CN101313855B - 一种用于自动检测脑血流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自动检测脑血流的方法，包括步骤：预先给定探测的血流信号强度阈值；监测血流信号，并与血流信号强度阈值进行比较，如果低于阈值，则发出调整探头位置和角度的指令；控制多个驱动电机，用于调整所述探头的位置和角度，并进行监测血流信号与所述血流信号强度阈值的比较，直至满足血流信号检测的要求。本发明用于自动检测脑血流的方法由于采用了单片机控制实现对血流信号的判断，并依照检测结果对探头进行自动调整，利用探头的自动调整实现了在血流信号探测自动恢复，在实际应用中可实现长时间监护的场合，增加了TCD的使用范围。

Description

一种用于自动检测脑血流的方法

技术领域

本发明涉及一种脑血流检测方法，尤其涉及的是一种脑血流检测探头架的自动调节并检测的方法。

背景技术

目前的医疗设备中，为了无创地诊断和/或监护人体颅内血管和颈椎血管疾病，通常采用TCD(即“经颅多普勒血流分析仪”，也称“经颅多普勒脑血流诊断系统”、“经颅多普勒检测仪”、“经颅多普勒诊断与监护系统”等)检测脑血管信号(如血流信号)。

TCD是无创地诊断和/或监护人体颅内血管和颈椎血管疾病的专用医疗设备，在TCD的临床应用中，由于对血流信号的检测容易受到干扰，调节探头使其所发射超声波作用到病人头颈部的位置和角度处于最佳状态是成功地完成诊断和监护功能的关键，也是整个临床应用过程中操作最难的地方。

在TCD刚面世时，其常规检测和监护操作都是由医护人员手持探头和进行手动调节探头位置来完成的。这使操作者很难长时间保持探头位置及其探测角度的稳定性，由于探测角度对信号影响非常大，容易造成采集所得的血流信号不稳定。

为了使常规检测或监护时操作者采集所得的血流信号更稳定，并节省操作者的体力和精力，深圳德力凯电子有限公司等公司开发出了戴在头上的用于固定探头的探头架装置。如图10所示，为现有技术的头架示意图，头架10a可以适配到被检测者的头上，在该头架10a上设置有一固定探头的支臂11a，通常可以通过螺栓连接固定到头架10a上(图中未示出探头，仅示出了探头的安装孔12a)。该装置具有适用于不同大脑形状和大小的患者的特点；该装置能在通过手动操作寻找到目标血管后将探头固定不动，消除了长时间操作(尤其长程监护)时手持探头容易受颤抖、讲话等任何一个细小动作影响、容易疲劳以及因此带来的信号不稳定的缺陷。

但其目前的主要缺点是寻找目标血管位置的过程仍然全部是手动操作的，而且在固定探头后的监护过程中因各种原因引起的振动使探头移位后，血流信号会变弱甚至消失。目前前市场上的探头架的探头调节方法存在明显的缺点，主要体现在：

1)探头调节均是通过手工操作来实现的。这个过程比较繁琐，也对操作者自身要求较高。

2)在长时间检测和监护过程中，在固定探头后，因各种原因引起的振动使探头移位后，血流信号会变弱甚至消失。此时，操作者只能通过手动操作来调节探头以重新找回血管。这样，在实际应用中，操作既显得繁琐，又对操作者的参与程度仍然提出了一定要求，使其的实际应用场合(如夜间监护、长程监护等)受到限制。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于自动检测脑血流的方法，通过设置单片机对血流信号的判断和调整，能够自动控制探头实现对检测位置的调整。

本发明的技术方案如下：

一种用于自动检测脑血流的方法，其用于经颅多普勒血流分析仪中，将该经颅多普勒血流分析仪的探头设置在一头架上，并设置一用于控制探头位置和角度的单片机；所述方法包括步骤：

A、预先给定探测的血流信号强度阈值；

B、监测血流信号，并与血流信号强度阈值进行比较，如果低于阈值，则发出调整探头位置和角度的指令；

C、控制多个驱动电机，用于调整所述探头的位置和角度，并进行监测血流信号与所述血流信号强度阈值的比较，直至满足血流信号检测的要求；

其中，采用光栅扫描方式调整探头位置和角度时，如果两个电机可移动的有效范围分别为(D_1min，D_1max)和(D_2min，D_2max)，D代表距离，步长为S，假设x属于(D_1min，D_1max)中任意值，y属于(D_2min，D_2max)中任意值，则所述单片机控制以光栅扫描的方式即从左到右、从上到下的顺序使探头移动到所有可能的位置(x，y)，并比较各个位置检测到的血流信号信息，判断是否满足血流检测的要求。

