CN113367730A - 一种双频超声多普勒同时测量血流参数的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双频超声多普勒同时测量血流参数的方法及装置，包括超声探头模块(1)、超声信号处理模块(2)、装置主体(3)，其中超声探头模块包括第一超声晶元组和第二超声晶元组，其中第一超声晶元组的频率和第二超声晶元组的频率不同，通过设置使用两个不同频率的超声探头，实现同时检测颈动脉和颈静脉血流情况的效果。
Description
技术领域
本发明涉及医疗检测仪器技术领域，具体地，涉及一种双频超声多普勒同时测量血流参数的方法及装置。
背景技术
血流情况是一项重要的生理参数,许多疾病都可能在血流速度上得到反映。颈内动脉系统供应大脑半球五分之三部分(大脑前部分和部分间脑)的血液。左右颈内动脉分别由左右颈总动脉在甲状软骨上缘平面分出，上行至颅底，入颈动脉管，经破裂孔入颅。颈内动脉入颅前为颅外段(颈段)，入颅后为颅内段。颅内段从蝶鞍后上部进入并穿出海绵窦，依次分出各分支。颈部静脉血管分颈内静脉及颈外静脉。颈内静脉是颈部最宽的静脉血管，与颈总动脉及颈内动脉伴行，分颅内属支与颅外属支。颅内属支与乙状窦静脉相延续，收集颅内血流。颅外属支收集咽、舌、喉、甲状腺及头面部器官的血流，这些属支在舌骨大角附近注入颈内静脉。颈内静脉下行与同侧锁骨下静脉汇合组成头臂干，在汇合处有1-2对静脉瓣阻止血液逆流。颈外静脉是颈部最大浅静脉，在耳垂下，由下颌后静脉的后支、耳后静脉和枕静脉汇合而成，主要引流头皮、面部及部分深层组织的静脉血液。颈外静脉自腮腺下部直向下行，沿胸锁乳头肌表面行至其下段后方穿行颈部深筋膜，垂直注入锁骨下静脉，并在汇合处有静脉瓣阻挡血液逆流。颈内静脉与颈外静脉间有交通支相连。
颈颅多普勒(transcranial Doppler，TCD)超声检测是测量颈动脉和颈静脉血流情况的常用方法，它借助脉冲多普勒技术和2MHz发射频率，使超声声束得以穿透颅骨较薄的部位，直接描记脑底动脉血流的多普勒信号，以获取脑底动脉的血流动力学参数，来反映脑血管功能状态。TCD主要以血流速度、脉冲指数(PI)、音频信号及频谱图波形来评定血流状况。血流速度反映脑动脉管腔大小及血流量。血流量一定时血流速度与管腔大小成反比，当管腔严重狭窄(90％)或完全梗阻时，血流速度下降，个体间各值可有很大变异，但个体内差异很小，且左右基本对称，如两侧相差很大可认为异常。由于颅骨太厚，脑供血不足，血流本身信号弱及操作技术等原因，可有部分血管不能被探出，此类情况不能贸然诊为血管阻塞或发育不良。脉冲指数(PI)反映脑血管外周阻力的大小，PI值越大，脑血管外周阻力越大，反之则阻力越小。音频信号及频谱图波形反映脑血管局部的血流状态。
目前的TCD检测方法均是使用一个频率的探头，一次只能测量一根血管的血流情况，例如专利CN102940486A中公开了使用TCD检测颈动脉系统血流动力学，单次检测一根血管血流情况存在检测效率低、花费时间长、成本高的问题，基于此，设计一种能够降低成本、提高效率的TCD检测方法具有重要意义。
发明内容
本发明涉及一种同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，包括超声探头模块(1)、超声信号处理模块(2)、装置主体(3)，其中超声探头模块包括第一超声晶元组和第二超声晶元组。
优选地，其中第一超声晶元组的频率和第二超声晶元组的频率不同。
优选地，第一超声晶元组为高频段段超声晶元组，第二超声晶元组为低频段超声晶元组。
优选地，高频段段超声晶元组用于测量颈静脉血流，低频段超声晶元组用于测量颈动脉血流情况。
优选地，第一超声晶元组的频率为6-12MHz，第二超声晶远组的频率为2-5MHz。
优选地，第一超声晶元组的频率为8-10MHz，第二超声晶远组的频率为3-5MHz；更优选地，第一超声晶元组的频率为8MHz；更优选的，第二超声晶远组的频率为4MHz。
优选地，所述双频率超声装置还包括LCD显示屏、键盘、触摸屏和喇叭。
优选地，所述超声信号处理模块(2)包括高频段段滤除、低频段滤除、低频段段超频信号处理、高频段段段超频信号处理、ADC、USB和FPGA。
优选地，装置主体模块(3)包括USB、CPU、内存、存储器、音频功放和通讯接口。
