Name: 血流成像与超快多普勒 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-10-14T13:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 57 s
Description: 了解超快多普勒超声成像技术用于定量测量血流速度的方法。该技术可生成全视野血流动力学影像，帮助研究人员深入分析器官灌注与肿瘤微血管分布特征。

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我们感谢 Shreya Shah 的校对和建议。

1. 多普勒体模制备装置（图2A）
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>选择直径为 4 mm 的通道。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
2. 超快超声成像系统设置（图 2A）
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>
3. 超声序列编程
<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>将成像深度设置为 50 mm。</li>
		<li>将聚焦深度设置为 35 mm。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用示例脚本，设计一个超快超声序列。
	<ol>
		<li>将成像深度设置为 50 mm。</li>
		<li>编程生成三个倾斜平面波，角度为 [-3, 0, 3] 度。</li>
		<li>将脉冲重复频率 (PRF) 设置为 12 kHz。</li>
		<li>超声波形采用 4 个半周期，中心频率取决于所用探头，此处假设中心频率为 5.2 MHz。</li>
		<li>将总持续时间设置为 1 s。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 探针定位与数据采集
<ol>
	<li>在探头镜头上涂抹超声耦合剂。</li>
	<li>将探头置于模体上，并启动B型超声序列。</li>
	<li>定位目标管道。液体区域比周围组织更暗。将探头置于纵向视图位置。</li>
	<li>手动保持探头在目标位置。</li>
	<li>结束B型超声序列，并启动超快序列采集程序。</li>
</ol>
5. 图像重建（图2B）
<ol>
	<li>序列结束后，保存原始数据（也称为射频数据，“RF”）。</li>
	<li>使用超声系统默认软件启动图像重建脚本。处理结束后，应生成 IQ 数据矩阵。 
	注意：超声回波在探头的每个单元上针对每次发射/接收进行记录，然后存储在 RF 数据矩阵中。图像重建对每个通道应用适当的延迟法则，从而得到所谓的“IQ”（同相/正交）矩阵。该复数 IQ 矩阵具有三个维度：两个空间维度（图像深度和宽度）以及一个时间维度</li>
</ol>
6. 杂波滤波（图 2C）
注意：步骤 6-7 请参见 补充材料 中提供的 Matlab 脚本。
<ol>
	<li>将三维（空间×空间×时间）IQ 矩阵重塑为二维（空间×时间）Casorati 矩阵，记为 IQr。</li>
	<li>对 IQr 进行奇异值分解15（公式 1）。 
	<img alt="奇异值分解方程 [U,S,V]=svd(IQr)，数学公式。" src="/files/ftp_upload/61838/61838equ01v3.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 1"> 公式 1</li>
	<li>利用 Baranger 等人18（II, D）所述的空间奇异向量 U，计算空间相似性矩阵 C，并确定血流子空间的边界 N。</li>
	<li>使用该截断值 N，按照 Demene 等人15（II, C）所述方法对 IQ 数据进行滤波。</li>
</ol>
7. 流动可视化与速度测量（图2C）
<ol>
	<li>通过沿时间维度对滤波后的数据 IQt 的包络进行积分，计算功率多普勒图 PD（见公式 2）。三维坐标 z、x 和 t 分别表示深度、宽度和时间维度，nt 为采集的帧数。 
	<img alt="相位图方程：PD(z,x)=1/nt∑|IQf(z,x,t)|²，统计物理分析。" src="/files/ftp_upload/61838/61838equ02v5.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 2"> 公式 2</li>
	<li>以对数尺度显示 PD 图。为设定动态范围，先计算管道外区域的平均 PD 值，并将该值以 dB 为单位作为动态范围的下限。典型的动态范围为 [-30, 0] dB。</li>
	<li>在图像上定义一个包含 1 至 30 个像素的圆形感兴趣区域（ROI）。</li>
	<li>对 ROI 内各像素的 IQf 信号进行平均，得到一个包含 nt 个时间点的向量 <img alt="显示 IQ 带下标 f 和上标 ROI 的方程。" src="/files/ftp_upload/61838/61838equ03v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 3">。</li>
	<li>利用短时傅里叶变换（STFT）的平方幅值，计算并显示 <img alt="IQ 公式 IQ_f^ROI；数学符号；简洁的教育关键词。" src="/files/ftp_upload/61838/61838equ04v2.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 4"> 的多普勒频谱图。
	<ol>
		<li>将 STFT 窗口设为 60 个采样点的汉宁窗。</li>
		<li>将 STFT 重叠率设为窗口长度的 90%。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在频谱图的每个时间点上叠加其中心频率。</li>
	<li>利用多普勒公式（公式 3）将频率 f 值转换为血流轴向速度 vz。c0 为介质中的声速，fTW 为发射超声波形的中心频率（此处为 5.2 MHz）。 
	<img alt="声速方程，\( v_z = \frac{c_0 f}{2 f_{TW}} \)，科学公式。" src="/files/ftp_upload/61838/61838equ05v4.jpg" data-altupdatedat="1788304762000" data-alt="公式 3"> 公式 3</li>
</ol>

