CN111820946A - 一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置及其应用，属于超声测速技术领域，包括超声相控阵列探头、柔性封装层和探头驱动电路；柔性封装层包裹于超声相控阵列探头；超声相控阵列探头由多个超声波换能单元呈阵列式构成；探头驱动电路通过时序控制改变超声相控阵列探头中多个超声波换能单元的发射频率，使多个所述超声波换能单元激发的超声波叠加形成新的超声波束，并将超声波束聚焦于待测流体位置；超声相控阵列探头收集反射的超声波，以获得用于测速的频率数据。本发明可以对超声波聚焦位置进行调控，并且通过阵列映射变换得到频率改变信息并基于柔性超声阵列对生物血液流速进行测量，具有较好的舒适度和较大的贴附角度自由度。

Description

一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置及其应用

技术领域

本发明属于超声测速技术领域，更具体地，涉及一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置及其应用。

背景技术

传统的测流速的方法包括：注入示踪法，将某些示踪物质(如荧光物质、染料等)注入待检测管道内，然后测其移动的频率；电磁流量计发，在管道的垂直方向加磁场，当管道中有流体通过时，产生感应电动势，从而求出流体速度。但由于传统方法的空间方便率低，操作复杂，需要进行有损测量。

随着现代科学技术的不断发展，在流体测速方法上出现了许多高分辨率、无损、快速的测量方法，其中超声多普勒方法被广泛应用于流体测速领域。超声多普勒方法中，超声多普勒探头是超声多普勒设备的超声波发射与接收装置，用于在工作中发射与接收超声波，通过多普勒音频分析来探测目标物体的运动速度。为了适用于不同场景的超声多普勒探测需求，需要通过提高超声探头与被测物体的耦合效果，减小能量损失，提高探测效果。

现有技术通过改进超声多普勒探头的内部结构，提高超声多普勒探头与被测目标在不同角度时的耦合效果与减小了反射的声场能量，使得声场的入射效率有所提高。但是受制于使用单个探头在进行多普勒超声探测时，必须转动探头角度与被测目标的运动方向成一个合适角度才能进行准确测量的原因，始终无法与被测目标达到高效率的耦合效果，且在使用时需要人为转动探头找到合适的测量角度，因此使用起来也比较复杂，需要有经验的使用者进行操作。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置及其应用，由此解决探头角度与被测目标耦合效果差，使用复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，包括：超声相控阵列探头、柔性封装层和探头驱动电路；

所述超声相控阵列探头包括多个超声波换能单元，多个所述超声波换能单元呈阵列式设置于所述柔性封装层内；

所述柔性封装层用于贴附于待测物体的表面；

所述探头驱动电路通过时序控制改变所述超声相控阵列探头中多个所述超声波换能单元的发射频率，以使多个所述超声波换能单元激发的超声波叠加形成新的超声波束，并将所述超声波束聚焦于待测流体位置；所述超声相控阵列探头用于收集反射的超声波，以获得用于测速的频率数据。

优选地，还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于接收所述测速的数据，根据映射变化得到多普勒频移并计算所述待测流体的流速。

优选地，还包括贴附层，所述贴附层贴合于所述柔性封装层的外表面设置；所述贴附层用于贴附于生物体表面。

优选地，所述贴附层为声阻抗介于所述柔性封装层和所述生物体表面的柔性材料。

优选地，所述贴附层的厚度为超声波在所述贴附层中波长的四分之一的奇数倍。

优选地，所述柔性封装层的材料为柔性聚合物或水凝胶。

优选地，所述超声波换能单元为压电晶体、压电聚合物或复合压电材料构成的超声探头。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置在测量管道中流体流速的应用。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置在测量血管中血液流速的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有下列有益效果：

1、本发明通过超声相控阵列探头实现超声波的聚焦和偏转，从而使超声波以最佳入射角度发射来实现多普勒测速，不需要固定超声探头与待测流体成特定角度；增强了探头与待测目标的耦合效果，减少超声波的传播损耗，使用起来方便简单；

