CN101846693A - 超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法 - Google Patents

超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法 Download PDF

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本发明涉及一种超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法。所述超声粒子图像测速系统包括注射装置、高频超声换能器、高频超声电子系统和计算机，所述注射装置用于向流体中添加示踪剂，所述高频超声电子系统激励高频超声换能器发射高频超声波信号，所述高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，所述高频超声换能器接收背向散射射频信号，所述高频超声电子系统对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像，所述计算机对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，得到流场速度向量图和流体动力学信息。所述超声粒子图像测速系统及超声粒子图像测速方法可以用于测量微尺度非透明流体。

Description

超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法
技术领域
本发明涉及一种超声粒子图像测速系统和超声粒子图像测速方法。
背景技术
目前比较成熟的微尺度流场成像和测量技术是光学显微粒子成像技术。光学显微粒子成像技术是利用激光照射在播散于流体并跟随流体运动的微米级荧光示踪粒子，荧光示踪粒子被入射光激发后发射出的荧光经显微物镜、三棱镜、滤光镜和中继镜后进入CCD相机进行成像，由计算机进行图像分析和处理，从而获得速度场分布。但是光学显微粒子成像技术仅适用于测量光学透明的微尺度流场，而对于非透明的流道壁或流质，该技术无法适用。
发明内容
有鉴于此，有必要针对光学显微粒子成像技术不能测量微尺度非透明流体的问题，提供一种可以测量微尺度非透明流体的超声粒子图像测速系统。
一种超声粒子图像测速系统，包括注射装置、高频超声换能器、高频超声电子系统和计算机，所述注射装置用于向流体中添加示踪剂，所述高频超声电子系统激励高频超声换能器发射高频超声波信号，所述高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，所述高频超声换能器接收背向散射射频信号，所述高频超声电子系统对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像，所述计算机对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，得到流场速度向量图和流体动力学信息。
优选的，所述流体动力学信息包括流场剪切力分布和速度梯度分布。
优选的，所述高频超声换能器是线阵高频超声换能器、扇扫高频超声换能器和线扫高频超声换能器中的一种。
优选的，所述高频超声电子系统包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、放大器和数据采集卡，所述信号发生器在计算机的控制下产生激励信号，激励信号由功率放大器放大后经保护电路传送至高频超声换能器，背向散射射频信号经过衰减器、带通滤波器和放大器处理后由数据采集卡传送至计算机。
优选的，所述流体为非透明流体。
还提供一种超声粒子图像测速方法。
一种超声粒子图像测速方法，包括：向待测流体中添加示踪剂；发射高频超声波信号；采集背向散射射频信号；获得亮度模式超声粒子图像；获得流场速度向量图和流体动力学信息。
优选的，所述流体动力学信息包括流场剪切力分布和速度梯度分布。
优选的，所述示踪剂是造影微泡或造影微粒。
优选的，所述高频超声波信号的频率范围是20MHz～100MHz。
优选的，所述流体为非透明流体。
上述超声粒子图像测速系统采用声学的手段得到亮度模式超声图像，并最终得到速度向量图，获得流场剪切力分布等流体信息。因为不是采用光学的手段，所以上述超声粒子图像测速系统及超声粒子图像测速方法可以用于测量微尺度非透明流体。
