CN1003768B - 一种双向定量测量血流绝对速度的超声多普勒方法与仪器 - Google Patents

Abstract

现有利用连续波起声多普勒频移效应测量血流的方法或仪器，仅有双向功能或仅有定量功能。本发明兼有双向定量两大功能。其双向功能由频率互补混频型外差式单边带分离制式实现；其定量功能由新建立的“双双向多普勒法”实现。从而使得本仪器的方向通道隔离及消除入射角θ引起的定量误差均优干目前所能见到的国内外报道的相应指标。本发明可广泛地应用于临床或血液动力学的研究。

Description

一种双向定量测量血流绝对速度的超声多普勒方法与仪器

本发明属于双向定量测量血流绝对速度的超声多普勒方法与仪器。

利用连续波超声多普勒频移效应来测量血流，其基本出发点是利用超声发送探头发出超声束照射到需检测的血管，由接收探头接收其回波信号，则可在其回波信号中得到一平均多普勒频率Δf，其符号的正负反映了流速方向的正反，而其值为：

Δf=2f·cosθ/CV （1）

式（1）中，f₀为超声发送频率，C为超声在介质中的传播速度，V为需要检测的血流剖面平均速度，ν为声束和血流轴向速度之间的夹角。一般ν为未知，受到操作人员手法的影响。

目前的利用连续波超声多普勒频移效应设计的血流测量仪，按功能来看主要有二大类。一类仅实现了对血管轴向两个相反方向血流成份的同步分离检测，称为“双向多普勒”，而没有能消除上述的ν角对测量血流速度值的影响，亦即只能输出这两个相反方向流速成份的多普勒频移，而无法给出这两个相反方向血流成份的绝对流速值。如D.A.DE乔恩（Jong）等人发表在“超声学”（ULTRASONICS）第13卷第3期的“一种测定血液传送速度的方向性多普勒系统”（Adirectional quantifying Doppler system for measurement of transport velocity of blood）一文中所述。该文献介绍的方法为采用1只超声发送/接受探头，利用双参考频率的升高中频的外差式单边带分离制式，将接收到的回波信号与两只参考信号（OSC1，OSC2）分别同时输入两只混频器（M₁、M₂），混频的输出信号实际上经过二只配对的，且作用于不同边沿的单边带滤波器，以分离输出对应两种不同方向血流成份的多普勒频移（Usub及Lsub）。此外，复旦大学叶国凡、王威琪在1982年第6卷第一期《医疗器械》中发表的“单边带直接分离式双向超声多普勒血流检测”一文中采用高频直接式单边带分离制式（F-1仪）最后也输出对应两种不同方向血流成份多普勒频移的电压输出。

另一类仅能给出血管中某一种血流速度绝对值，而不能在同一时刻同步地分离出轴向两个相反方向的血流速度绝对值，称为“定量多普勒”。如西门子（Siemens）公司的英国专利GB1238585介绍一种采用两只独立的成90°固定交角的异频超声发送/接收探头及两路独立的非双向型多普勒检测电路的方法，对接收到的回波信号经过直角运算，消除了ν角的影响后，最后仅输出正向血流速度绝对值与反向血流绝对值的混合平均值，并仅指示当时占优势的流动方向，这种方法称为“双多普勒法”。复旦大学王威琪、邵谦明、姚林鑫发表在《复旦学报》（自然科学版）第21卷第1期的“用双超声束Doppler效应定量测定血流速度”一文中也介绍了与上述类似的方法和仪器（T-2仪），将两探头的固定交角改为130°，以两路非双向型多普勒输出的平均多普勒频移之差的指零来指示探头对于血管的中心平衡位置，并采用一种近似算法代替英国专利GB1238585的理论上完全消除ν角影响的严密算法，使得具体实施时较为方便，但其基本功能基本上和上述类同。此外，该文也指出过一个在ν＞90°情况下在理论上完全消除ν角影响的非第Ⅰ象限型严密算法，但由于难度较大而未能实现。

上述二类连续波超声多普勒方法与仪器虽然已在无损检测血流方面得到了广泛的应用，但各有其局限性，前者最大的缺点是：由于没有消除ν角的影响，因此无法进行绝对流速值的测量和比较;后者最大的缺点是不能应用在人体身上意义重大的双向血流的场合，否则不仅不能检测小的反流而且测出的正向流速值也可能失真很大。总之，它们都不能同步地分离给出同一血管内同一时刻轴向两个相反方向的血流绝对速度值，从而使应用范围及价值受到甚大限制。此外，在两者各自具体的双向分离方法或定量方法上都还存在着进行原理性改进的余地，以使双向性能指标或定量性能指标得到提高。

