CN112370079B - 一种利用超声多普勒检测血栓的方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种利用超声多普勒检测血栓的方法，将超声换能器与超声脉冲发射/接收器相连接，超声脉冲发射/接收器与数字转换器和上位机相连接，数字转换器与上位机相连接；上位机控制超声脉冲发射/接收器产生脉冲信号，经过超声换能器转换为超声波向待检测区域发射；声波进入血管后，遇到移动的血红细胞或血栓发生反射并产生回波信号，回波信号被超声换能器接收，回波信号被放大后经数字化采样储存于上位机，利用超声信号遇见血栓和血红细胞时表现的多普勒幅值不同的特性，对血红细胞及血栓进行分类和数量统计，对血栓的体积、形态进行判断。该方法准确性高、检测速率快，性能稳定、使用范围广泛，因此具有广阔的市场前景。

Description

一种利用超声多普勒检测血栓的方法

技术领域

本发明属于人体病变医学检测领域，具体涉及一种利用超声多普勒检测血栓的方法。

背景技术

血管是人体最重要的器官之一，为组织输送氧气与营养，维持其正常功能和形态。超声多普勒技术作为血管血流状态的评价方法，已经在临床上得到了广泛的应用，利用该技术可以检测血管中的血流信息。目前经颅多普勒仪器可以用于脑血栓的检测。其检测原理是用超声多普勒效应来检测颅内脑底主要动脉的血流动力学及血流生理参数，在临床应用中需要依靠医生的经验进行辨别，目前尚缺乏一种自动检测血栓的超声多普勒系统。

血栓是血流在血管内面剥落处或修补处的表面形成的小块。在可变的流体依赖型中，血栓由不溶性纤维蛋白、沉积的血小板、积聚的白细胞和陷入的红细胞等物质构成。它的形成是由遗传与环境因素相互作用和影响的多因素变化过程。血栓会阻碍血流的正常流动，当其从血管内面脱落后会随着血流流动，血栓的脱落累计可以引起血管的堵塞。比如脑部的血管一旦发生了堵塞，脑部就会出现供血不足甚至会出现脑梗死；另外，与之相似心脏的血管出现了堵塞，心脏就会供血不足，出现心绞痛，心肌发生了缺血性的坏死也有可能会出现心肌梗塞。因此准确检测和识别脱落的血栓并判断其数量和体积，可以为早期诊断心脑血管类疾病提供可靠的依据。因此开发一种利用超声多普勒自动检测血栓的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种准确性高、检测速率快，性能稳定、使用范围广泛的利用超声多普勒检测血栓的方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种利用超声多普勒检测血栓的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将超声换能器与超声脉冲发射/接收器相连接，所述超声脉冲发射/接收器与数字转换器和上位机相连接，所述数字转换器与上位机相连接；

步骤二：在脑部动脉或颈部动脉待检测区域涂抹耦合剂，并将超声换能器与待检测区域紧密贴合，所述上位机控制超声脉冲发射/接收器产生脉冲信号，所述脉冲信号经超声换能器转换为超声波向待检测区域发射，所述超声波进入血管后，遇到移动的血红细胞或脱落的血栓将发生反射并产生回波信号，所述回波信号被超声换能器接收，然后经超声脉冲发射/接收器和数字转换器放大后储存于上位机；

步骤三：所述上位机根据血流中各粒子多普勒信号的包络值对血红细胞及血栓进行分类，并统计血栓的数量；

步骤四：根据检测血栓的包络面积判断血栓的体积大小；

步骤五：根据检测到血栓采样容积的时间和超声波频率判断血栓的形态。

所述步骤二中回波信号表示为：

公式（1）中，A _n 为第n个脉冲处的振幅，f ₀ 为超声波入射频率，t为粒子出现的时间，t _n 为回波信号在第n个脉冲处的延迟时间，f _PRF 为脉冲重复频率，f _Di 是测量轴线上某位置处的多普勒频移（以下会令i=a,b,c,……,m来表示不同位置处的粒子）。

所述步骤三中粒子多普勒信号包络值的计算方式为：

将接收到的回波信号分为I，Q两路信号，分别乘以余弦分量和正弦分量，然后将有限脉冲响应滤波器用作低通滤波器，以消除载波分量或基本频率，根据公式（2）-（4）可以从回波信号中提取复数离散形式的多普勒信号：

连续信号

离散信号：

其中φ是同相信号X _I 和正交信号X _Q 的初始相位；

通过短时傅里叶变换将复数离散形式的多普勒信号转换为时频频谱图，提取峰值并分析后得到频谱图峰值出现的时间位置(t _i )及多普勒频移(f _Di )，将数据以数组的形式排列为：

提取时频频谱图中的时间信息分析后得到血流中各粒子在采样容积出现的时间位置(t _i0 )和离开采样容积的时间位置(t _i1 )以阵列形式(t´ _i )排列为：

