門靜脈高壓（PHT）是肝硬化的常見并發癥，門靜脈壓力（PVP）評估是研究 PHT 的必要手段，但目前尚無一種準確可靠的方式來實現 PVP 的無創評估。本文采用體外模擬裝置，在低壓環境下，首先采集不同超聲造影劑（UCA）濃度下的超聲圖像和射頻回波信號；然后通過超聲灰階圖像重建和快速傅里葉變換（FFT）獲得回波信號中亞諧波的幅度；最后基于線性回歸分析亞諧波幅度（SA）和仿生門靜脈壓力（BPVP）的關系。結果，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，當 UCA 濃度為 1∶3 000 時，SA 和 BPVP 的線性相關系數（LCC）分別為 0.927 和 0.913；UCA 濃度為 1∶6 000 時，LCC 分別為 0.737 和 0.568；將兩種 UCA 濃度的 SA 同時作為 BPVP 的特征時，LCC 分別為 0.968 和 0.916。結果表明，SA 和 BPVP 存在良好的線性關系；將不同 UCA 濃度下得到的 SA 同時作為 BPVP 的特征，能提高二者之間的線性相關性。本文為臨床上通過 SA 來無創評估 PVP 提供了可靠的實驗驗證，而且為提高該方法的準確性提出了新方向。
引用本文： 向恒, 陽銳, 鄒遠文, 盧強, 陳科. 超聲亞諧波無創評估門靜脈壓力的體外實驗研究. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(6): 1073-1079. doi: 10.7507/1001-5515.202003002 復制
引言
門靜脈高壓（portal hypertension，PHT）是肝硬化的常見并發癥，隨著門靜脈壓力的增加，會出現食管胃底靜脈曲張破裂出血、脾功能亢進、腹水、肝性腦病等并發癥，嚴重威脅患者的健康和生命[1-3]。門靜脈壓力評估是研究 PHT 的必要手段，可以作為 PHT 診斷、療效評估、預后判斷等的重要參考指標[4-6]。
無創評估門靜脈壓力一直是研究的熱點和難點。目前無創評估門靜脈壓力的方法主要有血清學檢查、計算機斷層掃描成像、磁共振成像、磁共振彈性成像和超聲成像等；這些方法雖然可以在一定程度上評估門靜脈壓力，但是相關指標和門靜脈壓力的相關性較低，同時不能對門靜脈壓力進行分級，在準確評估門靜脈壓力時存在明顯的不足[7-22]。所以，急需找到一種能準確地無創評估門靜脈壓力的新方法。
人體門靜脈壓力一般小于 50 mm Hg，正常范圍為 8.8～14.2 mm Hg，大于 14.2 mm Hg 則為 PHT。有研究發現，超聲造影劑（ultrasound contrast agent，UCA）微泡在超聲激勵下可以激發出亞諧波信號，在一定的壓力區間，亞諧波信號的幅度會隨著環境壓力的增加而線性降低，利用這一關系可以非侵入性地測量體內組織的壓力水平[23-33]。該方法為體內組織壓力的無創測量提供了新方向。
但是，目前尚無研究表明，在低壓環境下（≤ 50 mm Hg），亞諧波幅度也會隨著環境壓力的增加而線性降低。上述文獻在研究亞諧波幅度和環境壓力的關系時，實驗中所選取的環境壓力范圍和壓力變化步長均較大：Shi 等[26]和 Leodore 等[27]研究的環境壓力范圍為 0～186 mm Hg，壓力變化步長為 50 mm Hg；Andersen 等[28]、Sun 等[29]和 Wu 等[30]研究的環境壓力范圍為 0～25 kPa，壓力變化步長為 5 kPa；李德玉等[31]和李飛[32]研究的環境壓力范圍為 0～200 mm Hg，壓力變化步長為 50 mm Hg。
本文旨在基于上述研究的不足，采用體外模擬裝置，在低壓環境下研究是否可以通過 UCA 微泡產生的亞諧波幅度來無創評估門靜脈的壓力，為臨床上通過亞諧波幅度實現門靜脈壓力的無創評估提供可靠的體外實驗驗證；同時，在此基礎上提出了一種能提高亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力線性相關性的新方法。