本发明旨在针对上述二类连续波超声多普勒方法及仪器的不足，提出一种新的使连续波超声“双向多普勒”能消除ν角影响从而同时实现双向定量的格局性方法，并根据此方法制出一种新型的即兼有双向、定量二大基本功能的超声多普勒血流速度测量仪。另一方面，在实现双向分离功能的具体方法上、以及实现消除ν角影响从而实现定量化的具体方法上，本发明也分别提出原理性改进并达到先进的双向性能指标及定量性能指标。

本发明的主要工作原理可分为以下三大部分：

（1）双双向多普勒法及其基本格局

现有的采用“双多普勒法”的“定量多普勒”系统，由于二个多普勒检测单元均为非双向型的，每个多普勒检测单元仅有一个输出，因而定量运算处理只涉及到两个输出量，相对比较简单。本发明则有两个独立的双向多普勒检测单元，总共有四个输出（如图1中所示的Fd₁f、Fd 1r、Fd₂f、Fd₂r,因而处理的方法具有特殊性，需要重新建立格局。

如图4所示。设两超声束同时照射到血管15上，图中1及1′分别为二个超声发送/接收探头，其发送频率分别为f₀₁及f₀₂，两探头夹角为2ν＊，且2ν＊＞90°，超声束与血管中血流轴向间夹角分别为ν₁、ν₂。

当ν（ν₁或ν₂′）在（2ν＊-90°）～90°的范围内变化时，对同一流速成份，由接收探头1及1′接收到的多普勒频移总保持符号相反。因此，当血管中同时存在双向血流成份及

的情况下，正向流速成份

将对探头1产生正多普勒平均频移Fd ₁ f，而对探头1′将产生负多普勒平均频移Fd₂r，它们的值分别为：

（2）

（3）

而反向流速成份将对探头1产生负多普勒平均频移Fd ₁ r，对探头1′则产生正多普勒平均频移Fd ₂ f，它们的值分别为：

（4）

（5）

式（2）（3）（4）（5）中的ν₂′＝π-ν₂＝2ν₀-ν₁

因此，正向流速值

应由Fd ₁ f及Fd ₂ r组合运算而得，而反向流速值则应由Fd₁r及Fd₂f组合运算获得。此即“双双向多普勒”的基本格局安排。

（2）频率互补混频型外差式单边带双向分离技术。

①正、反向通道互补双参频混频制式。第一个双向多普勒检测单元（图1）中的互补参考频率为f₀₁+f_M及f₀₁-f_M，第二个双向多普勒检测单元（图2）中的互补参考频率为f₀₂+f_M及f₀₂-f_M，从而使四个方向通道可使用性能完全相同的单边带滤波器的同一边沿，与F-1仪及Jong仪相比，这有利于保证通道性能的一致性，避免了正、负单边带滤波器匹配上的困难，对生产调试也带来了很大的方便。

②参考频率随发射频率同步浮动制。四个信号混频电路2（见图1、2）的参考频率f₀₁+f_M、f₀₁-f_M及f₀₂+f_M、f₀₂-f_M是由超声发送振荡器8及8′的信号f₀₁与f₀₂与中频振荡器9的信号f_M经混频后由互补参频分离电路6及6′分离获得，这一方式使得频率精度取决于中频振荡频率。

③降低中频的向下混频制式及机械滤波器的采用。由于中频f_M远比f₀₁、f₀₂为低，结合②易见，与Jong仪及F-1仪相比，整机的绝对频率稳定性大大提高;而且，使得可采用机械滤波器作为单边带滤波器，与Jong仪及F-1仪的高频晶体单边带滤波器相比，它易于保证良好的滤波特性。

④所有混频电路及解调电路均采用通用集成模拟乘法器来构成，由于是采用真正的乘法来实现混频及解调，从而可大大减小普通外差式中混频所带来的附加频率的影响及多普勒信号解调失真，同时又利用了乘法器本身的增益，可获得可观的混频增益。因此，另一方面，本技术中整个高频、中频通道不用专门的高频及中频放大器，且发送/接收探头信号直接输入混频电路2，与Jong仪相比，不仅简化了线路，提高了稳定性，而且，这有助于保证避免乘法混频的假象发生问题，此外，整个电路结构也更加对称、整齐。

