CN103099620A - 一种高精度呼吸监测仪 - Google Patents
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Abstract
一种高精度呼吸监测仪，处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波，超声波发射的起始时间T0；利用一种反相回波定位法来准确的确定超声波回波的起始时间，超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔为t；根据经验测出时间偏置Δt，此时的距离可按下式计算：L＝(Tr-T0-Δt)*v/2，其中Δt是一个固定值，可根据经验测得；V为声速。
Description
技术领域
本发明属于超声波测距技术领域，尤其涉及一种高精度超声波测距方法。
背景技术
对肺部肿瘤进行放射治疗时，呼吸运动一直是靶区勾画中要重点考虑的问题，测量病变的运动范围很重要。我们在患者呼气末及吸气末两个时相要求患者憋住气，此时进行两次CT扫描，并测量肺部病变在两次CT中的三维坐标数据差，可得出病变的运动范围。但实际工作中发现仅靠工作人员对患者口头要求憋住气，不能确保患者的实际呼吸时相与要求的呼吸时相一致。我们增加了一个自由呼吸时的CT扫描，理论上此时的病变位置应该在呼气末时相与吸气末时相CT的病变位置之间，但有的患者却超出了这个范围，说明名义上的呼气末CT或吸气末CT不一定全部符合实际情况。因此，急需精确、敏感的呼吸监测仪，监测呼吸运动，并在需要的呼吸时相进行CT扫描。
超声波测距是一种用途广泛的非接触式测距方法，其测距原理如图1所示：处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波。当超声波遇到障碍物时会产生反射，超声波接收探头将反射回来的超声波(回波)转化为电信号，然后经过滤波放大电路和模数转换电路输入到处理器进行处理。处理器通过比较超声波发射和接收的时间差，便可计算出障碍物距离探头的距离如图2所示，当发射探头和接收探头之间的距离远远小于探头和障碍物之间的距离是，探头和障碍物之间的距离可如下计算：L＝v*t/2，其中v是声速，t是超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔。
实际使用过程中，由于探头起振(起振需要时间)和余振的影响，发射探头和接收探头的电压信号如图3所示：在图3中，CH1为发射的波形，CH2为接收波形。超声波发射的起始时间T0很容易确定，而超声波接收信号是一个振幅逐渐增大的过程，其起始时间T1却不太好确定，目前常用的方法是电平阈值法，如图4所示。当接收信号的电平超过某一个电平阈值V0时，则认为是接收信号的开始。然后再根据经验测出时间偏置Δt，则t＝T1-T0-Δt。如果由于振动，噪声等引起接收电平的小幅抖动，则可能使T1产生一个周期的偏差，如图5所示，使用这种方法t的最小误差为超声波的一个波长的时间，如果超声波的频率为f＝40KHZ，则一个波长为T＝1/f＝25uS。距离的误差为ΔL＝V*25uS/2＝340m/s*25uS/2＝4.25mm。所以使用这种的方法测量的误差为mm级，不适用对精度要求比较高的场合。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的上述缺陷，提供一种精确、敏感的呼吸监测仪，监测呼吸运动，并在需要的呼吸时相进行CT扫描。
为实现所述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种高精度呼吸监测仪，利用高精度的超声波测距技术，在电脑屏幕上实时展现出患者的呼吸时相，其特征在于，高精度的超声波测距技术的具体步骤如下：
步骤1：处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波，超声波发射的起始时间T0；
步骤2：利用一种反相回波定位法来准确的确定超声波回波的起始时间，发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波，叠加后在回波中有一个下凹的波峰，其波峰点的时间为Tr；
步骤3：超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔为t；根据经验测出时间偏置Δt，
步骤4：此时的距离可按下式计算：L＝(Tr-T0-Δt)*v/2，其中Δt是一个固定值，可根据经验测得；V为声速。
所述反相回波定位法为发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波；叠加后在回波中有一个下凹的波峰，即这个周期的波峰比前一个周期和后一个周期的波峰都要低，其波峰点的时间为Tr，不管发射功率的变化，还是测量距离变化，振动等，这个下凹的波峰始终存在，而且Tr与T0的间隔只与距离有关，测量Tr的误差极小，不会出现整周期的误差。
附图说明
图1为超声波测距原理图；
图2是超声波接收与发射的时间间隔图；