1 方法
1.1 實驗裝置
本文所用的體外實驗裝置的示意圖見圖1。如圖1 所示，超聲亞諧波壓力測量實驗裝置主要由門靜脈仿體、壓力控制裝置、超聲設備及探頭三部分組成。門靜脈仿體用于模擬門靜脈在人體內的真實環境，由導管、仿生門靜脈、腔體等部分組成。腔體內盛有無氣水，超聲探頭、仿生門靜脈及腔體內的導管部分均浸沒在無氣水中；導管和仿生門靜脈中裝滿生理鹽水。壓力控制裝置用于調節和控制仿生門靜脈的壓力。本實驗裝置的壓力測量范圍為－10～100 mm Hg，精度 0.1% F.S.。超聲設備及探頭用于產生超聲激勵信號并采集門靜脈仿體內的回波信號。本實驗裝置使用的超聲設備是改裝的 Philips iU 22（飛利浦，荷蘭）超聲診斷儀，超聲探頭為 C5-1 探頭（飛利浦，荷蘭），實驗時不僅能實時觀察超聲圖像，還能保存同一時刻的超聲圖像和回波信號。超聲探頭位于仿生門靜脈的正上方，二者之間的距離為 3～8 cm，超聲探頭的位置可固定。
圖1
超聲亞諧波壓力測量實驗裝置示意圖
Figure1.
Schematic diagram of experimental device for pressure measurement
門靜脈系統屬于非搏動性的靜脈系統，成人門靜脈管徑約 10 mm。本文設計的超聲亞諧波壓力測量實驗裝置中仿生門靜脈類似于人體的門靜脈，其管徑約 10 mm，管壁厚約 2 mm，在超聲顯像時可以清楚地顯示仿生門靜脈的管壁和管腔。同時，在超聲諧波造影成像時，仿生門靜脈的管壁幾乎不產生諧波信號，不會對仿生門靜脈內造影劑產生的諧波信號造成干擾，保證了體外實驗的可靠性。
1.2 實驗介紹
1.2.1 實驗參數
（1）仿生門靜脈壓力。因為人體門靜脈壓力一般小于 50 mm Hg，正常范圍為 8.8～14.2 mm Hg，大于 14.2 mm Hg 則為 PHT，所以本文選取兩個壓力區間與之對應進行體外實驗：對應門靜脈壓力正常范圍，選取 8～20 mm Hg 的壓力區間，壓力變化間隔為 1 mm Hg；對應 PHT，選取 7.5～45 mm Hg 的壓力區間，壓力變化間隔為 7.5 mm Hg（約 1 kPa）。
（2）造影劑。本文選用的造影劑為 SonoVue（Bracco，意大利）。SonoVue 的包膜材料為磷脂，內部填充氣體為 SF6，微泡的平均粒徑為 2.5 μm，在 1～10 MHz 的醫學超聲頻率范圍內，SonoVue 獲得了較好的臨床應用[31]。臨床上進行肝臟血管造影時，一般通過靜脈注射 1～2 mL 的超聲造影劑原液，因為人體血液總量約為 5 000 mL，所以造影劑的濃度約為 1∶5 000～1∶2 500。為了模擬臨床上肝臟血管造影的造影劑濃度，本文選取濃度 1∶3 000 進行體外實驗，同時選擇濃度 1∶6 000 作為對照組。
（3）其他參數。實驗中選取的超聲機械指數為 0.05，以防止微泡破裂，提高造影效果。C5-1 探頭中心頻率設為 4 MHz[30]，采樣頻率為 32 MHz。超聲探頭和仿生門靜脈之間距離固定為 4 cm，以模擬臨床上門靜脈距體表超聲探頭的距離。
1.2.2 實驗過程
根據 1.2.1 節設定的實驗參數，本文在 UCA 濃度為 1∶3 000 的條件下，在 8～20 mm Hg 的仿生門靜脈壓力區間以 1 mm Hg 為變化間隔進行了 13 組實驗，在 7.5～45 mm Hg 的仿生門靜脈壓力區間以 7.5 mm Hg 為變化間隔進行了 6 組實驗。在 UCA 濃度為 1∶6 000 的條件下，按同樣的方法在 8～20 mm Hg 和 7.5～45 mm Hg 的壓力區間分別進行了 13 組和 6 組實驗。每組實驗包括如下 3 個步驟：
（1）配制 UCA 溶液并注入仿生門靜脈。實驗時，先在 59 mg 的 SonoVue 凍干粉中加入 5 mL 的生理鹽水，用力振搖后形成微泡混懸液；然后將微泡混懸液和生理鹽水按照 1∶3 000 或 1∶6 000 的比例配成均勻的 UCA 溶液；最后將 UCA 溶液通過 UCA 注入口注入仿生門靜脈。
