术中人体脊髓生理监测的超快多普勒血管成像

摘要

本研究展示了超快多普勒血管成像在人类脊髓手术期间用于生理监测的应用。

摘要

监测生理参数对于评估患者在术中情况至关重要。血流动力学信息（如血压和心率）可从超声多普勒信号中提取，能够实时反映血管功能并提示病理风险。与振荡法、磁共振成像（MRI）、常规多普勒及压电式方法相比，超快多普勒具有更优的时间分辨率，并对小血管具有高灵敏度。本研究描述了一例脊髓空洞症患者术中应用超快多普勒成像的实例。通过对数据进行后处理，生成了脊髓血管的功率多普勒图像以及生理参数，包括阻力指数（RI）和搏动指数（PI）的详细图谱。手术干预后，RI 和 PI 均显著降低（RI 均值：0.47 → 0.32；PI 均值：0.63 → 0.39；p < 0.001），中位数也呈现一致的下降趋势，表明脊髓血流动力学得到改善。利用该方法评估 PI/RI 参数的变化，可能有助于更全面地理解疾病进展及治疗效果，进而为手术策略和治疗方案提供指导。

引言

血压动态作为重要的术中生理指标，为手术策略提供有价值的指导，并确保手术安全¹。脉搏波由心脏的周期性收缩与舒张产生，作为压力波从主动脉沿动脉血管系统传播²。这些波可被视为心血管功能的直接体现，为理解血压动态及整体血流动力学提供关键信息³。在临床实践中，脉搏波被广泛用于血流动力学状态的连续评估⁴。

作为中枢神经系统内的中继站和反射中枢，脊髓在传递运动和感觉信息方面发挥着关键作用。其血液供应的稳定性对于维持和恢复神经功能至关重要⁶。脊髓搏动性血流信号与脉搏波密切相关，包含血管弹性和血流动力学信息，从而反映脊髓的生理与病理变化。由于脊髓体积小、血管结构复杂⁷以及血流模式复杂⁸， 有效评估脊髓脉搏波面临巨大挑战。

已提出多种用于评估脉搏波的技术。振荡分析法操作简便，可快速测量，但其结果的准确性可能受到伪影、患者体位以及袖带尺寸和放置位置等因素的影响^9,10。某些压电生物信号传感器（如压电脉搏传感器）能够高效检测脉搏波，但其准确性可能因机械振动或温度波动而降低；同时，光学传感器（如光电容积描记法（PPG））则易受环境光和运动伪影的干扰¹¹。此外， 这些技术仅能捕捉局部的脉搏波信号，无法同时提供被观测结构的成像信息¹²。

作为一种强大的成像方式，磁共振成像（MRI）能够对脊髓动脉壁进行相对高空间分辨率的测量，但其成本较高且可及性有限¹³。计算机断层扫描（CT）成像具有更快的扫描速度和更广泛的可用性，但会释放电离辐射，限制了其在重复评估中的应用¹⁴。传统的多普勒超声可通过两种互补的成像模式——彩色多普勒和脉冲波多普勒（PWD），实现对血流动力学的实时评估。彩色多普勒通过逐行扫描视场区域，提供血流速度的定性概览，但存在帧率低、对缓慢或深层血流的敏感性差等缺点。PWD可提供关于血流波形的定量时间信息，但仅限于单个由用户定义的兴趣区域，因此适用于动脉和静脉中较强的血流动力学，并可在小视野范围内量化瞬时脉搏波形¹⁵。增强超声通过使用微泡造影剂改善了血流的可视化效果；然而，造影剂注射在术中环境下引发安全性顾虑，使其在血管搏动的实时评估中适用性较低¹⁶。 光声成像和光学成像技术在血管成像中具有高对比度和高空间分辨率，尤其适用于浅表组织。然而，这些技术对光学通路的高度依赖性显著限制了其在脊髓等深部结构中的应用¹⁷。

近年来，超快超声在血管成像方面取得了迅速发展，展现出巨大的应用潜力¹⁸与传统的聚焦光束扫描不同，超快多普勒采用多角度复合平面波技术，可将超声成像的灵敏度提高约50倍，并显著增强对微小血管的检测能力^15,19,20每个像素均可获得完整的多普勒频谱，有助于全面获取血流速度与方向的信息²¹可用于估算成像区域内的血管指数，例如阻力指数（RI）和搏动指数（PI）。值得注意的是，2014年，Demene 等人²² 应用超快多普勒技术于新生儿脑血流成像，提供了新生儿脑血管阻力指数（RI）的详细分布图。这一进展为理解早产儿和足月儿脑血流自动调节机制及相关疾病发病机制提供了新工具。2020年，Bourquin 等人^23,24 基于超快超声技术提出动态超声定位显微镜（DULM）以实现 体内 对啮齿类动物脑部脉动性微循环进行测量，并将该技术扩展至三维成像，为定量分析提供了新的维度。

