CN1086122C - 一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法及仪器，它提供了一种沿声束路径自动搜寻颅内血管位置，动态指示沿声束路径颅内各空间点的血流状态分布情况并定位血管位置的方法，其原理是用多普勒回波信号的能量I²+Q²指示空间点的血流状态，它可帮助医生迅速了解沿某一探头指向的声路径内的颅内血管分布情况和血流状态，使临床医生可以方便准确地进行血管定位和识别，大大降低了诊断难度和诊断时间。

Description

一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法

本发明涉及一种经颅多普勒超声脑血流分析仪利用低频脉冲波超声和超声多普勒效应来检测颅内脑血流的状态分布的方法。

在经颅多普勒技术中，超声波探头发射2MHZ的低频超声波脉冲，对于脑内的背向散射回波信号，用下式确定散射源的位置深度：

         depth＝c·t/2           (1)

其中c为超声波在颅内传播的速度，通常取c＝1540m/s，t为发射脉冲与接收的回波信号之间的时延。

目前，常规的经颅多普勒(TCD)仪器，由下列部件：脉冲波超声探头，超声波发射电路，超声波接收前置放大电路，高频放大电路，正交解调电路，带通滤波电路，距离选通电路，A/D转换电路，主控电路，谱分析电路及IBM PC机主机组合构成，主要特点是可以检测分析颅内大血管血流动力学参数，为医生诊断脑血管疾病提供手段。但现有TCD只对采样容积内的回波信号进行分析处理，采样容积的深度根据(1)式设定，通常在仪器开机时设定一个采样容积深度的初始值，医生通过转动探头的方向和通过键盘手动改变采样容积的深度的方法来搜寻血管。由于血管分布于人脑这样一个三维立体空间中，对临床医师来说，搜寻血管成为一项艰苦的工作，具有很大的盲目性。

本发明的目的是克服了现有技术的缺点，提供了一种沿声束路径自动搜寻颅内血管位置，动态指示沿声束路径颅内各空间点的血流状态分布的方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布方法，所述方法是在现有的经颅多普勒超声脑血流分析仪的系统程序中增加了血流状态检测并指示，该方法包括下列步骤：

a)设定扫描的起始深度和扫描的终止深度；

b)在上述设定的扫描范围内，以Δ为步距，动态改变扫描深度值；

c)在每个扫描深度处，采样获取多普勒回波信号的同相位成份I、正交相位成份Q值；

d)计算多普勒回波信号能量E；

e)在步骤a)所述的扫描范围内，自动搜索出能量E最大值的位置；

f)在终端设备上显示出能量E随深度的变化，自动锁定能量E最大值的位置。

所述的方法中，步骤d)所述回波信号的能量用E＝I²+Q²表示。

所述的方法，还包括下列步骤：

i)在每个扫描深度处重复采样M次I、Q值并计算M组数据，对计算出的M个E值做算术平均， E作为衡量血流状态的参数。

j)所计算的算术平均值 E做归一化处理。

所述的方法，其中所述参数E的计算可取任何以I²+Q²为根本的变形表达式，I、Q值可以是时域内I、Q信号，也可以是经过付氏变换后的I²+Q²。

所述的方法，其中所述距离选通单元的大小可取为0～(终止深度-初始深度)的任意值，步距Δ的大小可取为0～(终止深度-初始深度)/2的任意值。

所述的方法中，步骤f)包括：

g)在显示器上以横轴为深度，纵轴为E，显示沿声路径不同位置的多普勒回波信号能量，并分别用数字和可动声窗指示出E取最大值的深度点的位置。

h)在输入结束键后，经颅多普勒仪距离选通单元的位置自动放在当前声窗所在的深度上。

本发明采用了上述方法，可以帮助医生迅速了解沿某一探头指向的声路径内的颅内血管分布情况和血流状态，使临床医生可以方便准确地进行血管定位和识别，大大降低了诊断难度和诊断时间。

