《1 引言》
1 引言
肺动脉 (收缩) 压是肺循环血液动力学的一项重要参数, 是先心病、肺心病等疾病的临床诊断、手术指征、预后判断的重要依据。临床上这些参数需用心导管术获得, 因其有创伤性, 不便随访复查。超声技术在临床医学上的应用, 有可能采用无创伤方式来诊断这些疾病。a.Skinner的检测瓣膜返流或心内分流来估测肺动脉压
《2 肺动脉压估测方法》
2 肺动脉压估测方法
《2.1 Morera肺动脉压估测法》
2.1 Morera肺动脉压估测法
Morera等
\(P_{\mathrm{PA}}=\left(F_{\mathrm{PA}} / F_{\mathrm{AO}}\right) \cdot P_{\mathrm{BA}} \) (1)
式中PBA为体外测得的血压 (BAP) , FPA及FAO分别为肺动脉和主动脉血流参数, 其表达式为
\(F_{\mathrm{PA}}=\left(t_{\mathrm{PEP}} \cdot v_{\mathrm{PAP}}\right) /\left(t_{\mathrm{PAP}}{ }^{\circ} t_{\mathrm{ET}}\right) \\ F_{\mathrm{AO}}=\left(t_{\mathrm{PEP}} \cdot v_{\mathrm{AOP}}\right) /\left(t_{\mathrm{AOP}}{ }^{\circ} t_{\mathrm{ET}}\right) \\ \) (2)
式中, tPEP为收缩前期间期, vPAP及vAOP为肺动脉和主动脉的血流速度峰值, tPAP及tAOP分别为速度vPAP和vAOP自起始点上升至峰值的时间, tET为心射血时间, 它们之间的关系见图1。图1上部为肺动脉 (或主动脉) 的血流速度与时间的关系曲线, 它随着心电图 (图1下部) 而变化, 在收缩期内出现最大值 (峰值) 。
在式 (1) 中有肺动脉和主动脉各自血流参数的比值, 这样有可能减少左、右心室间相互作用及神经内分泌因素对PAP估测值的影响。但它的主要缺点是血流速度峰值受仪器、声束与速度之间夹角和操作技术的影响, 较难定量, 对PAP的估测带来较大的影响, 因此该方法的重复性较差
《2.2 肺动脉压估测中血流参数》
2.2 肺动脉压估测中血流参数
作者提出, 估测肺动脉压式 (1) 中的血流参数应为
\(F_{\mathrm{PA}}=t_{\mathrm{PEP}} /\left(t_{\mathrm{PAP}}{ }^{\circ} t_{\mathrm{ET}}\right) \\ F_{\mathrm{AO}}=t_{\mathrm{PEP}} /\left(t_{\mathrm{AOP}} { }^{\circ}t_{\mathrm{ET}}\right)\) （3）
式 (3) 是从6个不同的血流参数式中优选出来的, 见表1中各式的无创伤估测值与心导管实测值之间相关rPASP和rPAMP。
表1 估测值与实测值间的相关性
Table 1 Relativity between estimated and real value
《表1》
*vAP为vPAP或vAOP;tAP为tPAP或tAOP;F1～F4为FPA1～FPA4或FAO1～FAO4
采用式 (3) 还出自下述考虑:a.压强状况也会在速度波形上表现出来。例如:肺动脉压正常, 肺动脉血流速度曲线呈圆顶对称状, 速度上升缓慢速度峰值位于曲线中心当肺动脉压升高时肺动脉血流曲线呈尖峰圆顶形, 曲线峰值前移, 速度变陡, 类似主动脉血流形态。b.在目前检测技术的条件下, 测量时间信息要比幅度 (速度值) 信息准确。特别是超声多普勒测速中夹角影响了速度测量值的正确性, 所以在估测公式中应避免出现速度参数, 仅出现时间参数。此外, 文献
《3 肺动脉压估测系统组成》
3 肺动脉压估测系统组成
