CN108433742A - 一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置及方法，装置包括：探头、探头激发和回波接收模块、滤波及放大模块、信号解调和正交调整模块、AD双通道采样模块、控制模块及上位机。方法包括步骤：探头发射声波后射入颅内，及接收血流回波信号；滤波和放大，并经模拟解调得到实际血流频移信号及正交调整；形成数据包及控制传输；对接收的实际流频移信号预处理，利用全深度频移搜索方法获得超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，经离散傅里叶和伪彩色变换后根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。本发明能够显示超声波束发射方向上整个深度的血流分布情况，简化信号复杂度，使得系统更加小型化便携化。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置及方法，属于经颅多普勒超声检测的技术领域。
背景技术
随着经济发展和医学水平的提高，人口老龄化速度加剧；年轻人群由于巨大的生活压力和工作压力形成了不健康的生活方式，导致了脑血管疾病爆发率不断攀升，并具有不断年轻化的趋势。根据WHO估算，我国居民每年有182万人死于脑血管病，造成了极高的社会医疗负担。
对于脑血管疾病，传统影像学只提供组织形态学上的参考，而经颅多普勒(TCD)能够提供血流速度、搏动指数等血流动力学上的参考。其原理如图1和2所示，经颅多普勒的理论基础为多普勒频移效应，频移由血液中运动的血细胞引起，频率差为血细胞产生的反射回波频率与探头发射的工作频率之差，与血流速度成正比关系。血流速度的计算公式为：
其中v为血流速度，f0为探头发射频率，ω0为发射角频率，fD为频率差，ωD为角频率差，c为人体内超声波传播速度，θ为超声波束入射方向与血液流动方向的夹角。
但传统的TCD也存在着不足：当前TCD检测还是以人工操作为主，对临床医护人员操作技术要求高，而且颅骨坚硬、超声窗小，因此对超声窗和大脑血管定位困难；并且传统TCD只有4深度、8深度等，不具有深度上的连续性，对微栓子运动轨迹检测不确定，这些都限制了超声经颅多普勒的发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置及方法，解决传统TCD中存在的血管定位困难和难以捕捉栓子轨迹问题，采用模拟与数字结合的方法降低对采样频率的需求和数据处理量，并在全深度频移搜索方法进行检测，简化信号复杂度，使整个系统更加小型化便携化。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，包括：探头、探头激发和回波接收模块、滤波及放大模块、信号解调和正交调整模块、AD双通道采样模块、控制模块及上位机，其中所述探头激发和回波接收模块根据上位机设定的发射频率产生方波激励使得探头发射声波后射入颅内，及通过探头接收来自颅内血管反射的血流回波信号；所述滤波及放大模块对血流回波信号进行滤波和放大，经信号解调和正交调整模块进行模拟解调去除回波信号中的载波信号，得到实际血流频移信号，及对其在同相I路和正交Q路输出信号的相位进行正交调整，并通过AD双通道采样模块分别对实际血流频移信号和解调和正交调整后的实际流频移信号进行采样；所述控制模块控制将采样到的实际流频移信号形成数据包传输至上位机；所述上位机，对接收的数据包中实际流频移信号进行复数域预处理后，利用全深度频移搜索方法获得和显示超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，并经离散傅里叶变换和伪彩色变换后根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述信号解调和正交调整模块采用设定发射频率的倍数频信号作为解调输入信号进行模拟解调。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块还包括采用双FIFO乒乓工作方式将处理的实际流频移信号存储。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述控制模块包括CPU控制模块及分别与CPU控制模块连接的发射控制模块、双FIFO存储模块和数据传输读写模块。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案：所述数据传输读写模块采用USB读写模块。
本发明还提出一种模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测方法，包括以下步骤：
根据设定的发射频率产生方波激励使得探头发射声波后射入颅内，及通过探头接收来自颅内血管反射的血流回波信号；
对血流回波信号进行滤波和放大，并经模拟解调去除回波信号中的载波信号，得到实际血流频移信号，及对其在同相I路和正交Q路输出信号的相位进行正交调整；
分别对实际血流频移信号和解调和正交调整后的实际流频移信号进行采样，及将采样得到的实际流频移信号形成数据包后发送；