所述的方法，其中，所述步骤C还包括：

所述驱动电机包括两个调整角度的角度电机，和三个调整位置的方位电机；所述角度电机通过拉杆拉动所述探头后端，所述探头前端设置在弹性阻尼部上。

所述的方法，其中，所述步骤C还包括：

所述角度电机以及探头设置为一角度调整模块，并设置所述方位电机用于驱动所述角度调整模块的空间位移。

所述的方法，其中，所述步骤C还包括：

当已经寻找到满足监测要求的目标血管后，所述单片机控制以两个角度电机当前位置为中心，分别地依次向前和向后转动电机，并将所得四个方向上的血流检测信号信息与所述血流信号强度阈值进行比较，判断是否满足血流检测的要求。

所述的方法，其中，所述驱动电机为伺服电机，通过所述单片机实现的电机控制过程实现正向或者逆向的转动，所述电机控制过程包括对驱动电机的转速控制、电机驱动输出和位置判定。

所述的方法，其中，所述转速控制过程包括：

A1、周期性地获取驱动电机的位置，并定义为当前位置；

A2、将当前位置和上一周期获取的位置即定义为上次位置进行比较，得到一个周期内驱动电机的运动距离，即电机的当前运动速率；

A3、将该当前运动速率和程序设定的速率即定义为设定转速进行比较，决定当前速率是否满足设定要求，如果转速过慢，就增加转速；如果转速过快，就减小转速；如果转速和设定值一致，就保持转速。

所述的方法，其中，所述位置判定过程包括：

C1、周期性地获取驱动电机的位置，定义为当前位置；

C2、将当前位置和程序设定的位置即定义为目标位置进行比较，得到的距离目标位置的差值，定义为目标距离差；

C3、将目标距离差和程序设定的停止距离进行比较，如果目标距离差大于停止距离，则驱动电机按正常转速运动；否则，减小驱动电机的设定速度。

本发明所提供的一种用于自动检测脑血流的方法，由于采用了单片机依照TCD的检测结果对探头进行自动调整，利用探头的自动调整实现了在血流信号探测自动恢复，在实际应用中可实现长时间监护的场合，增加了TCD的使用范围。

附图说明

图1为本发明用于自动检测脑血流的方法的控制流程示意图；

图2为本发明方法中的两个驱动电机跟踪血管时的轨迹示意图；

图3为本发明用于自动检测脑血流的方法的自动调整探头结构的示意图；

图4为本发明用于自动检测脑血流的方法的自动调整探头结构的进一步示意图；

图5为本发明方法的检测血流信号模块的工作原理图；

图6所示是本发明整个系统的工作原理图；

图7为本发明方法的单片机控制指令示意图；

图8为本发明方法的速度控制过程示意图；

图9为本发明方法的位置判定过程中的电机控制流程示意图；

图10是现有技术的头架结构示意图。

具体实施方式

以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。

本发明的用于自动检测脑血流的方法，如图1所示的，其用于经颅多普勒血流分析仪中，首先将该经颅多普勒血流分析仪的探头110设置在一头架上，如图3和图4所示，并设置一单片机100，用于控制对探头110的调整。其调整过程至少包括：预先给定探测的血流信号强度阈值，用于比较某个位置探测到的血流信号强度是否满足要求；然后监测某个位置的血流信号，并与血流信号强度阈值进行比较，如果低于阈值，则发出调整探头位置和角度的指令；所述单片机发出的调整探头位置和角度的指令可以控制多个驱动电机，该多个驱动电机可以调整所述探头110的位置和角度，并依次对各个位置的检测信号进行与所述血流信号强度阈值的比较，直至满足血流信号检测的要求。

本发明所采用的驱动电机至少包括两个调整角度的角度电机130，和三个调整位置的方位电机1、2、3，如图3和图4所示的；所述角度电机130通过转动叶片131和拉杆拉动所述探头110的后端，所述探头110的前端设置在弹性阻尼部120上。所述角度电机130以及探头110可以设置为一角度调整模块140，并设置所述方位电机1、2、3用于驱动所述角度调整模块在被测表面210外的空间内移动。上述位置和角度的调整都需要通过单片机100的控制实现。

本发明用于自动检测脑血流的方法，较好的是先用手动进行调整，设置为可以测量的位置，然后，在监护或测量的过程中，当检测信号变弱的时候，可以进行自动控制调整。所谓自动控制是指在无人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程自动地按照预定要求进行。

在本方明方法中，执行机构(下文也称为控制器)是指由双电机组成的用于控制探头位置的装置，调节(或被控)对象是探头，调节控制的指令来源于单片机。具有所述单片机的经颅多普勒血流分析仪中设置有‘监测血流信号’模块和‘计算探头位置角度’模块，分别用于监测和反应运算。