附图说明
图1是超声粒子图像测速系统的示意图。
图2是超声粒子图像测速方法的流程图。
图3是连续的两帧亮度模式超声粒子图像的示意图。
图4是二维的速度向量场的示意图。
图5是直径为600微米的导管内层流流体的速度向量图。
图6是弯曲流体的速度向量图。
图7是导管内局部狭窄部位的流体速度向量图。
具体实施方式
图1是超声粒子图像测速系统的示意图。超声粒子图像测速系统100包括注射装置101、高频超声换能器103、高频超声电子系统105和计算机107。注射装置101用于向流体中添加示踪剂。高频超声电子系统105激励高频超声换能器103发射高频超声波信号，高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，高频超声换能器103接收背向散射射频信号，高频超声电子系统105对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像，计算机107对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，最终得到速度向量图和流体动力学信息。
高频超声换能器103可以是线阵高频超声换能器、扇扫高频超声换能器、线扫高频超声换能器或者其他类型的高频超声换能器。待测微流场的尺寸决定了超声粒子图像测速系统100所需的纵向分辨率。高频超声换能器103的信号发射特性(比如脉冲宽度、带宽)也与空间分辨率的需求有关。高的横向分辨率意味着较高的图像质量，而低的横向分辨率将限制较小速度的识别能力。视场的设置基于感兴趣的流道几何尺寸的大小。对于弯曲或者有分支的流道，一般需要较大的视场，目的是为了更好的表示由于局部几何特征的变化引起的速度向量的变化。采用较大的视场将会影响帧频，同样也会影响可测量的速度动态范围。
高频超声电子系统105主要实现驱动超声探头和接受超声背向散射射频信号两大功能。高频超声电子系统105主要包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、放大器、和数据采集卡。高频超声电子系统105的工作流程是：计算机107控制信号发生器产生激励信号，由功率放大器放大后经保护电路激励高频超声换能器103发射高频超声波信号。高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，即产生背向散射射频信号。背向散射射频信号经过衰减器、带通滤波器、放大器等硬件电路处理，最终由集成在计算机107上的数据采集卡采集到计算机107内存中，再经过一系列的信号处理过程得到所需的超声粒子图像。
图2是超声粒子图像测速方法的流程图。超声粒子图像测速方法包括以下步骤：
S201：向待测流体中添加示踪剂。
示踪剂可以是造影微泡或其他声学性能较好的造影剂。为了得到质量最优的超声粒子图像测速数据，必须选择合适的系统参数，比如窗口宽度、成像深度、聚焦深度以及互相关分析窗口的大小和重叠率等等。而示踪剂的浓度在超声粒子图像测速技术中也扮演着重要的角色，合适的示踪剂浓度下得到的亮度模式超声图像对于超声粒子图像测速分析是非常重要的。利用从互相关函数(用来标示两个分析窗口之间模式匹配的程度)得到的互相关指数来评价示踪剂浓度对于超声粒子图像测速结果的影响。对于质量较好的超声粒子图像测速结果，互相关指数一般介于0.2～0.8之间。互相关指数可以用来实时地指示成像时最佳的示踪剂浓度：当互相关指数曲线指示已经达到最佳的浓度时，超声粒子图像测速系统100就可以开始采集数据了。
S202：发射高频超声波信号。
计算机107控制信号发生器产生激励信号，由功率放大器放大后经保护电路激励高频超声换能器103发射高频超声波信号。高频超声波信号的频率范围是20MHz～100MHz。
S203：采集背向散射射频信号。
高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射，即产生背向散射射频信号。背向散射射频信号由高频超声换能器103所接收。
S204：获得亮度模式超声粒子图像。
对超声背向散射射频信号进行整合以产生该点时间和空间上所需的信号强度。分析处理射频信号并提取基波成分及其他谐波成分(例如分频谐波、超频谐波或二次谐波等)，最终获得亮度模式超声粒子图像，进行超声基波成像或超声谐波成像。利用造影微泡或其他造影剂产生的超声谐波射频数据，目的就是将造影微泡或其他造影剂的背向散射射频信号从组织的背向散射信号中分离出来，提高超声成像的敏锐度和信噪比。