图3是发射探头和接收探头电压波形图；
图4是电平阈值法；
图5是接收电平的小幅抖动产生一个周期的偏差；
图6是超声波发射探头发射一个周期的超声波时其回波波形
图7是延迟一个周期后，发射一个反相的超声波，其波形及回波
图8发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波叠加后效果
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
一种高精度呼吸监测仪，利用高精度的超声波测距技术，在电脑屏幕上实时展现出患者的呼吸时相，其特征在于，高精度的超声波测距技术的具体步骤如下：
步骤1：处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波，超声波发射的起始时间T0；
步骤2：利用一种反相回波定位法来准确的确定超声波回波的起始时间，发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波，叠加后在回波中有一个下凹的波峰，其波峰点的时间为Tr；
步骤3：超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔为t；根据经验测出时间偏置Δt，
步骤4：此时的距离可按下式计算：L＝(Tr-T0-Δt)*v/2，其中Δt是一个固定值，可根据经验测得；V为声速。
处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波，超声波发射的起始时间T0；
当超声波发射探头发射一个周期的超声波时，其回波波形如图6。图中的发射的一个周期的超声波用粗线表示。
如果延迟一个周期后，发射一个反相的超声波，其波形及回波如图7所示。图中用粗线表示一个周期的超声波，比图6中滞后一个周期且反相。
将上述两步叠加起来，即发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波；叠加后效果如图8所示：
叠加后在回波中有一个下凹的波峰，即这个周期的波峰比前一个周期和后一个周期的波峰都要低，其波峰点的时间为Tr，不管发射功率的变化，还是测量距离变化，振动等，这个下凹的波峰始终存在，而且Tr与T0的间隔只与距离有关，测量Tr的误差极小，不会出现整周期的误差。
此时的距离可按下式计算：
L＝(Tr-T0-Δt)*v/2，其中Δt是一个固定值，可根据经验测得；V为声速。测试结果表明，用这种方法的测距结果的误差小于0.05mm。相对于传统的测量结果mm级的误差，精度有了质的提高。本发明使用的是一种高精度超声波测距技术。普通的超声波测距技术只能达到毫米级，这种精度不足以准确追踪呼吸时相。本发明利用独特的反相回波定位方法实现了高精度的测距，测量精度可达微米级，可进行实时追踪。
使用时，将超声波探头对准患者腹部，随着呼吸运动的起伏，超声波探头到腹部的距离会有微小的变化，利用本发明微米级的测量精度，可实现对呼吸状态的实时追踪。
Claims (3)
1.一种高精度呼吸监测仪，利用高精度的超声波测距技术，在电脑屏幕上实时展现出患者的呼吸时相，其特征在于，高精度的超声波测距技术的具体步骤如下：
步骤1：处理器通过控制波形发生电路产生一定频率的交流信号，交流信号经过驱动电路的放大和阻抗匹配后驱动超声波发射探头，发射出一段超声波，超声波发射的起始时间T0；
步骤2：利用一种反相回波定位法来准确的确定超声波回波的起始时间，发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波，叠加后在回波中有一个下凹的波峰，其波峰点的时间为Tr；
步骤3：超声波接收探头接收到信号的时间与发射探头发射出超声波的时间间隔为t；根据经验测出时间偏置Δt，
步骤4：此时的距离可按下式计算：L＝(Tr-T0-Δt)*v/2，其中Δt是一个固定值，可根据经验测得；V为声速。
2.根据权利要求1所述的一种高精度呼吸监测仪，其特征在于：反相回波定位法为发射一个周期的超声波后，紧接着发射一个反相的超声波；叠加后在回波中有一个下凹的波峰，即这个周期的波峰比前一个周期和后一个周期的波峰都要低，其波峰点的时间为Tr而且Tr与T0的间隔只与距离有关。
3.根据权利要求1所述的一种高精度呼吸监测仪，其特征在于：使用时，将超声波探头对准患者腹部，随着呼吸运动的起伏，超声波探头到腹部的距离会有微小的变化，实现对呼吸状态的实时追踪。
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| CN201310042612.2A CN103099620B (zh) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | 一种高精度超声波测距方法 |
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2013
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