胎儿脐动脉多普勒信号分数维测定的应用价值
作者：常才 张珏华 张振钧 吴晓峰 王威琪 余建国 汪源源
单位：200011 上海医科大学妇产科医院(常才，张珏华，张振钧)；上海复旦大学电子工程系(吴晓峰，王威琪，余建国，汪源源)
关键词：脐动脉；超声检查；多普勒；彩色；血流速度
中华妇产科杂志980305 【摘要】 目的 探讨脐动脉多普勒信号分数维测定在产科的应用价值。方法 将104例22～41周的妊娠妇女分为正常妊娠组(59例)、病理妊娠组(45例)。用彩色多普勒超声检测脐动脉并获得多普勒信号，将此信号以音频形式输入计算机中，对此信号进行处理并计算分数维。结果 正常妊娠组分数维1.83±0.03，病理妊娠组分数维异常率明显高于正常妊娠组(P<0.001)；比较脐动脉收缩期最大血流速度(S)与舒张末期血流速度(D)的比值(S/D值)，结果提示在病理妊娠组中，分数维异常率明显高于S/D比值异常率。同时，经直线相关分析，分数维与孕周有明显相关性(r=0.266)。结论 分数维是反映脐动脉血流复杂性的参数，较S/D比值更能客观地反映病理状态下脐动脉血流的变化。因此，分数维是一项较好的脐动脉血流参数，值得进一步研究、推广。
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The Evaluation of Umbilical Arterial Doppler Spectrum Fractal Characterization in Obstetrics Chang Cai, Zhang Juehua, Zhang Zhenjun, et al. Obstetrics and Gynecology Hospital of Shanghai Medical University, Shanghai, 200011
【Abstract】 Objective To evaluate the clinical value of fetal umbilical arterial Doppler spectrum fractal. Methods 104 cases with 22～41 gestational weeks were included, and divided into two groups: normal pregnant group, 59 cases; abnormal pregnant group, 45 cases. Umbilical arterial Doppler spectrum were obtained by color Doppler ultrasound, then Doppler signal were transformed into computer through sound-frequency, and fractal were calculated. Results The fractal was 1.83±0.03 in normal pregnant group. The frequency of abnormal fractal was significantly higher in abnormal pregnant group than that in normal pregnant group (P<0.001). Compared with the ratio of peak systolic to lowest diastolic flow velocity (S/D), the fractal was more sensitive than S/D ratio in abnormal pregnancy (P<0.05). There were significant correlation between fractal and gestational weeks (r=0.266). Conclusion Fractal responses to complexity of umbilical arterial blood flow, and it is a better parameter than S/D ratio in monitoring abnormal umbilical arterial blood flow.
, 百拇医药
【Key words】 Umbilical arteries Ultrasonography,doppler, color Blood flow velocity
彩色多普勒超声(彩色超声)在妇产科临床应用已有近10年的历史，并取得良好的效果，尤其是在胎儿产前监护方面具有更大的价值。通过多普勒频谱分析技术，可以计算胎儿脐动脉收缩期最大血流速度(S)与舒张末期血流速度(D)的比值(S/D值)、阻力指数(RI)和搏动指数(PI)，了解脐动脉的阻力变化，从而间接了解胎儿血流动力学变化，用于诊断胎儿宫内发育情况[1]。但是，从物理学角度分析，目前临床上常用多普勒频谱分析方法仅考虑血流速度，即频谱的幅度变化，而丢失了包括在多普勒频谱中的相应特征，而这些特征往往更能客观的反应血流动力学变化。为此，我们通过计算脐动脉多普勒信号的分数维，探讨多普勒超声的分形理论及其与胎儿预后的关系，现将结果报告如下。
资料和方法
, 百拇医药
一、资料来源
1994年10月～1996年10月间我院收治的104例行彩色超声检查的妊娠妇女，平均年龄30.2±5.3岁，孕周22～41周(平均35.2±4.4周)；104例妊娠妇女分为正常妊娠组(59例)和病理妊娠组(45例)，其中病理妊娠组中包括胎儿先天发育异常5例，胎儿生长迟缓4例，羊水过多4例，胎儿宫内窘迫3例，巨大儿3例，ABO溶血3例，妊高征7例，妊娠期糖尿病7例，妊娠合并子宫肌瘤5例，子宫内膜样囊肿1例，甲状腺机能亢进1例，高龄初产2例。
