头间的距离(d)为声速(c)与一次单程时间(t)的乘积，即d=ct。
(1)直接测定散射子群在单位时间内所流动的距离(时域法)：直接从时间与距离法计算散射子群的距离变化。
(2)时间标准的确定：应用脉冲发射中的脉冲重复周期(PRT)作为时间标准。在时域法中PRT必须稳定与提高其精度。PRT为两次脉冲的时距，PRT虽可调节，但对散射子群的速度测值不变。
(3)时域法完全不用多普勒(频移
表1 男性颈动脉两种方法测值比较(
±s)
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CVI
Doppler
RI
P
左侧
Vmax
94.17±24.35
97.76±24.08
0.971
<0.001
RI
0.759±0.064
0.743±0.057
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0.910
<0.001
右侧
Vmax
91.96±23.89
97.96±24.97
0.954
<0.001
RI
0.789±0.052
0.783±0.055
0.902
, 百拇医药
<0.001
表2 女性颈动脉两种方法测值比较(±s)
CVI
Doppler
RI
P
左侧
Vmax
77.44±18.51
83.60±19.90
0.959
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<0.001
RI
0.733±0.054
0.719±0.047
0.904
<0.001
右侧
Vmax
73.95±19.18
79.49±18.22
0.955
<0.001
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RI
0.736±0.058
0.734±0.061
0.927
<0.001
法)原理，因此它避免了以多普勒为基础的彩色血流技术所固有的一些限制。
时域法测量血流速度的原理可简化为：两次脉冲时间内红细胞群回波的时间差(CVI可测)→红细胞群的位移→红细胞群的流速，其示意图如图1。
图1 时域法测量示意图
时域法测量公式：
(1)
(2)
(3)
(4)
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T1：第一次回波时间；T2：第二次回波时间；T：二次发射脉冲的时距，即脉冲重复周期(PRT)；C：声波在组织中的传播速度(1540m/s)；V：红细胞群的流速；ΔT：两次回波的间隔时间。
时域法与多普勒法有相同的角关系。当声束与血管方向成θ角时，V
2.2 血流量的测量 由于血管(特别是动脉)内血流量随心动周期中不同时相变化，故将时间分成小片段(称“瞬时”，每一小片段10ms)。每小片段瞬时流量不同，累加连续相继的瞬时流量既可获得该处血管内血流量。
(1)瞬时血流量：根据瞬时血管截面与瞬时管腔内的流速剖面分布，经复杂计算获得。
(2)每秒血流量：叠加相继100次的瞬时血流量，获得每秒血流量(10ms×100=1s)
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(3)每分血流量：每秒血流量×60=每分血流量。
血流量测定技术的核心为多道选通门法获得瞬时流速剖面曲线；及对瞬时血管内腔分割为同心多环面积。
3 模拟实验及动物实验
3.1 Maulik D等对时域法作模拟实验及活体羊实验 ①时域法与频移法对峰值流速测值相关良好，r=0.963，P<0.0001。②流量测定与实际流量相比相关良好，r=0.968，P<0.0001。③时域法与渡越时间法在实验活体羊中流量测定相比，r=0.943，P<0.0001。故时域法在测定血流量及测量峰值流速方面应认为达到高度可信[3]。
3.2 Levy DJ等使用生物模型来验证CVI-Q准确性 他们采用猪动脉(直径4～14mm)与灌注泵组成循环模型，流量0～1000ml/min，CVI-Q法测得流量与实际值相比，当流量为400～600ml/min时相关良好，r=0.98～0.99；当流量较大时，相差较显著。相关程度与血管直径有一定关系[4]。
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3.3 Winkler AJ等使用模拟循环装置，用真实流量50～824ml/min对不同频移法超声仪器中峰值流速、平均流速计算流量并与时域法流量计算作比较。在HP SONOS 1000中高估+9.2%～+39.1%；ATL Ultramark 9中高估+6.0%～77.9%；Acuson 128XP/10中高估+2.3%～37.5%；Seimens-Quantum QAD中低估-33.6%～-10.8%；而CVI(时域法)中为-3.1%～+0.5%[5]。
