CN1119974C - 双超声束多普勒血流速度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属超声技术领域，是一种双超声束多普勒测量血流速度的方法。该方法将多普勒探头中的两组换能器分别发射超声波束，选择合适的超声束与血流速度的夹角，从而给出血流速度v和血管与皮肤的偏角θ的计算式。在脉冲多普勒情形，换能器采取分时工作方式，并给出相应的关于v和θ的计算式。本发明可直接应用于双工超声系统中。本发明不仅可以应于连续波方式，也可以应用于脉冲多普勒形式，而且操作简便，精确度高，并可获知实际血流走向。

Description

双超声束多普勒血流速度测量方法

本发明属超声技术领域，是一种双超声束多普勒测量血流速度的方法。

超声技术因其无创伤的特点在医学上已有广泛的应用。血流流速测量及B型超声成象是超声技术在医学上应用的两大方面。临床上B型超声成象设备已极为普及，其高档成象仪器中都兼有多普勒测速部分(称为双工系统)，可以以形态学的信息结合血流信息来诊断疾病，特别在心血管，肿瘤等疾病的诊断领域。同时也有独立的多普勒超声诊断的仪器在临床上广为应用，例如脑血流、脐血流等诊断仪器。目前，单纯血流测量的仪器多数以连续波多普勒技术为主。

多普勒超声技术除应用于医学外，也可应用于工业领域。例如，可用于测量一般流体的流速流量等。

超声多普勒技术的基本公式是： $f_d={2f}_0\frac{v}{c}\cos \mathrm{\θ},$ 式中v为待测流速，c为血流(流体)声速，f₀为发射超声频率，f_d为检测到的超声多普勒频移，θ为声束与血流速度之间的夹角。在θ已知情况下，可由f_d求出速度v。但事实上θ角往往不可预知，只能假定一个值，或近似测量，故结果所得的v只能是定性的。王威琪等曾提出双声束准补偿法连续波多普勒定量测量流速的技术(中国专利申请号：85100528)在连续波多普勒超声测量仪器中得到了应用。但该方法采用了模拟的准补偿方法，有一些缺点：①该方法只能应用于连续波方式，而不能用于脉冲工作方式，而双工成象仪器中采用的必须是脉冲多普勒工作方式。因此，使用范围有很大局限。②该方法测量时必须寻找一个最佳测量位置，即要转动探头达到某一角度使θ角尽可能小(有模拟指示)，以保证准补偿。但此时会引起探头与探测部位皮肤接触不良或需紧压皮肤等不良结果，使用有相当不便。③实际血流走向无法知道。

本发明的目的在于提出一种可避免上述方法的不足，使用方便，精确度高，可测得实际血流流速，特别可适用于脉冲多普勒方式的双超声束多普勒测量血流速度的方法。

本发明提出的双超声束多普勒测量血流速度的方法的基本思路如下，将超声多普勒探头中的两组换能器A、B分别发射超声波束，频率分别记为f₀₁和f₀₂，选择合适的两超声束与血流流速的夹角，分别记为θ₁、θ₂，则接收到的超声回波信号中的多普勒频移f_d1、f_d2为：

图1为其测量图示，两组换能器的夹角记为2θ₀，则有2θ₀＝θ₁+θ₂。θ₀＜90°，C为超声束在人体组织中的声速，一般取1540米/秒。

另外，记 $\mathrm{\Σ}=\frac{f_{d1}}{f_{d01}}+\frac{f_{d2}}{f_{02}},\mathrm{\Δ}=\frac{f_{d2}}{f_{01}}-\frac{f_{d1}}{f_{02}},$ 则得到血流速度v和血管与皮肤的偏角θ的计算式如下：

上述结果给出了血流速度的大小和方向，实现了对血流速度的定量测量。在连续波的情形，具体测量过程如下：

双道多普勒系统检测到的频移(经回波介调获得)f_d1和f_d2信号经模数转换成二路数字信号，送入微处理器MC或数字信号处理器DSP实时计算处理，得出流速v和偏角θ，实时连续显示或输出。也可将数字信号直接送入PC机进行流速分析显示等的后处理。系统的结构框图如图2所示。

本发明与王威琪等的CN85100528专利的根本区别在于后者的模拟补偿得到的是流速的近似值，且没有角度信息，以及使用上的不方便、不准确，而本发明利用信号的直接数字化，用数字技术可以获得准确的流速值和角度讯息，而且使用方便，不受限制。