<ol><li>Doppler, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aDoppler%2C+C+%22Ueber+das+farbige+Licht+der+Doppelsterne+und+einiger+anderer+Gestirne+des+Himmels%22">Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels</a>. , (2020).</li>
<li>Bonnefous, O., Pesqué, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time+domain+formulation+of+pulse-Doppler+ultrasound+and+blood+velocity+estimation+by+cross+correlation%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonic+Imaging%22%5BJournal%5D)">Time domain formulation of pulse-Doppler ultrasound and blood velocity estimation by cross correlation.</a> Ultrasonic Imaging. 8 (2), 73-85 (2004).</li>
<li>Bercoff, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+compound+doppler+imaging%3A+Providing+full+blood+flow+characterization%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Ultrafast compound doppler imaging: Providing full blood flow characterization.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 58 (1), 134-147 (2011).</li>
<li>Evans, D. H., Jensen, J. A., Nielsen, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrasonic+colour+Doppler+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Interface+Focus%22%5BJournal%5D)">Ultrasonic colour Doppler imaging.</a> Interface Focus. 1 (4), 490-502 (2011).</li>
<li>Nuffer, Z., Rupasov, A., Bekal, N., Murtha, J., Bhatt, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spectral+Doppler+ultrasound+of+peripheral+arteries%3A+a+pictorial+review%5BTitle%5D)+AND+%22Clinical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Spectral Doppler ultrasound of peripheral arteries: a pictorial review.</a> Clinical Imaging. 46, 91-97 (2017).</li>
<li>Jensen, J. A., Nikolov, S. I., Gammelmark, K. L., Pedersen, M. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthetic+aperture+ultrasound+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22Ultrasonics%22%5BJournal%5D)">Synthetic aperture ultrasound imaging.</a> Ultrasonics. 44, SUPPL (2006).</li>
<li>Tong, L., Ramalli, A., Jasaityte, R., Tortoli, P., D'Hooge, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multi-transmit+beam+forming+for+fast+cardiac+imaging-experimental+validation+and+in+vivo+application%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Multi-transmit beam forming for fast cardiac imaging-experimental validation and in vivo application.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 33 (6), 1205-1219 (2014).</li>
<li>Tanter, M., Bercoff, J., Sandrin, L., Fink, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+compound+imaging+for+2-D+motion+vector+estimation%3A+application+to+transient+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Ultrafast compound imaging for 2-D motion vector estimation: application to transient elastography.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 49 (10), 1363-1374 (2002).</li>
<li>Udesen, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+frame-rate+blood+vector+velocity+imaging+using+plane+waves%3A+Simulations+and+preliminary+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">High frame-rate blood vector velocity imaging using plane waves: Simulations and preliminary experiments.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 55 (8), 1729-1743 (2008).</li>
<li>Hansen, K. L., Udesen, J., Gran, F., Jensen, J. A., Bachmann Nielsen, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-vivo+examples+of+flow+patterns+with+the+fast+vector+velocity+ultrasound+method%5BTitle%5D)+AND+%22Ultraschall+in+der+Medizin%22%5BJournal%5D)">In-vivo examples of flow patterns with the fast vector velocity ultrasound method.</a> Ultraschall in der Medizin. 30 (5), Stuttgart, Germany. 471-477 (2009).</li>
<li>Tanter, M., Fink, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+imaging+in+biomedical+ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Ultrafast imaging in biomedical ultrasound.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 61 (1), 102-119 (2014).</li>
<li>Montaldo, G., Tanter, M., Bercoff, J., Benech, N., Fink, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+plane-wave+compounding+for+very+high+frame+rate+ultrasonography+and+transient+elastography%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">Coherent plane-wave compounding for very high frame rate ultrasonography and transient elastography.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 56 (3), 489-506 (2009).</li>
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<li>Maresca, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Noninvasive+Imaging+of+the+Coronary+Vasculature+Using+Ultrafast+Ultrasound%5BTitle%5D)+AND+%22JACC%3A+Cardiovascular+Imaging%22%5BJournal%5D)">Noninvasive Imaging of the Coronary Vasculature Using Ultrafast Ultrasound.</a> JACC: Cardiovascular Imaging. 11 (6), 798-808 (2018).</li>