3.4 Forsberg P等对体外模拟颈动脉、股动脉血流和狗的颈动脉，股动脉血流量用CVI-Q及超声流量计两种方法测量比较：①体外实验中，当血流量>100ml/min时，误差为±5%，超声流量计对于低流量误差较大；②动物实验中，两种方法测量的相关系数r=0.73～0.93，SD为20%～28%，相关性较好[6]。
4 临床应用初步探讨
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4.1 我们对60名正常健康人(男、女各30名)的颈动脉用CVI及脉冲多普勒方法分别测量流速并进行对照，结果如表1、2。
从表中可以看出，CVI及Doppler两种方法检测颈动脉Vmax、RI相关性好，P均小于0.001[7]。
4.2 Weskott HP等将CVI与脉冲多普勒两种方法测量50例脑血管和50例周围血管的最大流速进行比较，两者相关非常显著，r＝0.992，P<0.0001[8]。Deane CR等测18例自愿者颈总动脉、颈内动脉及颈外动脉流量，结果为颈总动脉376ml/min，颈内动脉255ml/min，(颈内动脉+颈外动脉)/颈总动脉=0.95±0.11。
4.3 Knappertz VA等将CVI-Q应用于临床脑血管病的研究。他们选择了4例病人，用CVI-Q测量血管流速率(VFR)变化以阐明血管通畅情况。另用二氧化碳或乙酰苯胺注射来估计颈动脉阻塞患者的脑血管贮备能力，还可判断预后：①估计颈内动脉(ICA)阻塞病变的脑血管储备；②明确畸形脑动静脉的血供；③得到锁骨下改道现象的量值；④分析蛛网膜下腔出血后的颅内血管收缩影响[9]。
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4.4 Alcazar JL等用经阴道CVI研究妊娠早期3个月黄体血流状况，结果显示在正常妊娠时早期3个月黄体血流的PI、RI无明显差异[10]。Huisman TWA等用CVI评估胎儿三种血管的分流，包括静脉导管(胎儿腹内脐静脉)、动脉导管及卵圆孔，这些分流早在妊娠14周时就能用CVI显示，结果显示：静脉导管中的流速明显高于下腔静脉，有助于区分两种血管；由于原始房间隔的运动和心房的收缩，卵圆孔的显示有一定困难；动脉导管内的血流速度高于胎儿循环中任何血管的血流速度。CVI提供了一种新的非创伤性方法评价胎儿血流，尤其是胎儿出生前的血管分流，检测同一血管内血流速度的不同对于将来心血管研究提供了较有前景的手段。
4.5 Harkanyi Z等用CVI及CVI-Q测量脾门系统血流流速及流量研究表明：①CVI技术显示内脏静脉血流的时间、空间分辨率高，穿透力强；②CVI与频谱多普勒(PD)测量内脏静脉平均峰值流速无明显差异，直接速度测量可用于脾门系统的峰值速度测量(见表3)；③如果门静脉主干(MPV)、肠系膜上静脉(SMV)及脾静脉(SV)用CVI技术能清晰显示，那么它们的血流量即可用CVI-Q测量，但血管段的选择、呼吸动度的协调及角度的调整对结果的准确性和可重复性均非常重要，这方面应用还有待于进一步的动物实验和人体研究证实。
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表3 CVI与PD两种方法测量正常人脾门系统的平均峰值速度(cm/s)
PD(±s)
CVI(±s)
MPV
23.5±6.77
22.3±5.72
SV
21.8±8.82
19.3±5.0
, 百拇医药
SMV
19.4±1.02
22.7±2.17
5 彩色速度成像技术与彩色双相多普勒技术的比较
5.1 彩色双相多普勒的限制[1] ①相对较低的空间分辨率(与灰阶双相声谱仪比较)；②相对较低的帧数或扫描线密度(与灰阶双相声谱仪比较)；③添改平均扫描线使帧数增加；④在低脉冲重复频率时产生aliasing现象；⑤为提高彩色显示的素质作一定的B超影像降级；⑥一般缺乏全彩色视野能力；⑦相对需要较高的输出功率(与灰阶双相声谱仪比较)。
5.2 彩色速度成像的潜在优点 ①增加彩色资料的空间分辨率，显示更多血液动态资料；②潜在128线的真正彩色资料；③全新色视野能力；④没有aliasing现象；⑤低功率输出；⑥流动的数量评定；⑦组织活动的评定；⑧最高速度的彩色显示；⑨由彩色资料制成的棒形图及体积流动资料。
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6 目前国内彩色速度成像系统现状
6.1 目前国内只有Philips 800与HP 8500超声仪有CVI及CVI-Q技术，在临床应用上也有一定的限制：①只有线阵7.5MHz探头可应用此项技术；②只能用于浅表血管，包括颈部与四肢血管；③血管直径必须>3mm，可保证测值准确、可靠。
