CN101277649A - 在医疗应用中使用多普勒测量的方法和仪器 - Google Patents

在医疗应用中使用多普勒测量的方法和仪器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于在多普勒超声系统中分析和显示多普勒数据的新颖方法和仪器。控制距超声换能器沿超声波束的至少一个距离范围。该至少一个距离范围包括沿超声波束的第一距离和沿超声波束的第二距离之间的多个连续位置。至少在一个显示窗口中分别显示代表在所述至少一个距离范围内的多个位置的多普勒信号频谱。

Description

在医疗应用中使用多普勒测量的方法和仪器
技术领域
总的来说，本发明属于涉及测量血流速度的医疗技术领域，并涉及一种优化测量和监控多普勒信号的方法和仪器。
背景技术
在医疗应用中，将多普勒效应用于生理信号的测量已经实施多年了。特别地，多普勒效应已经用于测量心血管循环中的血流速度以评估和诊断患者的状况。通常，多普勒技术对血流速度的应用是基于向患者体内朝向目标血管的大体方向用特定换能器传输波束，通常是超声波束。所述波束通常具有恒定的载波频率。所述波束被沿着其路径上的任何移动粒子反射，利用与移动粒子在波束方向的速度分量成比例的频移，返回到位于换能器中的接收器。在涉及血流速度测量的应用中，反射粒子典型地是血细胞。
医用多普勒装置可以对接收到的信号执行指定的滤波和频率转换，并将得到的速度或多普勒移频以图形方式表现出来，其中X轴代表时间(一般以秒为单位)，Y轴代表多普勒移频(一般以千赫为单位)或者速度(一般以厘米每秒为单位)。当在给定时间内显示满量程的速度或频率时，所得的显示被称作频谱分析。
在大多数血流速度测量的医学检查中，特别是在大多数无创临床操作中，检查者无法看到血管。因此，要求检查者将换能器以及传输波束朝向患者体内假定的血管位置的大体方向对准。通常在多普勒信号被接收到并且速度或多普勒移频信号或频谱被显示出时，血管才被识别出来。
在多普勒法用于测量血流的应用中有两种通常的操作模式。第一种模式被称为连续波多普勒(CW)，而第二种模式被称为脉冲波多普勒(PW)。
在CW模式中，换能器通常容纳有两个传输/接收元件，其中第一元件(传输元件)连续地传输波束，第二元件起到接收器(接收元件)的作用并连续地接收反射信号。这样，在CW模式中接收到的多普勒信号反映了沿传输波束路径上所有位置处粒子的运动。CW模式的主要优点是能够相当快地接收到多普勒信号。然而，因为多普勒信号接收自所有的血管和沿波束路径上的其它生理学运动，因此这种模式的主要局限在于检查者利用CW操作无法辨别不同的血管，并且对于换能器不具有距离上的特异性。另外，由于向身体组织内连续传输波束，通常要求波束振幅很小以便使组织受声波作用的潜在危险影响最小化，因此对于要求波束穿透能量高的医疗应用，如透过颅骨进行穿颅的速度测量，就很困难。
PW模式是克服CW多普勒局限的一种可选择的多普勒解决方案。在PW模式中，换能器一般只容纳有单一的传输/接收元件。传输器发出脉冲波猝发，所述脉冲猝发由若干具有给定载波频率的波形(一串波形)组成，并以另一给定频率，即脉冲重复频率(PRF)重复。在传输脉冲猝发之后，换能器元件起到接收器的作用，以接收反射的多普勒信号。通过测量传输脉冲猝发开始起的时间，可以接收来自距换能器表面指定距离的多普勒信号，同时传输脉冲猝发的持续时间(或长度)限定沿着获得信号的波束的区域大小(样品体积)。因此，PW可以辨别沿传输波束路径的距离。在检查者想辨别与传输波束的路径交叉的不同血管，或者想辨别沿着位于波束方向的单个血管的不同位置时，例如在经颞部入路进行穿颅多普勒检测过程中的大脑中动脉，这个特点特别有利。另外，由于波束传输的持续时间相对于脉冲重复间隔(PRI)相对较短，通常允许传输波振幅比CW模式下的大些，因此可以穿透较困难的区域，例如颞骨。但是，因为现在要求使用者不但要使换能器朝向血管的假定位置对准，而且还要设定距从样品体积接收多普勒信号的换能器表面的特定距离，因此PW模式的主要局限是测量程序相当困难。这样，就有可能出现换能器方向是正确的，但设定的距离是不正确的，并且检查者将不能鉴别此信息。
为了克服后一个局限，以及致力于一些其他应用，一些多普勒系统可提供多通道选项，这使得检查者可以同时观察几个速度谱的图形显示，每个显示表示距换能器表面特定距离处所获得的速度谱。