在脉冲多普勒情形，本发明的测量过程如下：利用双脉冲多普勒声束实现与CW(连续波)方式一样的定量测量，有一个基本困难，即是因为脉冲方式是工作在宽带状态(相对于CW而言)，两声束会发生相互干扰。而CW方式是窄带工作，两声束中的频率稍有相差(如差500KHz)，可通过滤波器把两束回波分开，分别处理，而脉冲方式不行。

本发明依据人体血流的准稳态特性：即在数毫秒至十数毫秒内，人体血流可视为平稳过程，即小于这一时间血流状态(包括方向速度大小等)可认为没变化。把双束超声的同时发射接收，改为分时工作，即A束超声完成接收后，再进行B束超声的发射接收，两者时间间隔应小于数毫秒，甚至只差数百微秒，例如时间间隔为：100微秒～14毫秒。在所选择的相同区域内，应用这两声束的回波数据，进行运算，得到血流速度的大小和方向，系统框图如图3所示。

上述的脉冲型双声束定量测速，其运算过程基本与连续波方式相同。差别在于脉冲方式中晶片的中心频率是相同的，即有f₀₁＝f₀₂＝f₀，所以有：最后关v和θ的计算公式为：

下面进一步介绍本发明利用阵列式换能器进行脉冲多普勒的血流速度的测量。

在医学超声中大量使用阵列式换能器(例如线阵、凸阵，以及环阵，面阵等)进行超声成象和血流测量。利用线阵和凸阵换能器，本发明可定量测量血流速度(包括v和θ)。具体过程如下：

1.系统由如上所述的分时方式工作，二束超声前后发射/接收，并以相同区域的数据作为运算的依据，进而通过MC或DSP等求出结果。

2.工作过程如图4所示(以线阵为例，凸阵完全类似)。(1)设定探测区域，包括方向(以采样线位置D移动来显示)和采样区域(采样容积的显示)的深度和大小。(2)按上述参数，选择二组阵元A和B，以及两阵元组各阵元的接收/发射的延迟时间，分别使该阵元组的声束方向指向采样目标，并使二声束交叉在采样区域。同时让两声束都聚焦于采样区域。(3)将阵元组A、B分时发射/接收超声束，并以采样区域回波数据按计算式(3)、(4)进行运算求出结果。

阵元组A、B两组的选择原则是：

(a)位于采样线两侧对称区域，若深度d较小，随着d的增大，阵元组选择可向探头两侧移动，移至一定间距后(例一边已到探头的尽头)可逐渐加大θ₀的数值，当然θ₀＜90°。

(b)在超声设备中θ₀的选择，是改变选中的阵元组中不同晶片的收发延迟时间，延迟时间关系如图5所示。设阵元宽度为b，一组阵元共为N个，则第i个阵元的延迟时间应为 ${\mathrm{\τ}}_i=\frac{(N-i)b}{c}\cos {\mathrm{\θ}}_0,$ 式中c为在人体组织中声速，一般取1540米/秒。

(c)阵元组的选择及θ₀的选择，可以根据设定的参数(采样线位置D深度d)作输入，以读软件表格形式快速执行，只要事先把相关数据放入表格即可。当然也可通过实时运算来获得。

附图说明

图1为本发明双超声束测量血流速度的图示。

图2为在连续波情形本发明测量血流速度的系统框图。

图3为在脉冲多普勒情形本发明测量血流速度的系统框图。

图4为利用阵列式换能器进行脉冲多普勒血流速度测量的图示。

图5为阵元组中不同晶片收、发延迟时间关系图。

图6为双工系统中取样线与取样容积关系图示。

图中标号：1为超声探头，2为被测血管，3为人体皮肤，4为取样线，5为取样容积，A、B为探头1中的两组换能器。

本发明是针对血流速度的定量测量而提出，但也可应用于管道内流体的定量测量，即可在工业上加以应用。血流速度和方向的定量测量是医学临床的迫切需要。本发明将使超声血流的测量由定性发展到定量，为疾病的正确诊提供准确的依据。本发明不仅可以适用于连续波情形，也可适用于脉冲工作方式，克服了现有超声多普勒技术的局限性，而且，操作简便，精确度高。

下面给出本发明在双工超声系统中的应用实例。

在双工超声系统中，B型成象和多普勒测速往往需同时进行，它的原理是利用二者的分时工作来实现，通常是数次图象扫描，获得数根图象扫描线的数据后，跳到多普勒测速方式中取样线位置对应的阵元组进行一次测速扫描，再进行数次图象扫描，再一次测速，周而复始。所得的数据构成B型图象和多普勒信号的同时显示(多普勒信号往往以声谱图方式和多普勒声音输出方式工作)。在找寻到所需的测速点时，固定取样线位置和取样容积的位置和大小后，可以转入纯多普勒方式，即单纯进行脉冲多普勒扫描测速。