6.2 CVI及CVI-Q方法操作要点 ①取血管的直行部分，无扭曲或湍流；②血管中心取样，即沿血管长轴扫描，图像中血管壁应清晰可见；③血管内径>3mm；④声束与血管长轴的夹角应在30°～70°之间，最好在45°～65°之间，校正应尽量准确，此时误差最小；⑤取适当的彩色增益；⑥取尽可能低的彩色速度标尺而又无彩色倒错；⑦满意的流速及流量曲线。
7 应用前景
CVI及CVI-Q技术理论上为血流量最准确的评价方法，模拟实验及动物实验也证实其测量血流速度及血流量准确性高，可靠性强，因此该方法拓宽了超声在临床的应用范围，尤其在血管性疾病的诊断方面有更大的应用前景。其使用价值还有待于进一步的临床应用研究来证实。
, 百拇医药
作者简介：张琦(1965—)，女，扬州人，硕士学位，主治医师，讲师。研究方向：心血管疾病的超声诊断。
[参考文献]
[1] Tegeler CH,Kremkau FW,Hitchings LP.Color velocity imaging:introduction to a new ultrasound technology[J].J Neuroimag,1991,1:85-90.
[2] Lee W,Bendick P,Best AM,et al.Time-domain ultrasonography during pregnancy[J].J Ultrasound Med,1994,13:457-463.
[3] Maulik D,Dadado T,Downing G,et al.In vitro and in vivo validation of time domain velocity and flow measurement technique.Presented at 3rd World Congress in Ultrasound on Obstetrics and Gynecology[M].October Las Vegas,1993.
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[4] Levy DJ,Westra SJ,Sayre J,et al.Validation of volume flow measurement in blood vessels with quantitative color velocity imaging using a physiologic model of the circulation[J].Acad Radiol,1996,3(5):383-388.
[5] Winkler AJ,Wu J,Case T,et al.An experimental study of the accuracy of volume flow measurements using commercial ultrasound systems[J].J Vascular Tech,1995,19(4):175-180.
[6] Forsberg F,Liu JB,Russell KM,et al.Volume flow estimation using time domain correlation and ultrasonic flowmetry[J].Ultrasound in Med & Biol,1995,21(8):1037-1045.
, http://www.100md.com
[7] 张琦，李寒.彩色速度成像及脉冲多普勒测量正常人颈总动脉流速对照[J].中国临床医学影像杂志，1999，10(3)：161-163.
[8] Weskott HP,Andreesen H,Krankenhaus S,et al.Frequency domain (PW-Doppler) versus Time Domain (color velocity imaging) method:velocity measurements in superficial arteries[C].Presented at American Institute of Ultrasound in Medicine Proceedings 37th Annual Convention.March,1993,15-18.
[9] Knappertz VA,Myers LG,Tegeler CH.Clinical cerebrovascular applications of arterial ultrasound volume flow rate estimates[J].Journal of Neuroimaging,1996,6(1):1-7.
[10] Alcazar JL,Acosta MJ,Laparte C,et al.Assessment of luteal blood flow in normal early pregnancy[J].J Ultrasound Med,1996,15:53-56.