在2021年，Zang 等人²⁵利用超快多普勒技术实现了无需对比剂的脊髓微血管成像，其成像分辨率可与透射波长相媲美。Sui 等人²⁶采用基于鲁棒主成分分析（RPCA）的随机采样方法，实现了脑和脊髓微循环的快速、高信噪比超快多普勒成像。Pezet 等人²⁷观察了慢性脊髓损伤后血管重建的过程。2022年，Yu 等人²⁸基于RPCA在大鼠脊髓微循环中实现了超快超分辨率超声定位显微成像，成像分辨率达到13–16 µm，显著低于100 µm的波长。后续研究进一步涉及脊髓损伤后脊髓半暗带区域微循环的连续观察与定量分析²⁹。2023年，Yan 等人³⁰利用超快超声矢量多普勒技术对人类脊髓肿瘤中小血管血流进行了矢量化成像，并基于实验序列参数对相关序列的安全性进行了详细评估。2024年，Agyeman 等人³¹首次在人类中实现了脊髓功能超声成像，展示了脊髓对电刺激功能反应的整合能力。Khaing 等人³²在大鼠和人类急性创伤性脊髓损伤后，验证了灌注成像指标与损伤严重程度之间的相关性。然而，脊髓脉搏波中血流动力学指标的检测与分析仍需进一步研究。

小脑扁桃体下疝畸形是一种影响脊髓的重要且常见的疾病。该病可引起脑脊液动力学改变及脊髓受压，干扰脊髓血流和血管调节，可能导致静脉回流异常³³、血管阻力升高³⁴以及潜在的脊髓缺血³⁵。观察脊髓脉搏波有助于深入理解脊髓血流动力学变化，为小脑扁桃体下疝畸形及其他脊髓疾病的诊断与治疗提供重要依据³⁶。

本研究提出了一种利用超快多普勒血管成像技术在术中监测人类脊髓生理参数的全面方案，特别聚焦于该技术在一名脊髓空洞症患者中的应用。该方法能够在暴露脊髓期间实时获取高帧率的超快多普勒数据，随后通过后处理生成基于像素的阻力指数（RI）和搏动指数（PI）图谱。

方案

本研究涉及人类受试者，所有操作均按照复旦大学附属华山医院人类研究伦理委员会批准的方案（2021-065）进行。所有参与者均签署了知情同意书。本研究仅用于初步科研与验证目的，不用于临床诊断。已评估相关美国食品药品监督管理局（FDA）推荐的安全指数，以确保符合既定的安全标准。本研究纳入的患者均被诊断为小脑扁桃体下疝畸形。参与者的纳入标准、排除标准和退出标准详见补充文件1。所用试剂和设备列于材料表中。

1. 仪器准备

1. 准备超声成像系统。
   1. 将128通道线性阵列连接到可编程超声系统。
      注意：使用通过3D软件建模并由3D打印制成的定制设计外壳保护超声探头。本研究中使用的探头为微型化定制版本，而非商用版本。本研究所采用的超声系统平台此前已在多项研究中用于人体血管成像^37,38,39,40。
   2. 将换能器的中心频率设置为15.625 MHz，对应100 µm的空间分辨率。
   3. 确保相邻阵元之间的节距配置为0.1 mm。
2. 校准设备，测试代码，并确保系统正常运行。
3. 搭建稳定的成像平台。
   1. 将机械臂置于手术床旁，并牢固锁定，以便后续固定探头。
   2. 确保在整个成像过程中探头保持固定。
      注意：该设置可最大限度减少手动操作引起的抖动和位置偏移，提高成像过程中探头定位的稳定性与一致性。

2. 超声序列准备

1. 根据B型超声成像设置合适的成像深度。
2. 将复合帧率设置为1000 Hz。
3. 将采集时间设置为0.4 s。
4. 发射11个倾斜平面波，角度在-10°至+10°之间均匀分布，脉冲重复频率为11,000 Hz。
   注意：倾斜平面波相对于探头的横向轴以不同角度发射。在本研究中，11个平面波在-10°到+10°范围内均匀分布。

3. 探针定位

1. 用无菌医疗器械保护袋覆盖超声探头（图1A）。
   1. 在无菌袋内加入足量的超声耦合凝胶。
   2. 将探头插入保护袋中。
   3. 使用橡胶圈将探头固定在保护袋内。
      注意：通过在无菌袋内表面涂抹无菌超声耦合凝胶实现声学耦合，该无菌袋包裹住探头。保护袋本身直接与人体组织接触，从而在不使耦合介质与组织直接接触的情况下实现有效的超声波传输。
2. 使用机械臂固定探头（图1B）。
   1. 在椎板切除术后，将探头精确放置于暴露的脊髓表面。
   2. 利用机械臂稳定探头，以在成像过程中保持位置一致。
      注意：采用气动机械臂来稳定超声探头。尽管该机械臂不具备自动扫描功能，但可在整个数据采集过程中实现精确的手动定位和稳定。手术室配备的机械臂由主刀医生手动操控并固定。首先锁紧所有主要关节，然后在B型超声引导下对夹持探头的末端关节进行微调。