2、本发明基于柔性材料作为封装层，可以贴合于待测物表面，具有较大的贴附角度自由度；作为医用测量血管中的血液流速时，具有较好的舒适度；

3、本发明通过在柔性封装层下设置一层厚度、声阻抗自由设定的贴附层，更好的贴附于待测物体的表面；

4、本发明应用范围广，不仅适用于测量血管中血液流速，还可以应用于测量管道中流体速度或其他物体中流体的流速。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中的超声相控阵列的俯视示意图；

图2是本发明的一个实施例中的附着皮肤时的横截面示意图；

图3是本发明的一个实施例中的超声相控阵列的工作原理示意图；

图4是本发明的一个实施例中的测量血流速度的原理图；

图5是本发明的一个实施例中的相控聚焦仿真图；

图6是本发明的一个实施例中的相控偏转仿真图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：柔性封装层1；超声波换能单元2；贴附层3；生物体皮肤表面4。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明提供了一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，所述装置可以实现柔性可贴附，同时超声相控阵列输出稳定，且方向和焦点可调，并能够进行多普勒测速，所述装置包括：柔性封装层1、超声相控阵列探头、探头驱动电路和所述贴附层3。本发明采用所述超声波换能单元2作为基本功能单元，以“岛-桥”策略将传统的单个超声探头转换为本发明中可拉伸、超薄的、适形的阵列形式，其中所述超声波换能单元2可产生超声波，所述超声相控阵列探头由所述柔性封装层1进行封装。具体的，所述柔性封装层1可以是聚二甲基硅氧烷等硅基橡胶材料，也可以是水凝胶等高分子软材料。具体的，所述超声波换能单元2可以是超声探头，也可以是微型压电晶体、压电陶瓷等力电转换器件。本发明的一个具体实施例中，所述柔性封装层1为聚二甲基硅氧烷材料，所述聚二甲基硅氧烷是一种模量与人体皮肤相似且具有良好拉伸性能的封装材料，其不仅可以消人体皮肤与装置之间的空气间隙的影响，以达到与人体生物组织良好的声学耦合效果和佩戴舒适度，还提供了一个防潮屏障，保护装置免受人体体液腐蚀。

更进一步的说明，如图2本发明的一个实施例中的附着皮肤时的横截面示意图所示，在所述柔性封装层1的下表面再增加一层柔性贴附层3，所述贴附层3用于贴附于生物体的皮肤表面4。所述贴附层3是具有介于所述柔性封装层1和所述生物体的皮肤表面4之间声阻抗的柔性材料。具体的，所述贴附层3的材料可以是聚二甲基硅氧烷等硅基橡胶材料，通过交联剂来控制得到所述贴附层3的软硬。需要说明的是，所述贴附层3的声阻抗应该为所述柔性封装层1和生物体的皮肤表面4声阻抗乘积的平方根，即

其中z₁，z₃，z₄分别为所述柔性封装层1，所述贴附层3和所述生物体的皮肤表面4的声阻抗。更进一步的说明，所述贴附层3的厚度应该为所采用频率超声波在所述贴附层3中的波长的四分之一奇数倍，即

其中d₃为贴附层3的厚度，λ为所采用的频率超声波在贴附层中的波长。

更进一步的说明，本发明的实施例提供了一种具体应用于测量人体血液流速的用于多普勒超声探测的柔性测速装置，如图3本发明的一个实施例中的超声相控阵列的工作原理示意图。在使用超声波测血流速度时，超声波波束的方向与血流速度方向往往存在一个夹角，一般来说，这个夹角需要控制在0～60°内。由于超声探头一般是垂直于人体皮肤贴附的，而大多数皮肤下血管的走向是与皮肤表面呈平行关系，导致波束方向与血流速度方向的夹角超出上述范围，无法进行血流流速等进行有效测量，本发明中通过所述超声相控阵列探头进行相控，调整各个超声波换能单元的相位，在空间形成干涉，最终等效于进行斜入射，将夹角调整到合理区间内。同时，不同的人具有不同的血管和皮肤，因此如果固定入射角度得到的结果可能在部分人身上无法得到好的反馈结果，所以也可通过相控根据每个人的人体找到不同的最佳角度入射。

