第6章：外周動脈檢測儀功能及工作原理

PAGEPAGE12第6章外周動脈檢測儀功能及工作原理6.1儀器功能6.1.1目前國內(nèi)使用的外周動脈檢測設(shè)備主要是國外的產(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，有的僅能做PWV檢測，有的只做AI檢測。本章主要介紹北京某公司生產(chǎn)的外周動脈檢測儀的功能及工作原理。該系列產(chǎn)品是國內(nèi)第一家自主研發(fā)和生產(chǎn)的外周動脈檢測設(shè)備，它在汲取了國外相關(guān)設(shè)備優(yōu)點的同時又加入了很多適合于臨床常規(guī)檢測、臨床試驗、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)的四肢動脈血壓同步測量、踝臂指數(shù)（ABI）、踝臂脈搏波傳導(dǎo)速度（baPWV）和趾臂指數(shù)（TBI）的檢測外，還開創(chuàng)性地推出了臂踝指數(shù)（BAI）的檢測，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，并有獨特的數(shù)據(jù)自動分析和報告功能，這是國外產(chǎn)品不可比擬的。6.1.21數(shù)據(jù)采集功能新型外周動脈檢測儀具有四肢動脈血壓測量，ABI、BAI、TBI、baPWV和CWD的數(shù)據(jù)采集和分析功能。（1）四肢動脈血壓值測量系統(tǒng)可以通過以下3種方式測量血壓值（用戶可選擇）。①同步測量方式：四肢血壓袖帶同步加壓和緩慢放氣，取得同一個心動周期內(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單肢體測量方式：每個肢體的血壓分別測量。③單側(cè)測量方式：左右側(cè)肢體分別測量。注意：測量血壓值時需要把袖帶充氣到足以阻斷血流通過的程度，但是從安全的角度考慮，不能讓袖帶壓力無限度的增加，應(yīng)限制血壓測量的最大壓力值。外周動脈檢測儀所提供的血壓測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值測量測量出兩側(cè)上臂肱動脈、踝部脛后動脈和趾動脈的血壓值后，分別按照ABI、BAI和TBI計算公式（詳見11.3.1、13.2.1、14.2.2）自動計算出ABI、BAI和TBI（3）baPWV值測量對兩側(cè)上臂和踝部動脈同步加壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度（30mmHg、50mmHg、80mmHg、110mmHg可選）時，同時記錄兩側(cè)上臂和踝部動脈的脈搏波體積記錄波形數(shù)據(jù)，按照baPWV的計算公式（詳見6.2.3）計算出ba（4）運動負(fù)荷檢查（可選）當(dāng)測量出的ABI或BAI為臨界值、高度懷疑動脈阻塞時，應(yīng)進(jìn)一步行運動負(fù)荷試驗來確定診斷。（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（可選）對于疑診外周動脈疾病的受檢者，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：對已輸入的錯誤病歷信息數(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、病案號、姓名、性別、年齡、工作部門、工種、住址、病史、動脈硬化危險因素和用藥等項目進(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：對一段時間內(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報告單功能參照國內(nèi)外權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的血壓、ABI、BAI和baPWV等主要檢測參數(shù)的異常診斷標(biāo)準(zhǔn)，新型外周動脈檢測儀能夠自動分析和報告檢測結(jié)果。為方便使用者快速出報告，該儀器為不同受檢對象設(shè)計了16個報告模版。4數(shù)據(jù)預(yù)覽功能可以在數(shù)據(jù)預(yù)覽中調(diào)出儲存的病歷數(shù)據(jù)，查看脈搏波形、各種檢測參數(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：對使用本系統(tǒng)的用戶及權(quán)限進(jìn)行管理。③顯示配置：對一些界面及波形顯示顏色進(jìn)行配置。④硬件性能檢驗。6預(yù)約管理當(dāng)需要做大量數(shù)據(jù)采集的工作時（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)采集時節(jié)省時間。6.2工作原理6.2.1新型外周動脈檢測儀采用震蕩法（示波法）測量血壓。當(dāng)血壓袖帶充滿空氣時血流停止，但動脈仍繼續(xù)搏動而引起袖帶內(nèi)壓力的震蕩。袖帶內(nèi)壓力慢慢釋放時，壓力震蕩的幅度逐步增加，并達(dá)到一個峰值。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)被用來確定血壓值。震蕩急劇增加時的袖帶壓力值取作收縮壓（SBP），急劇減小時的壓力值取作舒張壓（DBP），震蕩達(dá)到峰值時的袖帶壓力值取作平均動脈壓（MBP）。血壓值測量的具體過程如下。1血壓測量過程中的脈搏波變化圖6-1示血壓測量過程中的脈搏波變化。圖6-12脈搏波數(shù)據(jù)的提取圖6-2示對檢測出的脈搏波進(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示對每個脈搏波的幅度進(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，即通過識別壓力波在收縮壓和舒張壓處的波形特征來判別血壓；②幅度系數(shù)法，即通過確定并辨識收縮壓幅度、舒張壓幅度與最大幅度之間的關(guān)系來判別血壓。首先找出平均壓點（波峰最高點），然后找到收縮壓點（左面三角對應(yīng)點）和舒張壓點（右面三角對應(yīng)點），此三點對應(yīng)的壓力就是相應(yīng)的血壓值。圖6-36.2.2測出兩側(cè)上臂和踝部血壓值后，儀器運用11.3.1和13.2.1介紹的公式自動計算出ABI值和BAI值。測出兩側(cè)上臂肱動脈和趾動脈血壓值后，儀器運用14.2.2介紹的公式自動計算出TBI值。6.2.baPWV值的測量方法和計算公式見圖6-4。首先同步測量四肢動脈的脈搏波形，找出每個脈搏波的入射波起始點，計算上臂和踝部的脈搏波時間差(Times)，測量心臟到上臂測量點的距離(LA)和心臟到下肢踝部測量點的距離（LB）。圖6-41脈搏波特征點的提取每個脈搏波均有6個特征點（圖6-5）。這6個特征點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個特征點可能不是全部都很明顯，給脈搏波特征點的自動識別帶來困難。在baPWV的計算中，只需要能正確識別出每個脈搏波的a點（入射波起始點）即可?？