第6章：外周动脉检测仪功能及工作原理

PAGEPAGE12第6章外周动脉检测仪功能及工作原理6.1仪器功能6.1.1目前国内使用的外周动脉检测设备主要是国外的产品，且多数产品的功能不尽完善，有的设备只能做ABI检测，有的仅能做PWV检测，有的只做AI检测。本章主要介绍北京某公司生产的外周动脉检测仪的功能及工作原理。该系列产品是国内第一家自主研发和生产的外周动脉检测设备，它在汲取了国外相关设备优点的同时又加入了很多适合于临床常规检测、临床试验、大规模流行病学调查和体检所应用的功能。该仪器除了包含传统的四肢动脉血压同步测量、踝臂指数（ABI）、踝臂脉搏波传导速度（baPWV）和趾臂指数（TBI）的检测外，还开创性地推出了臂踝指数（BAI）的检测，并加入了连续波多普勒超声（CWD）的检查功能。该仪器具有强大的数据采集、数据管理和数据预览功能，并有独特的数据自动分析和报告功能，这是国外产品不可比拟的。6.1.21数据采集功能新型外周动脉检测仪具有四肢动脉血压测量，ABI、BAI、TBI、baPWV和CWD的数据采集和分析功能。（1）四肢动脉血压值测量系统可以通过以下3种方式测量血压值（用户可选择）。①同步测量方式：四肢血压袖带同步加压和缓慢放气，取得同一个心动周期内的脉搏波数据进行血压值的判断，此方式最常用。②单肢体测量方式：每个肢体的血压分别测量。③单侧测量方式：左右侧肢体分别测量。注意：测量血压值时需要把袖带充气到足以阻断血流通过的程度，但是从安全的角度考虑，不能让袖带压力无限度的增加，应限制血压测量的最大压力值。外周动脉检测仪所提供的血压测量的最大压力缺省值是200mmHg（范围50～300mmHg，操作者可自行选择）。（2）ABI、BAI和TBI值测量测量出两侧上臂肱动脉、踝部胫后动脉和趾动脉的血压值后，分别按照ABI、BAI和TBI计算公式（详见11.3.1、13.2.1、14.2.2）自动计算出ABI、BAI和TBI（3）baPWV值测量对两侧上臂和踝部动脉同步加压，当压力达到一定程度（30mmHg、50mmHg、80mmHg、110mmHg可选）时，同时记录两侧上臂和踝部动脉的脉搏波体积记录波形数据，按照baPWV的计算公式（详见6.2.3）计算出ba（4）运动负荷检查（可选）当测量出的ABI或BAI为临界值、高度怀疑动脉阻塞时，应进一步行运动负荷试验来确定诊断。（5）心率变异检查（可选）系统为有心脏功能障碍的受检者提供了心率变异性分析。（6）CWD检测（可选）对于疑诊外周动脉疾病的受检者，可进行CWD检查，以进一步明确病变的部位和严重度。2数据管理功能为了便于数据的维护和管理、数据的检索和备份，在数据管理模块中包含了以下功能。①数据的复制、粘贴和删除：数据可以方便地备份到另一处，对不必保留的数据进行删除操作。②病历信息的修改：对已输入的错误病历信息数据可进行修改。③数据检索：可分别根据条形码、序列号、病案号、姓名、性别、年龄、工作部门、工种、住址、病史、动脉硬化危险因素和用药等项目进行检索，也可根据ABI或PWV数据的范围进行检索。④数据汇总：对一段时间内的数据进行汇总输出。⑤追加采集数据：对复查的受检者，在检索出原始记录后在同名录下能够追加采集新的记录数据。这样同一个受检者的多次记录数据能够显示在一起，方便操作者的对比研究和判断。⑥不同的操作用户的数据汇总功能。3报告单功能参照国内外权威机构发布的血压、ABI、BAI和baPWV等主要检测参数的异常诊断标准，新型外周动脉检测仪能够自动分析和报告检测结果。为方便使用者快速出报告，该仪器为不同受检对象设计了16个报告模版。4数据预览功能可以在数据预览中调出储存的病历数据，查看脉搏波形、各种检测参数和诊断结论。5系统设置功能系统设置功能：①系统配置：配置一些常用的词条、医院信息等内容。②用户管理：对使用本系统的用户及权限进行管理。③显示配置：对一些界面及波形显示颜色进行配置。④硬件性能检验。6预约管理当需要做大量数据采集的工作时（如流行病学调查、体检中心），提前输入受检者的病历信息，以便在数据采集时节省时间。6.2工作原理6.2.1新型外周动脉检测仪采用震荡法（示波法）测量血压。当血压袖带充满空气时血流停止，但动脉仍继续搏动而引起袖带内压力的震荡。袖带内压力慢慢释放时，压力震荡的幅度逐步增加，并达到一个峰值。袖带内压力进一步释放导致压力震荡的幅度减小。袖带压力变化和压力震荡之间的相关数据被用来确定血压值。震荡急剧增加时的袖带压力值取作收缩压（SBP），急剧减小时的压力值取作舒张压（DBP），震荡达到峰值时的袖带压力值取作平均动脉压（MBP）。血压值测量的具体过程如下。