<li>Demené, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatiotemporal+Clutter+Filtering+of+Ultrafast+Ultrasound+Data+Highly+Increases+Doppler+and+fUltrasound+Sensitivity%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Spatiotemporal Clutter Filtering of Ultrafast Ultrasound Data Highly Increases Doppler and fUltrasound Sensitivity.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (11), 2271-2285 (2015).</li>
<li>Demené, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+microvascular+imaging+based+on+ultrafast+Doppler+tomography%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">4D microvascular imaging based on ultrafast Doppler tomography.</a> NeuroImage. 127, 472-483 (2016).</li>
<li>Demené, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Doppler+reveals+the+mapping+of+cerebral+vascular+resistivity+in+neonates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+and+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Doppler reveals the mapping of cerebral vascular resistivity in neonates.</a> Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 34 (6), 1009-1017 (2014).</li>
<li>Baranger, J., Arnal, B., Perren, F., Baud, O., Tanter, M., Demene, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+Spatiotemporal+SVD+Clutter+Filtering+for+Ultrafast+Doppler+Imaging+Using+Similarity+of+Spatial+Singular+Vectors%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Medical+Imaging%22%5BJournal%5D)">Adaptive Spatiotemporal SVD Clutter Filtering for Ultrafast Doppler Imaging Using Similarity of Spatial Singular Vectors.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 37 (7), 1574-1586 (2018).</li>
<li>Demené, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Doppler+Reveals+the+Mapping+of+Cerebral+Vascular+Resistivity+in+Neonates%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cerebral+Blood+Flow+%26+Metabolism%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Doppler Reveals the Mapping of Cerebral Vascular Resistivity in Neonates.</a> Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 34 (6), 1009-1017 (2014).</li>
<li>Goudot, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wall+Shear+Stress+Measurement+by+Ultrafast+Vector+Flow+Imaging+for+Carotid+Stenosis%5BTitle%5D)+AND+%22Ultraschall+in+der+Medizin+-+European+Journal+of+Ultrasound%22%5BJournal%5D)">Wall Shear Stress Measurement by Ultrafast Vector Flow Imaging for Carotid Stenosis.</a> Ultraschall in der Medizin - European Journal of Ultrasound. , (2019).</li>
<li>Demené, C., Mairesse, J., Baranger, J., Tanter, M., Baud, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Doppler+for+neonatal+brain+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22NeuroImage%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Doppler for neonatal brain imaging.</a> NeuroImage. 185, 851-856 (2019).</li>
<li>Villemain, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrafast+Ultrasound+Imaging+in+Pediatric+and+Adult+Cardiology%5BTitle%5D)+AND+%22JACC%3A+Cardiovascular+Imaging%22%5BJournal%5D)">Ultrafast Ultrasound Imaging in Pediatric and Adult Cardiology.</a> JACC: Cardiovascular Imaging. , (2019).</li>
<li>Provost, J., Papadacci, C., Demene, C., Gennisson, J. L., Tanter, M., Pernot, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-D+ultrafast+doppler+imaging+applied+to+the+noninvasive+mapping+of+blood+vessels+in+Vivo%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Transactions+on+Ultrasonics%2C+Ferroelectrics%2C+and+Frequency+Control%22%5BJournal%5D)">3-D ultrafast doppler imaging applied to the noninvasive mapping of blood vessels in Vivo.</a> IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 62 (8), 1467-1472 (2015).</li>
<li>Osmanski, B. F., Montaldo, G., Fink, M., Tanter, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+out-of-plane+Doppler+imaging+based+on+ultrafast+plane+wave+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+International+Ultrasonics+Symposium%2C+IUS%22%5BJournal%5D)">In vivo out-of-plane Doppler imaging based on ultrafast plane wave imaging.</a> IEEE International Ultrasonics Symposium, IUS. 62 (4), 76-79 (2013).</li>
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<li>Correia, M., Provost, J., Tanter, M., Pernot, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((4D+ultrafast+ultrasound+flow+imaging%3A+in+vivo+quantification+of+arterial+volumetric+flow+rate+in+a+single+heartbeat%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+in+Medicine+and+Biology%22%5BJournal%5D)">4D ultrafast ultrasound flow imaging: in vivo quantification of arterial volumetric flow rate in a single heartbeat.</a> Physics in Medicine and Biology. 61 (23), 48-61 (2016).</li>
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</ol>