（2）設定并調節仿生門靜脈的壓力。實驗時，壓力控制裝置通過壓力施加點將設定好的壓力施加給仿生門靜脈，然后通過導管上的壓力傳感器獲得仿生門靜脈的實際壓力值，比較實際壓力值和設定壓力值后，對仿生門靜脈的壓力進行微調以實現仿生門靜脈壓力的精確控制。仿生門靜脈的壓力在 10 s 內可以穩定下來以進行下一步實驗。
（3）超聲激勵、采集回波信號并保存超聲圖像。本文使用同一個超聲探頭發射超聲波并接收仿生門靜脈內的回波信號，同時在超聲設備上實時觀察超聲圖像。實驗中，待超聲成像清晰便開始連續保存 5 s 的超聲圖像和同一時刻的回波信號，用于下一步的數據處理。如果當次實驗超聲成像不清晰，則表明當次實驗失敗，需要重新進行該組實驗。
2 數據處理
本文使用 MATLAB（The MathWorks Inc.，美國）進行數據處理，主要包括 4 個步驟：
（1）選取超聲圖像和回波信號數據。對于每個壓力值，本文從 1.2.2 節步驟（3）保存的超聲圖像中選擇 3 張成像質量最好的圖像作為當次成像的結果，并將其回波信號的數據做進一步處理。實驗中得到的超聲圖像如圖2 所示，該超聲圖像的回波信號數據是一個 4 288*256 的矩陣，其中 256 表示 256 條掃描線，4 288 表示每條掃描線上有 4 288 個數據點。圖2 中的紅色矩形區域表示仿生門靜脈。
圖2
仿生門靜脈超聲圖像
Figure2.
Ultrasound image of bionic portal vein
（2）重建超聲灰階圖像并獲取仿生門靜脈的回波信號數據。由回波信號重建超聲圖像的過程主要包括去除低頻干擾、動態正交解調、低通濾波及下采樣、時間增益補償、信號包絡檢測、動態顯示范圍壓縮和掃描轉換等[34]。通過重建超聲灰階圖像，本文選取每條掃描線（數據點 1～4 288）上第 1 401～1 900 個點的數據為仿生門靜脈的回波信號數據（即圖2 中紅色矩形區域對應的回波信號數據），由原始的 4 288*256 的數據矩陣得到了一個新的 500*256 的數據矩陣。
（3）快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）和對數變換。本文通過 FFT 將仿生門靜脈每條掃描線上的數據由時域變換到頻域，然后通過對數變換得到回波信號中不同頻率成分的幅度值。其中，某條掃描線的時域信號如圖 3 所示。
圖3
單條掃描線回波信號時域圖
Figure3.
Echo signal time domain diagram of a scan line
（4）獲得仿生門靜脈回波信號的頻譜圖。通過步驟（3）對仿生門靜脈每條掃描線上的數據均做 FFT 和對數變換，然后對 256 條掃描線得到的結果取平均，可得仿生門靜脈回波信號的頻譜圖，如圖 4 所示。本文使用的超聲探頭的發射頻率為 4 MHz，在圖 4 中可以看到明顯的亞諧波分量（2 MHz）。
圖4
仿生門靜脈回波信號頻譜圖
Figure4.
Spectrum of echo signals of bionic portal vein
3 結果分析
本文基于 Python 的 NumPy 庫，使用最小二乘法對結果進行線性回歸分析[35]。最小二乘法是線性回歸分析的常用方法，具有最優解唯一、求解方便、解析性質好等優點。記 UCA 濃度為 1∶3 000 時亞諧波幅度值為特征x1，UCA 濃度為 1∶6 000 時亞諧波幅度值為特征x2，仿生門靜脈壓力值為y。其中，由每組仿生門靜脈壓力得到的亞諧波幅度值均為 3 次實驗結果得到的平均值。
3.1 7.5～45 mm Hg 壓力區間實驗結果
在 7.5～45 mm Hg 的壓力區間，UCA 濃度為 1∶3 000 和 1∶6 000 得到的亞諧波幅度值如表 1 所示。
表1
仿生門靜脈壓力為 7.5～45 mm Hg 時的亞諧波幅度值
Table1.