(收稿日期：1999-11-26), 百拇医药
单位：上海第二军医大学长海医院超声科，上海 200433
关键词：
中国医学影像技术000637[中图分类号] R445.1 [文献标识码] A
[文章编号] 1003-3289(2000)06-0497-03
1 前言
无创性血流速度及血流量的超声准确测量一直是人们追求的目标。这些血流动力学资料对于许多疾病，尤其是血管性疾病的诊断有较大的帮助。80年代后期彩色双相多普勒技术(CDI)将彩色显示叠加在灰阶B超图像上，经彩色编码血流动力学数据和解剖学信息组合起来的视觉图像比先前的技术具有较大的优越性。但由于多普勒技术基础物理方面的局限性，其应用有一定的限度，在血流定量方面尤为突出[1]。血管内血流流速分布遵循流体动力学规律，其“流速剖面”分布是一个随时间变化的变数，使用频谱多普勒曲线的包络线积分只能获得“空间平均流速”的时间平均值，在理论上不可能获得血流量数据。近年来经过超声医学、超声工程学、电子学和计算机学专业人员的努力，于1996年诞生了使用新原理与新技术进行超声血流成像及定量的新方法，这就是彩色速度成像技术(color velocity imaging;CVI)或称时域相关技术(time domain correlation;TCD)。该技术不采用多普勒频移，而是利用包括灰阶B阶扫描在内的时间数据获取所需血流流速信息来建立彩色血流图像，可以避免以多普勒为基础的彩色血流技术所固有一些限制[1]，对血管结构的血流动力学评价可信度更高，使用价值更大。
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2 基本原理及技术
2.1 血流流速测定 参照徐智章教授的表述：入射声波抵达血流中红细胞的时间与红细胞产生散射回声返回探头的时间相等。红细胞与探头间的距离(d)为声速(c)与一次单程时间(t)的乘积，即d=ct。
(1)直接测定散射子群在单位时间内所流动的距离(时域法)：直接从时间与距离法计算散射子群的距离变化。
(2)时间标准的确定：应用脉冲发射中的脉冲重复周期(PRT)作为时间标准。在时域法中PRT必须稳定与提高其精度。PRT为两次脉冲的时距，PRT虽可调节，但对散射子群的速度测值不变。
(3)时域法完全不用多普勒(频移
表1 男性颈动脉两种方法测值比较(
±s), 百拇医药
CVI
Doppler
RI
P
左侧
Vmax
94.17±24.35
97.76±24.08
0.971
<0.001
RI
0.759±0.064
0.743±0.057
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0.910
<0.001
右侧
Vmax
91.96±23.89
97.96±24.97
0.954
<0.001
RI
0.789±0.052
0.783±0.055
0.902
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<0.001
表2 女性颈动脉两种方法测值比较(
±s)CVI
Doppler
RI
P
左侧
Vmax
77.44±18.51
83.60±19.90
0.959
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<0.001
RI
0.733±0.054
0.719±0.047
0.904
<0.001
右侧
Vmax
73.95±19.18
79.49±18.22
0.955
<0.001
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RI
0.736±0.058
0.734±0.061
0.927
<0.001
法)原理，因此它避免了以多普勒为基础的彩色血流技术所固有的一些限制。
时域法测量血流速度的原理可简化为：两次脉冲时间内红细胞群回波的时间差(CVI可测)→红细胞群的位移→红细胞群的流速，其示意图如图1。
图1 时域法测量示意图
时域法测量公式：
(1) (2) (3) (4), http://www.100md.com
T1：第一次回波时间；T2：第二次回波时间；T：二次发射脉冲的时距，即脉冲重复周期(PRT)；C：声波在组织中的传播速度(1540m/s)；V：红细胞群的流速；ΔT：两次回波的间隔时间。
