Abstract:Objective To achieve multi-point spectral Doppler analysis of carotid artery using multi-line transmission on linear array
ultrasound probe. Methods By applying specific transmission time delay and apodization on linear array probe, multiple beams were
transmitted simultaneously to obtain the ultrasound echo signals of multiple sampling volumes. Multi-line transmission (MLT)
2 中国医疗设备 2019年第34卷 05期 VOL.34 No.05
专 论FEATURES
引言
在全球范围内,心血管疾病是人类的主要死亡原因
之一[1]。近年来,我国心血管疾病的发病人数也在持续
增加[2]。在诸多心血管疾病中,动脉粥样硬化所致的颈
动脉狭窄多发于颈内动脉,导致脑部供血异常[3-5]。目前,
判断颈内动脉狭窄的常规手段是颈部B 模式超声检测或
者频谱多普勒超声检测[3]。美国超声医师学会在2003 年
旧金山会议共识声明中推荐了颈内动脉狭窄的判断标准,
给出了颈动脉相关生理参数的临床参考值,包括颈内动
脉(Internal Carotid Artery,ICA)与颈总动脉(Common
Carotid Artery,CCA)的血流峰值流速(Peak Systolic
Velocity,PSV)的比值,简单表示为R 值[4-5]。
传统的脉冲多普勒技术一次只能选择血管中的某一位
置进行采样,进而分析得到频谱多普勒图像。如果需要测
量颈内动脉与颈总动脉的血流峰值流速比值,通常需要二
次测量,在观察到颈总动脉后,沿颈总动脉长轴向上追踪
至颈动脉分叉处和颈内动脉[4] ;先后选取不同位置的采样
体积,分别测量颈总动脉和颈内动脉的血流峰值流速。而
脉冲多普勒的能量输出较一般二维B 模式成像的能量输出
高,进行快速的检查有利于减少患者接受超声辐射的时间[6]。
先后分别测量颈总动脉和颈内动脉的血流峰值流速,因为
测得的峰值流速并不属于同一个心动周期,成像截面也可
能并不一致,所以可能引入一定的误差。在超声成像领域,
借助超声多波束并行发射技术(Multi-Line Transmission,
MLT)有可能实现血管中多个位置的同时采样分析,进而
简化操作流程,缩短检查时间。
国际上,超声多波束并行发射技术的研究主要集中在
基于相控阵超声探头的心脏成像[7-9],基于线阵超声探头的
多波束并行发射技术的探究较少,而且也尚未用于颈动脉
血流测量[10]。本文将基于线阵超声探头,实现多波束并行
发射技术;进一步,同时获得血管中多个采样体积的频谱
多普勒图像;为了验证方法的可靠性,将把多波束并行发
射的实验结果同目前临床广泛使用的单波束发射以及近年
来引起关注的平面波发射的实验结果进行对比分析。
1. 方法
1.1 脉冲多普勒技术
使用超声探头,发射超声脉冲后,通过距离采样门获
取某一深度采样体积对应的超声回波信号,采样体积的大
小和深度都可以通过距离选通门调节。持续发射超声脉冲,
并对采样体积对应的超声回波信号进行持续采样,得到该
采样体积沿慢时方向的一组回波信号。对该组回波信号进
行离散短时傅里叶变换,如式(1) :
(1)
上式中x(n) 为采样体积沿慢时方向的回波信号, 为一
个M点的窗函数,m 和k 分别为输出的离散时间变量和离散
频率变量[11],对其进行对数压缩等优化处理[12],即可得到频谱
多普勒图像,显示出不同血流速度的分布以及随时间的变化。
1.2 线阵探头多波束并行发射可行性验证
应用超声仿真软件Field II[13],对线阵探头的发射声场
进行仿真。在传统的聚焦波发射即单波束发射(Single-Line
Transmission,SLT)的基础上,对探头各个阵元对应的脉
冲发射延时和变迹进行改动。利用特殊形式的延时和变迹,
将线阵探头的孔径进行分块,得到若干子孔径,每一子孔
径内均采用类似单波束发射的发射延时;同时,为了抑制
多波束并行发射时交叉伪影(crosstalk)的影响,每个子孔
径均施加一定的变迹[14],以实现多个子孔径同时发射波束,
即多波束并行发射。为了方便理解,图1 给出了三波束并
行发射(3-MLT)时在128 阵元的线阵探头上设置的发射
收稿日期:2018-02-28 修回日期:2018-03-29
基金项目: 国家重点研发计划( 2 0 1 6 Y F C 0 1 0 4 7 0 0 ;
2016YFC0102200)。
通讯作者:罗建文,研究员、博士生导师,主要研究方向为医学
超声弹性成像、心血管成像和荧光分子断层成像。
通讯作者邮箱:luo_jianwen@tsinghua.edu.cn
was compared with single line transmission (SLT) and plane-wave imaging (PW) in computer simulations, phantom experiments and
in vivo experiments. Results In the simulations and phantom experiments, the relative errors of velocity estimation using the above
three transmission modes were comparable. The relative errors were 16%, 16% and 14% in the simulations and 20%, 18%, 18%
in the phantom experiments for SLT, MLT and PW, respectively. In the in vivo experiments, MLT could measure the peak systolic
velocities of common carotid artery and internal carotid artery simultaneously. In common carotid artery, the coefficient of correlation
between the spectral envelopes obtained by MLT and SLT was 0.92, higher than that between the spectral envelopes obtained by PW
and SLT (0.81). In internal carotid artery, the coefficient of correlation between the spectral envelopes obtained by MLT and SLT was
0.80, also higher than that between the spectral envelopes obtained by PW and SLT (0.71). Conclusion Multi-line transmission with
linear array probe is an effective and convenient approach for multi-point spectral Doppler analysis of carotid artery.
基金资助:国家重点研发计划( 2 0 1 6 Y F C 0 1 0 4 7 0 0 ;2016YFC0102200)。
通讯作者:
罗建文
E-mail: luo_jianwen@tsinghua.edu.cn
引用本文:
高晗,何琼,陈胤燃,罗建文. 基于线阵超声探头多波束并行发射的颈动脉血流多点频谱多普勒分析[J]. 中国医疗设备, 2019, 34(5): 1-5.
GAO Han, HE Qiong, CHEN Yinran, LUO Jianwen. Multi-Point Spectral Doppler Analysis of Carotid Artery Using Multi-Line Transmission with
Linear Array Ultrasound Probe. China Medical Devices, 2019, 34(5): 1-5.