（3）优化第Ⅰ象限算法定量处理技术

①2ν＊的优化选定，选择2ν＊时，应使ν₁、ν₂（从而ν₁′、ν₂′）由中心平衡位置向左、右均能达到最大的有效使用范围。这里，将已证实的多普勒频谱形状保持不变的ν角范围45～75°向两边各扩展10°作为最大有效使用范围，即35～85°。当ν₁＝ν₂′＝ν＊时，探头处于中心平衡位置，探头向左偏斜，ν₁变小而ν₂′变大;向右偏斜，则反之。可见，为使ν₁、ν₂′向左、向右均有最大的有效偏移范围，ν＊应取在35～85°区间的中央，即ν＊应取60°，从而2ν＊＝120°，由前述的双双向多普勒格局成立的条件，此时ν（ν₁，ν₂′）变化范围应限制在30°～90°内，而这已大于ν的整个有效使用范围。探头对于血管的中心平衡位置的指示，在本技术具有二个双向多普勒及四个平均多普勒频移输出的情况下，采用第一个双向多普勒的正向平均多普勒频移电压输出与第二个双向多普勒的反向平均多普勒频移电压输出

之差

指零而实现。

②在2ν＊＞90°时严格消除ν角影响的第Ⅰ象限算法。由于现2ν＊＞90°，因此不能沿用Siemens的直角算法，要另外建立。

令：

上四式中A为频率电压转换系数。

则由式（2）及式（3）可得：

（6）

（7）

其中：ξ=2f₀₁/cA

由式（3）及式（7）可得：

（8）

由式（6）及式（8）可得

（9）

则： （10）

同理从式（4）及式（5）可得：

（11）

实现式（10）及式（11）的运算电路框图如图3所示，显然，由于2ν＊＞90°，-cos2ν₀＝cos（π-2ν＊）＞0，故式（10）及（11）中实际上没有减法，只有加法。

与T-2仪的近似算法相比，本算法是完全消除ν角影响的严密算法;与T-2文所提出过的非第Ⅰ象限算法相比，由于本算法中平方运算的自变量恒保持为正，因而可采用简单的第Ⅰ象限平方器，而不必增添绝对值电路，容易实现;另一方面，本算法内实际上没有减法，当探头接近中心平衡位置时，不会产生平方器要求很高输入动态范围的问题，精度也易于达到要求。

③两发射声束频差的最小化。以往的双多普勒法，为了避免两个多普勒仪相互干扰，两声束的发射频率不得不有较大差异（如Siemens为2MHz，T-2为600kHz），这使得两路声束在机体中的传播特性不均衡，从而接收到的血流多普勒信号会存在不应有的差异，结果影响定量精度，本方法中两个双向多普勒仪各自具有较陡峭的带限滤波特性，因而原则上只要两发射声束的频率差略大于多普勒仪正向通频带宽度与反向通频带宽度之和，或即等于单边带滤波器通频带宽度的2倍，则任一多普勒仪的发射超声对另一多普勒仪接收部分的干扰即可忽略。在本实际方案情况下，只要f₀₁与f₀₂之差达15kHz，即可获得近60dB的隔离度，此时两路发射频率可认为几无差异，因而利于测量精度的提高及结构的简化。

综上，本发明实现了实际血流测量对兼有双向、定量功能的要求，达到了连续波超声多普勒的一个新的层次。且由于具体双向技术及定量技术原理方面的上述的各种特点，使本发明的仪器在方向通道隔离度及消除ν角的影响等各方面的指标都得到了相当的提高。经测试，本仪器的方向通道隔离度可达60db;在消除ν角的影响方面经测试，在ν＝ν＊＝60°中心位置上，ν角变化-21°～+22.5°时，定量输出误差不超过±5%，分别优于目前文献中所能见到的双向多普勒及定量多普勒的上述指标。

本发明结构对称，器件重复性高，具有临床实用推广基础。利用本发明生产的血流测量仪可广泛地用于临床或研究中，为周围血管疾病，心血管、脑血管等疾病的诊断，手术疗效、药效估价及血液动力学研究提供有效的手段。

根据上述方法制出的仪器的工作原理，可用图1、图2、图3及图4来说明。

图1是第一个双向多普勒检测单元的频率互补混频型外差式单边带双向分离技术原理框图。

图2是第二个双向多普勒检测单元的频率互补混频型外差式单边带双向分离技术原理框图。

图3是双双向多普勒法的输入-输出关系及消除ν角影响的第Ⅰ象限算法定量处理运算技术原理框图。

图4是双双向多普勒的探头配置及其与双向血流关系示意图。

图1中两个独立发送/接收探头1及1′组合在一起，固定夹角为120°，发射频率分别为f₀₁及f₀₂。图1中第一个双向多普勒单元的正向平均多普勒频移电压输出u_1f与图2中第二个双向多普勒单元的负向平均多普勒频移电压输出u_2r（u_1f与u_2r均为绝对值）如图3所示进行组合处理，而获得正向剖面平均流速值输出u₁;而图1中第一个双向多普勒单元的负向平均多普勒频移电压输出u_1r与图2中第二个双向多普勒单元的正向平均多普勒频移电压输出u_2f（u_1r与u_2f均为绝对值）如图3所示进行组合处理，而获得反向剖面平均流速值输出u_r。图4中探头1、1′对于血管15的中心平衡位置由图3中处理单元11′输出的u_1f-u_2r号指零而指示（有表头显示）及调节。