时域法与多普勒法有相同的角关系。当声束与血管方向成θ角时，V
2.2 血流量的测量 由于血管(特别是动脉)内血流量随心动周期中不同时相变化，故将时间分成小片段(称“瞬时”，每一小片段10ms)。每小片段瞬时流量不同，累加连续相继的瞬时流量既可获得该处血管内血流量。
(1)瞬时血流量：根据瞬时血管截面与瞬时管腔内的流速剖面分布，经复杂计算获得。
(2)每秒血流量：叠加相继100次的瞬时血流量，获得每秒血流量(10ms×100=1s)
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(3)每分血流量：每秒血流量×60=每分血流量。
血流量测定技术的核心为多道选通门法获得瞬时流速剖面曲线；及对瞬时血管内腔分割为同心多环面积。
3 模拟实验及动物实验
3.1 Maulik D等对时域法作模拟实验及活体羊实验 ①时域法与频移法对峰值流速测值相关良好，r=0.963，P<0.0001。②流量测定与实际流量相比相关良好，r=0.968，P<0.0001。③时域法与渡越时间法在实验活体羊中流量测定相比，r=0.943，P<0.0001。故时域法在测定血流量及测量峰值流速方面应认为达到高度可信[3]。
3.2 Levy DJ等使用生物模型来验证CVI-Q准确性 他们采用猪动脉(直径4～14mm)与灌注泵组成循环模型，流量0～1000ml/min，CVI-Q法测得流量与实际值相比，当流量为400～600ml/min时相关良好，r=0.98～0.99；当流量较大时，相差较显著。相关程度与血管直径有一定关系[4]。
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3.3 Winkler AJ等使用模拟循环装置，用真实流量50～824ml/min对不同频移法超声仪器中峰值流速、平均流速计算流量并与时域法流量计算作比较。在HP SONOS 1000中高估+9.2%～+39.1%；ATL Ultramark 9中高估+6.0%～77.9%；Acuson 128XP/10中高估+2.3%～37.5%；Seimens-Quantum QAD中低估-33.6%～-10.8%；而CVI(时域法)中为-3.1%～+0.5%[5]。
3.4 Forsberg P等对体外模拟颈动脉、股动脉血流和狗的颈动脉，股动脉血流量用CVI-Q及超声流量计两种方法测量比较：①体外实验中，当血流量>100ml/min时，误差为±5%，超声流量计对于低流量误差较大；②动物实验中，两种方法测量的相关系数r=0.73～0.93，SD为20%～28%，相关性较好[6]。
4 临床应用初步探讨
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4.1 我们对60名正常健康人(男、女各30名)的颈动脉用CVI及脉冲多普勒方法分别测量流速并进行对照，结果如表1、2。
从表中可以看出，CVI及Doppler两种方法检测颈动脉Vmax、RI相关性好，P均小于0.001[7]。
4.2 Weskott HP等将CVI与脉冲多普勒两种方法测量50例脑血管和50例周围血管的最大流速进行比较，两者相关非常显著，r＝0.992，P<0.0001[8]。Deane CR等测18例自愿者颈总动脉、颈内动脉及颈外动脉流量，结果为颈总动脉376ml/min，颈内动脉255ml/min，(颈内动脉+颈外动脉)/颈总动脉=0.95±0.11。
4.3 Knappertz VA等将CVI-Q应用于临床脑血管病的研究。他们选择了4例病人，用CVI-Q测量血管流速率(VFR)变化以阐明血管通畅情况。另用二氧化碳或乙酰苯胺注射来估计颈动脉阻塞患者的脑血管贮备能力，还可判断预后：①估计颈内动脉(ICA)阻塞病变的脑血管储备；②明确畸形脑动静脉的血供；③得到锁骨下改道现象的量值；④分析蛛网膜下腔出血后的颅内血管收缩影响[9]。