仪器设备：采用美国ATL公司生产的UM9HDI型超声诊断仪，腹部探头频率3.5 MHz。
二、研究方法
行彩色超声检查，首先寻找胎儿脐动脉，将多普勒取样容积放置在脐动脉上，获得稳定的脐动脉多普勒频谱，计算常规的S/D值、PI、RI，同时将脐动脉多普勒音频信号直接输入计算机中，采用Hausdeff分数维计算方法对脐动脉多普勒信号进行分析处理，得出分数维值。正常妊娠时脐动脉多普勒频谱的分数维变化范围为1.82～1.88；大于1.88为升高，小于1.82为降低。
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三、统计学方法
采用χ2检验和直线相关回归分析方法。
结果
一、两组胎儿脐动脉多普勒信号分数维的分布
正常妊娠组的脐动脉分数维平均为1.84±0.03。104例胎儿中，分数维在正常范围者80例，异常范围者24例。正常妊娠组中7例分数维在异常范围。其中，表现为分数维降低者6例、分数维升高者1例。病理妊娠组17例分数维在异常范围，经统计学处理，两组中分数维异常发生率差异有极显著性(χ2=11.83，P<0.001)。24例分数维异常的胎儿中，19例脐动脉分数维降低，5例脐动脉分数维升高。
二、脐动脉S/D值的分布情况
以S/D>3.0作为分界线，104例胎儿中S/D值升高者16例，其中6例为正常妊娠组，10例为病理妊娠组，经统计学处理，S/D值异常在病理妊娠中的发生率明显高于正常妊娠(χ2=3.01，P<0.05)。
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三、脐动脉S/D值与分数维的比较
比较脐动脉多普勒频谱S/D值及分数维在正常妊娠组中的异常率，S/D值异常率为10.17%，分数维异常率为11.86%，二者间经统计学处理，差异无显著性。而病理妊娠组中，S/D值异常率为22.22%，分数维异常率为37.78%，二者间经统计学处理，差异有显著性，(χ2=2.74,P<0.05)。
四、分数维与孕周及孕妇年龄的关系
经直线相关回归分析，分数维与孕周有明显相关性(r=0.266，P<0.05)。与孕妇年龄无明显相关性，r=0.017。
讨论
一、脐动脉血流常规检查方法
脐动脉多普勒频谱分析是目前临床上最常用的检查方法之一。分析脐动脉多普勒频谱，计算出脐动脉血流的最大流速、平均流速和最小流速，从而可以获得脐动脉血流S/D值、PI值、RI值，了解脐动脉阻力的变化情况，反映了检测部位以下血管阻力的总和。临床研究发现，脐动脉阻力的升高与胎儿发育迟缓、胎儿窘迫的发生及发展有明显相关性；尤其是在预测胎儿缺氧方面具有更大的临床价值，较为直接地反映胎儿在缺氧状态下，机体内血流再分布的情况。因此，脐动脉血管阻力的测定均是基于各种产科疾病引起胎儿宫内缺氧、机体代偿性的血液重新分布、外周血管(脐动脉、肾动脉)收缩阻力升高、中枢血管扩张且阻力下降[2，3]。而当母体或胎儿病变未引起胎儿宫内缺氧、血液重新分布时，仅表现为胎儿血流状态的变化，而分数维由于反映了血流的复杂性，故在反映血流状态方面有着明显的优点。
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二、分形几何和分数维
分形几何是由Mandelbert在10年前首先提出的一种数学理论[4，5]，研究对象是非线性系统中产生的不光滑和不可维的几何形体，并统一定性为自相似描述，我们将其引入到医学超声领域并在临床上进行应用。信号分形几何特征的基本参数之一是信号的分数维，即一个红细胞在血管中流动，不同时刻其流动的状态并非相同。分数维就是描述这种变化规律的一种新的参数。脐动脉多普勒信号的分数维反映了包括血管阻力在内的综合因素，如其与血管内径、血管壁的弹性、血流速度、血液粘稠度和心脏功能等因素有关。脐动脉血流信号的分数维实际上是表示了脐动脉血流的复杂程度。随着血流的复杂性升高，分数维逐渐向二维状态(信号-时间组成的二维)接近；血流复杂性降低，分数维趋向于1，表示向直线接近[4，5]。正常人体中，由于心脏泵的作用、血液成分、血液粘稠度的不同和血管内径的变化，血流状态往往也发生明显变化，即血流复杂性发生变化。当机体处于病理状态下，血液的流动状态往往会发生不同程度的变化，此时血液流动状态发生改变，血流复杂性产生变化，分数维就会发生相应的改变，无论升高或降低均表示异常。因此，分数维与S/D值(或PI、RI)比较，更能客观的反映血流状态，而且升高或降低均提示为异常，更符合机体的生理病理状态，是较为理想的检测指标[6]。
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三、脐动脉S/D值与分数维的临床应用比较
本研究结果显示，病理妊娠组分数维异常率明显高于正常妊娠组，说明病理状态下，由于不同因素的作用，引起脐动脉血流的复杂性改变，大部分变化是分数维的降低(19/24，79.2%)，少数表现为升高(5/24，20.8%)。虽然S/D值在病理妊娠组中发生率也明显高于正常妊娠组，但是，比较分数维与S/D值在病理妊娠组的异常发生率，前者明显高于后者，因为分数维是血流信号的振幅和相位变化，而S/D值仅体现血流的振幅变化，故较S/D值更为敏感。本项研究将进一步的探讨不同病理妊娠时的分数维变化规律，为临床提供更多、更有价值的资料。
本课题受国家自然科学基金资助
参考文献