Subharmonic amplitude value in the pressure range of 7.5–45 mm Hg
基于線性回歸，可得仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的關系，如圖 5 所示。當 UCA 濃度為 1∶3 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為
，線性相關系數（linear correlation coefficient，LCC）為 0.927，線性相關性良好。當 UCA 濃度為 1∶6 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為 
，線性相關系數為 0.737，線性相關性較好。
圖5
7.5～45 mm Hg 壓力區間仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度關系圖
Figure5.
Relationship between BPVP and SA in the pressure range of 7.5–45 mm Hg
3.2 8～20 mm Hg 壓力區間實驗結果
在 8～20 mm Hg 的壓力區間，UCA 濃度為 1∶3 000 和 1∶6 000 得到的亞諧波幅度如表 2 所示。
表2
仿生門靜脈壓力 8～20 mm Hg 時的亞諧波幅度值
Table2.
Subharmonic amplitude value in the pressure range of 8–20 mm Hg
基于線性回歸，可得仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的關系，如圖 6 所示。當 UCA 濃度為 1∶3 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為
，線性相關系數為 0.913，線性相關性良好。當 UCA 濃度為 1∶6 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為
，線性相關系數為 0.568，線性相關性較差。
圖6
8～20 mm Hg 壓力區間仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度關系圖
Figure6.
Relationship between BPVP and SA in the pressure range of 8–20 mm Hg
3.3 基于線性回歸的血壓預測模型
本文 3.1 節和 3.2 節中，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，分別研究了 y 和 x1 以及 y 與 x2 的線性關系。本節基于線性回歸，將 x1 和 x2 作為 y 的兩個特征，進一步研究仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的關系。基于不同特征得到的線性回歸模型的線性相關系數如表 3 所示。
表3
基于不同特征的線性回歸模型的線性相關系數
Table3.
Linear correlation coefficient of linear regression model based on different features
在 7.5～45 mm Hg 的壓力區間，可得線性回歸方程 
，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性相關系數為 0.968。在 8～20 mm Hg 的壓力區間，可得線性回歸方程 
，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性相關系數為 0.916。
4 討論
由 3.1 節和 3.2 節的實驗結果可知，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，UCA 濃度為 1∶3 000 時得到的亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力的線性相關系數均高于 UCA 濃度為 1∶6 000 時；前者得到的線性相關性良好，后者得到的線性相關性較差。所以，基于體外模擬裝置，在門靜脈壓力范圍內，選取合適的 UCA 濃度（例如 1∶3 000），使用常規的超聲設備，獲得的亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力之間存在良好的線性相關性，即亞諧波幅度會隨著仿生門靜脈壓力的增加而降低，可以將該關系用于門靜脈壓力以及低壓環境下（≤ 50 mm Hg）其他血管壓力的無創評估。上述研究為臨床上通過亞諧波幅度來無創評估門靜脈壓力提供了可靠的實驗驗證。