更进一步的说明，所述超声相控阵列探头的设计基于惠更斯原理。探头由多个相互独立的超声波换能单元在空间按一定方式排列组成一个阵列，每个超声波换能单元称为一个阵元。当各阵元以同一频率的信号进行激励时，它们所发出的声波是相干的，这些声波在空间干涉后就形成特定的指向性或聚焦特性。运用电子技术，按一定的规则和时序控制激发各个阵元，使阵列中各阵元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面，在效果上相当于改变了探头的空间排列形式，从而能够改变阵列探头所辐射的波束形式，从而达到波束扫描、偏转及聚焦的效果。由其原理可知，超声相控阵列探头最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布，具有可自动化控制、适用范围广、检测精度高等优点。

更进一步的说明，如图4本发明的一个实施例中的测量血流速度的原理图所示，在医学超声应用中，由于血液中运动的血细胞与超声装置存在相对运动，所以存在声波的多普勒效应，可以通过测量超声波经过血细胞反射的回波，推导出回波的频移，进而可以计算出血细胞的运动速度，即为血液的流动速度，最终可以通过其频谱来分析人体健康情况。具体的，超声波信号经过人体血流散射和反射后的回波信号，产生了与血流速度成正比的频移，进而可以根据频率偏移量来计算出产生回波的血流的速度v。

超声波束由所述超声相控阵列探头根据电信号控制产生，以一定角度射入人体组织。在大多数情况下，超声波束的入射传播方向将与血流方向形成夹角θ，只有极少数情况下会出现垂直或平行现象。在血流速度中，与超声波束传播方向垂直的速度分量不产生多普勒效应，只有与超声波束传播方向平行的速度分量才能产生多普勒效应，因此可以将血流速度分成与超声波束传播方向平行的分量v2(一般小于5m/s)：

v₂＝vcosθ

整个血流检测分为超声波发射和超声波接收两个过程，设定超声相控阵列探头工作频率为f₀，传播速度为定值c(声波在人体内的传播速度一般约为1480m/s)。根据多普勒效应，在发射阶段，以超声相控阵列探头作为超声波发射者，发射频率为f₀，以血细胞作为观察者，接收频率设为f₁；在接收阶段，相反以血细胞为超声波发射者，发射频率为f₁，以超声相控阵列探头作为观察者，接收频率为f₂。因此有如下两段计算过程：

因此，超声相控阵列探头发射频率f₀和接收到的频率f₂之间存在频率差值f_d，根据上述两个公式作差可以计算得到多普勒频移f_d：

由以上描述可知，本发明需要超声相控阵列探头同时具有发射以及接收一定范围内频率声波的能力。更进一步的说明，本发明工作的流程概述如下：在测血流流速前，应预先设定入射频率、各超声波换能单元之间的发射次序、间隔等。测速时，按照预设发出声波，并在短暂时间后，接收回波信号；与此同时，将这些信号利用上述公式，即可计算出血流流速。

更进一步的说明，如图5本发明的一个实施例中的相控聚焦仿真图所示，因为颈动脉、桡动脉等血管对人体的健康状况的反应有着重要意义，本发明具有聚焦效果，所以本发明能够通过相控聚焦来测量特定血管内的血流速度等生理数据。

以超声相控阵列探头的第一个超声波换能单元作为坐标原点，各超声波换能单元中心坐标位置(x_i,0)，假设超声波束在介质中的传播速度为v，则当超声波声束聚焦于(x₀,y₀)时，各超声波换能单元声程时间为：

所需超声波换能单元延时为：

Δt＝max[t]-t_i

更进一步的说明，本发明使用有限元软件进行声场仿真，将模型设定为20个压电晶片，采用空气作为介质，声波频率为10MHz。根据第一个超声波换能单元和第N个超声波换能单元之间的声程差将焦点设置在3mm处，给不同有限元设定不同的相位。