本发明方法工作过程为：首先给定一个参考血流信号强度阈值I_r，例如可以是在手动调节为血流信号最强时的信号强度值；然后根据经颅多普勒血流分析仪通过探头测量到的血流信号，‘监测血流信号’模块反馈血流信号强度值I_f与预先设定的血流信号强度阈值I相减_r，得到差值I_d(＝I_f-I_r)。此后，‘计算探头位置角度’模块根据I_d的数值决定电机的转动情况：当I_d不小于阈值零时，电机维持原来的位置而不作任何转动操作(即电机需要转动的位置和方向变化信息不变)；当I_d小于阈值零时，‘计算探头位置角度’模块将I_d数值转换成电机需要转动的位置和方向变化信息，并将结果传送给作为控制器(由至少双电机组成的用于控制探头位置的装置)。最后，根据接收到的电机需要转动的位置和方向变化信息，控制器将电机转动到指定的目标位置，从而将与电机连在一起的探头调节到指定位置，最终达到了调节探头位置和角度的目的。为做较大的位置调整，需要采用如图4所示的方位电机1、2、3来做控制。

本发明用于自动检测脑血流的方法通过由单片机控制的自动调节探头的位置和角度，实现了自动寻找和找回(目标)血管的功能。本发明校正探头位置和角度的过程：系统将‘监测血流信号’模块反馈的血流信号强度值I_f与I_r相减后得到差值I_d(I_d＝I_f-I_r)。然后将I_d与系统预设的阈值比较，如果I_d不小于阈值，则电机和探头位置维持不动(即血流信号符合操作者期望)；否则，系统将自动调整电机的方向和位置信息(也即调节探头方向和位置信息)。最后，系统将调整后的电机方向和位置传到控制器(即执行机构)，该机构将驱动电机和探头到达目标角度和位置。

本发明用于自动检测脑血流的方法中，所述系统自动调整电机方向和位置的过程为：当搜索血管时采用光栅扫描方式，所谓搜索血管是指如果不经过预先手动寻找定位，而是由系统完全独立运作，自行寻找符合检测要求的血流信号，此时，探头就需要在一定范围内进行较大范围的移动定位。并且其寻找过程需要遵循一定的移动规律，如依照栅网方式，在一定范围内顺次遍历所有网点。

如果两个电机可移动的有效范围分别为(D_1min，D_1max)和(D_2min，D_2max)，步长为S，其中D为位移距离。假设x属于(D_1min，D_1max)中任意值，y属于(D_2min，D_2max)中任意值，则系统可以以光栅扫描的方式(即从左到右、从上到下的顺序)使探头移动到所有可能的网点位置(x，y)，然后比较各个位置的血流信号强度，以判断是否满足血流信号强度要求，找到合适的探头目标角度和方向。

当跟踪血管时，由于基本已经大致确定了目标血管的位置，例如预先经过手动已经调整到了可检测血管的位置，或者，经过上述搜索血管的过程，已经找到了相对血流信号比较强的位置，此时，需要进一步调整确定最佳信号状态。

当已经寻找到满意的目标血管后，进入要求相对稳定的观察或监护模式时，系统按以下方式调整电机方向和位置：以两个电机当前位置为中心O点，分别地依次向前和向后转动电机，如图4所示的，然后将所得A、B、C、D四个方向上的血流信号信息与阈值比较，以找到符合要求的探头目标角度和方向。

这里，转动次数以及转动距离可以根据需要调整，例如调整转动距离比上述步长S小，此时的寻找是小范围的、局部的。无论跟踪血管和搜索血管都是俯仰角控制，只不过后者电极转动的范围是整个有效范围，而前者是以当前位置为中心偏移一个固定距离(通常为步长)，即只在每个方向上各移动一次。而位置移动是相对探头中心位置来说的，而不是真的平移。因为当转动(俯仰)探头时，中心位置同样会有小的偏移。

目前方案中较为容易的实现方式是采用两个角度电机130，这样可以很容易的实现调整，在角度调整的同时，也会有些微的位置位移，这种设置方式的操控指令也不复杂。但是，如果为实现更大范围和更精确的整个空间内的探头调整，则应该至少采用五个电机。

在本方明方法中检测血流信号模块的工作原理，如图5所示的，包括：血流信号(调制到超声载波上)经压电转换晶片后变成电信号，然后经过前置放大、解调、滤波、采样\保持等处理而得到数字化的血流信号，最后利用数字信号处理技术(如高通滤波、FFT快速傅氏变换算法)得到血流信号强度信息If。本发明上述处理过程也是现有技术TCD所采用的工作原理，因此不再赘述。