本发明还涉及一种同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置的使用方法，包括：
(1)在颈部皮肤上放置足量超声耦合剂，将超声探头轻放在皮肤上，保持探头检查面与皮肤紧密相接触；
(2)发射超声波，接收端接收返回的超声波信号，进行I/Q解调，滤波，ADC数模转化，由FPGA采集到I向和Q项的信号，此信号是与发生型号之间由频偏的信号。
(3)根据多普勒原理，超声在通过运动的物质反射后，会发生频率的变化，频率变化的大小和运动的物质速度有过，根据这个原理，通过FFT计算出动脉和静脉血流的频谱情况，采用频谱包络技术，测量计算获得血流的相关参数。
本发明还涉及一种使用双频率超声技术同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的方法，包括：
(1)将双频超声晶元组固定在颈部皮肤表面；
(2)发射超声波，记录多普勒信号强度；
(3)根据多普勒原理，两个探头选择不同的方向频谱图进行分析计算，分别处理计算动脉和静脉血流情况。
优选地，双频超声晶元组分别为低频段超声晶元组和高频段段超声晶元组，低频段超声晶元组用于测定颈动脉血流情况，高频段段超声晶元组用于测量颈静脉血流情况。
优选地，低频段超声晶元组频段为2-5MHz，高频段段超声晶元组频段为6-12MHz。
优选地，低频段超声晶元组频段为3-5MHz，高频段段超声晶元组频段为8-10MHz；优选地，低频段超声晶元组频段为4MHz，高频段段超声晶元组频段为8MHz。
本发明使用两个不同频率的探头同时检测颈动脉和颈静脉血流情况，提高了检测的效率。超声多普勒通过IQ解调时,是用发生单元对应的频率的4倍进行解调,解调出来的频率为反射频率-发生频率，根据多普勒效应，正常颈部血流反射后引起的频率变化小于5KHz,在电路进行滤波时,只保留接收需要的高频段段或者低频段信号部分，互不干扰，基于此，本发明通过晶元频率的设置和滤波频段的匹配，避免探头间互相的干扰，实现了同时检测颈动脉和颈静脉的血流情况。
附图信息
图1：颈部血管图
图2：双频率超声装置
图3：超声声场示意图
图4：颈总动脉频谱图
图5：颈外静脉频谱图
附图标记说明
(1)超声探头模块、(2)超声信号处理模块、(3)装置主体
具体实施方式
为使本发明的技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面通过列举具体实施例的方式进行详细说明。其中，附图不一定是按比例绘制的，局部特征可以被放大或缩小，以更加清楚的显示局部特征的细节；除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与本申请所属的技术领域中的技术和科学术语的含义相同。
在本发明中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等应做广义理解。例如，“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示，本发明的一实施例提供同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，包括超声探头模块(1)、超声信号处理模块(2)、装置主体(3)。
在本实施例中，所述超声装置还包含信号输入模块和信号输出模块，优选地，信号输出模块可以是显示屏，例如LCD显示屏，所述信号输入模块包含但不限于触摸屏、键盘和按键，可以理解的是，任意能够实现信号输入的装置均在本发明的保护范围之内。
在本实施例中，显示屏可以为LCD显示屏、CTR显示屏、LED显示屏、3D显示屏，可以理解的是，任意能够实现信号输出的装置均在本发明的保护范围之内，键盘可以为触点式键盘、无触点式键盘、镭射式键盘。
在本实施例中，触摸屏可以是电阻式触摸屏、电容感应式触摸屏、红外线式触摸屏及表面声波式触摸屏。
在本实施例中，所述双频率超声装置还包含喇叭，喇叭可以是动圈式喇叭、电容式喇叭、舌簧式喇叭及压电式喇叭，其作用是输出多普勒频谱声音。
具体的，超声探头模块(1)包括数个晶元组，例如2,4,6个晶元组。具体地，包含第一晶元组和第二晶元组，所述第一晶元组和第二晶元组与超声信号处理模块连接。具体地，所述晶元组为高频段段超声晶元组和低频段超声晶元组，其中，高频段段超声晶元组和低频段超声晶元组的数量相同，例如各有一个。高频段段超声晶元组用于测量颈静脉血流，低频段超声晶元组用于测量颈动脉血流，使用两个频率的超声晶元能够达到同时测量颈动脉和颈静脉血流的效果，可以理解的是，凡能够实现同时测量颈动脉血流的位置关系均是可行的。