系统框图如图2所示。检测病人的超声信息和心电信息, PC机对音频多普勒 (Doppler) 血流信号和心电信号进行同步采样, 获得肺动脉和主动脉的血流速度信号和Ⅱ导联心电信号。然后采用相应技术由PC机进行分析处理, 包括降噪和谱分析以得到高质量的血流速度曲线和Ⅱ导联心电图, 再通过特征点定位, 获得所需的参数, 按式 (3) 和式 (1) 进行参数计算, 最后将结果显示、打印或存储。
《4 信号处理的关键技术》
4 信号处理的关键技术
考虑到目前医院中使用的各种类型的超声、心电仪器, 它们的性能不一和所提供的信号特点, 使其也能适用于本系统, 所以PC机在取得音频Doppler信号和心电信号后, 采用下面的关键技术和其它措施, 来提高信号的信噪比, 正确地提取和定位信号中的特征点, 以便利用式 (1) 和式 (3) 计算出肺动脉收缩压 (PASP) 及其平均压 (PAMP) 。
《4.1 音频Doppler血流信号小波变换软阈值降噪》
4.1 音频Doppler血流信号小波变换软阈值降噪
为提高信噪比需要对音频Doppler血流信号进行降噪, 以便在血流声谱图上提取正确的计算参数。进行降噪时, 应避免流速引起频移外的其他不必要的频率成分。
系统首先对单频Doppler血流信号进行小波变换, 然后将变换所得系数用软阈值法处理, 最后用处理后的小波系数重构原始信号。详细的理论分析及实验结果, 参见文献
《4.2 声谱图的上包络线提取》
4.2 声谱图的上包络线提取
考虑到减少相对误差, 临床上有用参数的计算都在声谱图的上包络线上进行。超声Doppler声谱图既是两维图像却又不同于一般两维图像。不同之处在于它的上包络线就是信号的最大频率。因此如果能提取到信号的最大频率曲线, 将它叠加到原来的声谱图上, 便可在图像上突出上包络线。
估计最大频率时, 首先定义接收信息功率谱密度ψ (f) 的积分函数
\(\phi(f)=\int_{f_{\mathrm{L}}} \psi(f) d f\) （4）
fL为高通滤波器转折频率 (为了滤除血管壁搏动而设置) 。当f<fmax时, 既有信号, 又有噪声, ψ (f) =S (f) +N0, (f) 曲线比较陡峭, 见图3。当f>fmax, ψ (f) =N0, (f) 曲线比较平坦。因此在f=fmax处, (f) 曲线存在一个拐点。确定这个曲线上的拐点就提取了最大频率。现有的几种Doppler信号最大频率估计方法的出发点都是在确定这个拐点
一般认为, Doppler检测系统的噪声为高斯白噪声, 其功率谱密度是个常数N0。但是, 临床实例的谱分析表明, 在舒张期血流较少或缺少的情况下, 不能认为噪声功率谱为不变的N0
具体的算法示意图如图4所示。首先设定一初始阈值, 然后通过统计过阈值次数来区分心动周期的不同时相以修正阈值同时也利用该参数和信号加噪声的总功率来调整原来百分比法
《4.3 基于Mallat算法的声谱图上包络线和心电信号特征点的识别定位》
4.3 基于Mallat算法的声谱图上包络线和心电信号特征点的识别定位
在提取声谱图的上包络线后, 就要自动识别定位上包络线和心电信号的几个特征点, 以便得出tPEP、tPAP、tAOP及tET值。这些特征点实际上是几个极值点, 但是由于生理情况复杂性, 无论是声谱上包络线还是心电信号都存在小峰, 因此必须对所得的极值点进行识别和筛选, 从而得出真正的特征点。文献
《5 实验和试用》
5 实验和试用
《5.1 动物实验》
5.1 动物实验
健康杂种狗9只, 体重9.5～13.1 kg, 用2.5%戊巴比妥钠30 mg/kg腹腔注射麻醉, 开胸分离主、肺动脉及左右分支, 并将测压管插入其中。测压管内的压力换能器将数据输入HP78534c监护仪, 得到有创伤的肺动脉压测定值。将3.5MHz超声探头直接置于心脏表面, 检测血流信号, 并同步记录Ⅱ导联心电信号。将这两种信号输入估测系统来估测肺动脉压, 并比较有创伤测定值和系统估测值。
