第6章：外周動(dòng)脈檢測(cè)儀功能及工作原理

PAGEPAGE12第6章外周動(dòng)脈檢測(cè)儀功能及工作原理6.1儀器功能6.1.1目前國(guó)內(nèi)使用的外周動(dòng)脈檢測(cè)設(shè)備主要是國(guó)外的產(chǎn)品，且多數(shù)產(chǎn)品的功能不盡完善，有的設(shè)備只能做ABI檢測(cè)，有的僅能做PWV檢測(cè)，有的只做AI檢測(cè)。本章主要介紹北京某公司生產(chǎn)的外周動(dòng)脈檢測(cè)儀的功能及工作原理。該系列產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)第一家自主研發(fā)和生產(chǎn)的外周動(dòng)脈檢測(cè)設(shè)備，它在汲取了國(guó)外相關(guān)設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)又加入了很多適合于臨床常規(guī)檢測(cè)、臨床試驗(yàn)、大規(guī)模流行病學(xué)調(diào)查和體檢所應(yīng)用的功能。該儀器除了包含傳統(tǒng)的四肢動(dòng)脈血壓同步測(cè)量、踝臂指數(shù)（ABI）、踝臂脈搏波傳導(dǎo)速度（baPWV）和趾臂指數(shù)（TBI）的檢測(cè)外，還開(kāi)創(chuàng)性地推出了臂踝指數(shù)（BAI）的檢測(cè)，并加入了連續(xù)波多普勒超聲（CWD）的檢查功能。該儀器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)預(yù)覽功能，并有獨(dú)特的數(shù)據(jù)自動(dòng)分析和報(bào)告功能，這是國(guó)外產(chǎn)品不可比擬的。6.1.21數(shù)據(jù)采集功能新型外周動(dòng)脈檢測(cè)儀具有四肢動(dòng)脈血壓測(cè)量，ABI、BAI、TBI、baPWV和CWD的數(shù)據(jù)采集和分析功能。（1）四肢動(dòng)脈血壓值測(cè)量系統(tǒng)可以通過(guò)以下3種方式測(cè)量血壓值（用戶可選擇）。①同步測(cè)量方式：四肢血壓袖帶同步加壓和緩慢放氣，取得同一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的脈搏波數(shù)據(jù)進(jìn)行血壓值的判斷，此方式最常用。②單肢體測(cè)量方式：每個(gè)肢體的血壓分別測(cè)量。③單側(cè)測(cè)量方式：左右側(cè)肢體分別測(cè)量。注意：測(cè)量血壓值時(shí)需要把袖帶充氣到足以阻斷血流通過(guò)的程度，但是從安全的角度考慮，不能讓袖帶壓力無(wú)限度的增加，應(yīng)限制血壓測(cè)量的最大壓力值。外周動(dòng)脈檢測(cè)儀所提供的血壓測(cè)量的最大壓力缺省值是200mmHg（范圍50～300mmHg，操作者可自行選擇）。（2）ABI、BAI和TBI值測(cè)量測(cè)量出兩側(cè)上臂肱動(dòng)脈、踝部脛后動(dòng)脈和趾動(dòng)脈的血壓值后，分別按照ABI、BAI和TBI計(jì)算公式（詳見(jiàn)11.3.1、13.2.1、14.2.2）自動(dòng)計(jì)算出ABI、BAI和TBI（3）baPWV值測(cè)量對(duì)兩側(cè)上臂和踝部動(dòng)脈同步加壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度（30mmHg、50mmHg、80mmHg、110mmHg可選）時(shí)，同時(shí)記錄兩側(cè)上臂和踝部動(dòng)脈的脈搏波體積記錄波形數(shù)據(jù)，按照baPWV的計(jì)算公式（詳見(jiàn)6.2.3）計(jì)算出ba（4）運(yùn)動(dòng)負(fù)荷檢查（可選）當(dāng)測(cè)量出的ABI或BAI為臨界值、高度懷疑動(dòng)脈阻塞時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步行運(yùn)動(dòng)負(fù)荷試驗(yàn)來(lái)確定診斷。（5）心率變異檢查（可選）系統(tǒng)為有心臟功能障礙的受檢者提供了心率變異性分析。（6）CWD檢測(cè)（可選）對(duì)于疑診外周動(dòng)脈疾病的受檢者，可進(jìn)行CWD檢查，以進(jìn)一步明確病變的部位和嚴(yán)重度。