通过希尔伯特变换求出多普勒信号的包络函数B(n)，并将提取时间位置（t _i ）代入公式(7)求得血液中各粒子的包络值a _i ，将数据以阵列形式a排列：

基于对血栓包络值和血红细胞包络值的统计数据，设定阈值a _s，该值被定义为大于血红细胞的最大包络值，且小于血栓的最小包络值；

将公式（8）的数据与阈值a _s进行对比，当a _i 大于阈值a _s时，判定该粒子为血栓，当a _i 小于阈值a _s时，判定该粒子为血红细胞，检测结束后统计血栓的数量。

所述步骤四中血栓面积大小的计算方式为：

提取血栓在采样容积出现的时间位置T _i0 和离开采样容积的时间位置信息T _i1 以阵 列形式

排列为：

提取血栓的多普勒频移F _Di，以阵列形式排列为：

提取血栓的时间位置信息

代入公式（11）求积分，计算血栓的包络面积，判断血栓的大小：

。

所述步骤五中血栓形态的计算方式为：

求出血栓在采样容积中的移动速率V(i)，计算血栓的长度L _i ，基于对血栓长度的统计数据设定阈值L _s ，判断血栓的形态：

其中c是声波在血液中的传播速度，θ是超声波入射角度，V´ _i 是无量纲参数，其大小为V(i)对应的值。

本发明根据超声多普勒的用途和血栓体积远远大于血红细胞的体积的原理，利用超声信号遇见血栓和血红细胞时表现的多普勒幅值不同的特性，得到超声多普勒检测血栓的方法，同时根据血流中各粒子多普勒信号的包络值对血红细胞及血栓进行分类和数量统计，再进一步根据检测血栓经过采样容积的时间和多普勒频率来判断血栓的形态，再进一步根据检测血栓的包络面积来判断血栓的体积大小，从而实现对血管中是否存在血栓和血栓状态的静态分析，该方法准确性高、检测速率快，性能稳定、使用范围广泛，因此具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是利用超声多普勒自动检测血栓方法的系统示意图

图2是利用超声多普勒自动检测血栓方法的原理

图3是判别血栓形态和体积的原理

图4是由血红细胞产生的多普勒信号转换后的时频频谱

图5是由血栓产生的多普勒信号转换后的时频频谱

图6-a是由血红细胞产生的多普勒信号经希尔伯特变换得到的包络线函数

图6-b是由血栓产生的多普勒信号经希尔伯特变换得到的包络线函数

图7是检测血栓形态的示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种利用超声多普勒检测血栓的方法的具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如下：

如图1所示，在待检测区域5（一般脑部动脉或颈部动脉）涂抹耦合剂，并将收发一体式的超声换能器1与待检测区域5紧密贴合；超声换能器1与超声脉冲发射/接收器2通过导线相连接，超声脉冲发射/接收器2与数字转换器3和上位机4通过导线相连接，数字转换器3与上位机4通过导线相连接；上位机4控制超声脉冲发射/接收器2产生脉冲信号，经过超声换能器1转换为超声波向待检测区域5发射；声波进入血管后，遇到移动的血红细胞6或血栓7发生反射并产生回波信号，回波信号被超声换能器1接收，回波信号被放大后经数字化采样储存于上位机4。

实施例1：

如图1所示，在颈部动脉待检测区域涂抹耦合剂，并将收发式的超声换能器与颈部动脉待检测区域紧密贴合，通过上位机控制超声超声脉冲发射/接收器产生频率为4MHz的正弦信号，并通过超声换能器产生频率为4MHz的超声波。回波信号被同一个超声换能器接收，经放大后以50MHz的采样频率采样，并储存在上位机中。根据公式（2）-（4）可以从回波信号中提取复数离散形式的多普勒信号，如图4所示，采用短时傅里叶变换后将复数离散形式的多普勒信号转换为时频频谱图，提取峰值并分析后得到频谱图峰值出现的时间位置(t _i )及多普勒频移(f _Di )，将数据以数组的形式排列为：

；如图7所示，提取时频频谱图中的时间信息分析后得到血流中各粒子在采样容积出现的时间位置(t _i0 )和离开采样容积的时间位置(t _i1 )以阵列形式(t´ _i )排列为：

；如图6(a)所示，通过希尔伯特变换求出多普勒信号的包络函数B(n),并将提取时间位置(t _i )带入公式（7）求得以上粒子的包络值，将数据以阵列形式a排列：

；基于对血栓包络值和血红细胞包络值的统计数据，通过计算得到包络值的概率密度函数，根据概率密度函数的值设定包络值的阈值为0.08；由于

均小于0.08，所以粒子a,b,c,d均为血红细胞。

实施例2：

如图1所示，在颈部动脉待检测区域涂抹耦合剂，并将收发式的超声换能器与颈部 动脉待检测区域紧密贴合，通过上位机控制超声超声脉冲发射/接收器产生频率为4MHz的正 弦信号，并通过超声换能器产生频率为4MHz的超声波。回波信号被同一个超声换能器接收，经 放大后以50MHz的采样频率采样，并储存在上位机中。根据公式（2）-（4）可以从回波信号中提 取复数离散形式的多普勒信号，如图5所示，采用短时傅里叶变换后将复数离散形式的多普勒 信号转换为时频频谱图，提取峰值并分析后得到频谱图峰值出现的时间位置(t _i )及多普勒频移 (f _Di )，将数据以数组的形式排列为：