1 Jonstone F, Steel JM, Haddad N, et al. Doppler umbilical artery flow velocity waveforms in diabetic pregnancy, Br J Obstet Gynecol, 1992, 99:135-136.
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2 常才，张珏华，严英榴，等.320例正常晚期妊娠胎儿胎盘彩色多普勒超声观察.临床医学影像杂志，1994，5(增刊)：210-212.
3 常才，张珏华.胎儿宫内窘迫时的胎儿胎盘血流动力学变化.中华妇产科杂志，1996，31：15-17.
4 汪源源，吴晓峰，王威琪.超声Doppler血流声谱参数的计算机自动分析方法.复旦大学学报(自然科学版)，1993，32：414-415.
5 Wang YY, Wang WQ. Fractal concept and its analysis method for Doppler ultrasound signals. Ultrasound Med Biol, 1993, 19:7-8.
6 Clifford AP, Khorasani A. Fractal charaterization of speech waveform graphs. Comput Graphics, 1986, 10:51-53.
(收稿：1996-12-16 修回：1997-10-01), http://www.100md.com
单位：200011 上海医科大学妇产科医院(常才，张珏华，张振钧)；上海复旦大学电子工程系(吴晓峰，王威琪，余建国，汪源源)
关键词：脐动脉；超声检查；多普勒；彩色；血流速度
中华妇产科杂志980305 【摘要】 目的 探讨脐动脉多普勒信号分数维测定在产科的应用价值。方法 将104例22～41周的妊娠妇女分为正常妊娠组(59例)、病理妊娠组(45例)。用彩色多普勒超声检测脐动脉并获得多普勒信号，将此信号以音频形式输入计算机中，对此信号进行处理并计算分数维。结果 正常妊娠组分数维1.83±0.03，病理妊娠组分数维异常率明显高于正常妊娠组(P<0.001)；比较脐动脉收缩期最大血流速度(S)与舒张末期血流速度(D)的比值(S/D值)，结果提示在病理妊娠组中，分数维异常率明显高于S/D比值异常率。同时，经直线相关分析，分数维与孕周有明显相关性(r=0.266)。结论 分数维是反映脐动脉血流复杂性的参数，较S/D比值更能客观地反映病理状态下脐动脉血流的变化。因此，分数维是一项较好的脐动脉血流参数，值得进一步研究、推广。
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The Evaluation of Umbilical Arterial Doppler Spectrum Fractal Characterization in Obstetrics Chang Cai, Zhang Juehua, Zhang Zhenjun, et al. Obstetrics and Gynecology Hospital of Shanghai Medical University, Shanghai, 200011
【Abstract】 Objective To evaluate the clinical value of fetal umbilical arterial Doppler spectrum fractal. Methods 104 cases with 22～41 gestational weeks were included, and divided into two groups: normal pregnant group, 59 cases; abnormal pregnant group, 45 cases. Umbilical arterial Doppler spectrum were obtained by color Doppler ultrasound, then Doppler signal were transformed into computer through sound-frequency, and fractal were calculated. Results The fractal was 1.83±0.03 in normal pregnant group. The frequency of abnormal fractal was significantly higher in abnormal pregnant group than that in normal pregnant group (P<0.001). Compared with the ratio of peak systolic to lowest diastolic flow velocity (S/D), the fractal was more sensitive than S/D ratio in abnormal pregnancy (P<0.05). There were significant correlation between fractal and gestational weeks (r=0.266). Conclusion Fractal responses to complexity of umbilical arterial blood flow, and it is a better parameter than S/D ratio in monitoring abnormal umbilical arterial blood flow.