2數(shù)據(jù)管理功能為了便于數(shù)據(jù)的維護(hù)和管理、數(shù)據(jù)的檢索和備份，在數(shù)據(jù)管理模塊中包含了以下功能。①數(shù)據(jù)的復(fù)制、粘貼和刪除：數(shù)據(jù)可以方便地備份到另一處，對(duì)不必保留的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除操作。②病歷信息的修改：對(duì)已輸入的錯(cuò)誤病歷信息數(shù)據(jù)可進(jìn)行修改。③數(shù)據(jù)檢索：可分別根據(jù)條形碼、序列號(hào)、病案號(hào)、姓名、性別、年齡、工作部門、工種、住址、病史、動(dòng)脈硬化危險(xiǎn)因素和用藥等項(xiàng)目進(jìn)行檢索，也可根據(jù)ABI或PWV數(shù)據(jù)的范圍進(jìn)行檢索。④數(shù)據(jù)匯總：對(duì)一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總輸出。⑤追加采集數(shù)據(jù)：對(duì)復(fù)查的受檢者，在檢索出原始記錄后在同名錄下能夠追加采集新的記錄數(shù)據(jù)。這樣同一個(gè)受檢者的多次記錄數(shù)據(jù)能夠顯示在一起，方便操作者的對(duì)比研究和判斷。⑥不同的操作用戶的數(shù)據(jù)匯總功能。3報(bào)告單功能參照國(guó)內(nèi)外權(quán)威機(jī)構(gòu)發(fā)布的血壓、ABI、BAI和baPWV等主要檢測(cè)參數(shù)的異常診斷標(biāo)準(zhǔn)，新型外周動(dòng)脈檢測(cè)儀能夠自動(dòng)分析和報(bào)告檢測(cè)結(jié)果。為方便使用者快速出報(bào)告，該儀器為不同受檢對(duì)象設(shè)計(jì)了16個(gè)報(bào)告模版。4數(shù)據(jù)預(yù)覽功能可以在數(shù)據(jù)預(yù)覽中調(diào)出儲(chǔ)存的病歷數(shù)據(jù)，查看脈搏波形、各種檢測(cè)參數(shù)和診斷結(jié)論。5系統(tǒng)設(shè)置功能系統(tǒng)設(shè)置功能：①系統(tǒng)配置：配置一些常用的詞條、醫(yī)院信息等內(nèi)容。②用戶管理：對(duì)使用本系統(tǒng)的用戶及權(quán)限進(jìn)行管理。③顯示配置：對(duì)一些界面及波形顯示顏色進(jìn)行配置。④硬件性能檢驗(yàn)。6預(yù)約管理當(dāng)需要做大量數(shù)據(jù)采集的工作時(shí)（如流行病學(xué)調(diào)查、體檢中心），提前輸入受檢者的病歷信息，以便在數(shù)據(jù)采集時(shí)節(jié)省時(shí)間。6.2工作原理6.2.1新型外周動(dòng)脈檢測(cè)儀采用震蕩法（示波法）測(cè)量血壓。當(dāng)血壓袖帶充滿空氣時(shí)血流停止，但動(dòng)脈仍繼續(xù)搏動(dòng)而引起袖帶內(nèi)壓力的震蕩。袖帶內(nèi)壓力慢慢釋放時(shí)，壓力震蕩的幅度逐步增加，并達(dá)到一個(gè)峰值。袖帶內(nèi)壓力進(jìn)一步釋放導(dǎo)致壓力震蕩的幅度減小。袖帶壓力變化和壓力震蕩之間的相關(guān)數(shù)據(jù)被用來(lái)確定血壓值。震蕩急劇增加時(shí)的袖帶壓力值取作收縮壓（SBP），急劇減小時(shí)的壓力值取作舒張壓（DBP），震蕩達(dá)到峰值時(shí)的袖帶壓力值取作平均動(dòng)脈壓（MBP）。血壓值測(cè)量的具體過(guò)程如下。1血壓測(cè)量過(guò)程中的脈搏波變化圖6-1示血壓測(cè)量過(guò)程中的脈搏波變化。圖6-12脈搏波數(shù)據(jù)的提取圖6-2示對(duì)檢測(cè)出的脈搏波進(jìn)行低通濾波和基線回歸處理后得到的脈搏波變化圖形。圖6-23血壓值的判斷圖6-3示對(duì)每個(gè)脈搏波的幅度進(jìn)行提取得到的脈搏波包絡(luò)線圖形。此圖形的正常形狀似山峰形。通常用最大波幅法來(lái)判別平均壓，即振蕩波包絡(luò)線的最大值為平均壓。