本发明自动检测脑血流的方法，其关键之处就在于，在头架上植入一种探头调节机构，TCD主机通过线缆分别与探头、头架相连，探头则安装在该调节机构上，结构原理请见图3和图4所示。在TCD主机内配置用于控制的单片机和相应的软件系统，例如在原有TCD专用软件平台上增加识别和分析处理的功能。检测时首先手动安装好头架，通过头架上的机械调整装置手动调整到最佳检测位置后(这一部分技术与现有头架技术类似)，主机系统记忆此时的信号强度并设定为初始值，即用于参考的血流信号强度阈值；检测过程中，主机系统同步对接收的检测信号进行分析和对比，当检测信号的强度低于该初始值时，主机将信息反馈给硬件控制系统，控制电路发出调节指令驱动微型伺服电机，电机带动调节机构对探头的位置和角度进行反复调整，直到信号强度重新恢复到预设值。其原理框图如图6所示。

由于TCD主机本身配置的专业软件已经具备探头探测信号的接收、转换和分析的功能，在这个基础上增加信号强度分析是非常容易实现的。

实际工作时，系统周期性的对接收信号进行扫描并对信号的波形进行分析和计算，当判别接收到的血流信号比初始参考的血流信号阈值低且超出一个范围时(这个范围可预先随意设置)，系统将信息反馈给控制电路的控制芯片，控制芯片将执行写入的程序，将控制信号通过时序电路来驱动马达，即通过译码器对电机发出三种控制指令：电机地址代码、电机转向代码、电机转动幅度代码，如图7所示，分别控制电机选择、电机的转向及转动幅度，调节机构随之作出调节运动。此时探头位置和角度发生改变，新的探测信号反馈给主机，系统周期性的扫描对新接收到的血流信号再次分析和比对，如果血流信号仍然不理想，则发出第二个周期的调节指令，直至检测到的血流信号符合检测要求。

本发明方法中，调节机构是利用伺服电机带动安装在电机上的连杆来实现，探头安装在金属轴的另一端，当电机转动时，连杆带着探头的一端一起在电机的回转方向正向或逆向转动，此时探头的位置和角度均会产生变化，这在结构上也是易于实现的。本发明可以配置多个电机和连杆，实现探头在多个方向、多维度的位置、角度调整。

伺服电机通过电机控制装置来实现正向或者逆向的转动，电机控制装置对电机转动的控制通过转速控制、电机驱动输出、位置判定3个模块来实现，分别描述如下：

转速控制即周期性地获取电机的位置(定义为当前位置)，并将当前位置和上一周期获取的位置(定义为上次位置)进行比较，从而得到一个周期内电机的运动距离，也就是电机的运动速率(当前转速)。将该速率和程序设定的速率(定义为设定转速)进行比较，来决定当前速率是否满足设定要求，如果转速过慢，就增加转速；如果转速过快，就减小转速；如果转速和设定值一致，就保持转速。具体的流程如图8所示。加速或者减速通过电机驱动输出来实现，将电机控制信号输出到电机的控制输入端即可完成。

所述位置判定的过程即周期性地获取电机的位置(定义为当前位置)，并将当前位置和程序设定的位置(定义为目标位置)进行比较，从而得到的距离目标位置的差(定义为目标距离差)；再将这个差和程序设定的停止距离进行比较，如果目标距离差大于停止距离，则电机按正常转速运动；否则，减小电机的设定速度。具体的流程如下图9所示。

本发明用于自动检测脑血流的方法利用了对检测信号的反馈、识别、追踪，并通过时序控制电机对头架上探头进行调节，实现了对探头装置自动控制过程，利用信号反馈、识别来控制执行机构，从而达到了自动调整探头位置和角度，可获得满意的血流检测信号；本发明方法的信号处理方法和算法较为简洁，因此其处理速度快，灵敏度高。

综上，头架或类似检测装置在采用本发明所提供的控制方法时，在检测开始调整好检测位置后，该检测装置就可以自动地判别信号的强弱并自动进行调节，替代手工操作，减少人为的干预。相比现有技术，本发明方法能够实现自动、实时调节：即使信号质量下降或丢失，本发明方法也能够自动响应，及时纠正、改善，基本消除了手工重新找信号的繁琐操作；可以应用于长时间监护的条件下，无需人为关注，减少了使用者的不便和烦恼，而且信号的阶段连续性好，在长程监护、重症监护及血栓检测等方面具有重要的临床价值；同时采用本发明后，头架对佩戴时的机械固定程度的依赖性减弱，大大减轻了患者因为头架过于紧固而产生疼痛感和不舒适程度。