图1与图2所显示的两个独立的双向多普勒检测单元，结构完全相同。图1中发送频率振荡器8振荡频率为f₀₁去驱动探头1发送超声波。中频振荡器9振荡频率为f_M。参考频率混频电路7对f₀₁及f_M进行混频，其输出信号f₀₁±f_M送入互补参频分离电路6，分离输出两个参考频率f₀₁-f_M及f₀+f_M，同时分别送入两个混频电路2。探头1接收的回波信号（饮食频率成份f₀₁、f₀₁+Fd₁f₁f₀₁-Fd₁r，这里为便于说明，假设血流信号的正向及负向多普勒频移Fd₁f及Fd₁r均为单一频率），直接输入到二个信号混频电路2，分别与f₀₁-f_M及f₀₁+f_M进行混频，从而分别输出f_M+Fd₁f、f_M-Fd₁r及f_M-Fd₁f、f_M+Fd₁r，各自通过正向单边带滤波器3，分别输出f_M+Fd₁f及f_M+Fd₁r，再各被解调电路4与中频f_M信号进行乘法解调，从而分离输出正向及负向血流多普勒频移音频信号Fd₁f及Fd₁r，这二路信号分别通过转换系数为A的频率-电压转换电路5，经适当放大滤波及频率电压转换后，即可输出与多普勒频移对应的电压信号u_1f及u_1r。

图2和图1的结构完全相同，仅超声发送振荡器8′的振荡频率为f₀₂，互补参频分离电路6′分离输出的两个参考频率为f₀₂-f_M及f₀₂+f_M，以及频率-电压转换电路5′的转换系数为f₀₁/f₀₂A,输出为u₂f与u_2r。

在图3所示的两个结构相似的第Ⅰ象限算法定量处理单元中，平方电路10与12实现平方运算，两个加权加法器11′及11分别完成u_1f-u_2r、

及的运算，其中（u_1f-u_2r驱动表头，作检测时探头调节的指示，当u_1f-u_2r为零时，探头达中心平衡位置）。再经过加法电路13、开方电路14，最后分别输出正向剖面平均血流绝对速度值u₁及反向剖面平均血流绝对速度值u_r。

Claims (29)

1、一种用于实现血流速度测量仪器的连续波超声多普勒方法，其特征在于用双双向多普勒法来实现双向多普勒的定量化;在双向分离技术上，采用频率互补型外差式单边带分离制式来分离正向血流成份与反向血流成份;在定量处理技术上，采用优化第Ⅰ象限算法来消除超声入射角ν对测量血流绝对速度值的影响。

2、根据权利要求1所述的连续波超声多普勒方法，其特征是，所述的双双向多普勒法是：在2ν₀-90°≤ν₁，ν₂′≤90°的条件下，对同时检测同一血流的两个独立的双向多普勒检测单元分别产生的正向多普勒平均频移Fd₁f、Fd₂f及负向多普勒平均频移Fd₁r、Fd₂r进行如下组合的处理运算：由Fd₁f与Fd₂r处理运算而得到血流正向剖面平均流速值μ₁，与此同时由Fd₁r与Fd₂f处理运算而得到血流反向剖面平均流速值μ₁，上述的ν₁、ν₂′分别为两个超声发送/接收探头与血管所夹的锐角，2θ＊则为这两个探头之间的夹角，且2ν₀＞90°。

3、根据权利要求1所述的连续波超声多普勒方法，其特征是，所述的频率互补混频型外差式单边带分离制式的特点是：

（1）采用二对互补参考频率f₀₁-f_M、f₀₁+f_M及f₀₂-f_M、f₀₂+f_M，分别提供给各通道与信号混频，并采用四个完全相同的单边带滤波器的同一边沿，上述f₀₁、f₀₂分别为两个独立的双向多普勒检测单元的超声发送频率，f_M为中频，且f_M低于f₀₁与f₀₂;

（2）上述四个互补参考频率f₀₁-f_M、f₀₁+f_M及f₀₂-f_M、f₀₂+f_M系将f₀₁、f₀₂与f_M混频后进行分离而获得;