由 3.3 節的實驗結果可知，將不同 UCA 濃度下得到的亞諧波幅度同時作為仿生門靜脈壓力的特征，相比于只將一種 UCA 濃度下的亞諧波幅度作為特征，前者得到線性回歸方程的線性相關系數大于后者。在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，均取得了相同的實驗結果。說明這是一種提高仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度線性相關性的有效手段，通過該方法可以提高基于亞諧波幅度來無創評估仿生門靜脈壓力的準確性和可靠性。上述研究為提高亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力的線性相關性提供了新的方向和思路。
由 3.3 節的實驗結果還可知，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，基于線性回歸的血壓預測模型得到的亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力的線性相關系數分別為 0.968 和 0.916，線性相關性較強，通過該模型能夠較準確地預測仿生門靜脈的壓力，從而可以實現仿生門靜脈壓力的分級。
但是，本文的研究還存在以下有待改進的地方。一是整個研究過程中數據處理和分析采取的是離線方式，而不是實時方式，實時性較差。二是本文在提出基于線性回歸的血壓預測模型時，選擇將不同 UCA 濃度下得到的亞諧波幅度作為仿生門靜脈壓力的特征，對于臨床應用，改變 UCA 濃度需要對被測者進行多次 UCA 注射，會給被測者帶來較大的負擔；相對于改變 UCA 的濃度，改變超聲探頭的發射頻率會更方便，可以進一步研究將不同超聲頻率下得到的亞諧波幅度作為仿生門靜脈壓力的特征來提高二者線性相關性的可能性。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
門靜脈高壓（portal hypertension，PHT）是肝硬化的常見并發癥，隨著門靜脈壓力的增加，會出現食管胃底靜脈曲張破裂出血、脾功能亢進、腹水、肝性腦病等并發癥，嚴重威脅患者的健康和生命[1-3]。門靜脈壓力評估是研究 PHT 的必要手段，可以作為 PHT 診斷、療效評估、預后判斷等的重要參考指標[4-6]。
無創評估門靜脈壓力一直是研究的熱點和難點。目前無創評估門靜脈壓力的方法主要有血清學檢查、計算機斷層掃描成像、磁共振成像、磁共振彈性成像和超聲成像等；這些方法雖然可以在一定程度上評估門靜脈壓力，但是相關指標和門靜脈壓力的相關性較低，同時不能對門靜脈壓力進行分級，在準確評估門靜脈壓力時存在明顯的不足[7-22]。所以，急需找到一種能準確地無創評估門靜脈壓力的新方法。
人體門靜脈壓力一般小于 50 mm Hg，正常范圍為 8.8～14.2 mm Hg，大于 14.2 mm Hg 則為 PHT。有研究發現，超聲造影劑（ultrasound contrast agent，UCA）微泡在超聲激勵下可以激發出亞諧波信號，在一定的壓力區間，亞諧波信號的幅度會隨著環境壓力的增加而線性降低，利用這一關系可以非侵入性地測量體內組織的壓力水平[23-33]。該方法為體內組織壓力的無創測量提供了新方向。
但是，目前尚無研究表明，在低壓環境下（≤ 50 mm Hg），亞諧波幅度也會隨著環境壓力的增加而線性降低。上述文獻在研究亞諧波幅度和環境壓力的關系時，實驗中所選取的環境壓力范圍和壓力變化步長均較大：Shi 等[26]和 Leodore 等[27]研究的環境壓力范圍為 0～186 mm Hg，壓力變化步長為 50 mm Hg；Andersen 等[28]、Sun 等[29]和 Wu 等[30]研究的環境壓力范圍為 0～25 kPa，壓力變化步長為 5 kPa；李德玉等[31]和李飛[32]研究的環境壓力范圍為 0～200 mm Hg，壓力變化步長為 50 mm Hg。
本文旨在基于上述研究的不足，采用體外模擬裝置，在低壓環境下研究是否可以通過 UCA 微泡產生的亞諧波幅度來無創評估門靜脈的壓力，為臨床上通過亞諧波幅度實現門靜脈壓力的無創評估提供可靠的體外實驗驗證；同時，在此基礎上提出了一種能提高亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力線性相關性的新方法。
1 方法
1.1 實驗裝置
本文所用的體外實驗裝置的示意圖見圖1。如圖1 所示，超聲亞諧波壓力測量實驗裝置主要由門靜脈仿體、壓力控制裝置、超聲設備及探頭三部分組成。門靜脈仿體用于模擬門靜脈在人體內的真實環境，由導管、仿生門靜脈、腔體等部分組成。腔體內盛有無氣水，超聲探頭、仿生門靜脈及腔體內的導管部分均浸沒在無氣水中；導管和仿生門靜脈中裝滿生理鹽水。壓力控制裝置用于調節和控制仿生門靜脈的壓力。本實驗裝置的壓力測量范圍為－10～100 mm Hg，精度 0.1% F.S.。超聲設備及探頭用于產生超聲激勵信號并采集門靜脈仿體內的回波信號。本實驗裝置使用的超聲設備是改裝的 Philips iU 22（飛利浦，荷蘭）超聲診斷儀，超聲探頭為 C5-1 探頭（飛利浦，荷蘭），實驗時不僅能實時觀察超聲圖像，還能保存同一時刻的超聲圖像和回波信號。超聲探頭位于仿生門靜脈的正上方，二者之間的距離為 3～8 cm，超聲探頭的位置可固定。
圖1
超聲亞諧波壓力測量實驗裝置示意圖
Figure1.