4. 数据采集

1. 根据B型超声成像设置适当的成像深度。
2. 使用实时B型超声成像确定合适的成像平面。
3. 定位疝出的小脑扁桃体和脊髓。
   注意：当脊髓和小脑扁桃体均在同一成像平面内清晰可见，边界分明且解剖方位正确时，确认对位准确。在B型成像平面中，应确保小脑扁桃体位于脊髓上方，脊髓背侧边缘清晰，并具有左右对称性。确认正确成像平面后，采集一幅超快多普勒图像，以验证血流信号的存在及其稳定性。
4. 终止B型成像序列，启动超快成像序列进行数据采集。
   注意：操作应在常温条件下进行。成像时间较短，探头在采集过程中未出现明显升温。该方法可在手术期间清晰显示脊髓结构，便于精确调整探头位置以获得最佳血管成像效果，并可与术前MRI图像进行对比。本研究中所示病例的原始成像深度范围为0.5至9.5 mm。所有图像面板中的实际成像深度保持恒定。

治疗前脊髓搏动性血流信号的分析（图2）

1. 生成脊髓血管的功率多普勒图像。图3)
   注意：通过彩色多普勒成像分析评估探头的稳定性。在采集过程中，能够持续清晰显示空间上分离的血管且无模糊伪影，表明机械臂在维持稳定声窗方面具有有效性。
   1. 对采集的射频数据进行波束成形。
   2. 应用基于奇异值分解（SVD）的时空滤波方法，分离组织信号与血流信号，并去除高频噪声。设置适当的阈值以提取目标血流成分。
      注意：超声图像信号包含软组织、血流和随机噪声的成分。基于奇异值分解的时空滤波可根据这些成分的时空特征将其分离。⁴¹该方法将超声图像数据分解为奇异向量及其对应的奇异值。通过设定奇异值的滤波阈值，较大的奇异值对应于表示具有强时空相关性的组织成分的特征向量，中等大小的奇异值对应于动态血流信号，而较小的奇异值主要代表噪声。在本研究中，奇异值分解（SVD）的阈值设定为电凝治疗前保留第80至380个奇异成分，手术干预后保留第50至380个奇异成分。该阈值是基于先前经验经验性确定的补充图7).
   3. 将滤波后的血流信号解调为同相/正交（IQ）复信号 . 计算每个像素的平均信号强度，以获得功率多普勒图像 PW (x,z) （公式 1）¹⁵. N_t 是所获取的帧数。
      (1)
      注意：合格的多普勒数据应具有清晰的血管显示和高信噪比。若血管可视化效果不理想，请返回步骤 5.1.2 并相应调整 SVD 阈值范围。
2. 对多普勒信号进行时频分析（图4).
   1. 使用短时间窗口分割血流信号（图4A).
   2. 对每个像素应用快速傅里叶变换（FFT）以估计功率谱密度图4B).
      注意：窗口长度的选择需足以覆盖至少一个完整的心动周期，以确保能够可靠地识别收缩期和舒张期的频率成分。采用汉宁窗以减少频谱泄漏，并对相邻窗口进行重叠以提高时间分辨率。在本研究中，应用长度为80、重叠率为70%的汉宁窗进行快速傅里叶变换（FFT）。
   3. 连续滑动窗口以获取时变的平均多普勒频率。
3. 计算 RI 和 PI 图谱（图4C 和 图 5A- D).
   1. 分析特定像素处血流信号随时间变化的平均多普勒频率图4C).
      注意：通过观察平均多普勒频率随心动周期出现的周期性波动，可验证频率分析的有效性。
   2. 测定血流速度及其变化以计算阻力指数（RI）公式 2)¹⁵ 和 PI（方程 3)¹⁵. V_PSV 是收缩期峰值流速， V_EDV 是舒张末期速度，以及 V_平均值 是平均流速。
      (2)
      (3)
   3. 使用多普勒频率简化阻力指数（RI）和搏动指数（PI）的计算。计算 RI（方程 4）和 PI（方程 5) 贯穿整个脊髓。 f_平均值(x,z,t是在定义的时间窗口内的平均多普勒频率¹⁵.
      (4)
      (5)
      注意：由于血流的存在，超声信号会发生一种称为多普勒频移的频率偏移，该偏移与血流速度相关 V (公式 6). f_多普勒 表示多普勒频移， c₀ 表示人体软组织中的声速， f_脉冲 是超声探头的发射频率，以及超声束与血流方向之间的夹角¹⁵.
      (6)
   4. 平均多普勒频率表示在特定时间窗口内频移的平均值。由于 V 与多普勒频移成正比，可通过计算每个像素随时间变化的平均多普勒频率来近似。
4. RI 和 PI 的统计学分析
   1. 使用逻辑掩膜从感兴趣区域中提取有效的RI和PI值，并采用四分位距（IQR）法排除异常值。
   2. 进行加权的 Student's t 检验 t检验 评估术前与术后状况之间的差异，同时考虑像素级数据结构。
      注意：RI 和 PI 的统计分析在像素水平上进行，组间差异通过箱线图可视化，显著性水平用星号（*）表示p < 0.05, **p < 0.01, ***p < 0.001).