； 如图7所示，提取时频频谱图中的时间信息分析后得到血流中各粒子在采样容积出现的时 间位置(t _i0 )和离开采样容积的时间位置(t _i1 )以阵列形式(t´ _i )排列为：

；如图6（b）所示，通过希尔伯特变换求出多 普勒信号的包络函数B(n),并将提取时间位置(t _i )带入公式（7）求得以上粒子的包络值，将 数据以阵列形式a排列：

；基于对血栓包络值和血红细胞包络值的统 计数据，通过计算得到包络值的概率密度函数，根据概率密度函数的值设定包络值的阈值 为0.08；a _a, a _b, a _c 均小于0.08，粒子a,b,c为血红细胞；a _d 大于0.08，粒子d为血栓；将

代入公式（11）得到血栓的包络面积为9.24，将声波在血流中的传播速度c=1570m/ s，血栓的多普勒频移

，超声波入射角

=10°，超声波发射频率f ₀ =4MHz,血栓经过采样容 积的时间位置

,a _d =0.3代入公式12，得到该血栓的长度值L _d 为490.6，通过统计血栓 的长度值得到血栓长度值的概率密度函数，根据概率密度函数设定血栓长度值的阈值为 1200，当血栓长度值低于阈值时，血栓为粒状；当血栓长度值高于阈值时，血栓为长条型；所 以该血栓为粒状。

应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种利用超声多普勒检测血栓的系统，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将超声换能器与超声脉冲发射/接收器相连接，所述超声脉冲发射/接收器与数字转换器和上位机相连接，所述数字转换器与上位机相连接；

步骤二：在脑部动脉或颈部动脉待检测区域涂抹耦合剂，并将超声换能器与待检测区域紧密贴合，所述上位机控制超声脉冲发射/接收器产生脉冲信号，所述脉冲信号经超声换能器转换为超声波向待检测区域发射，所述超声波进入血管后，遇到移动的血红细胞或脱落的血栓将发生反射并产生回波信号，所述回波信号被超声换能器接收，然后经超声脉冲发射/接收器和数字转换器放大后储存于上位机；

步骤三：所述上位机根据血流中各粒子多普勒信号的包络值对血红细胞及血栓进行分类，并统计血栓的数量；

步骤四：根据检测血栓的包络面积判断血栓的体积大小；

步骤五：根据检测到血栓采样容积的时间和多普勒频移判断血栓的形态；

所述步骤二中回波信号表示为：

公式（1）中，A _n 为第n个脉冲处的振幅，f ₀ 为超声波入射频率，t为粒子出现的时间，t _n 为回波信号在第n个脉冲处的延迟时间，f _PRF 为脉冲重复频率，f _Di 是测量轴线上某位置处的多普勒频移（以下会令i=a,b,c,……,m来表示不同位置处的粒子）；

所述步骤三中粒子多普勒信号包络值的计算方式为：

将接收到的回波信号分为I，Q两路信号，分别乘以余弦分量和正弦分量，然后将有限脉冲响应滤波器用作低通滤波器，以消除载波分量或基本频率，根据公式（2）-（4）可以从回波信号中提取复数离散形式的多普勒信号：

连续信号

离散信号：

其中φ是同相信号X _I 和正交信号X _Q 的初始相位；

通过短时傅里叶变换将复数离散形式的多普勒信号转换为时频谱图，提取峰值并分析后得到频谱图峰值出现的时间位置(t _i )及多普勒频移(f _Di )，将数据以数组的形式排列为：

提取时频谱图中的时间信息分析后得到血流中各粒子在采样容积出现的时间位置(t _i0 )和离开采样容积的时间位置(t _i1 )以阵列形式(t´ _i )排列为：

通过希尔伯特变换求出多普勒信号的包络函数B(n)，并将提取时间位置（t _i ）代入公式(7)求得血液中各粒子的包络值a _i ，将数据以阵列形式a排列：

基于对血栓包络值和血红细胞包络值的统计数据，设定阈值a _s，该值被定义为大于血红细胞的最大包络值，且小于血栓的最小包络值；

将公式（8）的数据与阈值a _s进行对比，当a _i 大于阈值a _s时，判定该粒子为血栓，当a _i 小于阈值a _s时，判定该粒子为血红细胞，检测结束后统计血栓的数量；

所述步骤四中血栓面积大小的计算方式为：

提取血栓在采样容积出现的时间位置T _i0 和离开采样容积的时间位置信息T _i1 以阵列形式(T´ _i )排列为：

提取血栓的多普勒频率F _Di，以阵列形式排列为：

提取血栓的时间位置信息

代入公式（11）求积分，计算血栓的包络面积，判断血栓的大小：

；

所述步骤五中血栓形态的计算方式为：

求出血栓在采样容积中的移动速率V(i)，计算血栓的长度L _i ，基于对血栓长度的统计数据设定阈值L _s ，判断血栓的形态：

其中c是声波在血液中的传播速度，θ是超声波入射角度，V´ _i 是无量纲参数，其大小为V (i)对应的值。

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