Schematic diagram of experimental device for pressure measurement
門靜脈系統屬于非搏動性的靜脈系統，成人門靜脈管徑約 10 mm。本文設計的超聲亞諧波壓力測量實驗裝置中仿生門靜脈類似于人體的門靜脈，其管徑約 10 mm，管壁厚約 2 mm，在超聲顯像時可以清楚地顯示仿生門靜脈的管壁和管腔。同時，在超聲諧波造影成像時，仿生門靜脈的管壁幾乎不產生諧波信號，不會對仿生門靜脈內造影劑產生的諧波信號造成干擾，保證了體外實驗的可靠性。
1.2 實驗介紹
1.2.1 實驗參數
（1）仿生門靜脈壓力。因為人體門靜脈壓力一般小于 50 mm Hg，正常范圍為 8.8～14.2 mm Hg，大于 14.2 mm Hg 則為 PHT，所以本文選取兩個壓力區間與之對應進行體外實驗：對應門靜脈壓力正常范圍，選取 8～20 mm Hg 的壓力區間，壓力變化間隔為 1 mm Hg；對應 PHT，選取 7.5～45 mm Hg 的壓力區間，壓力變化間隔為 7.5 mm Hg（約 1 kPa）。
（2）造影劑。本文選用的造影劑為 SonoVue（Bracco，意大利）。SonoVue 的包膜材料為磷脂，內部填充氣體為 SF6，微泡的平均粒徑為 2.5 μm，在 1～10 MHz 的醫學超聲頻率范圍內，SonoVue 獲得了較好的臨床應用[31]。臨床上進行肝臟血管造影時，一般通過靜脈注射 1～2 mL 的超聲造影劑原液，因為人體血液總量約為 5 000 mL，所以造影劑的濃度約為 1∶5 000～1∶2 500。為了模擬臨床上肝臟血管造影的造影劑濃度，本文選取濃度 1∶3 000 進行體外實驗，同時選擇濃度 1∶6 000 作為對照組。
（3）其他參數。實驗中選取的超聲機械指數為 0.05，以防止微泡破裂，提高造影效果。C5-1 探頭中心頻率設為 4 MHz[30]，采樣頻率為 32 MHz。超聲探頭和仿生門靜脈之間距離固定為 4 cm，以模擬臨床上門靜脈距體表超聲探頭的距離。
1.2.2 實驗過程
根據 1.2.1 節設定的實驗參數，本文在 UCA 濃度為 1∶3 000 的條件下，在 8～20 mm Hg 的仿生門靜脈壓力區間以 1 mm Hg 為變化間隔進行了 13 組實驗，在 7.5～45 mm Hg 的仿生門靜脈壓力區間以 7.5 mm Hg 為變化間隔進行了 6 組實驗。在 UCA 濃度為 1∶6 000 的條件下，按同樣的方法在 8～20 mm Hg 和 7.5～45 mm Hg 的壓力區間分別進行了 13 組和 6 組實驗。每組實驗包括如下 3 個步驟：
（1）配制 UCA 溶液并注入仿生門靜脈。實驗時，先在 59 mg 的 SonoVue 凍干粉中加入 5 mL 的生理鹽水，用力振搖后形成微泡混懸液；然后將微泡混懸液和生理鹽水按照 1∶3 000 或 1∶6 000 的比例配成均勻的 UCA 溶液；最后將 UCA 溶液通過 UCA 注入口注入仿生門靜脈。
（2）設定并調節仿生門靜脈的壓力。實驗時，壓力控制裝置通過壓力施加點將設定好的壓力施加給仿生門靜脈，然后通過導管上的壓力傳感器獲得仿生門靜脈的實際壓力值，比較實際壓力值和設定壓力值后，對仿生門靜脈的壓力進行微調以實現仿生門靜脈壓力的精確控制。仿生門靜脈的壓力在 10 s 內可以穩定下來以進行下一步實驗。
（3）超聲激勵、采集回波信號并保存超聲圖像。本文使用同一個超聲探頭發射超聲波并接收仿生門靜脈內的回波信號，同時在超聲設備上實時觀察超聲圖像。實驗中，待超聲成像清晰便開始連續保存 5 s 的超聲圖像和同一時刻的回波信號，用于下一步的數據處理。如果當次實驗超聲成像不清晰，則表明當次實驗失敗，需要重新進行該組實驗。
2 數據處理
本文使用 MATLAB（The MathWorks Inc.，美國）進行數據處理，主要包括 4 個步驟：