1血压测量过程中的脉搏波变化图6-1示血压测量过程中的脉搏波变化。图6-12脉搏波数据的提取图6-2示对检测出的脉搏波进行低通滤波和基线回归处理后得到的脉搏波变化图形。图6-23血压值的判断图6-3示对每个脉搏波的幅度进行提取得到的脉搏波包络线图形。此图形的正常形状似山峰形。通常用最大波幅法来判别平均压，即振荡波包络线的最大值为平均压。利用示波原理判定收缩压和舒张压的具体方法有两种：①波形特征法，即通过识别压力波在收缩压和舒张压处的波形特征来判别血压；②幅度系数法，即通过确定并辨识收缩压幅度、舒张压幅度与最大幅度之间的关系来判别血压。首先找出平均压点（波峰最高点），然后找到收缩压点（左面三角对应点）和舒张压点（右面三角对应点），此三点对应的压力就是相应的血压值。图6-36.2.2测出两侧上臂和踝部血压值后，仪器运用11.3.1和13.2.1介绍的公式自动计算出ABI值和BAI值。测出两侧上臂肱动脉和趾动脉血压值后，仪器运用14.2.2介绍的公式自动计算出TBI值。6.2.baPWV值的测量方法和计算公式见图6-4。首先同步测量四肢动脉的脉搏波形，找出每个脉搏波的入射波起始点，计算上臂和踝部的脉搏波时间差(Times)，测量心脏到上臂测量点的距离(LA)和心脏到下肢踝部测量点的距离（LB）。图6-41脉搏波特征点的提取每个脉搏波均有6个特征点（图6-5）。这6个特征点的变化反映了心血管的状况。由于脉搏波因人、因病而异，特别是有心血管疾病患者的脉搏波更是复杂多样，脉搏波中这6个特征点可能不是全部都很明显，给脉搏波特征点的自动识别带来困难。在baPWV的计算中，只需要能正确识别出每个脉搏波的a点（入射波起始点）即可。可以用上升沿的最大斜率画一条直线，利用过拐点的直线与最大斜率直线的交叉点得到入射波起始点的位置，见图6-6。图6-5图6-6图6-7示，分别找出两侧臂和踝部脉搏波的入射波起始点，然后分别计算出右臂-右踝的时间差（Times）和左臂-左踝的时间差（Times），再根据上臂和踝部血管的距离差，计算出baPWV值。图6-7人体血管距离的计算方法根据人体解剖和统计学的原理，通过人体的身高可以计算出血管的长度。血管长度（cm）的换算公式如下：①心脏中心点到颈部（hc）＝0.2437×身高－18.9999②心脏中心点到上臂（hb）＝0.2195×身高－2.0734③心脏中心点到股动脉(hf)＝0.5643×身高－18.381④股动脉到踝部(fa)＝0.2486×身高＋30.709⑤心脏中心点到踝部(ha)＝中心点到股动脉＋股动脉到踝部⑥上臂到踝部(ba)＝中心点到踝部－中心点到上臂6.21多普勒效应奥地利物理学家ChristianAndreasDoppler在1842年研究和描述了多普勒效应（Dopplereffect），多普勒效应是一种物理现象，振动源和接收体有相对运动时，所接收到的回声频率不同于振源所发射的频率，其差别与相对运动的速度有关这就是多普勒效应。声学里应用这一效应可以解释：当一个移动的声源接近受试者时，可以听到一个逐渐升高的声音；当声源逐渐远离听者时，则听到的是一个较低的声音；当声源静止，反射体运动时，这种现象依然存在（图6-8）。这种变化用多普勒频移（Dopplerfrequencyshift，fd）描述，即发射频率与接受频率之间的差值。运动物体的速度越快时，其差值也越大。图6-8多普勒频移fd可用公式表达为：fd＝fr—fo＝2Vcosθfo/c公式6－1这个公式即多普勒方程，公式中fo为发射超声波频率，fr为接收到的超声波频率，fd为多普勒频移，以Hz表示；V为反射物体运动速度，单位为m/s，c为超声波在介质中传播速度，单位为m/s，θ为超声束与反射体运动方向之间的夹角。发射频率fo和声速c是已知的，因而fd与V成正比关系，即可用fd反映反射体运动速度V。由公式可知：声源和接收器相对运动时，接收的频率增大，声源和接收器背离运动时，接受的频率减低；声源静止，接收器向着声源运动，接收的频率增大，背离声源运动，接收的频率减低；接收器静止，声源朝向接收器运动，接收的频率增大，背离接收器运动，接收的频率减低（图6-9）。图6-92频谱多普勒基本原理（1）成像原理1）物理基础：多普勒超声在血管检查时表现为血流相对于声源的运动。血管壁、血流都是运动的，当超声波遇到时会产生多普勒效应。血液中含有大量的红细胞，能产生散射信号，当探头发射脉冲波时，超声探头是声源，红细胞是接收器；当红细胞反射脉冲波时，红细胞变为声源，超声探头变为接收器。在体外检测、处理、计算并显示由体内反射、散射回来的多普勒信号，就可以达到非侵入性检测血流状态的目的，见图6-10。