6. 患者管理与成像方案的安全性

1. 密切监测生命体征。在成像过程中持续监测心率、血压、呼吸频率、血氧饱和度和体温。确保患者在整个操作过程中的安全与舒适。
   注意：由于手术过程中可能发生神经损伤，还需进行术中神经生理监测（如体感诱发电位和运动诱发电位）。
2. 确保探头压力适当。使用机械臂保持探头压力稳定且充分。避免施加过大的力量，以免损伤脊髓表面。
3. 与手术团队保持沟通。在整个成像过程中与手术团队清晰沟通。如患者出现不适或突发情况，应及时响应。

7. 治疗后脊髓搏动性血流信号的采集与分析

1. 重复步骤5中描述的步骤，以分析治疗后的脊髓血流信号。
   注意：电凝治疗后，小脑扁桃体回缩，体积减小，边缘变钝，并恢复了与周围组织结构的解剖关系（图6）。数据采集在术中两个不同的时间点进行：电凝治疗前和手术干预后。目前，阻力指数（RI）和搏动指数（PI）的探索仍处于初步阶段，尚未用于实时手术引导。因此，在快速完成数据采集后，手术继续进行，未造成明显中断。随后，所采集的数据在离线状态下进行处理（约5-10分钟，处理步骤和时间详见补充文件2），以确保不影响手术流程。未来，若RI和PI可用于辅助术中决策，预计将实现无缝整合，而不干扰手术时间线。

结果

超快多普勒具有高灵敏度，能够实现脊髓血管网络的高时间分辨率成像。与彩色多普勒相比，能量多普勒具有更高的信噪比（SNR）⁴²。本研究采用适当的阈值范围对基于奇异值分解（SVD）的时空滤波器进行设置，从而有效识别真实的血流信号并实现血流方向的成像。图3E、F展示了使用超快多普勒技术获得的一例小脑扁桃体下疝畸形患者脊髓的能谱多普勒图像。这两幅图像分别显示了电凝治疗前和手术干预后小脑扁桃体向下移位并延伸进入椎管的情况。扁桃体与脊髓之间呈现出清晰的边界。经电凝治疗后（图6），小脑扁桃体回缩至颅腔内，其向下延伸的程度显著减小。脊髓明显减压，血供状况显著改善，表现为血管可见度提高和明显的扩张现象（图3F）。枕骨大孔水平的空间增加，提示脑脊液流动得到改善。

如图4所示，通过分析图像...

讨论

本研究中，术中采用超快多普勒成像技术提取人脊髓的血流信号。随后对血流信号进行频谱分析，并计算阻力指数（RI）和搏动指数（PI），从而获得脊髓血管的功率多普勒图像，以及一名小脑扁桃体下疝畸形患者的相应RI和PI图谱。在超快超声的背景下，小血管指直径约为100微米的血管，而直径小于100微米的血管则被归类为微血管^30,43。

超快多普勒成像利用平面波发射，单次发射即可覆盖整个成像区域，其帧率比传统多普勒高出数百倍⁴³。这一优势解决了感兴趣区域（ROI）大小与时间分辨率之间的权衡问题，使超快多普勒能够对血流动力学进行高灵敏度的监测²¹。研究表明，超快多普勒可用于测量脊髓术中血流的变化，并评估患者的相关血流动力学参数，包括阻力指数（RI）和搏动指数（PI）。尽管在多次采集过程中精确复制成像平面本身具有挑战性，但本研究中多个因素有助于确保一致性。首先，声窗较窄，这在本质上限制了探头...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
MATLAB  R2022b	MathWorks	N/A	用于数据的后期处理
显微镜	ZEISS	PENTERO 800 S	用于术中显微观察
可编程超声系统	Verasonics	Vantage 256	用于脊髓血管的超声成像
机械臂	Aesculap	RT060R	用于固定探头
单晶高频线阵换能器	Verasonics	L22-14vX	用于脊髓血管的超声成像
超声耦合剂	Baby Fun	型号 M	消除探头与接触面之间的空气间隙