如图3所示，所述高频段段超声晶元组和低频段超声晶元组分别位于皮肤上，静脉血流方向由高频段段超声晶元组流向低频段超声晶元组，动脉血流方向由低频段段超声晶元组流向高频段超声晶元组。
在本实施例中，超声信号处理模块(2)包括段滤除装置，信号处理装置和输出装置，所述输出装置与装置主体(3)连接，可以理解的是，凡能实现信号传输的连接均可视为本发明所述的连接。
具体地，超声信号处理模块(2)还包含ADC和FPGA。
具体地，超声信号处理模块(2)中的段滤除装置和晶元组连接，包含高频段段滤除和低频段滤除，具体地，所述高频段段滤除和低频段超声晶元组连接，所述低频段段滤除和高频段超声晶元组连接。
在本实施例中，装置主体模块(3)包括USB、CPU、内存、存储器、音频功放和通讯接口。其中，USB用于连接超声信号处理模块(2)和CPU，所述CPU分别连接内存、存储器和音频功放和通讯接口，更具体地，CPU还连接信号输入模块和信号输出模块。
在另一实施例中，涉及一种使用双频率超声装置同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的方法，包括：1)在颈部皮肤上放置足量超声耦合剂，将超声探头轻放在皮肤上，保持探头检查面与皮肤紧密相接触；超声探头包括第一高频段段超声晶元组和第二低频段超声晶元组，其中第一超声晶元组主要测量颈动脉血流，第二超声晶元组测量颈静脉血流。动脉和静脉的血流方向为相反方向(如图3所示)。2)发射两个频率的超声波，计录多普勒信号强度；3)根据多普勒原理，两个超声晶元组选择不同的方向频谱图进行分析计算，分别处理计算动脉和静脉血流情况。根据统计，颈动脉在皮下深度为1cm左右，颈静脉为0.5cm左右。设计时调节探头的发生功率，保证都能测量到各种人群的深度在回波信号的处理上，低频段段前级设计低通滤波，截止频率5.5MHz，滤除第二超声晶元组的回波，检测颈总动脉频谱图和颈外静脉频谱图。
可选的，耦合剂可选自机油、变压器油、润滑脂、甘油、水玻璃、工业胶水、化学浆糊，或者是商品化的超声检测专用耦合剂。
可选的，第一超声晶元组的频率为2-5MHz，第二超声晶元组的频率为6-12MHz，在测量时，第一超声晶元组测量深度设计为1-4cm，第二超声晶元组测定深度设计为0.5-1.5cm。
具体地，第一超声晶元组的频率为2MHz、3MHz、4MHz、5MHz，第二超声晶元组的频率为6MHz、7MHz、8MHz、9MHz、10MHz、11MHz、12MHz。第一超声晶元组测定深度设计为1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm，第二超声晶元组测定深度设计为0.5cm、0.6cm、0.7cm、0.8cm、0.9cm、1.0cm、1.1cm、1.2cm、1.3cm、1.4cm、1.5cm。
更具体的，第一超声晶元组的频率为4MHz，第二超声晶元组的频率为8MHz时。第一超声晶元组测定深度设计为4cm，第二超声晶元组测定深度设计为1.5cm。
在另一实施例中，采用两种频率的超声晶元组，第一超声晶元组为低频段超声晶元组，频率为4MHz，第二超声晶元组为高频段段超声晶元组，频率为8MHz。4MHz主要测量颈动脉血流，8MHz测量颈静脉血流。动脉和静脉的血流方向为相反方向，使用根据多普勒原理，两个探头选择不同的方向频谱图进行分析计算，分别处理计算动脉和静脉血流情况。根据统计，颈动脉在皮下深度为1cm左右，颈静脉为0.5cm左右。设计时调节探头的发生功率，2MHz测量深度设计为4cm，6MHz设计为1.5cm。保证都能测量到各种人群的深度在回波信号的处理上，低频段段前级设计低通滤波，截止频率5.5MHz，滤除高频段段超声晶元组的回波。检测颈总动脉频谱图和颈外静脉频谱图分别如图4、图5所示。
进一步的，在另外可行的实施例中，超声晶元组不限于第一超声晶元组或第二超声晶元组，也可以包括其他类型的晶元组件，例如，第三超声晶元组，第四超声晶元组。