S205：获得流场速度向量图和流体动力学信息。
首先，连续的两帧亮度模式超声粒子图像被划分成多个分析窗口(次窗口)，如图3所示。接着对次窗口进行傅立叶空间的二维互相关运算以得到该处微粒的局部位移。在两帧图像的时间间隔Δt已知的情况下，可以计算得到速度向量。对所有的分析窗口进行互相关运算，就可以得到二维的速度向量场，如图4所示。图5是直径为600微米的导管内层流流体的速度向量图。从图5可以看出，显微超声粒子图像测速得到的导管纵向速度分布满足层流流体的速度分布，这也证实了超声粒子图像测速技术的可行性和可靠性。图6是弯曲流体的速度向量图。图7是导管内局部狭窄部位的流体速度向量图。在获得速度矢量场分布的基础上，可以通过流体力学公式计算出流场剪切力分布和速度梯度分布等流体动力学信息。
上述超声粒子图像测速方法和超声粒子图像测速系统100同时具有较好的空间和时间分辨率，可以捕获瞬变流场信息；不依赖声束和速度之间的夹角，可以提供二维速度向量场，并能准确得到剪切应力的分布；操作简单，安全便捷；是一种非侵入、高分辨率(包括时间分辨率和空间分辨率)、多维、精确的微尺度流体实时成像和测量技术。
上述超声粒子图像测速技术和超声粒子图像测速系统100可以提供实时、非侵入的微细血管内多维血流速度成像和测量，可根据需要提供定量的血流动力学信息，如血流速度、剪切率、剪切应力及流线图等，这在心血管疾病的发生发展、颈动脉易损斑块的评价、动脉瘤破裂危险性的预测等方面都有重要意义。
超声粒子图像测速技术和超声粒子图像测速系统100不仅可用于微细血管内血液成像和测量领域，在微尺度非透明流体流场无干扰测量的非临床应用成像方面也非常有用。例如生物微流体系统、微结构设备(如微机电系统)中的流体、微导管流体等。而且还可用于一般微尺度非透明流体成像和测量领域，例如石油的加工，饮料(啤酒、可乐、葡萄酒、香槟、果汁、牛奶、豆浆等)、香水、墨水、自来水、染料、胶水及某些塑料的生产和加工，化学药物溶解监测，海岸工程学研究和分析，江河入海口及海岸线的环境管理等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超声粒子图像测速系统，其特征在于：包括注射装置、高频超声换能器、高频超声电子系统、计算机；所述注射装置用于向流体中添加示踪剂；所述高频超声电子系统激励高频超声换能器发射高频超声波信号；所述高频超声波信号被流体中的示踪剂背向散射；所述高频超声换能器接收背向散射射频信号；所述高频超声电子系统对背向散射射频信号进行处理，得到亮度模式超声图像；所述计算机对相邻两帧亮度模式超声图像进行粒子图像测速分析，得到流场速度向量图和流体动力学信息。
2.根据权利要求1所述的超声粒子图像测速系统，其特征在于：所述流体动力学信息包括流场剪切力分布和速度梯度分布。
3.根据权利要求1所述的超声粒子图像测速系统，其特征在于：所述高频超声换能器是线阵高频超声换能器、扇扫高频超声换能器和线扫高频超声换能器中的一种。
4.根据权利要求1所述的超声粒子图像测速系统，其特征在于：所述高频超声电子系统包括信号发生器、功率放大器、保护电路、衰减器、带通滤波器、放大器、和数据采集卡，所述信号发生器在计算机的控制下产生激励信号，激励信号由功率放大器放大后经保护电路传送至高频超声换能器，背向散射射频信号经过衰减器、带通滤波器和放大器处理后由数据采集卡传送至计算机。
5.根据权利要求1所述的超声粒子图像测速系统，其特征在于：所述流体为非透明流体。
6.一种超声粒子图像测速方法，包括：
向待测流体中添加示踪剂；
发射高频超声波信号；
采集背向散射射频信号；
获得亮度模式超声粒子图像；
获得流场速度向量图和流体动力学信息。
7.根据权利要求6所述的超声粒子图像测速方法，其特征在于：所述流体动力学信息包括流场剪切力分布和速度梯度分布。
8.根据权利要求6所述的超声粒子图像测速方法，其特征在于：所述示踪剂是造影微泡或造影微粒。
9.根据权利要求6所述的超声粒子图像测速方法，其特征在于：所述高频超声波信号的频率范围是20MHz～100MHz。
10.根据权利要求6所述的超声粒子图像测速方法，其特征在于：所述流体为非透明流体。
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