彩色超聲診斷儀多普勒血流測量方法及不確定度分析

石進(jìn)平

(山西省計(jì)量科學(xué)研究院，太原 030002)

0　引言

中國是世界上人口第一大國，同樣也是醫(yī)用診斷和治療設(shè)備的第一使用大國。隨著醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的不斷加強(qiáng)，大量的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入了各級醫(yī)院，而由于超聲診斷儀具有無創(chuàng)性、實(shí)時性、機(jī)動性、低風(fēng)險和高效率等優(yōu)點(diǎn)，成為各級醫(yī)院的必備常規(guī)診治儀器，醫(yī)學(xué)診斷使用率高居榜首，其性能質(zhì)量的測量水平直接關(guān)系到對患者診斷的準(zhǔn)確性和治療水平。彩色多普勒超聲診斷儀現(xiàn)已成為醫(yī)療機(jī)構(gòu)超聲診斷的主要設(shè)備，其多普勒性能方面的檢定與測量成為強(qiáng)檢目錄中醫(yī)用診斷超聲診斷儀超聲源檢定中不可或缺的一部分，因此本文將對多普勒性能方面的檢定與測量及不確定分析進(jìn)行闡述。

1　多普勒效應(yīng)及其在醫(yī)用超聲領(lǐng)域的應(yīng)用

多普勒效應(yīng)是1842年奧地利物理學(xué)家ChistainJone Doppler在研究行星與觀察者之間存在相對運(yùn)動時，觀察到由于星光頻率發(fā)生改變而引起色彩變化而命名的。實(shí)際上，多普勒效應(yīng)是各種波(電磁波、光波、聲波等)共同具有的一種重要的物理現(xiàn)象。在聲學(xué)中，當(dāng)聲源(聲發(fā)射體)或觀察者(接收器)相對于媒質(zhì)運(yùn)動，或兩者同時相對媒質(zhì)運(yùn)動時，觀察者接受到的頻率與聲源發(fā)出的頻率不同，當(dāng)聲源與觀察者之間的距離隨時間縮短時，收聽到的頻率高于聲源發(fā)出的頻率；反之，收聽到的頻率低于聲源發(fā)出的頻率。聲源發(fā)出的頻率與觀察者收到的頻率之間的頻率差稱為多普勒頻移，它的大小取決于兩者之間的相對運(yùn)動速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒現(xiàn)象。

將多普勒效應(yīng)應(yīng)用到醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域，出現(xiàn)了醫(yī)療機(jī)構(gòu)常見的診斷設(shè)備：彩色多普勒超聲診斷儀。彩色多普勒超聲診斷儀簡稱彩超，常被稱為彩色多普勒血流成像(Co1or Doprler Flow Imaging,CDFI), 簡單講就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，它是集二維灰階成像(B超)、多普勒彩色血流圖、多普勒能量圖、連續(xù)和脈沖波多普勒頻譜、多普勒聲音信號等多種信息形式于一體的醫(yī)療診斷設(shè)備。

彩色多普勒超聲診斷儀工作原理是彩超探頭向人體發(fā)射超聲并接收來自人體內(nèi)部目標(biāo)的回波,并轉(zhuǎn)換成電信號,再對回波信號的幅度信息按B型顯示對人體器官進(jìn)行顯像,而對運(yùn)動目標(biāo)的多普勒頻移信息,經(jīng)過正交檢波器檢波后分為兩路:一路以連續(xù)波(CW)和脈沖波(PW)的頻譜圖來顯示血流信息;另一路經(jīng)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再經(jīng)濾波器,濾去壁層和瓣膜等與血流無關(guān)的低頻的多普勒頻移,只提取與血流有關(guān)的多普勒信息,計(jì)算出血流速度、方向和血流分散這三個動態(tài)參數(shù)，最后以電視格式讀出這些信息并根據(jù)約定調(diào)配紅(red)、綠(green)、藍(lán)(blue)三原色,從而在黑白B超圖像上顯示彩色血流圖。

2　醫(yī)用超聲診斷儀超聲源多普勒血流測量簡述

我們現(xiàn)行的JJG 639-1998醫(yī)用超聲診斷儀超聲源檢定規(guī)程是對超聲診斷儀的輸出聲強(qiáng)、患者漏電流、探測深度、側(cè)(橫)向分辨力、軸(縱)向分辨力、盲區(qū)、幾何位置示值誤差及囊性病灶直徑誤差這些計(jì)量性能參數(shù)進(jìn)行檢定，而對彩色多普勒超聲診斷儀多普勒血流部分的測量方法規(guī)程沒有規(guī)定。我們對彩超多普勒血流部分主要檢定以下三個計(jì)量參數(shù)。