对接收的数据包中实际流频移信号进行复数域预处理后，利用全深度频移搜索方法获得和显示超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，经离散傅里叶变换和伪彩色变换后根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中根据设定发射频率的倍数频信号作为解调输入信号进行模拟解调。
进一步地，作为本发明的一种优选技术方案，所述方法中全深度频移搜索方法，包括：
对实际流频移信号的I路和正交Q路输出信号按深度进行分割和包络合成提取；
对分割提取所得复数域血流信号进行自相关计算，得到超声波束发射方向上不同深度血流信号的相位信息；
根据所得相位信息，计算获得血流速度分布；
将计算得到的血液流速按时间顺序排列，得到超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息。
本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：
本发明使用相应的超声探头发射声波进入颅内，运用全深度频移搜索技术来获取超声波束发射方向上整体血流分布信息，并可根据全深度血流频移图谱选择指定深度的血管观察声谱图信息。采用模拟与数字相结合的方法，在AD采样之前完成解调，能够降低对采样频率的需求，大大减小数据预处理的计算量，以全深度频移搜索技术为基础的模数全深度频移搜索型TCD，能够显示超声波束发射方向上整个深度的血流分布情况，用不同颜色区分血液流动方向。临床医护人员可以根据全深度血流频移图谱进一步查看感兴趣深度的血流声谱图，解决了传统TCD血管定位困难、临床操作技术要求高的弊端。并且，全深度频移搜索技术无需门限电路、积分电路、保持电路和通道选通电路，这些都极大的节省了硬件电路资源，简化信号复杂度，使得系统更加小型化便携化。
附图说明
图1是传统的超声波束在组织中的反射回波示意图；
图2是传统的TCD血流测速示意图；
图3是本发明模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置的模块示意图。
图4是本发明双FIFO读写信号转换状态机；
图5是本发明全深度频移搜索技术自相关运算示意图。
图6是本发明仿真全深度血流频移相位和血流分布图。
图7-a，7-b，7-c分别是本发明不同深度血管的声谱图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
如图1、图2所示为现有TCD的基本测量模型：超声波束通过颅骨超声窗，进入颅内到达血管。令探头发射频率为f0，多普勒频率差为fD，反射回波频率为fecho，人体内超声波传播速度为c，血流速度为v，超声波束入射方向与血液流动方向的夹角为θ，计算得到多普勒频移：
由于人体内声波传播速度约为1560m/s，而血管中血液流动速度通常小于6m/s；实际操作中由于受超声窗限制，一般只能进行小角度测量，因此cosθ可近似为1，由以上条件对(1)式化简，得到化简后的血流速度计算公式：
如图1所示，超声波束通过皮肤、组织到达血管，过程中发生多次反射现象。各种组织反射回波频率与探头发射频率相同，而血流的反射回波由于多普勒效应发生了频移，与发射频率不同，可以根据这一特性滤除其他反射干扰回波。
如图3所示，本发明设计了一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，该装置主要包括：探头、探头激发和回波接收模块、滤波及放大模块、信号解调和正交调整模块、AD双通道采样模块、控制模块及上位机，其中探头、探头激发和回波接收模块、滤波及放大模块、信号解调和正交调整模块、AD双通道采样模块、控制模块依次电性连接，及控制模块与上位机建立通信连接。
具体地，所述探头激发和回波接收模块，根据上位机设定的探头工作模式、发射频率和最大检测深度等参数产生方波激励，使得探头发射声波后射入颅内，合适的超声波发射功率可以提高回波信号的信噪比SNR，以及通过探头接收来自颅内血管反射的血流回波信号；所述滤波及放大模块，对血流回波信号进行滤波和放大，根据上位机设定的最大检测深度自动匹配调整滤波中心频率和脉冲重复频率PRF；所述信号解调和正交调整模块，对滤波和放大后的血流回波信号模拟解调去除回波信号中的载波信号，得到实际血流频移信号，及对其在同相I路和正交Q路输出信号的相位进行正交调整，保证同相I路和正交Q路两路输出信号的良好正交特性；所述AD双通道采样模块，分别对信号解调和正交调整模块解调和正交调整后的实际流频移信号采样；所述控制模块，用于实现系统工作状态切换，整个装置按其状态机指令进行有序工作，及对采样到的实际流频移信号封装成数据包并控制将其传输至上位机；
所述上位机，对接收的数据包中实际流频移信号进行复数域预处理后，利用全深度频移搜索方法获得和显示超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，并经离散傅里叶变换和伪彩色变换后根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。
装置中，所述探头、探头激发和回波接收模块、滤波及放大模块、信号解调和正交调整模块、AD双通道采样模块属于模拟电路部分实现超声信号的发射与接收；对回波信号进行滤波、放大和数字化处理，根据探头工作频率选择合适的解调输入信号进行硬件解调。优选地，本发明装置中所述信号解调和正交调整模块采用设定发射频率的倍数频信号作为解调输入信号进行模拟解调。本实施例采用以解调芯片为核心，用模拟解调的方式，以发射频率的四倍频信号作为解调输入信号。