（1）選取超聲圖像和回波信號數據。對于每個壓力值，本文從 1.2.2 節步驟（3）保存的超聲圖像中選擇 3 張成像質量最好的圖像作為當次成像的結果，并將其回波信號的數據做進一步處理。實驗中得到的超聲圖像如圖2 所示，該超聲圖像的回波信號數據是一個 4 288*256 的矩陣，其中 256 表示 256 條掃描線，4 288 表示每條掃描線上有 4 288 個數據點。圖2 中的紅色矩形區域表示仿生門靜脈。
圖2
仿生門靜脈超聲圖像
Figure2.
Ultrasound image of bionic portal vein
（2）重建超聲灰階圖像并獲取仿生門靜脈的回波信號數據。由回波信號重建超聲圖像的過程主要包括去除低頻干擾、動態正交解調、低通濾波及下采樣、時間增益補償、信號包絡檢測、動態顯示范圍壓縮和掃描轉換等[34]。通過重建超聲灰階圖像，本文選取每條掃描線（數據點 1～4 288）上第 1 401～1 900 個點的數據為仿生門靜脈的回波信號數據（即圖2 中紅色矩形區域對應的回波信號數據），由原始的 4 288*256 的數據矩陣得到了一個新的 500*256 的數據矩陣。
（3）快速傅里葉變換（fast Fourier transform，FFT）和對數變換。本文通過 FFT 將仿生門靜脈每條掃描線上的數據由時域變換到頻域，然后通過對數變換得到回波信號中不同頻率成分的幅度值。其中，某條掃描線的時域信號如圖 3 所示。
圖3
單條掃描線回波信號時域圖
Figure3.
Echo signal time domain diagram of a scan line
（4）獲得仿生門靜脈回波信號的頻譜圖。通過步驟（3）對仿生門靜脈每條掃描線上的數據均做 FFT 和對數變換，然后對 256 條掃描線得到的結果取平均，可得仿生門靜脈回波信號的頻譜圖，如圖 4 所示。本文使用的超聲探頭的發射頻率為 4 MHz，在圖 4 中可以看到明顯的亞諧波分量（2 MHz）。
圖4
仿生門靜脈回波信號頻譜圖
Figure4.
Spectrum of echo signals of bionic portal vein
3 結果分析
本文基于 Python 的 NumPy 庫，使用最小二乘法對結果進行線性回歸分析[35]。最小二乘法是線性回歸分析的常用方法，具有最優解唯一、求解方便、解析性質好等優點。記 UCA 濃度為 1∶3 000 時亞諧波幅度值為特征x1，UCA 濃度為 1∶6 000 時亞諧波幅度值為特征x2，仿生門靜脈壓力值為y。其中，由每組仿生門靜脈壓力得到的亞諧波幅度值均為 3 次實驗結果得到的平均值。
3.1 7.5～45 mm Hg 壓力區間實驗結果
在 7.5～45 mm Hg 的壓力區間，UCA 濃度為 1∶3 000 和 1∶6 000 得到的亞諧波幅度值如表 1 所示。
表1
仿生門靜脈壓力為 7.5～45 mm Hg 時的亞諧波幅度值
Table1.
Subharmonic amplitude value in the pressure range of 7.5–45 mm Hg
基于線性回歸，可得仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的關系，如圖 5 所示。當 UCA 濃度為 1∶3 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為，線性相關系數（linear correlation coefficient，LCC）為 0.927，線性相關性良好。當 UCA 濃度為 1∶6 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為 ，線性相關系數為 0.737，線性相關性較好。
圖5
7.5～45 mm Hg 壓力區間仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度關系圖
Figure5.
