本方案展示了如何应用超快超声多普勒成像来量化血流。在持续1秒的采集后，实验者可以获得整个视场的动态影像，每≈0.3毫秒（取决于超声飞行时间）获取每个像素的轴向速度值。
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摘要
摘要
脉冲多普勒效应是临床超声成像中用于评估血流的主要技术。当应用于传统的聚焦超声多普勒模式时，该技术存在若干局限性。首先，需要进行精细调谐的信号滤波操作，以区分血流与周围运动组织的信号。其次，操作者必须在血流定位与定量测量之间做出选择。在过去的二十年中，随着采用非聚焦波的超快超声技术的出现，超声成像经历了一次范式转变。除了帧率提高百倍（可达10000 Hz）之外，这一新技术还打破了传统上定位与定量之间的权衡，能够实现视场内完整的血流映射，并在单像素水平上同步获取精细的速度测量数据（空间分辨率低至50 µm）。这种在空间和时间维度上的数据连续性显著改善了组织与血流的信号分离过程，从而提高了对微小血流速度的检测灵敏度（低至1 mm/s）。在本方法学论文中，我们旨在介绍超快多普勒的基本概念及其主要参数。首先，我们总结非聚焦波成像的物理原理；随后，介绍多普勒信号处理的主要步骤，特别阐述关键的组织/血流分离算法的实际实现方法，以及如何从滤波后的数据中提取速度信息。该理论描述辅以体外实验验证：使用可编程科研超声系统对一个内含模拟血流液体流动通道的组织仿体进行成像，获得血流图像，并展示通道内多个像素点的血流特征。最后，本文综述了该技术在体内的应用，展示了其在颈动脉、肾脏、甲状腺、脑部和心脏等多个器官中的实际应用示例。
引言
超声成像是临床实践和科研活动中最常用的成像技术之一。通过向生物组织发射超声波并记录其背向散射的回波，可重建出解剖结构图像，即所谓的“B型模式”。该方法特别适用于软组织成像，例如生物组织，通常允许超声波穿透数厘米深度，传播速度约为≈1540 m/s。根据超声探头的中心频率不同，可获得分辨率为30 µm至1 mm的图像。此外，众所周知，声源的运动会影响相关声波的物理特性。特别是，声波频率变化与其声源运动速度之间的关系被称为多普勒效应1，其最直观的表现是行驶中的救护车警报器音调的变化。超声成像长期以来利用这一物理效应来观测流动的红细胞2，并发展出多种成像模式，统称为“多普勒成像”。这些模式可用于评估不同应用场景和器官中的血流情况，例如脑、心脏、肾脏或外周动脉。
值得注意的是，目前大多数超声系统仍依赖于同一种技术，即所谓的常规超声。其基本原理如下：声束照射成像视野，并沿超声换能器的孔径进行扫描。对于声束的每一个位置，系统记录回波信号并将其转换为最终图像中的一条线。通过逐步移动声束沿换能器扫描，整个视野便可逐线成像（图1，左图）。这一策略很好地适应了21世纪初以前普遍存在的电子限制和计算能力。然而，该方法存在若干缺点。其中，由于声束扫描过程的限制，最终帧率被限制在每秒数百帧以内。就血流成像而言，这种相对较低的帧率会影响可检测的最大流....
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方案
1. 多普勒体模制备装置（图2A）
- 将蠕动泵、模拟血液流体储液器、脉动阻尼器和多普勒血流模拟体模用塑料管连接。
- 选择直径为 4 mm 的通道。
- 编程设置泵以在 0.3 秒内喷出 720 mL/min 的流体，随后在 0.7 秒内喷出 50 mL/min 的流体，分别模拟心脏的收缩期和舒张期。
- 启动泵并轻轻摇动管道以排出可能存在的气泡。
注意：操作者可选择不同直径的通道和不同的泵速，但必须确保超声序列足够快，以采集到最高速的流速。后续给出的公式 3 可用于指导序列设计。
2. 超快超声成像系统设置（图 2A）
- 使用 PCI Express 连接线将支持超快成像的研究用扫描仪连接到主机计算机。
- 更换超声扫描仪上的换能器适配器，以匹配探头连接器，然后连接探头。
- 运行 Matlab 并激活超声扫描仪的许可证。
注意：本节及后续内容均默认使用 Verasonics Vantage 系统。
3. 超声序列编程
- 使用示例脚本，设计一个用于探头定位的传统聚焦“B模式”（即超声成像）序列。
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结果
首先通过肉眼观察来评估采集和后处理的质量。在功率多普勒图像中，管腔的形态必须清晰可见，而周围组织区域应呈现为暗区。如果功率多普勒信号未局限于管腔内，则可能意味着去杂波滤波步骤出现问题（SVD 阈值过低），或者在采集过程中探头发生了明显移动。
经过目视检查后，分析管腔内频谱图可为实验成功与否提供良好的信息。频谱图应为单侧（所有数值位于零以上或零以下）。若频谱图为双侧，则存在混叠现象。此时，可能是流速过快，或脉冲重复频率（PRF）过低。
如果满足这些质量标准，则可以从图像中的任意感兴趣区域（ROI）提取血流速度（图2C）。调节ROI的大小可实现对信号不同程度的平均化处理。选定ROI的血流速度随时间变化曲线可用于多种分析，例如阻力指数的计算19、血管壁剪切应力的估算20、反应性充血的量化14，以及更多其他分析
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讨论
该方案的主要框架可以有多种变化。
硬件注意事项
如果用户自行提供定制主机，主板和机箱必须具备可用的 PCI Express 插槽。CPU 还必须拥有足够的 PCIe 通道以支持所有设备。
探头选择
应根据所需的空间分辨率和视野几何形状来选择超声探头（也称为换能器）。探头的中心频率越高，空间分辨率越好，但成像深度越浅。线阵、凸阵或相控阵探头分别提供矩形、扇形和扁平扇形的视野形状。
角度依赖性
超快多普勒成像与传统多普勒技术一样，存在对血流角度依赖性的限制。实际上，其背后的多普勒效应仅能检测沿轴向方向的运动，即朝向探头表面或远离探头的运动。因此，实际测量到的仅是血流散射体速度矢量的轴向分量。通过手动指定血流方向与垂直轴之间的局部夹角，可恢复真实速度，但该角度并不总是能够准确评估。在极端情况下，当血流方向与垂直深度轴完全正交时，多普勒效应无法.......
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致谢
我们感谢 Shreya Shah 的校对和建议。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 模拟血液流体 | CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA | 069DTF | |
| 多普勒血流体模 | CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA | ATS523A | |
| Matlab | MathWorks, Natick, Massachusetts, United States | ||
| 蠕动泵 / 多普勒血流泵 | CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA | 769 | 包含管路和脉动阻尼器 |
| 换能器适配器 | Verasonics, Kirkland, Washington, USA | UTA 408-GE | |
| 超快超声研究扫描仪 | Verasonics, Kirkland, Washington, USA | Vantage 256 | |
| 超声探头/换能器 | GE Healthcare | GE 9L-D |
参考文献
- Doppler, C. Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels. , (2020).
- Bonnefous, O., Pesqué, P. Time domain formulation of pulse-Doppler ultrasound and blood velocity estimation by cross correlation. Ultrasonic Ima....
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重印与许可