所述控制模块和上位机属于数字电路部分，如图3所示，其主要包括CPU控制模块、发射采样同步模块、双FIFO存储和数据传输读写模块，本实施例中优选采用USB读写模块。所述CPU控制模块分别与发射采样同步模块、双FIFO存储和数据传输读写模块连接，产生USB读写控制信号、FIFO存储使能、高速采样使能和超声波发射使能信号。CPU控制模块的初始态为空闲模式，负责各个寄存器的初始化，根据上位机传递的信息进行控制切换，本发明中优选采用FPGA控制芯片；所述发射采样同步模块用于保证采样深度的准确性；所述双FIFO存储和USB读写模块，由于数据采集和数据传输的速率不同，因此为了提高工作效率并保证多普勒血流频移信号能够连续不丢失的上传至上位机PC，数字电路部分采用双FIFO乒乓工作方式对采集到的实际流频移信号进行缓存和传输。如图4所示，在FPGA中开辟两块FIFO存储池，并使两块的深度和位宽均相同，标记为A和B。由于该系统中FIFO的写入速率(待传输的原始发送速率)要高于读取传输速率，所以状态机控制系统先将数据写入FIFO_A，此时接口由FIFO_B读取数据，FIFO_A写满后进入空闲态，直到FIFO_B中的数据被全部读取变为空时，切换A和B的读写状态。系统中每片FIFO存储池的大小为4KB，数据宽度为16位，高14位为数据位，低2位为通道位。该部分CPU控制模块以FPGA为核心，产生控制系统正常工作的时序信号和状态机转换，内置FIFO可用于数字信号的暂时存储；USB微处理芯片实现开发板与PC之间的数据传输，存储和读写模块为了提高系统传输速度和利用率。
在此基础上，本发明提出了一种模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测方法，包括以下步骤：
步骤1、在上位机初始界面设定最大检测深度、发射脉冲功率，选择探头工作模式。探头激发和回波接收模块根据设定的发射频率产生方波激励使得探头发射声波后射入颅内，及通过探头接收来自颅内血管反射的血流回波信号。
步骤2、滤波和放大模块对血流回波信号进行滤波和放大，并经信号解调和正交调整模块模拟解调去除回波信号中的载波信号，得到实际血流频移信号，及对其在同相I路和正交Q路输出信号的相位进行正交调整；解调中，根据设定发射频率的4倍频信号作为解调输入信号进行模拟解调；再根据最大检测深度自动调整脉冲重复频率并匹配解调信号，通过SPI时序信号进行编程，对I路和Q路输出信号进行相位调整；再通过AD双通道采样模块进行双通道AD采样，采样频率1-2MHz，同时采集I和Q两路输出信号，保证两路信号良好的正交特性。
步骤3、控制模块对采样得到的实际流频移信号进行封装形成数据包处理，每次接收的数据包以I路和Q路间隔存放，按照S＝I+Q*j进行包络复原；复原后的结果存储在动态矩阵中，矩阵的行表示时间，列表示深度，时间间隔t由脉冲重复频率(PRF)所决定；以每一行数据作为一条有效信息，进行滤波去除噪点，及控制将处理后的信号传输至上位机；
步骤4、上位机对接收数据包中的实际流频移信号进行预处理后，利用全深度频移搜索方法获得和显示超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，经离散傅里叶变换，将时域信息映射到频域，对信号的频谱结构和变化规律进行更为直接的研究；和根据功率谱计算方法对数据进行处理并设计调色盘进行伪彩色变换后，根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。
本发明的所述步骤4中全深度频移搜索方法是通过自相关技术，利用相位信息显示超声波发射方向上整体深度的血流情况，该方法的实现主要包括以下步骤：
1)预存多次解调采样结果，对血流频移数据的I和Q两路信号按深度进行分割和包络合成提取；根据数据包格式对数据进行截取，并按照公式S＝I+Q*j进行包络复原，并将复原后的数据存放于动态矩阵中。
2)以每一行为一个数据群进行均值滤波，去除噪点；
3)对经过预处理的血流回波信号进行自相关计算，其原理如图5所示，每次一个发射起始信号之后都会采集从深度为0开始随时间推移到全深度的数据，将这一组数据作为矩阵的一行，每次发射采样都作为新的一行，本实施例中只是列出了前5次，表示采了5行数据，实际上可能要采集几十行，也就是发射几十次，与检测最大深度有关，因此是是一个动态矩阵。因此这个矩阵的每一列表示的就是不同时刻同一深度的信号，以每一行为单位进行去噪声，以每一列为单位进行自相关运算。由此得到超声波束发射方向上不同深度血流信号的相位信息，根据公式(3)计算不同时刻相位的一阶导数得到角频率差。
根据维纳辛钦定理得到频移和相位之间的关系为：
其中，表示时刻t时的相位，T为脉冲发射间隔，结合公式(2)得到速度与相位之间的关系。
4)再根据公式(2)计算血流速度分布；
5)将计算得到的血液流速按时间顺序排列，得到超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，获得全深度血流频移图谱如图6所示。
根据以上方法进行仿真，在深度20mm、50mm和70mm附近设置正向血流和负向血流仿真模拟信号，并加入了随机噪声。经计算得到的相位信息和全深度血流频移图谱如图7-a，7-b，7-c所示。