参照附图对本发明的实施例进行详细的描述。

图1是本发明的所用仪器的系统信号流程图。

图2是本发明动态扫描原理图。

图3为实现动态扫描的硬件电路原理图。

图4是本发明信号I、Q获取原理图。

图5是本发明程序流程图。

图6是本发明的键处理流程图。

图1所示是经颅多普勒超声脑血流分析仪的超声回波信号流程，其原理为：探头接收的回波信号S，经过前级放大、高频放大后，分成两路，分别与同相位(0°)和正交相位(90°)的参考信号相乘，再经过低通滤波得到回波中的多普勒频移成分I₁、Q₁，I₁、Q₁滤去血管壁及PRF成分后，在距离选通电路的控制下，对某一深度的多普勒回波信号进行采样，采样数据I、Q送入谱分析仪中，进行复FFT运算，计算其频谱，算出幅度谱

，结果送入IBM PC主机进一步处理及显示。

IBM PC机作为仪器的控制核心，通过写寄存器操作，可以改变控制电路中计数器的初值，从而实现不同的脉冲重复频率、采样容积的大小、扫描深度、探头的发射功率和仪器的接收放大器的增益的控制。

本发明在上述的TCD仪的程序中增加了血流状态声窗程序模块，使距离选通单元在某一深度范围内进行自动扫描，距离选通单元的大小可取为0～(终止深度-初始深度)的任意值。其原理如图2所示(为简化说明，在每个深度处只采样一次)：在第1个发射触发脉冲后，令接收延时depth＝初始深度；在第二个发射触发脉冲后，延时depth₁＝depth+Δ，在第3个发射触发脉冲后，延时depth₂＝depth+2Δ…以此类推，在N个触发脉冲后depth_N-1＝depth+(N-1)Δ＝最大深度，在第N+1个发射触发脉冲后，反向扫描使depth_N+1＝depth+(N-2)Δ。如此周期性反复扫描，使采样点从初始深度开始到终止深度，以Δ为步距(Δ的大小可取为0～[终止深度-初始深度]/2的任意值)的各个深度点的Dopple回波(I、Q)，如图1虚线所示，将采样后的I、Q信号直接送入IBM PC机中，并用下面的公式计算信号的能量：

              E＝I²+Q²    (2)

计算的结果E做为衡量某深度点的血流状态的参量。

在计算机显示器上，以横轴为深度值，纵轴为E显示沿声路径N个深度位置的血流状态，医生根据每个深度点的E的大小就可以确定该深度是否有血管及血管内的血流状态。

图3为实现动态扫描的硬件电路原理图。颅内血管中的血细胞背向散射的超声回波信号经放大处理后，解调成多普勒回波信号的同相位成份I、正交相位成份Q，经A/D转换为数字量后存于双端口RAM中，双端口RAM的另一端挂在PC总线上，采样后的I、Q数据送到IBM PC起始的内存地址中。图中寄存器74LS273(1，2)联于PC机总线上，PC机CPU以写外设端口的方式对其进行操作，赋给8位计数器(4，5)计数初值，计数器输出通过与非门电路(6，7)产生某一深度的距离选通信号。图4为获取信号I、Q的原理图，I、Q信号经A/D转换为数字量后，结果存于双端口RAM中，由地址计数器产生其写入时序，双端口RAM的另一端挂在PC总线上，占有PC机的内存地址为D800∶0000～D800∶07FF。

在实施时，考虑现有的技术平台，用下面方法实现了上述功能，图5-图6是本发明应用程序流程图，本发明所实现程序(起名为声窗程序)作为TCD仪器系统程序的一个功能模块，以功能键ESC激活调用，在声窗模块内按ESC键，结束声窗模块操作，返回主程序。

进入声窗程序模块后，该模块主要完成下述功能：

1)、获取沿声路径上N个深度位置处的Doppler回波的I、Q值；

在本程序中设定的深度扫描范围在0mm--200mm内任选，深度增加(或减小)的步距Δ为1--100mm内任选；

2)、根据公式(2)计算某一深度点的回波信号，在每个深度点采样M次(取1～50次之内根据需要选择)I、Q值，将M次计算的结果做算术平均： $\stackrel{\‾}{E}=\frac{\underset{0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i}{M}----\left(3\right)$