利用示波原理判定收縮壓和舒張壓的具體方法有兩種：①波形特征法，即通過(guò)識(shí)別壓力波在收縮壓和舒張壓處的波形特征來(lái)判別血壓；②幅度系數(shù)法，即通過(guò)確定并辨識(shí)收縮壓幅度、舒張壓幅度與最大幅度之間的關(guān)系來(lái)判別血壓。首先找出平均壓點(diǎn)（波峰最高點(diǎn)），然后找到收縮壓點(diǎn)（左面三角對(duì)應(yīng)點(diǎn)）和舒張壓點(diǎn)（右面三角對(duì)應(yīng)點(diǎn)），此三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力就是相應(yīng)的血壓值。圖6-36.2.2測(cè)出兩側(cè)上臂和踝部血壓值后，儀器運(yùn)用11.3.1和13.2.1介紹的公式自動(dòng)計(jì)算出ABI值和BAI值。測(cè)出兩側(cè)上臂肱動(dòng)脈和趾動(dòng)脈血壓值后，儀器運(yùn)用14.2.2介紹的公式自動(dòng)計(jì)算出TBI值。6.2.baPWV值的測(cè)量方法和計(jì)算公式見(jiàn)圖6-4。首先同步測(cè)量四肢動(dòng)脈的脈搏波形，找出每個(gè)脈搏波的入射波起始點(diǎn)，計(jì)算上臂和踝部的脈搏波時(shí)間差(Times)，測(cè)量心臟到上臂測(cè)量點(diǎn)的距離(LA)和心臟到下肢踝部測(cè)量點(diǎn)的距離（LB）。圖6-41脈搏波特征點(diǎn)的提取每個(gè)脈搏波均有6個(gè)特征點(diǎn)（圖6-5）。這6個(gè)特征點(diǎn)的變化反映了心血管的狀況。由于脈搏波因人、因病而異，特別是有心血管疾病患者的脈搏波更是復(fù)雜多樣，脈搏波中這6個(gè)特征點(diǎn)可能不是全部都很明顯，給脈搏波特征點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別帶來(lái)困難。在baPWV的計(jì)算中，只需要能正確識(shí)別出每個(gè)脈搏波的a點(diǎn)（入射波起始點(diǎn)）即可?？梢杂蒙仙氐淖畲笮甭十嬕粭l直線，利用過(guò)拐點(diǎn)的直線與最大斜率直線的交叉點(diǎn)得到入射波起始點(diǎn)的位置，見(jiàn)圖6-6。圖6-5圖6-6圖6-7示，分別找出兩側(cè)臂和踝部脈搏波的入射波起始點(diǎn)，然后分別計(jì)算出右臂-右踝的時(shí)間差（Times）和左臂-左踝的時(shí)間差（Times），再根據(jù)上臂和踝部血管的距離差，計(jì)算出baPWV值。圖6-7人體血管距離的計(jì)算方法根據(jù)人體解剖和統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理，通過(guò)人體的身高可以計(jì)算出血管的長(zhǎng)度。血管長(zhǎng)度（cm）的換算公式如下：①心臟中心點(diǎn)到頸部（hc）＝0.2437×身高－18.9999②心臟中心點(diǎn)到上臂（hb）＝0.2195×身高－2.0734③心臟中心點(diǎn)到股動(dòng)脈(hf)＝0.5643×身高－18.381④股動(dòng)脈到踝部(fa)＝0.2486×身高＋30.709⑤心臟中心點(diǎn)到踝部(ha)＝中心點(diǎn)到股動(dòng)脈＋股動(dòng)脈到踝部⑥上臂到踝部(ba)＝中心點(diǎn)到踝部－中心點(diǎn)到上臂6.21多普勒效應(yīng)奧地利物理學(xué)家ChristianAndreasDoppler在1842年研究和描述了多普勒效應(yīng)（Dopplereffect），多普勒效應(yīng)是一種物理現(xiàn)象，振動(dòng)源和接收體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所接收到的回聲頻率不同于振源所發(fā)射的頻率，其差別與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)這就是多普勒效應(yīng)。聲學(xué)里應(yīng)用這一效應(yīng)可以解釋：當(dāng)一個(gè)移動(dòng)的聲源接近受試者時(shí)，可以聽(tīng)到一個(gè)逐漸升高的聲音；當(dāng)聲源逐漸遠(yuǎn)離聽(tīng)者時(shí)，則聽(tīng)到的是一個(gè)較低的聲音；當(dāng)聲源靜止，反射體運(yùn)動(dòng)時(shí)，這種現(xiàn)象依然存在（圖6-8）。