根据全深度血流频移图谱可选择感兴趣的血管区域，通过滑动离散傅里叶变换和伪彩色变换，得到如图7-a，7-b，7-c所示的波形结果。声谱图包含了三维信息：横坐标为时间；纵坐标为血流速度(频率偏移)，像素点颜色表示功率谱能量大小。需要注意的是，在全深度血流频移图谱中红色和蓝色表示血流方向，而在声谱图中红色和蓝色分别表示高能量区和低能量区。声谱图中的方向信息通过与基线的位置进行判断，基线上方表示频移大于零，朝向探头运动如图7-a,7-b所示，基线下方表示频移小于零，背离探头运动如图7-c所示。
综上，本发明采用模拟与数字相结合的方法，在AD采样之前完成解调，能够降低对采样频率的需求，大大减小数据预处理的计算量，以全深度频移搜索技术为基础的模数全深度频移搜索型TCD，能够显示超声波束发射方向上整个深度的血流分布情况，用不同颜色区分血液流动方向。临床医护人员可以根据全深度血流频移图谱进一步查看感兴趣深度的血流声谱图，解决了传统TCD血管定位困难、临床操作技术要求高的弊端。并且，全深度频移搜索技术无需门限电路、积分电路、保持电路和通道选通电路，这些都极大的节省了硬件电路资源，简化信号复杂度，使得系统更加小型化便携化。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，其特征在于，包括：探头、探头激发和回波接收模块、滤波及放大模块、信号解调和正交调整模块、AD双通道采样模块、控制模块及上位机，其中所述探头激发和回波接收模块根据上位机设定的发射频率产生方波激励使得探头发射声波后射入颅内，及通过探头接收来自颅内血管反射的血流回波信号；所述滤波及放大模块对血流回波信号进行滤波和放大，经信号解调和正交调整模块进行模拟解调去除回波信号中的载波信号，得到实际血流频移信号，及对其在同相I路和正交Q路输出信号的相位进行正交调整，并通过AD双通道采样模块分别对实际血流频移信号和解调和正交调整后的实际流频移信号进行采样；所述控制模块控制将采样到的实际流频移信号形成数据包传输至上位机；所述上位机，对接收的数据包中实际流频移信号进行复数域预处理后，利用全深度频移搜索方法获得和显示超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，并经离散傅里叶变换和伪彩色变换后根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。
2.根据权利要求1所述便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，其特征在于：所述信号解调和正交调整模块采用设定发射频率的倍数频信号作为解调输入信号进行模拟解调。
3.根据权利要求1所述便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，其特征在于：所述控制模块还包括采用双FIFO乒乓工作方式将处理的实际流频移信号存储。
4.根据权利要求1所述便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，其特征在于：所述控制模块包括CPU控制模块及分别与CPU控制模块连接的发射控制模块、双FIFO存储模块和数据传输读写模块。
5.根据权利要求4所述便携式模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测装置，其特征在于：所述数据传输读写模块采用USB读写模块。
6.一种模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据设定的发射频率产生方波激励使得探头发射声波后射入颅内，及通过探头接收来自颅内血管反射的血流回波信号；
对血流回波信号进行滤波和放大，并经模拟解调去除回波信号中的载波信号，得到实际血流频移信号，及对其在同相I路和正交Q路输出信号的相位进行正交调整；
分别对实际血流频移信号和解调和正交调整后的实际流频移信号进行采样，及将采样得到的实际流频移信号形成数据包后发送；
对接收的数据包中实际流频移信号进行复数域预处理后，利用全深度频移搜索方法获得和显示超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息，经离散傅里叶变换和伪彩色变换后根据选择的所需深度血流生成区域声谱图。
7.根据权利要求6所述的模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测方法，其特征在于，所述方法中根据设定发射频率的倍数频信号作为解调输入信号进行模拟解调。
8.根据权利要求6所述的模数全深度频移搜索型经颅多普勒检测方法，其特征在于，所述方法中全深度频移搜索方法，包括：
对实际流频移信号的I路和正交Q路输出信号按深度进行分割和包络合成提取；
对分割提取得到的复数域血流信号进行自相关计算，得到超声波束发射方向上不同深度血流信号的相位信息；
根据所得相位信息，计算获得血流速度分布；
将计算得到的血液流速按时间顺序排列，得到超声波波束发射方向上整体深度的血流分布和方向信息。
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