发明内容
通过利用多通道多普勒效应和多重图形显示，虽然在测量期间有助于加快信号识别和换能器定向，但仍然受到限制，该限制在于其显示的速度谱为在若干特定用户定义的距离的样品体积大小的函数。
本发明提供一种用于在多普勒测量过程中向检查者提供和显示多普勒测量的新方法和仪器。这对于测量血管中的血流速度特别有用。根据本发明的新颖的多普勒检测模式利用了在单个血流速度检测中的CW和PW两种模式的优点。依据这种新颖的检测模式，沿着一般是超声波的载波的多个连续位置或距离的多普勒信号信息被整合在一起并进行分析，以给出来自各自距离范围的多普勒信号。作为对比，脉冲波多普勒模式允许显示来自沿波束的单个位置的多普勒信号，而连续波多普勒模式显示来自换能器表面到无限远处的多普勒数据。
本发明还提供包括来自多个距离范围的多普勒显示的多种显示模式，以及用于在这些距离范围内的一个所获得的相应最佳信号的主窗口显示。
在本发明中，换能器典型地用于PW多普勒模式中，因此利用单一元件换能器。接收器在传输脉冲波猝发之间连续地开放，接收沿波束路径自实际的换能器表面起到有效的PRF容许的最大距离止的多普勒信号。多普勒信号是从沿波束的多个位置到所述最大距离之间获得的。在典型的PW模式中，对这些多个位置的一个进行分析和图示为速度或多普勒移频光谱。
此处使用的术语“位置”，限定了距换能器表面的特定距离，从所述换能器表面处获得并分析多普勒数据。这些数据显示为代表该特定距离的多普勒速度谱。此处使用的术语“距离范围”，限定了从距换能器表面一个特定距离起到距换能器表面的第二特定距离止的多个位置。设定距离范围用于描述用户所定义的距离范围。根据本发明允许的最小第一特定距离是换能器表面，而最大第二特定距离一般根据有效PRF来限定。
本发明允许用户有选择地设置一个或多个所关心的距离范围。可以限定所关心的范围为不同大小，甚至范围之间可以彼此重叠。相比之下，多通道选项不能在距设定距离范围的单一图形显示中显示多普勒速度谱，而是只可以显示给定单一特定位置的多普勒速度谱。
对于每一个设定距离范围，产生一个速度或多普勒移频的图形显示，其由接收自对应于设定距离范围的多个位置的综合信号组成。因此，如果例如检查者将所选择的范围设定为最大允许距离范围，则在基本上以PW模式运行时，获得实际上类似于CW多普勒模式的多普勒信号。
本发明允许使用单元件换能器，其受到能穿透困难位置的较高能量PW多普勒脉冲猝发的作用，并且具有选择性地辨别来自沿波束路径的不同位置的信号的潜能，而又维持着显示以类似于CW模式的图示速度谱的能力。
本发明在向患者身体内传输声波时特别有益，用户选择以最大限度地开放的设定距离范围开始，以便很快地识别目标血管的位置，在优化了换能器朝向身体的方向后，观测沿波束方向所关心的更小、更特异的距离范围的图示频谱。
当检查人将选择的最大距离范围细分为选择数量的图形显示时，本发明还有进一步的优点，每个图形显示提供来自不同的选择的距离范围的频谱显示。在检测中，所有的图形显示都可以同时呈现每个选择的距离范围内的综合速度谱，这样就使得检查人可以很快地识别和集中于优选的所关心的范围。
举例来说，在颞部入路的透颅多普勒检测中，选择的设定距离范围可以是这样的：在一个或多个范围内显示大脑中动脉多普勒速度谱，在一个较远的距离范围内显示中间和前面的脑动脉分叉，在一个更远的距离范围内显示大脑前动脉典型的多普勒速度光谱。由此检查人可以很快地集中于所关心的优选范围和/或识别出用标准的PW操作可能忽视的病状。
本发明更进一步的优点涉及同时呈现与选定的距离范围一致的频谱图示，并在一个中央显示区域平行显示，而按照常规以PW或CW显示的是距位于一个选定的距离内的换能器表面特定位置的多普勒速度谱。
另外，可以增加一个控制器，把选择的距离范围多普勒速度谱显示与设定范围或特定位置的主要多普勒速度谱显示关联起来。这样的控制器可以是触屏的形式，但不局限于此，通过触摸所关心的范围显示或者用鼠标点击或利用遥控操作，引起主要频谱显示更新，以显示对应于包括在选择的关心的范围内的一个距离的最佳速度谱。另外，还可以包括一个指示器，以突出与当前在主要频谱显示中显示相关联的频谱图示。