无利益冲突

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...

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速，而该限制由香农-奈奎斯特采样准则3决定。此外，常规多普勒技术必须应对一个复杂的权衡问题。为了评估特定感兴趣区域（ROI）内的血流速度，需要连续采集来自该区域的多个回波信号。这意味着超声声束必须暂时保持在固定位置。回波集合越长，对该ROI的速度估计就越精确。然而，为了生成完整的视野图像，声束又必须对介质进行扫描。因此，这两个需求之间存在明显冲突：是固定声束以精确测量某一条线上的速度，还是移动声束以生成图像。不同的常规多普勒模式（即彩色多普勒或脉冲波多普勒）直接反映了这一权衡。通常，彩色多普勒生成的是低精度的血流图，用于定位血管4，随后使用脉冲波多普勒对先前识别出的血管内的血流进行精确定量分析5。
这两个限制（低帧率和定位/定量之间的权衡）已通过新兴的超高帧率技术得到克服。其中，可引用合成孔径方法6或 multiline 发射技术7。在本研究中，我们聚焦于所谓的超快超声方法。该方法早在二十年前即被提出8,9,10，同样依赖于超声波的发射与接收，但采用了截然不同的模式。实际上，超快成像并非使用扫描聚焦声束，而是采用平面波或发散波，仅需一次发射即可对整个视场进行超声照射。在单次发射之后，相应的电子系统也能够接收并处理来自整个视场的大量回波信号。最终，可基于单次发射/接收模式重建一幅图像11（图1，右侧面板）。由于声学能量的扩散，这些非聚焦发射可能导致信噪比较低（SNR）。这一问题可通过发射多个不同角度的平面波（或来自不同源的发散波）并将所得图像叠加来解决。该方法称为“相干复合”12。由此产生两个重要结果：首先，帧率仅取决于超声飞行时间，通常可达 1 至 10 kHz；其次，这确保了数据在空间和时间维度上的连续性，也称为时空相干性。因此，传统上定位与定量之间的权衡被打破。这种高帧率与时空相干性的结合，极大提升了利用超声检测血流的能力。与传统超声相比，超快超声可对血流进行完整表征3。实际应用中，用户可在整个采集期间（通常约为 ≈1 s），以帧率决定的时间尺度（通常为 5 kHz 帧率，对应 200 µs 的时间分辨率），获取图像中每个像素的流速随时间变化的信息。这种高帧率使该方法适用于多种应用场景，例如心脏腔室等运动器官中的快速血流13，以及冠状动脉微循环下的心肌灌注14。此外，已有研究表明，其时空相干性显著增强了从背景运动组织中分离慢速血流的能力，从而提高了对微血管血流的敏感性15。这一能力使得在动物16和人类17中均可实现对脑部微血管系统的成像。
因此，超快超声成像非常适合在多种情况下对血流进行成像。该技术仅限于软生物组织，且会受到硬界面（如骨骼）或含气腔隙（如肺部）的显著影响。通过调节超声序列的物理参数，可实现对慢速（低至1 mm/s11,16）和快速（高达数m/s）血流的观测。空间分辨率与穿透深度之间存在权衡关系。通常情况下，可实现约50 µm的分辨率，但穿透深度约为5 mm；反之，穿透深度可扩展至15–20 cm，但分辨率将降低至1 mm。需要注意的是，大多数超快超声设备（包括本文所使用的设备）仅能提供二维图像。
本文提出了一种简单的实验方案，利用可编程科研超声扫描仪和模拟嵌入生物组织中的血管（动脉或静脉）的多普勒体模，来引入超快多普勒成像的概念。

<table><tbody><tr><td>模拟血液流体</td><td>CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA</td><td>069DTF</td><td></td></tr><tr><td>多普勒血流体模</td><td>CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA</td><td>ATS523A</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>MathWorks, Natick, Massachusetts, United States</td><td></td><td></td></tr><tr><td>蠕动泵 / 多普勒血流泵</td><td>CIRS Inc, Norfolk, Virginia, USA</td><td>769</td><td>包含管路和脉动阻尼器</td></tr><tr><td>换能器适配器</td><td>Verasonics, Kirkland, Washington, USA</td><td>UTA 408-GE</td><td></td></tr><tr><td>超快超声研究扫描仪</td><td>Verasonics, Kirkland, Washington, USA</td><td>Vantage 256</td><td></td></tr><tr><td>超声探头/换能器</td><td>GE Healthcare</td><td>GE 9L-D</td><td></td></tr></tbody></table>

超快多普勒血流成像

Blood Flow Imaging with Ultrafast Doppler

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。

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<sup class="...