Relationship between BPVP and SA in the pressure range of 7.5–45 mm Hg
3.2 8～20 mm Hg 壓力區間實驗結果
在 8～20 mm Hg 的壓力區間，UCA 濃度為 1∶3 000 和 1∶6 000 得到的亞諧波幅度如表 2 所示。
表2
仿生門靜脈壓力 8～20 mm Hg 時的亞諧波幅度值
Table2.
Subharmonic amplitude value in the pressure range of 8–20 mm Hg
基于線性回歸，可得仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的關系，如圖 6 所示。當 UCA 濃度為 1∶3 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為，線性相關系數為 0.913，線性相關性良好。當 UCA 濃度為 1∶6 000 時，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性回歸方程為，線性相關系數為 0.568，線性相關性較差。
圖6
8～20 mm Hg 壓力區間仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度關系圖
Figure6.
Relationship between BPVP and SA in the pressure range of 8–20 mm Hg
3.3 基于線性回歸的血壓預測模型
本文 3.1 節和 3.2 節中，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，分別研究了 y 和 x1 以及 y 與 x2 的線性關系。本節基于線性回歸，將 x1 和 x2 作為 y 的兩個特征，進一步研究仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的關系。基于不同特征得到的線性回歸模型的線性相關系數如表 3 所示。
表3
基于不同特征的線性回歸模型的線性相關系數
Table3.
Linear correlation coefficient of linear regression model based on different features
在 7.5～45 mm Hg 的壓力區間，可得線性回歸方程 ，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性相關系數為 0.968。在 8～20 mm Hg 的壓力區間，可得線性回歸方程 ，仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度的線性相關系數為 0.916。
4 討論
由 3.1 節和 3.2 節的實驗結果可知，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，UCA 濃度為 1∶3 000 時得到的亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力的線性相關系數均高于 UCA 濃度為 1∶6 000 時；前者得到的線性相關性良好，后者得到的線性相關性較差。所以，基于體外模擬裝置，在門靜脈壓力范圍內，選取合適的 UCA 濃度（例如 1∶3 000），使用常規的超聲設備，獲得的亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力之間存在良好的線性相關性，即亞諧波幅度會隨著仿生門靜脈壓力的增加而降低，可以將該關系用于門靜脈壓力以及低壓環境下（≤ 50 mm Hg）其他血管壓力的無創評估。上述研究為臨床上通過亞諧波幅度來無創評估門靜脈壓力提供了可靠的實驗驗證。
由 3.3 節的實驗結果可知，將不同 UCA 濃度下得到的亞諧波幅度同時作為仿生門靜脈壓力的特征，相比于只將一種 UCA 濃度下的亞諧波幅度作為特征，前者得到線性回歸方程的線性相關系數大于后者。在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，均取得了相同的實驗結果。說明這是一種提高仿生門靜脈壓力和亞諧波幅度線性相關性的有效手段，通過該方法可以提高基于亞諧波幅度來無創評估仿生門靜脈壓力的準確性和可靠性。上述研究為提高亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力的線性相關性提供了新的方向和思路。
由 3.3 節的實驗結果還可知，在 7.5～45 mm Hg 和 8～20 mm Hg 的壓力區間，基于線性回歸的血壓預測模型得到的亞諧波幅度和仿生門靜脈壓力的線性相關系數分別為 0.968 和 0.916，線性相關性較強，通過該模型能夠較準確地預測仿生門靜脈的壓力，從而可以實現仿生門靜脈壓力的分級。
但是，本文的研究還存在以下有待改進的地方。一是整個研究過程中數據處理和分析采取的是離線方式，而不是實時方式，實時性較差。二是本文在提出基于線性回歸的血壓預測模型時，選擇將不同 UCA 濃度下得到的亞諧波幅度作為仿生門靜脈壓力的特征，對于臨床應用，改變 UCA 濃度需要對被測者進行多次 UCA 注射，會給被測者帶來較大的負擔；相對于改變 UCA 的濃度，改變超聲探頭的發射頻率會更方便，可以進一步研究將不同超聲頻率下得到的亞諧波幅度作為仿生門靜脈壓力的特征來提高二者線性相關性的可能性。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