（3）仅由混频、单边带滤波及解调级构成高、中频通道，探头接收信号直接送入混频级;所有的混频及解调均采用集成模拟乘法实现。

4、根据权利要求1所述的连续波超声多普勒方法，其特征是所述的优化第Ⅰ象限算法

由下式表述：

上式中：

其中：A为频率电压转换系数，c为在组织中的声速，2ν＊为两个独立的超声发送/接收探头之间的夹角且2ν＊＞90°，探头对于血管的中心平衡位置由

为零而指示及调整，

Fd₁f、Fd₂f及Fd₁r、Fd₂r分别为二个独立的双向多普勒检测单元产生的正向多普勒平均频移及负向多普勒平均频移。

5、根据权利要求1，3所述的连续波超声多普勒方法，其特征是，利用单边带滤波器的频率选择性来充分抑制两个异频超声发送频率信号间的相互干扰，使得两发送频率f₀₁及f₀₂之间的最小频差约等于血流多普勒信号正向频谱宽度与反向频谱宽度之和，或即等于单边带滤波器通频带宽度的2倍。

6、一种带有两个成固定夹角连接的超声发送/接收探头及二个多普勒检测单元的用于测量血流速度的连续波超声多普勒仪器，其特征在于上述的二个多普勒检测单元为二个独立的双向多普勒检测单元，本仪器还有一个具有上、下通道的消除ν角影响的定量处理运算单元，由第一个双向多普勒检测单元的正向平均多普勒频移电压输出

与第二个双向多普勒检测单元的负向平均多普勒频移电压输出u_2r一起输入定量处理运算单元的上通道经处理运算后而输出血流的正向剖面平均绝对流速值u₁;同时由第一个双向多普勒检测单元的负向平均多普勒频移电压输出u_1r与第二个双向多普勒检测单元的正向平均多普勒频移电压输出u_2i一起输入定量处理运算单元的下通道经处理运算后而输出血流的反向剖面平均绝对流速值u_r，上述第一个双向多普勒检测单元由混频电路2，单边带滤波器3、解调电路4、频率电压转换电路5、互补参考频率电路6、互补参考频率分离电路7、超声发送振荡器8及中频振荡器9组成;第二个双向多普勒检测单元由混频电路2、单边带滤波器3、解调电路4、频率电压转换电路5′、互补参考频率电路6′、互补参考频率分离电路7、超声发送振荡器8′及中频振荡器9组成;上述定量处理的上通道由平方器10、12，加权加法器11，加法器13，开方器14组成;定量处理运算的下通道由平方器10、12，加权加法器11′，加法器13，开方器14组成。

7、根据权利要求6所述的连续波超声多普勒仪器，其特征在于上述的二个双向多普勒检测单元采用频率互补型外差式单边带分离制式，其特点是：

（1）具有二个互补参考频率混频器7，分别将超声发送频率f₀₁、f₀₂与中频振荡器9产生的f_M混频，并分别输入两个互补参考频率分离电路6与6′而分离获得二对互补的参考频率f₀₁-f_M、f₀₁+f_M及f₀₂-f_M、f₀₂-f_M，并分别送入四个信号混频器2与探头的接收信号相混频;

（2）四个单边带滤波器3完全相同，且作用于同一边沿;

（3）每一高、中频通道仅由混频电路2，滤波器3及解调电路4构成，探头接收的信号直接送入混频电路2，所有的混频电路2及解调电路4均采用集成模拟乘法器实现;

（4）上述单边带滤波器3可采用机械滤波器。

8、根据权利要求6所述的连续波超声多普勒仪器，其特征在于上述的定量处理运算单元为优化第1象限算算定量处理运算单元，其上通道由二路平方器10、12加权加法器11′，加法器13，开方器14组合实现并完成如下式子的运算：

其下通道由二路平方器10、12，加权加法器11，加法器13，开方器14组合实现并完成如下式子的运算：

上二式中：ξ＝2Af₀₁/C

其中：A为频率电压转换系数

C为在组织中的声速

f₀₁为探头1的发送频率。

9、根据权利要求9所述的连续波超声多普勒仪器，其特征在于上述二个超声发送/接收探头的固定夹角为120°，探头对于血管的中心平衡位置由加权加法器11′输出的u_1f-u _2r 指零而指示并加以调节。

10、根据权利要求6所述的连续波超声多普勒仪器，其特征在于两个超声发送频率f₀₁与f₀₂之间的最小频差约等于单边带滤波器3通频带宽度的2倍。

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