图6-10由多普勒方程可得到：V=c(fd)/2focosθ公式6－2因此多普勒技术可检测人体血流的速度和方向。由多普勒方程可知：①多普勒效应必须满足fo≠0和V≠02个条件，即声源与接收器之间必须有相对运动。②在超声波入射角θ恒定时，fd决定于原始的发射频率fo。对于特定的fd，fo越小，可测量的血流速度就越大。因此欲测高速血流，就应选择较低探头发射频率。③当fo一定时，血流速度V发生变化，fd也随之变化，多普勒频移与血流速度成正比。④θ角改变与频移的关系，见图6-11。当0°＜θ＜90°，cosθ为正值，频率增高，fd为正向频移，即血流方向朝向探头。当90°＜θ＜180°时，cosθ为负值，频率减低，fd为负向频移，即血流方向背离探头。当θ＝180°或θ＝0°时，cosθ＝±1，fd最大，即血流方向与声束平行，在同一条直线上相向或背离运动。当θ＝90°时，cosθ＝0，fd=0，即血流方向与声束垂直，理论上检测不出多普勒频移。图6-11⑤在V、c、fo恒定的情况下，只有cosθ能够影响多普勒频移。频移随超声束的入射角θ的变化而变化，只有在θ＜60°时才能够测量到准确的频移，因而频移的大小取决于角度θ的大小。检测的速度值是相对值，而要得到真实的血流速度，还需进行换算。2）成像原理：多普勒超声成像技术一般分为两类：第一类包括彩色多普勒血流成像（colorDopplerflowimaging，CDFI），第二类包括频谱脉冲波多普勒（spectralpulsedwaveDoppler，PW）、连续波多普勒和高脉冲重复频率式多普勒（highpulserepetitionfrequencyDoppler，HPRF）。目前，频谱多普勒为血流动力学定量诊断的首选方法，临床超声诊断常用PW和CW两种。脉冲波多普勒采用单个换能器，作为声源发射出一组超声脉冲后，又作为接收器接收反射的回声。但它并不接收所有的反射回声信号，而是在延迟一段时间（T）后，才接收反射的回声，见图6-12。脉冲波多普勒可以通过选择性的时间延迟T，接收来自人体不同深度的某一区域超声反射信号，对靶目标定位，这种定位探查的能力称为距离选通，该特定探查区域称为取样容积。脉冲多普勒的取样容积具有三维形状，它的高度和宽度等于探查区域超声束界面的高度和宽度，长度决定于超声脉冲的持续时间。取样容积的宽度和高度是不可能调节的，而长度是可调节的。脉冲多普勒的距离选通功能对于血流的定位诊断具有十分重要的意义，但不可检测高速血流。图6-12连续波多普勒通常采用两个超声换能器，一个换能器发射恒定的超声波，而另一个接收其反射波，见图6-13。由于它是连续发射和接收超声，理论上脉冲重复频率（pulserepetitionfrequency，PRF）为无限大，在进行频谱显示时，不受血流速度的限制，所以可检测高速血流。同时，由于沿超声束内所有回声信号均被记录下来，无法确定声束内回声信号的位置，无距离选通功能，因而不能用于定位诊断。脉冲波多普勒和连续波多普勒技术互相补充，两者灵活地结合，即可测量高速血流，又可对其定位。图6-13（2）显示方式脉冲多普勒和连续多普勒所检测的频移为取样容积和声束内所有红细胞的多普勒频移，由于红细胞的运动速度和方向不尽相同，在同一时刻，将产生多个频移信号。同时，具有相同速度的红细胞的数目也不同，因而产生的信号强度也不相同。所以，探头接收到的是多种频率和振幅的复杂信号。为了准确显示这种复杂信号，必须进行频谱分析。目前，频谱分析主要采用快速傅立叶转换法（FFT）。频移信号经过转换后，可通过音频显示和频谱显示两种方式输出。1）音频显示：虽然多普勒超声的发射频率在人耳可听范围之外，但多普勒频移的范围一般为1～200kHz，在人耳的可听范围之内。因此，频移信号输入扬声器，成为音频信号。音频信号可以反映血流的性质。音调高低代表频率的高低，响度代表振幅的大小。正确听取音频信号，有助于判断血流的性质和声束的方向。2）频谱显示：频谱显示有多种方式，包括速度／频移—时间显示频谱图、功率谱图显示和三维显示，最常采用的是速度／频移—时间显示。频谱图上X轴（横坐标）代表时间，即血流时间（s），Y轴（纵坐标）代表速度（频移）大小（cm/s），Z轴（灰阶）代表振幅，所以，频谱显示实际上是多普勒信号的三维显示。频谱分析主要包括以下内容：①频移的方向：频谱图中央是基线，又称为零线。通常在基线上方的fd为正值，表示朝向探头的血流，基线下方为负值，表示背向探头的血流。②频移的时相：以横坐标表示，配合同步心电图显示，区分收缩期、舒张期。③频移的速度：以纵坐标的数值表示，代表血流速度。包括最大收缩期速度、最大舒张末速度和平均速度。④频谱的形态：指单峰