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4.4 Alcazar JL等用经阴道CVI研究妊娠早期3个月黄体血流状况，结果显示在正常妊娠时早期3个月黄体血流的PI、RI无明显差异[10]。Huisman TWA等用CVI评估胎儿三种血管的分流，包括静脉导管(胎儿腹内脐静脉)、动脉导管及卵圆孔，这些分流早在妊娠14周时就能用CVI显示，结果显示：静脉导管中的流速明显高于下腔静脉，有助于区分两种血管；由于原始房间隔的运动和心房的收缩，卵圆孔的显示有一定困难；动脉导管内的血流速度高于胎儿循环中任何血管的血流速度。CVI提供了一种新的非创伤性方法评价胎儿血流，尤其是胎儿出生前的血管分流，检测同一血管内血流速度的不同对于将来心血管研究提供了较有前景的手段。
4.5 Harkanyi Z等用CVI及CVI-Q测量脾门系统血流流速及流量研究表明：①CVI技术显示内脏静脉血流的时间、空间分辨率高，穿透力强；②CVI与频谱多普勒(PD)测量内脏静脉平均峰值流速无明显差异，直接速度测量可用于脾门系统的峰值速度测量(见表3)；③如果门静脉主干(MPV)、肠系膜上静脉(SMV)及脾静脉(SV)用CVI技术能清晰显示，那么它们的血流量即可用CVI-Q测量，但血管段的选择、呼吸动度的协调及角度的调整对结果的准确性和可重复性均非常重要，这方面应用还有待于进一步的动物实验和人体研究证实。
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表3 CVI与PD两种方法测量正常人脾门系统的平均峰值速度(cm/s)
PD(
±s)CVI(
±s)MPV
23.5±6.77
22.3±5.72
SV
21.8±8.82
19.3±5.0
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SMV
19.4±1.02
22.7±2.17
5 彩色速度成像技术与彩色双相多普勒技术的比较
5.1 彩色双相多普勒的限制[1] ①相对较低的空间分辨率(与灰阶双相声谱仪比较)；②相对较低的帧数或扫描线密度(与灰阶双相声谱仪比较)；③添改平均扫描线使帧数增加；④在低脉冲重复频率时产生aliasing现象；⑤为提高彩色显示的素质作一定的B超影像降级；⑥一般缺乏全彩色视野能力；⑦相对需要较高的输出功率(与灰阶双相声谱仪比较)。
5.2 彩色速度成像的潜在优点 ①增加彩色资料的空间分辨率，显示更多血液动态资料；②潜在128线的真正彩色资料；③全新色视野能力；④没有aliasing现象；⑤低功率输出；⑥流动的数量评定；⑦组织活动的评定；⑧最高速度的彩色显示；⑨由彩色资料制成的棒形图及体积流动资料。
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6 目前国内彩色速度成像系统现状
6.1 目前国内只有Philips 800与HP 8500超声仪有CVI及CVI-Q技术，在临床应用上也有一定的限制：①只有线阵7.5MHz探头可应用此项技术；②只能用于浅表血管，包括颈部与四肢血管；③血管直径必须>3mm，可保证测值准确、可靠。
6.2 CVI及CVI-Q方法操作要点 ①取血管的直行部分，无扭曲或湍流；②血管中心取样，即沿血管长轴扫描，图像中血管壁应清晰可见；③血管内径>3mm；④声束与血管长轴的夹角应在30°～70°之间，最好在45°～65°之间，校正应尽量准确，此时误差最小；⑤取适当的彩色增益；⑥取尽可能低的彩色速度标尺而又无彩色倒错；⑦满意的流速及流量曲线。
7 应用前景
CVI及CVI-Q技术理论上为血流量最准确的评价方法，模拟实验及动物实验也证实其测量血流速度及血流量准确性高，可靠性强，因此该方法拓宽了超声在临床的应用范围，尤其在血管性疾病的诊断方面有更大的应用前景。其使用价值还有待于进一步的临床应用研究来证实。
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作者简介：张琦(1965—)，女，扬州人，硕士学位，主治医师，讲师。研究方向：心血管疾病的超声诊断。
[参考文献]
[1] Tegeler CH,Kremkau FW,Hitchings LP.Color velocity imaging:introduction to a new ultrasound technology[J].J Neuroimag,1991,1:85-90.
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(收稿日期：1999-11-26), 百拇医药