声场仿真的结果如图5所示，图中横轴为超声相控阵列探头发出的声场的位置，纵轴为声场纵向分布的位置，图中的深浅变化作为声场的可视化的强度变化，与右侧的对照条相对应。可以看出，超声相控阵列探头形成的声场聚焦在纵轴的3mm处并在其附近达到了最大强度2.5。整个声场存在一个主声束，以及一些旁瓣，这是由于干涉现象所导致的。从声场强度的分布来看，其方向性较好，达到了预期设定的3mm的聚焦效果。

更进一步的说明，如图6本发明的一个实施例中的相控偏转仿真图所示，若干个超声波换能单元以一定角度发射超声波，超声波换能单元之间就会存在相位差。假设超声波换能单元的间距为d，超声波束在介质中的传播速度为v，声速偏转θ角度，则第一个超声波换能单元与第N个超声波换能单元延时为：

Δt＝N*d*sinθ/v

以等差数列控制各超声波换能单元的延迟时间，则超声相控阵列探头发射声束的合成波阵面法线与晶阵面成一个角度，即实现了波束指向的相控偏转。仿真同上，使用有限元软件进行声场仿真，仅延时计算原理不同。

更进一步的说明，从仿真结果来看，由于相控的作用，超声波束的传播方向由原来的深色方向偏折为浅色方向，改变了一个θ角度，但超声波束的强度没有发生明显的减弱。这说明超声相控阵列探头对超声波束的偏转起到了作用，能够改变超声波束的传播方向。

更进一步的说明，所述柔性封装层1的材料为柔性聚合物或水凝胶。具体的，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷、橡胶等材料。

更进一步的说明，所述超声波换能单元2为压电晶体、压电聚合物或复合压电材料构成的超声探头。具体的，所述超声波换能单元2为锆钛酸铅系压电陶瓷、聚偏氟乙烯等压电聚合物及其复合材料构成的超声探头。

更进一步的说明，本发明中用于多普勒超声探测的柔性测速装置还可以适用于测量管道中流体的流速或其他需要测量流体流速的装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于，包括：超声相控阵列探头、柔性封装层(1)和探头驱动电路；

所述超声相控阵列探头包括多个超声波换能单元(2)，多个所述超声波换能单元(2)呈阵列式设置于所述柔性封装层(1)内；

所述柔性封装层(1)用于贴附于待测物体的表面；

所述探头驱动电路通过时序控制改变所述超声相控阵列探头中多个所述超声波换能单元(2)的发射频率，以使多个所述超声波换能单元(2)激发的超声波叠加形成新的超声波束，并将所述超声波束聚焦于待测流体位置；所述超声相控阵列探头用于收集反射的超声波，以获得用于测速的频率数据。

2.根据权利要求1所述的一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于：还包括数据处理模块，所述数据处理模块用于接收所述测速的数据，根据映射变化得到多普勒频移并计算所述待测流体的流速。

3.根据权利要求1所述的一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于：还包括贴附层(3)，所述贴附层(3)贴合于所述柔性封装层(2)的外表面设置；所述贴附层(3)用于贴附于生物体表面。

4.根据权利要求3所述的一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于：所述贴附层(3)为声阻抗介于所述柔性封装层(1)和所述生物体表面的柔性材料。

5.根据权利要求4所述的一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于：所述贴附层(3)的厚度为超声波在所述贴附层(3)中波长的四分之一的奇数倍。

6.根据权利要求1所述的一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于：所述柔性封装层(1)的材料为柔性聚合物或水凝胶。

7.根据权利要求1所述的一种用于多普勒超声探测的柔性测速装置，其特征在于：所述超声波换能单元(2)为压电晶体、压电聚合物或复合压电材料构成的超声探头。

8.一种权利要求1所述的用于多普勒超声探测的柔性测速装置在测量管道中流体流速的应用。

9.一种权利要求1-7所述的用于多普勒超声探测的柔性测速装置在测量血管中血液流速的应用。

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