這種變化用多普勒頻移（Dopplerfrequencyshift，fd）描述，即發(fā)射頻率與接受頻率之間的差值。運(yùn)動(dòng)物體的速度越快時(shí)，其差值也越大。圖6-8多普勒頻移fd可用公式表達(dá)為：fd＝fr—fo＝2Vcosθf(wàn)o/c公式6－1這個(gè)公式即多普勒方程，公式中fo為發(fā)射超聲波頻率，fr為接收到的超聲波頻率，fd為多普勒頻移，以Hz表示；V為反射物體運(yùn)動(dòng)速度，單位為m/s，c為超聲波在介質(zhì)中傳播速度，單位為m/s，θ為超聲束與反射體運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。發(fā)射頻率fo和聲速c是已知的，因而fd與V成正比關(guān)系，即可用fd反映反射體運(yùn)動(dòng)速度V。由公式可知：聲源和接收器相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收的頻率增大，聲源和接收器背離運(yùn)動(dòng)時(shí)，接受的頻率減低；聲源靜止，接收器向著聲源運(yùn)動(dòng)，接收的頻率增大，背離聲源運(yùn)動(dòng)，接收的頻率減低；接收器靜止，聲源朝向接收器運(yùn)動(dòng)，接收的頻率增大，背離接收器運(yùn)動(dòng)，接收的頻率減低（圖6-9）。圖6-92頻譜多普勒基本原理（1）成像原理1）物理基礎(chǔ)：多普勒超聲在血管檢查時(shí)表現(xiàn)為血流相對(duì)于聲源的運(yùn)動(dòng)。血管壁、血流都是運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)超聲波遇到時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血液中含有大量的紅細(xì)胞，能產(chǎn)生散射信號(hào)，當(dāng)探頭發(fā)射脈沖波時(shí)，超聲探頭是聲源，紅細(xì)胞是接收器；當(dāng)紅細(xì)胞反射脈沖波時(shí)，紅細(xì)胞變?yōu)槁曉?，超聲探頭變?yōu)榻邮掌?。在體外檢測(cè)、處理、計(jì)算并顯示由體內(nèi)反射、散射回來(lái)的多普勒信號(hào)，就可以達(dá)到非侵入性檢測(cè)血流狀態(tài)的目的，見(jiàn)圖6-10。圖6-10由多普勒方程可得到：V=c(fd)/2focosθ公式6－2因此多普勒技術(shù)可檢測(cè)人體血流的速度和方向。由多普勒方程可知：①多普勒效應(yīng)必須滿足fo≠0和V≠02個(gè)條件，即聲源與接收器之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。②在超聲波入射角θ恒定時(shí)，fd決定于原始的發(fā)射頻率fo。對(duì)于特定的fd，fo越小，可測(cè)量的血流速度就越大。因此欲測(cè)高速血流，就應(yīng)選擇較低探頭發(fā)射頻率。③當(dāng)fo一定時(shí)，血流速度V發(fā)生變化，fd也隨之變化，多普勒頻移與血流速度成正比。④θ角改變與頻移的關(guān)系，見(jiàn)圖6-11。當(dāng)0°＜θ＜90°，cosθ為正值，頻率增高，fd為正向頻移，即血流方向朝向探頭。當(dāng)90°＜θ＜180°時(shí)，cosθ為負(fù)值，頻率減低，fd為負(fù)向頻移，即血流方向背離探頭。當(dāng)θ＝180°或θ＝0°時(shí)，cosθ＝±1，fd最大，即血流方向與聲束平行，在同一條直線上相向或背離運(yùn)動(dòng)。當(dāng)θ＝90°時(shí)，cosθ＝0，fd=0，即血流方向與聲束垂直，理論上檢測(cè)不出多普勒頻移。圖6-11⑤在V、c、fo恒定的情況下，只有cosθ能夠影響多普勒頻移。頻移隨超聲束的入射角θ的變化而變化，只有在θ＜60°時(shí)才能夠測(cè)量到準(zhǔn)確的頻移，因而頻移的大小取決于角度θ的大小。檢測(cè)的速度值是相對(duì)值，而要得到真實(shí)的血流速度，還需進(jìn)行換算。2）成像原理：多普勒超聲成像技術(shù)一般分為兩類：第一類包括彩色多普勒血流成像（colorDopplerflowimaging，CDFI），第二類包括頻譜脈沖波多普勒（spectralpulsedwaveDoppler，PW）、連續(xù)波多普勒和高脈沖重復(fù)頻率式多普勒（highpulserepetitionfrequencyDoppler，HPRF）。