梢杂蒙仙氐淖畲笮甭十嬕粭l直線，利用過拐點的直線與最大斜率直線的交叉點得到入射波起始點的位置，見圖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，然后分別計算出右臂-右踝的時間差（Times）和左臂-左踝的時間差（Times），再根據(jù)上臂和踝部血管的距離差，計算出baPWV值。圖6-7人體血管距離的計算方法根據(jù)人體解剖和統(tǒng)計學(xué)的原理，通過人體的身高可以計算出血管的長度。血管長度（cm）的換算公式如下：①心臟中心點到頸部（hc）＝0.2437×身高－18.9999②心臟中心點到上臂（hb）＝0.2195×身高－2.0734③心臟中心點到股動脈(hf)＝0.5643×身高－18.381④股動脈到踝部(fa)＝0.2486×身高＋30.709⑤心臟中心點到踝部(ha)＝中心點到股動脈＋股動脈到踝部⑥上臂到踝部(ba)＝中心點到踝部－中心點到上臂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，振動源和接收體有相對運動時，所接收到的回聲頻率不同于振源所發(fā)射的頻率，其差別與相對運動的速度有關(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)一個移動的聲源接近受試者時，可以聽到一個逐漸升高的聲音；當(dāng)聲源逐漸遠(yuǎn)離聽者時，則聽到的是一個較低的聲音；當(dāng)聲源靜止，反射體運動時，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。運動物體的速度越快時，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＝2Vcosθfo/c公式6－1這個公式即多普勒方程，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為反射物體運動速度，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動方向之間的夾角。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反映反射體運動速度V。由公式可知：聲源和接收器相對運動時，接收的頻率增大，聲源和接收器背離運動時，接受的頻率減低；聲源靜止，接收器向著聲源運動，接收的頻率增大，背離聲源運動，接收的頻率減低；接收器靜止，聲源朝向接收器運動，接收的頻率增大，背離接收器運動，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表現(xiàn)為血流相對于聲源的運動。血管壁、血流都是運動的，當(dāng)超聲波遇到時會產(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，當(dāng)探頭發(fā)射脈沖波時，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，紅細(xì)胞變?yōu)槁曉?，超聲探頭變?yōu)榻邮掌鳌Ｔ隗w外檢測、處理、計算并顯示由體內(nèi)反射、散射回來的多普勒信號，就可以達(dá)到非侵入性檢測血流狀態(tài)的目的，見圖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個條件，即聲源與接收器之間必須有相對運動。②在超聲波入射角θ恒定時，fd決定于原始的發(fā)射頻率fo。對于特定的fd，fo越小，可測量的血流速度就越大。因此欲測高速血流，就應(yīng)選擇較低探頭發(fā)射頻率。③當(dāng)fo一定時，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，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，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動。當(dāng)θ＝90°時，cosθ＝0，fd=0，即血流方向與聲束垂直，理論上檢測不出多普勒頻移。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°時才能夠測量到準(zhǔn)確的頻移，因而頻移的大小取決于角度θ的大小。檢測的速度值是相對值，而要得到真實的血流速度，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，而是在延遲一段時間（T）后，才接收反射的回聲，見圖6-12。脈沖波多普勒可以通過選擇性的時間延遲T，接收來自人體不同深度的某一區(qū)域超聲反射信號，對靶目標(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，長度決定于超聲脈沖的持續(xù)時間。取樣容積的寬度和高度是不可能調(diào)節(jié)的，而長度是可調(diào)節(jié)的。脈沖多普勒的距離選通功能對于血流的定位診斷具有十分重要的意義，但不可檢測高速血流。圖6-12連續(xù)波多普勒通常采用兩個超聲換能器，一個換能器發(fā)射恒定的超聲波，而另一個接收其反射波，見圖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）為無限大，在進(jìn)行頻譜顯示時，不受血流速度的限制，所以可檢測高速血流。同時，由于沿超聲束內(nèi)所有回聲信號均被記錄下來，無法確定聲束內(nèi)回聲信號的位置，無距離選通功能，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)互相補充，兩者靈活地結(jié)合，即可測量高速血流，又可對其定位。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)胞的運動速度和方向不盡相同，在同一時刻，將產(chǎn)生多個頻移信號。同時，具有相同速度的紅細(xì)胞的數(shù)目也不同，因而產(chǎn)生的信號強度也不相同。所以，探頭接收到的是多種頻率和振幅的復(fù)雜信號。為了準(zhǔn)確顯示這種復(fù)雜信號，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）。頻移信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，可通過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)射頻率在人耳可聽范圍之外，但多普勒頻移的范圍一般為1～200kHz，在人耳的可聽范圍之內(nèi)。因此，頻移信號輸入揚聲器，成為音頻信號。音頻信號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。正確聽取音頻信號，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—時間顯示。頻譜圖上X軸（橫坐標(biāo)）代表時間，即血流時間（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，頻譜顯示實際上是多普勒信號的三維顯示。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