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。

脉冲多普勒效应是临床超声心动图中用于评估血流的主要技术。结合常规聚焦超声多普勒使用时……

通过超声对血流进行定量评估是医学中用于多种器官功能判断的一项极为有用的参数。超快多普勒超声具有优异的时间相干性，可显著提高对微小血流速度的检测灵敏度。实现对微循环灌注的观测，为更精确地理解肿瘤或脑、心脏等器官的灌注情况提供了可能。设置多普勒体模时，首先使用塑料管将蠕动泵、模拟血液流体储液器、脉冲减震器和多普勒血流体模连接起来。选择直径为4毫米的通道，将泵程序设置为在0.3秒内以每分钟720毫升的流速泵出液体，随后在0.7秒内以每分钟50毫升的流速泵出液体，以分别模拟心脏的收缩期和舒张期。然后启动泵，并轻轻摇动管道以排出可能存在的气泡。设置超快超声扫描仪时，使用 PCI Express 连接线将支持超快成像的科研扫描仪连接到主机计算机，并更换扫描仪上的换能器适配器以匹配探头连接器。连接探头后，运行 MATLAB 以激活超声扫描仪的许可证。设置超声序列程序时，将成像深度设为 50 毫米，聚焦深度设为 35 毫米。设计超快超声序列时，将成像深度设置为50毫米，编程三个倾斜平面波，角度分别为负3度、0度和3度，并将脉冲重复频率设置为12千赫兹。然后选择四次半周期作为超声波形，中心频率根据所用探头进行设置，并将总持续时间设为1秒。序列参数设置完成后，在探头透镜上涂抹超声耦合剂，并将探头放置于模体上。启动B型超声序列，定位目标管腔。液体区域将比周围组织显示得更暗。切换至纵向视图。在不改变探头位置的情况下，结束B模式序列并启动超快序列采集程序。序列结束后，保存原始数据，并使用超声系统默认软件启动图像重建程序。对于杂波滤波，使用MATLAB程序将三维IQ矩阵重塑为二维Casorati矩阵。然后使用公式计算矩阵的奇异值分解，并利用空间奇异向量计算空间相似性矩阵 C，以识别血流子空间边界。利用血流空间边界阈值对 IQ 数据进行滤波。为计算功率多普勒图，使用公式沿时间维度对滤波后数据的包络进行积分，并以对数尺度显示功率多普勒图。在图像中定义一个包含1至30个像素的圆形感兴趣区域，并对区域内各像素的滤波数据信号进行平均，以获得对应实验时间点数量的滤波数据向量。为计算并显示这些数据的多普勒频谱图，将短时傅里叶变换的窗函数设置为60个样本的汉宁窗，短时傅里叶变换的重叠长度设置为窗长度的90%。随后，叠加频谱图中每个时间点的中心频率，并利用多普勒公式将频率值转换为血液轴向速度。如果获得了高质量的频谱图，则可以从图像内任意感兴趣区域提取血流速度。在此新生儿脑部图像中，可以观察到具有显著不同流动特征的血管，从小的皮层微静脉和微动脉到主要的胼周动脉。此处展示了超快多普勒技术从心肌等剧烈运动器官中提取血流信号的能力。尽管我们展示了奇异值分解的应用，但也可使用其他类型的滤波器。超快多普勒技术有助于我们更深入地理解微灌注。这是医学成像领域的一场真正革命。

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血流成像与超快多普勒

高频多普勒超声是一种用于评估局部心肌功能的新型技术。本研究首次证明了这种多功能成像平台在缺血-再灌注（IR）小鼠心脏中重复测量心肌应变、dp/dt及二尖瓣反流的可行性。...

高频高分辨率超声心动图：非侵入性重复测量缺血-再灌注小鼠心脏心肌应变、收缩力及二尖瓣反流的首次证据

总视网膜血流量通过多普勒光学相干断层扫描结合半自动分级软件进行测量。...

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来源： Hage, B. D. 等，利用功能性经颅多普勒超声监测脑血流。《视觉化实验杂志》J. Vis. Exp. (2021)...

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利用超快多普勒超声成像及定量小鼠肝脏血管系统

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利用多光谱成像流式细胞术分析纳米颗粒与细菌的细胞内化作用

了解超快多普勒超声成像技术用于定量测量血流速度的方法。该技术可生成全视野血流动力学影像，帮助研究人员深入分析器官灌注与肿瘤微血管分布特征。

超快多普勒血流成像

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