因此，根据本发明的一个主要方面，提供了一种用于在多普勒超声系统中分析和显示多普勒数据的仪器，该仪器包括：控制器，其被配置为控制距超声换能器沿超声波束的至少一个距离范围，所述至少一个距离范围包括沿超声波束的第一距离和沿超声波束的第二距离之间的多个连续位置；和显示单元，其被配置为在至少一个显示窗口中分别显示代表所述至少一个距离范围内的所述多个位置的多普勒信号频谱。
优选地配置所述仪器用于定义多个距离范围，并同时在多个显示窗口分别显示在所述距离范围内的多普勒信号频谱。至少一些距离范围可以重叠。至少一些距离范围沿超声波束可以是连续的。
可以配置所述显示单元用于显示对应于所述至少一个距离范围内的单个位置的特征多普勒信号频谱。该多普勒信号频谱至少显示在一个单独的图形显示中。该特征多普勒信号频谱可以对应于多个距离范围内的单一位置。
根据本发明的另一个主要方面，提供一种用于在多普勒超声系统中分析和显示多普勒数据的方法，该方法包括：控制距超声换能器沿超声波束的至少一个距离范围，所述至少一个距离范围包括沿超声波束的第一距离和沿超声波束的第二距离之间的多个连续位置；和在至少一个显示窗口中分别显示代表所述至少一个距离范围内的所述多个位置的多普勒信号频谱。
附图说明
为了理解本发明并且明白它在实践中如何执行，现在参考所附的附图以非限制性的实例描述优选的实施方案，附图中：
图1显示从作为时间函数的多个位置获得的多普勒数据的矩阵。
图2显示在一个设定距离范围D1到D2内的综合多普勒速度谱显示的例子。
图3描述按照本发明实施方案的设定距离范围内的速度谱的一种可能的显示模式。和
图4表示第二种可能的显示模式，其中显示了与如图2所示的设定范围之一内的距离相关的速度谱的主图形显示窗口。
具体实施方式
下面的说明描述一种新颖的方法和仪器，用于在测量患者血管内的血流速度的多普勒测量过程中为检查者提供和显示多普勒测量。为了避免可能妨碍读者偏离本发明的不必要的信息，在说明中忽略特别是那些对本领域技术人员而言很清楚的的细节，如电路和图、控制单元、一般的多普勒算法和软件控制。
图1是在多普勒测量中获得的多普勒数据的图示。通常，对每个发送的脉冲猝发i，可从多个位置j接收到多个信号。因此，通常在101处，接收自第一发射脉冲猝发且在第一个位置的信号是Aij，接收自第二个位置的信号是Ai，j+i，等等，直到对应于信号Ai，j+n的最大值位置n。接收自第二发射脉冲猝发且在第一位置处的是Ai+1，j，在第二位置是Ai+1，j+1，等等，直到位置n。该过程对于每个发射脉冲猝发在新的一行重复。每行，通常在120，是代表接收自沿波束路径上的所有位置的特定单个脉冲的数据矢量。每列121代表接收到的对于作为时间函数的特定位置的信号。图1中描绘的数据点一起构成多普勒矩阵。
为了显示特定位置的多普勒速度谱在PW模式下的典型数据处理要求对为所述特定位置的接收信号进行数学操作，所述信号包括在数据列121内。这种数学操作可以包括数据滤波和转换方法的应用，以便将数据从时域转换到频域，计算结果一般为对于所述一个位置的多普勒速度谱的图示。
在本发明中，设定的距离范围首先规定为位置D1 108和位置D2105之间。产生新的综合数据列，列中的每个数据点对应于给定的脉冲猝发，其代表对于所述特定脉冲的D1和D2之间的数据点的总和。综合列的产生可以在数学运算的任何阶段进行。因此，综合列可以在滤波过程之前或之后，以及频率域转换时间之前或之后产生。综合列上的数学运算是连续有序的，产生对于所述设定的距离范围的多普勒速度谱的典型的图形显示。
图2是与本发明的实施例一致的基本概念的图形显示。多普勒速度波形或频谱104在图形窗口102中显示，代表从位置D1 108和D2 105之间的设定的距离范围内的多个位置获得的多普勒信号的综合。如前所述，D1和D2从换能器表面沿传输波束的方向测量。在多数医疗应用中使用的波束典型地是超声波束。在CW模式下的类似显示相当于D1＝0，且D2等于无穷大。在PW模式下的类似显示要求D1＝D2。显然，图2所示的波形仅是作为例证，像许多典型的多普勒系统一样，可以代表完全的速度或多普勒移频谱分析。