2.1　多普勒血液流速的測量

開啟彩色超聲診斷儀多普勒功能運(yùn)行穩(wěn)定后，按凍結(jié)鍵凍結(jié)超聲輸出，用連接管路將血流多普勒試件與流量泵、流量計(jì)、仿血液儲罐正確連接形成閉合通道后，放置在水平工作臺上。將流速置零并開啟電源，慢慢提高流速達(dá)到測量要求，流速不宜過大以免損傷試件，穩(wěn)定運(yùn)行5分鐘以上，確認(rèn)仿血液在閉合環(huán)路中正常流動。然后接觸彩超凍結(jié)鍵，將被檢設(shè)備探頭垂直置于涂有耦合媒質(zhì)(水性凝膠醫(yī)用超聲耦合劑)的血流多普勒試件聲窗上，將彩色多普勒超聲診斷儀置于流速測量狀態(tài)。泵取不同轉(zhuǎn)速，操縱取樣容積游標(biāo)，顯示相應(yīng)多普勒頻譜圖，讀取各自頻譜圖幅度值即為測量血流的流速，對同一設(shè)定流速進(jìn)行不少于3次的測量，取其平均值為被檢儀器的血液流速的測量值。流速測量時，一般選擇兩個測量點(diǎn)，多普勒角一般選擇小于60°的兩個角度。

按下面公式計(jì)算其相對誤差：

2.2　多普勒血液探測深度的測量

在彩色血流模式下,將探頭通過耦合劑耦合于斜置管道的聲窗表面，超聲波束與聲窗表面垂直，使彩超顯示仿血管的圖像，調(diào)節(jié)彩超的相關(guān)控制鍵以獲得清晰的血流圖。測量時，將探頭向較深的仿血管移動，直到彩色信號消失，此后將探頭回退到彩色消失前的位置，將圖像凍結(jié)后以電子游標(biāo)測量此時仿血管內(nèi)壁最遠(yuǎn)端的深度，即為血流探測深度。在頻譜多普勒模式下，測量方法同上，將探頭向較深的仿血管移動，直到頻譜信號剛消失時，凍結(jié)以電子游標(biāo)測量此時仿血管內(nèi)壁最遠(yuǎn)端的深度，即為血流探測深度。

2.3　多普勒血液血流方向識別能力的測量

按測量多普勒血液流速的操作方法，首先將探頭置于涂有耦合劑的聲窗表面上，調(diào)節(jié)被校儀器的總增益、對比度和亮度，使仿血管在圖像上清晰顯示。微動探頭，在圖像上觀察是否能清晰顯示兩個距離為2mm的顏色不同的血流流向。改變相對于探頭的血流方向，觀察血流聲像圖是否變?yōu)榱硪环N顏色(紅變藍(lán)或藍(lán)變紅)。

彩色多普勒超聲診斷儀多普勒血流部分的測量，完善了對醫(yī)用超聲診斷儀超聲源計(jì)量性能的測量，對作為民生計(jì)量中屬于國家強(qiáng)檢的醫(yī)用超聲源進(jìn)行了有效地計(jì)量管理和技術(shù)檢定。

3　多普勒血流血液流速的不確定度分析

3.1　數(shù)學(xué)模型

(1)

3.2　標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.2.1不確定度來源分析

血流速度的不確定度來源主要有：重復(fù)性引入的、流量計(jì)本身的精度引入的以及多普勒角度引入的，其它環(huán)境、振動等因素可忽略不計(jì)。

3.2.2彩色多普勒超聲診斷儀超聲源血流速度的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA

在標(biāo)準(zhǔn)流速為50cm/s的點(diǎn)，對一臺彩色多普勒超聲診斷儀的血流速度進(jìn)行重復(fù)測量10次，測量值分別為51，49，50，51，50，49，50，51，50，49cm/s，得到單次測量實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

則單次測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u1=s=0.816cm/s

相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.3標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度uB1,用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.2.4多普勒角度引入的不確定度uB2,用B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

3.3　合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.3.1合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量是互不相關(guān)的，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3.2擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

取包含因子k=2，則：

U=kuc=2×2.5%=5.0%

3.4　彩色多普勒超聲診斷儀血流速度的測量不確定度評估

對彩色多普勒超聲診斷儀血流速度的測量點(diǎn)進(jìn)行測量，其測量不確定度為：U=5.0%(k=2)

4　結(jié)束語

醫(yī)療超聲診斷機(jī)構(gòu)對患者血流疾病診斷經(jīng)常依賴彩色多普勒超聲診斷儀超聲源，因此增加對超聲源多普勒血液部分的檢定和校準(zhǔn)至關(guān)重要。本文詳細(xì)闡述了三個參數(shù)的檢定和校準(zhǔn)及血流流速不確定分析，對計(jì)量機(jī)構(gòu)有效開展此項(xiàng)工作提供一定的參考。

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[4]JJG 639—1998醫(yī)用超聲診斷儀超聲源[S]

[5]GB 10152—1997B超診斷設(shè)備[S]

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