目前，頻譜多普勒為血流動(dòng)力學(xué)定量診斷的首選方法，臨床超聲診斷常用PW和CW兩種。脈沖波多普勒采用單個(gè)換能器，作為聲源發(fā)射出一組超聲脈沖后，又作為接收器接收反射的回聲。但它并不接收所有的反射回聲信號(hào)，而是在延遲一段時(shí)間（T）后，才接收反射的回聲，見(jiàn)圖6-12。脈沖波多普勒可以通過(guò)選擇性的時(shí)間延遲T，接收來(lái)自人體不同深度的某一區(qū)域超聲反射信號(hào)，對(duì)靶目標(biāo)定位，這種定位探查的能力稱為距離選通，該特定探查區(qū)域稱為取樣容積。脈沖多普勒的取樣容積具有三維形狀，它的高度和寬度等于探查區(qū)域超聲束界面的高度和寬度，長(zhǎng)度決定于超聲脈沖的持續(xù)時(shí)間。取樣容積的寬度和高度是不可能調(diào)節(jié)的，而長(zhǎng)度是可調(diào)節(jié)的。脈沖多普勒的距離選通功能對(duì)于血流的定位診斷具有十分重要的意義，但不可檢測(cè)高速血流。圖6-12連續(xù)波多普勒通常采用兩個(gè)超聲換能器，一個(gè)換能器發(fā)射恒定的超聲波，而另一個(gè)接收其反射波，見(jiàn)圖6-13。由于它是連續(xù)發(fā)射和接收超聲，理論上脈沖重復(fù)頻率（pulserepetitionfrequency，PRF）為無(wú)限大，在進(jìn)行頻譜顯示時(shí)，不受血流速度的限制，所以可檢測(cè)高速血流。同時(shí)，由于沿超聲束內(nèi)所有回聲信號(hào)均被記錄下來(lái)，無(wú)法確定聲束內(nèi)回聲信號(hào)的位置，無(wú)距離選通功能，因而不能用于定位診斷。脈沖波多普勒和連續(xù)波多普勒技術(shù)互相補(bǔ)充，兩者靈活地結(jié)合，即可測(cè)量高速血流，又可對(duì)其定位。圖6-13（2）顯示方式脈沖多普勒和連續(xù)多普勒所檢測(cè)的頻移為取樣容積和聲束內(nèi)所有紅細(xì)胞的多普勒頻移，由于紅細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)速度和方向不盡相同，在同一時(shí)刻，將產(chǎn)生多個(gè)頻移信號(hào)。同時(shí)，具有相同速度的紅細(xì)胞的數(shù)目也不同，因而產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度也不相同。所以，探頭接收到的是多種頻率和振幅的復(fù)雜信號(hào)。為了準(zhǔn)確顯示這種復(fù)雜信號(hào)，必須進(jìn)行頻譜分析。目前，頻譜分析主要采用快速傅立葉轉(zhuǎn)換法（FFT）。頻移信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后，可通過(guò)音頻顯示和頻譜顯示兩種方式輸出。1）音頻顯示：雖然多普勒超聲的發(fā)射頻率在人耳可聽(tīng)范圍之外，但多普勒頻移的范圍一般為1～200kHz，在人耳的可聽(tīng)范圍之內(nèi)。因此，頻移信號(hào)輸入揚(yáng)聲器，成為音頻信號(hào)。音頻信號(hào)可以反映血流的性質(zhì)。音調(diào)高低代表頻率的高低，響度代表振幅的大小。正確聽(tīng)取音頻信號(hào)，有助于判斷血流的性質(zhì)和聲束的方向。2）頻譜顯示：頻譜顯示有多種方式，包括速度／頻移—時(shí)間顯示頻譜圖、功率譜圖顯示和三維顯示，最常采用的是速度／頻移—時(shí)間顯示。頻譜圖上X軸（橫坐標(biāo)）代表時(shí)間，即血流時(shí)間（s），Y軸（縱坐標(biāo)）代表速度（頻移）大?。╟m/s），Z軸（灰階）代表振幅，所以，頻譜顯示實(shí)際上是多普勒信號(hào)的三維顯示。頻譜分析主要包括以下內(nèi)容：①頻移的方向：頻譜圖中央是基線，又稱為零線。通常在基線上方的fd為正值，表示朝向探頭的血流，基線下方為負(fù)值，表示背向探頭的血流。②頻移的時(shí)相：以橫坐標(biāo)表示，配合同步心電圖顯示，區(qū)分收縮期、舒張期。③頻移的速度：以縱坐標(biāo)的數(shù)值表示，代表血流速度。包括最大收縮期速度、最大舒張末速度和平均速度。④頻譜的形態(tài)：指單峰