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【Key words】 Umbilical arteries Ultrasonography,doppler, color Blood flow velocity
彩色多普勒超声(彩色超声)在妇产科临床应用已有近10年的历史，并取得良好的效果，尤其是在胎儿产前监护方面具有更大的价值。通过多普勒频谱分析技术，可以计算胎儿脐动脉收缩期最大血流速度(S)与舒张末期血流速度(D)的比值(S/D值)、阻力指数(RI)和搏动指数(PI)，了解脐动脉的阻力变化，从而间接了解胎儿血流动力学变化，用于诊断胎儿宫内发育情况[1]。但是，从物理学角度分析，目前临床上常用多普勒频谱分析方法仅考虑血流速度，即频谱的幅度变化，而丢失了包括在多普勒频谱中的相应特征，而这些特征往往更能客观的反应血流动力学变化。为此，我们通过计算脐动脉多普勒信号的分数维，探讨多普勒超声的分形理论及其与胎儿预后的关系，现将结果报告如下。
资料和方法
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一、资料来源
1994年10月～1996年10月间我院收治的104例行彩色超声检查的妊娠妇女，平均年龄30.2±5.3岁，孕周22～41周(平均35.2±4.4周)；104例妊娠妇女分为正常妊娠组(59例)和病理妊娠组(45例)，其中病理妊娠组中包括胎儿先天发育异常5例，胎儿生长迟缓4例，羊水过多4例，胎儿宫内窘迫3例，巨大儿3例，ABO溶血3例，妊高征7例，妊娠期糖尿病7例，妊娠合并子宫肌瘤5例，子宫内膜样囊肿1例，甲状腺机能亢进1例，高龄初产2例。
仪器设备：采用美国ATL公司生产的UM9HDI型超声诊断仪，腹部探头频率3.5 MHz。
二、研究方法
行彩色超声检查，首先寻找胎儿脐动脉，将多普勒取样容积放置在脐动脉上，获得稳定的脐动脉多普勒频谱，计算常规的S/D值、PI、RI，同时将脐动脉多普勒音频信号直接输入计算机中，采用Hausdeff分数维计算方法对脐动脉多普勒信号进行分析处理，得出分数维值。正常妊娠时脐动脉多普勒频谱的分数维变化范围为1.82～1.88；大于1.88为升高，小于1.82为降低。
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三、统计学方法
采用χ2检验和直线相关回归分析方法。
结果
一、两组胎儿脐动脉多普勒信号分数维的分布
正常妊娠组的脐动脉分数维平均为1.84±0.03。104例胎儿中，分数维在正常范围者80例，异常范围者24例。正常妊娠组中7例分数维在异常范围。其中，表现为分数维降低者6例、分数维升高者1例。病理妊娠组17例分数维在异常范围，经统计学处理，两组中分数维异常发生率差异有极显著性(χ2=11.83，P<0.001)。24例分数维异常的胎儿中，19例脐动脉分数维降低，5例脐动脉分数维升高。
二、脐动脉S/D值的分布情况
以S/D>3.0作为分界线，104例胎儿中S/D值升高者16例，其中6例为正常妊娠组，10例为病理妊娠组，经统计学处理，S/D值异常在病理妊娠中的发生率明显高于正常妊娠(χ2=3.01，P<0.05)。
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三、脐动脉S/D值与分数维的比较
比较脐动脉多普勒频谱S/D值及分数维在正常妊娠组中的异常率，S/D值异常率为10.17%，分数维异常率为11.86%，二者间经统计学处理，差异无显著性。而病理妊娠组中，S/D值异常率为22.22%，分数维异常率为37.78%，二者间经统计学处理，差异有显著性，(χ2=2.74,P<0.05)。
四、分数维与孕周及孕妇年龄的关系
经直线相关回归分析，分数维与孕周有明显相关性(r=0.266，P<0.05)。与孕妇年龄无明显相关性，r=0.017。
讨论
一、脐动脉血流常规检查方法