计算结果 E做为衡量该空间点的血流状态的参数；

3)、在得到了N个深度的 E值后，程序自动找出 E值最大时对应的深度值，退出声窗模块时，该值传给主程序，作为当前的采样容积深度，从而实现了自动查找血管功能；

4)、程序在显示屏幕上以横轴为深度，纵轴为参量 E，显示在每个深度位置的 E值，该值随时间及探头方向的变化而动态改变，程序同时显示一个滑动游标，动态指示 E值最大时对应的深度；

在用纵坐标显示参量E时，如使显示值落于显示屏上窗的高度范围内，对计算的 E值要做归一化处理，处理方法为： $E_{\mathrm{disp}}=\frac{\stackrel{\‾}{E}-\mathrm{EBASE}}{\mathrm{ESCALE}}----\left(4\right)$

其中EBASE为基底值，ESCALE为比例系数，由于ESCALE可以影响E_disp的变化速度，因此称之为灵敏度系数。

5)、程序在每完成一次沿探头指向的扫描后，查询键盘是否有键按下，如有键按下，则转键处理程序，程序定义了“ESC”键，在声窗程序内按下此键，将退出声窗模块，重新回到系统主程序循环。

程序定义了“↑”/“↓”键，用于改变(4)式中的EBASE值；

程序定义了“←”/“→”键，用于改变(4)式中的ESCALE值；

程序定义了“HOME”/“END”键，用于改变探头的发射功率；

程序定义了“1”/“2”键，用于改变仪器的接收放大器的增益。

6)、在声窗程序中，脉冲重复频率的设定，采样容积的设定，扫描深度值的设定以及探头的发射功率的改变，接收放大器的增益的改变都是通过写相应的外设端口寄存器实现的，采样后的I、Q数据送到IBM PC D800起始的内存地址中。在本发明中，用回波信号的能量I²+Q²指示空间点的血流状态，上述(2)项参数E的计算，可取

或任何以I²+Q²为根本的变形表达式；E＝I²+Q²计算时的I、Q可以是图一中的时域内I、Q信号，也可以是经过付氏变换后的I²+Q²  。

Claims (7)

1.一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：所述方法是在现有的经颅多普勒超声脑血流分析仪的系统程序中增加了血流状态检测并指示，该方法包括下列步骤：

a)设定扫描的起始深度和扫描的终止深度；

b)在上述设定的扫描范围内，以Δ为步距，动态改变扫描深度值；

c)在每个扫描深度处，采样获取多普勒回波信号的同相位成份I、正交相位成份Q值；

d)计算得到所有回波信号能量E；

e)在步骤a)所述的扫描范围内，自动搜索出能量E最大值的位置；

f)在终端设备上显示出能量E随深度的变化，自动锁定能量E最大值的位置。

2.根据权利要求1所述的一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：步骤d)所述的回波信号的能量用E＝I²+Q²表示。

3.根据权利要求1所述的一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：在每个扫描深度处重复采样M次I、Q值并计算M组数据，对计算出的M个E值做算术平均， E作为衡量血流状态的参数。

4.根据权利要求3所述的一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：对所计算的算术平均值 E做归一化处理。

5.根据权利要求2所述的使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：参数E的计算可取任何以I²+Q²为根本的变形表达式，I、Q值可以是时域内I、Q信号，也可以是经过付氏变换后的I²+Q²。

6.根据权利要求1所述的一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：距离选通单元的大小可取为0～(终止深度-初始深度)的任意值，步距Δ的大小可取为0～(终止深度-初始深度)/2的任意值。

7.根据权利要求1所述的一种使用经颅多普勒超声技术检测颅内脑血流状态分布的方法，其特征在于：步骤f)包括：

g)在显示器上以横轴为深度，纵轴为E，显示沿声路径不同位置的多普勒回波信号能量，并分别用数字和可动声窗指示出E取最大值的深度点的位置；

h)在输入结束键后，经颅多普勒仪距离选通单元的位置自动放在当前声窗所在的深度上。

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