双工系统所用的都是阵列式超声换能器(例如线阵、凸阵等)，硬件系统具有阵元组的分组聚焦、扫描偏转等功能，这些功能的实现是通过适当安排阵元组中不同阵元的发射接收具有不同的延迟时间来实现的。系统都具有多普勒测速的位置选择指示(取样线指示)和采样容积指示。利用阵元组的顺序选择可以实现B超图象的顺序扫描和多普勒位置选择(取样线所指示的对应阵元组)。取样线与取样容积关系如图6所示。

本发明可利用双工B超的现有条件，并根据我们研究得出的人体血流信号的准平稳原理(在数ms至十几ms内，血流信号特性可视为平稳过程)，通过系统软件的改变可实现双声束多普勒流速检测，以实现双工系统中的定量多普勒测速，其角度信息是一个新的极为有用的信息。

具体实现过程详述如下：

(1)在阵列式(例如线阵、凸阵、相控阵等)系统中，原应有偏转延迟和聚焦延迟(但一般的线阵中没有偏转延迟，为此硬件将稍有改动)，可实现B型图象和脉冲多普勒流速测量的双工工作。

(2)方法改动，改变原先的双工显示中(数次B型图象扫描后插入一次多普勒工作)的工作方式，改为数次B型图象扫描后插入先后二次多普勒工作，并对所得信号进行按公式(3)和(4)进行运算，求出v和θ。

(3)原先双工显示中多普勒工作阵元组就是取样线所在位置处，但现在必须要作改变，应通过取样线的位置和采样容积的深度位置和大小这几个参数来选择。通常这些参数都是人工由键控手工设置，应用本发明时，不必改变，只是在软件中通过对设置所得的参数来确定适当的θ₀和选择多普勒检测的两组阵元组组合，这二组是对称于取样线所示位置的两边。选择原则应为在近场区域，这二组阵元可尽可能接近，且θ₀可取较小，随深度加大，阵元组选择可向探头两侧移动，移至一定间距后，可逐渐加大θ₀的数值。当然θ₀＜90°。在超声设备中θ₀的选择，实质是改变所选中的阵元组中的不同晶片收发的延迟时间。

(4)阵元组的选择及θ₀的选择，可以根据手工键控设定的参数作输入以读软件表格形式快速执行，只要事先把相关的数据放入表格。当然也可以通过实时运算来获得，只要速度足够，不影响实时执行(例如放在回扫期内计算等)。

流速结果可以以数字形式在屏上显示记录，偏角可以在B型图象上标记方向。

Claims (3)

1.一种双超声束多普勒测量血流速度的方法，其特征在于将超声多普勒探头中的两组换能器A、B分别发射超声，选择合适的两超声束与血流速度的夹角，则血流速度v和血管与皮肤的偏角θ由如下算式给出：

其中： $\mathrm{\Σ}=\frac{f_{d1}}{f_{01}}+\frac{f_{d2}}{f_{02}},\mathrm{\Δ}=\frac{f_{d2}}{f_{01}}-\frac{f_{d1}}{f_{02}}$

f₀₁、f₀₂分别为换能器A、B发射的超声波频率，f_d1、f_d2分别为接收到的超声回波信号中的多普勒频移，2θ₀为换能器A和B的夹角，θ₀＜90，2θ₀＝θ₁+θ₂，θ₁、θ₂分别为两束超声束与血流速度的夹角，c为超声束在人体组织中的声速。

2.根据权利要求1所述的双超声束多普勒测量血流速度的方法，其特征在于在脉冲多普勒情形，双束超声分时工作：A束超声完成接收后，再进行B束超声的发射/接收，两者时间间隔为100微秒到14毫秒，此时，f₀₁＝f₀₂＝f₀，并有：血流速度v和偏角θ由下式给出：

3.根据权利要求2所述的双超声束多普勒测量血流速度的方法，其特征在于所述换能器利用阵列式换能器，具体过程如下：

(1)设定探测区域，包括方向和采样区域的深度和大小；

(2)按上述参数选择二组阵元A和B，以及两阵元组的各阵元的接收/发射的延迟时间，分别使该阵元组的声束方向指向采样目标，并使二声束交叉在采样区域，同时让两声束都聚焦于采样区域；

(3)将阵元A、B分别发射/接收超声束，并以采样区域回波数据进行运算，求出结果。

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