脐动脉多普勒频谱分析是目前临床上最常用的检查方法之一。分析脐动脉多普勒频谱，计算出脐动脉血流的最大流速、平均流速和最小流速，从而可以获得脐动脉血流S/D值、PI值、RI值，了解脐动脉阻力的变化情况，反映了检测部位以下血管阻力的总和。临床研究发现，脐动脉阻力的升高与胎儿发育迟缓、胎儿窘迫的发生及发展有明显相关性；尤其是在预测胎儿缺氧方面具有更大的临床价值，较为直接地反映胎儿在缺氧状态下，机体内血流再分布的情况。因此，脐动脉血管阻力的测定均是基于各种产科疾病引起胎儿宫内缺氧、机体代偿性的血液重新分布、外周血管(脐动脉、肾动脉)收缩阻力升高、中枢血管扩张且阻力下降[2，3]。而当母体或胎儿病变未引起胎儿宫内缺氧、血液重新分布时，仅表现为胎儿血流状态的变化，而分数维由于反映了血流的复杂性，故在反映血流状态方面有着明显的优点。
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二、分形几何和分数维
分形几何是由Mandelbert在10年前首先提出的一种数学理论[4，5]，研究对象是非线性系统中产生的不光滑和不可维的几何形体，并统一定性为自相似描述，我们将其引入到医学超声领域并在临床上进行应用。信号分形几何特征的基本参数之一是信号的分数维，即一个红细胞在血管中流动，不同时刻其流动的状态并非相同。分数维就是描述这种变化规律的一种新的参数。脐动脉多普勒信号的分数维反映了包括血管阻力在内的综合因素，如其与血管内径、血管壁的弹性、血流速度、血液粘稠度和心脏功能等因素有关。脐动脉血流信号的分数维实际上是表示了脐动脉血流的复杂程度。随着血流的复杂性升高，分数维逐渐向二维状态(信号-时间组成的二维)接近；血流复杂性降低，分数维趋向于1，表示向直线接近[4，5]。正常人体中，由于心脏泵的作用、血液成分、血液粘稠度的不同和血管内径的变化，血流状态往往也发生明显变化，即血流复杂性发生变化。当机体处于病理状态下，血液的流动状态往往会发生不同程度的变化，此时血液流动状态发生改变，血流复杂性产生变化，分数维就会发生相应的改变，无论升高或降低均表示异常。因此，分数维与S/D值(或PI、RI)比较，更能客观的反映血流状态，而且升高或降低均提示为异常，更符合机体的生理病理状态，是较为理想的检测指标[6]。
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三、脐动脉S/D值与分数维的临床应用比较
本研究结果显示，病理妊娠组分数维异常率明显高于正常妊娠组，说明病理状态下，由于不同因素的作用，引起脐动脉血流的复杂性改变，大部分变化是分数维的降低(19/24，79.2%)，少数表现为升高(5/24，20.8%)。虽然S/D值在病理妊娠组中发生率也明显高于正常妊娠组，但是，比较分数维与S/D值在病理妊娠组的异常发生率，前者明显高于后者，因为分数维是血流信号的振幅和相位变化，而S/D值仅体现血流的振幅变化，故较S/D值更为敏感。本项研究将进一步的探讨不同病理妊娠时的分数维变化规律，为临床提供更多、更有价值的资料。
本课题受国家自然科学基金资助
参考文献
1 Jonstone F, Steel JM, Haddad N, et al. Doppler umbilical artery flow velocity waveforms in diabetic pregnancy, Br J Obstet Gynecol, 1992, 99:135-136.
, http://www.100md.com
2 常才，张珏华，严英榴，等.320例正常晚期妊娠胎儿胎盘彩色多普勒超声观察.临床医学影像杂志，1994，5(增刊)：210-212.
3 常才，张珏华.胎儿宫内窘迫时的胎儿胎盘血流动力学变化.中华妇产科杂志，1996，31：15-17.
4 汪源源，吴晓峰，王威琪.超声Doppler血流声谱参数的计算机自动分析方法.复旦大学学报(自然科学版)，1993，32：414-415.
5 Wang YY, Wang WQ. Fractal concept and its analysis method for Doppler ultrasound signals. Ultrasound Med Biol, 1993, 19:7-8.
6 Clifford AP, Khorasani A. Fractal charaterization of speech waveform graphs. Comput Graphics, 1986, 10:51-53.
(收稿：1996-12-16 修回：1997-10-01), http://www.100md.com