图3代表图2中显示的扩充，描述典型地根据本发明表现的多普勒信号的另一种可能的显示。多个设定的距离范围D1 108到D6 109被显示出来。显示了多个图形显示窗口102，每个窗口显示基于如上所述的在各个设定的距离范围内的多个位置的多普勒信号综合产生的多普勒速度谱。每个窗口102对应于各个设定的距离范围D1到D6，因此第一图形窗口显示从位置D1 108到D2 105，等等，直到最大的显示距离D6 109处获得的综合多普勒信号。一个伴随的条形图106，或者指示标记，或者通常地显示的任何其它图表形式，可以伴随在所述显示旁边以便显示每个图形窗口102的各个距离范围。一般地，每个图形窗口的多普勒速度波形或频谱104的幅值和形状是不同的。图中D1和D6之间五个图形窗口的选择仅作为例证。D1一般是最接近换能器表面的距离，D6一般是距离换能器表面沿波束路径最远的距离。在本特定例子中，所述设定的距离范围是连续的。但是，本发明允许选择的距离范围重叠，或者在设定的距离范围中出现一些间断。
图4代表图2和3中图示的进一步扩充，描述典型地根据本发明表现多普勒信号的另一种可能的显示。对于希望如在PW模式下集中于特定位置，但在CW模式下并且依照本发明瞄准换能器和作出检查决定的检查者而言，所述显示最有用处。所述显示中包括了主图形显示窗口110。一般地，该主窗口相对于范围显示窗口102在尺寸上大些，因为它一般显示来自目标位置的多普勒速度波形或频谱112测量。虽然显示窗口110可以显示来自设定的距离范围的综合多普勒信号，例如这里给出的例子中的D4和D5之间的距离，更常见的例子是来自如在PW模式中常见的特定位置的多普勒速度或频谱信号。在当前的例子中，所述特定位置位于D4和D5之间，其各自的位置进一步用箭头或标记113描述。可选择地或除了该优选实施方案之外，位置(深度xx)的一个特定指示115还可以与主窗口110关联起来。
可以领会，虽然为了说明的目的已经描述了本发明的具体实施方案，但在不背离本发明范围的情况下还可有各种修改。

Claims (18)

1、一种用于在多普勒超声系统中分析和呈现多普勒数据的仪器，该仪器包括：控制器，其被配置为控制距超声换能器沿超声波束的至少一个距离范围，所述至少一个距离范围包括沿超声波束的第一距离和沿超声波束的第二距离之间的多个连续位置；和显示单元，其被配置用于在至少一个显示窗口中分别显示代表所述至少一个距离范围内的所述多个位置的多普勒信号频谱。
2、如权利要求1所述的仪器，其被配置用于定义多个距离范围，并且同时在多个显示窗口中分别显示在所述距离范围内的多普勒信号频谱。
3、如权利要求1所述的仪器，其中所述显示单元被配置用于在至少一个单独的图形显示中显示对应于在所述至少一个距离范围内的单个位置的特征多普勒信号频谱。
4、如权利要求2所述的仪器，其中所述显示单元被配置用于在至少一个单独的图形显示中显示对应于在至少一个所述距离范围内的单个位置的特征多普勒信号频谱。
5、如权利要求2所述的仪器，其中至少一些所述多个距离范围重叠。
6、如权利要求4所述的仪器，其中至少一些所述多个距离范围重叠。
7、如权利要求2所述的仪器，其中至少一些所述多个距离范围沿超声波束是连续的。
8、如权利要求4所述的仪器，其中至少一些所述多个距离范围沿超声波束是连续的。
9、如权利要求4所述的仪器，其中所述特征多普勒信号频谱对应于多个距离范围内的单一位置。
10、一种用于在多普勒超声系统中分析和呈现多普勒数据的方法，该方法包括：控制距超声换能器沿超声波束的至少一个距离范围，所述至少一个距离范围包括沿超声波束的第一距离和沿超声波束的第二距离之间的多个连续位置；并且在至少一个显示窗口中分别显示代表所述至少一个距离范围内的所述多个位置的多普勒信号频谱。
11、如权利要求10所述的方法，包括定义多个距离范围，并且同时在多个显示窗口中分别显示在所述距离范围内的多普勒信号频谱。
12、如权利要求10所述的方法，包括在至少一个单独的图形显示中显示对应于在所述至少一个距离范围内的单个位置的特征多普勒信号频谱。
13、如权利要求11所述的方法，包括在至少一个单独的图形显示中显示对应于在至少一个所述距离范围内的单个位置的特征多普勒信号频谱。
14、如权利要求11所述的方法，其中至少一些所述多个距离范围重叠。
15、如权利要求13所述的方法，其中至少一些所述多个距离范围重叠。
16、如权利要求11所述的方法，其中至少一些所述多个距离范围沿超声波束是连续的。
17、如权利要求13所述的方法，其中至少一些所述多个距离范围沿超声波束是连续的。
18、如权利要求13所述的方法，其中所述特征多普勒信号频谱对应于在多个距离范围内的单一位置。
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