实验干预为:
1) 前负荷改变 (EXPER 1) :记录基础状态 (BASIC 1) 后, 经静脉快速推入40%右旋糖酐注射液50～150 ml/kg导致肺动脉高压。
2) 后负荷改变 (EXPER 2) :恢复基础状态 (BASIC 2) 后, 应用血管钳和橡皮绳制成血管环缩器, 部分阻断左、右肺动脉, 增加肺血管阻力, 导致肺动脉高压。
3) 心肌收缩力改变 (EXPER 3) :解除血管环缩器, 恢复基础状态 (BASIC 3) 后, 应用微量输液泵缓慢泵入稀释后的盐酸多巴酚丁胺 (10μg/ (kg·min) ) 3～5min, 增强心肌收缩力, 造成肺动脉高压。
在上述的干预下, 测得相关的各项数据, 并由表2给出两种技术 (有创伤和本系统) 实验值的均数x和标准差s, 其中PASP为肺动脉收缩压, PAMP为肺动脉平均压。两种技术的相关性rPASP和rPAMP如表3所示。
表2 均数和标准差
Table 2 Mean value&standard deviation
《表2》
表3 两种技术的相关性
Table 3 Relativity of two methods
《表3》
《5.2 临床试用》
5.2 临床试用
入院年龄4个月至14岁60例患儿 (男38例, 女22例) , 常规麻醉后经皮穿刺股动、静脉, 插入相应型号Lehman、Pigtail导管至各心腔测压。经心导管检查明确诊断:房间隔缺损6例, 室间隔缺损37例, 房间隔缺损并室间隔缺损6例, 房室间隔缺损6例, 完全性肺静脉异位引流4例, 右冠状动脉右室瘘1例。在用本系统检查前应用水银柱血压计测量患者右上肢肱动脉压PBA (收缩压PBAS, 舒张压PBAD, 计算平均压PBAM) 。
有创伤心导管和无创伤本系统的肺动脉压数据用均数x和标准差s表示, 如表4所示。作为无创伤方法之间的比较, 表5列出了超声测量肺动脉压和本系统肺动脉压估测值与有创伤心导管测压值之间的相关性。
表4 心导管和本系统测值的均数和标准差
Table 4 Mean value and standard deviation
《表4》
表5 两种方法与心导管的相关性
Table 5 Relativity two methods with cardiac catheterization
《表5》
《6 讨论》
6 讨论
1) 人体各种不同生理状态, 在体表存在着不同的医学信息如果将检测这些信息作为正问题的话, 那么由体表无创伤检测到信息去诊断疾病、确定生理状态则是反问题或逆问题。本文并非从理论上去求解逆问题, 而是从有创伤、无创伤方法之间的实验数据相关对照去减少使用或企图避免有创伤方法。随着检测、数据处理技术的进步, 相信今后将会有比这系统更好的方法出现。
2) 这系统的无创伤估测肺动脉压与心导管测量肺动脉压相关性强, 对减少心导管的有创伤检查起到重要作用, 也为开展小儿心血管的科研增添了有力的手段。
3) 在肺动脉压被估测后, 全肺阻力就可获得
4) 将式 (3) 代入式 (1) 得肺动脉PPA=PBA·tAOP/tPAP的表达式。用此式计算肺动脉压, 可减少中间计算的取值个数, 降低因取数值不准所造成的肺动脉压估测误差。
5) 声谱分析也影响肺动脉压的估测精度。超声多普勒血流信号是非平稳信号, 需采用时间t和频率f的联合函数Tx (t, f) 进行信号的时频表示。对信号的时频表示又可以分为线性 (一次型) 和非线性 (二次型或更高) 两类。各种时频表示方法都应尽可能准确地跟踪瞬时谱的各分量的变化, 并在每一时刻指示出信号的能量聚集情况 (瞬时功率谱) 。对超声Doppler血流信号所用的几种变换进行了研究
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