医学上很多用TCD来辅助诊断的症状需要长程的连续监护，如重症监护及血栓检测，被测病人即使在熟睡期间的任何一个动作如咳嗽、翻身等都可能影响到信号的采集。采用本发明后，极大程度的免却了医务人员需要时时关注的繁琐，同时更有利于信号、数据的高质量连续性收集，有利于诊断。

应用本发明方法的样品在对10个病例临床使用后，与采用常规头架的检测效果统计对比如下：

对比项目	普通头架	自动头架样品
			连续监测时间(分钟)	5:29	5:43
信号采集的完整性比例	91％	98％
			信号质量(1-4级)	2	3.75
信号中断导致手工调整次数	18	2
			头痛现象	3	0

通过样品的实际临床时还发现，即使在临时检测的场合(非监护)，信号下降或丢失时，本发明方法的系统自动寻找理想信号的速度和质量都明显优于手工操作。

需做说明的是，上述针对具体实施例的描述不能理解为对本发明专利保护范围的限制，本发明上述实施例中的控制系统的硬件(控制电路板)既可以安装在头架上，也可以安装在TCD主机内；所述控制系统是伺服电机系统，也可以采用其他类型电机如步进电机等，不同的是控制精度不同而已。此外，控制动作的主元件也可以采用液压元件等来实现。

在本发明方法中，被监测的血流强度信息可以以血流信号的能量、幅度等能有效反映血流变化的其它形式的信号替代，并且前置放大、解调、滤波、采样\保持等处理的顺序是可变的，比如采样可以在解调前。而且数字信号处理可以用软件来实现，也可以用硬件或固件来实现，在数字信号处理时，高通滤波是可选的。在比较环节用来跟差值I_d比较用的阈值可以是其它数值(未必是0)。等等。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于自动检测脑血流的方法，其用于经颅多普勒血流分析仪中，将该经颅多普勒血流分析仪的探头设置在一头架上，并设置一用于控制探头位置和角度的单片机；所述方法包括步骤：

A、预先给定探测的血流信号强度阈值；

B、监测血流信号，并与血流信号强度阈值进行比较，如果低于阈值，则发出调整探头位置和角度的指令；

C、控制多个驱动电机，用于调整所述探头的位置和角度，并进行监测血流信号与所述血流信号强度阈值的比较，直至满足血流信号检测的要求；其中，采用光栅扫描方式调整探头位置和角度时，如果两个电机可移动的有效范围分别为(D_1min，D_1max)和(D_2min，D_2max)，D代表距离，步长为S，假设x属于(D_1min，D_1max)中任意值，y属于(D_2min，D_2max)中任意值，则所述单片机控制以光栅扫描的方式即从左到右、从上到下的顺序使探头移动到所有可能的位置(x，y)，并比较各个位置检测到的血流信号信息，判断是否满足血流检测的要求。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

所述驱动电机包括两个调整角度的角度电机，和三个调整位置的方位电机；所述角度电机通过拉杆拉动所述探头后端，所述探头前端设置在弹性阻尼部上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

所述角度电机以及探头设置为一角度调整模块，并设置所述方位电机用于驱动所述角度调整模块的空间位移。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤C还包括：

当已经寻找到满足监测要求的目标血管后，所述单片机控制以两个角度电机当前位置为中心，分别地依次向前和向后转动电机，并将所得四个方向上的血流检测信号信息与所述血流信号强度阈值进行比较，判断是否满足血流检测的要求。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动电机为伺服电机，通过所述单片机实现的电机控制过程实现正向或者逆向的转动，所述电机控制过程包括对驱动电机的转速控制、电机驱动输出和位置判定。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述转速控制过程包括：

A1、周期性地获取驱动电机的位置，并定义为当前位置；

A2、将当前位置和上一周期获取的位置即定义为上次位置进行比较，得到一个周期内驱动电机的运动距离，即电机的当前运动速率；

A3、将该当前运动速率和程序设定的速率即定义为设定转速进行比较，决定当前速率是否满足设定要求，如果转速过慢，就增加转速；如果转速过快，就减小转速；如果转速和设定值一致，就保持转速。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述位置判定过程包括：

C1、周期性地获取驱动电机的位置，定义为当前位置；

C2、将当前位置和程序设定的位置即定义为目标位置进行比较，得到的距离目标位置的差值，定义为目标距离差；

C3、将目标距离差和程序设定的停止距离进行比较，如果目标距离差大于停止距离，则驱动电机按正常转速运动；否则，减小驱动电机的设定速度。

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