在另一实施例中，使用双频率超声技术同时测量颈动脉和颈静脉血流情况，包括：将双频超声晶元组固定在颈部皮肤表面；发射超声波，记录多普勒信号强度；根据多普勒原理，两个探头选择不同的方向频谱图进行分析计算，分别处理计算动脉和静脉血流情况。
可选的，双频超声晶元组分别为低频段超声晶元组和高频段段超声晶元组，低频段超声晶元组用于测定颈动脉血流情况，高频段段超声晶元组用于测量颈静脉血流情况。
可选的，低频段超声晶元组频段为2-5MHz，高频段段超声晶元组频段为6-12MHz。
可选的，低频段超声晶元组频段为3-5MHz，高频段段超声晶元组频段为8-10MHz；优选地，低频段超声晶元组频段为4MHz，高频段段超声晶元组频段为8MHz。
应当理解，以上实施例均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在以上实施例的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施例的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本发明的另外的实施例。因此，上述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，不对本发明专利的保护范围进行限制。
Claims (10)
1.一种同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其特征在于：包括超声探头模块(1)、超声信号处理模块(2)、装置主体(3)，其中超声探头模块包括第一超声晶元组和第二超声晶元组，其中第一超声晶元组的频率和第二超声晶元组的频率不同。
2.如权利要求1所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其中第一超声晶元组为高频段超声晶元组，第二超声晶元组为低频段超声晶元组。
3.如权利要求2所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其中高频段超声晶元组用于测量颈静脉血流，低频段超声晶元组用于测量颈动脉血流情况。
4.如权利要求1所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其中第一超声晶元组的频率为6-12MHz，第二超声晶远组的频率为2-5MHz。
5.如权利要求4所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其中第一超声晶元组的频率为8-10MHz，第二超声晶远组的频率为3-5MHz；优选的，第一超声晶元组的频率为8MHz；更优选的，第二超声晶远组的频率为4MHz。
6.如权利要求1-5任一所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其还包括LCD显示屏、键盘、触摸屏和喇叭。
7.如权利要求1-5任一所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置，其中超声信号处理模块(2)包括高频段滤除、低频段滤除、低频段超频信号处理、高频段超频信号处理、ADC、USB和FPGA。装置主体模块(3)包括USB、CPU、内存、存储器、音频功放和通讯接口。
8.如权利要求1-5任一所述的同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的双频率超声装置的使用方法，包括：
(1)在颈部皮肤上放置足量超声耦合剂，将超声探头轻放在皮肤上，保持探头检查面与皮肤紧密相接触；
(2)发射超声波，接收端接收返回的超声波信号，进行I/Q解调，滤波，ADC数模转化，由FPGA采集到I向和Q项的信号，此信号是与发生型号之间由频偏的信号；
(3)通过FFT计算出动脉和静脉血流的频谱情况，采用频谱包络技术，测量计算获得血流的相关参数。
9.一种使用双频率超声技术同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的方法，包括：
(1)将双频超声晶元组固定在颈部皮肤表面；
(2)发射超声波，记录多普勒信号强度；
(3)根据多普勒原理，两个探头选择不同的方向频谱图进行分析计算，分别处理计算动脉和静脉血流情况；
其中双频超声晶元组分别为低频段超声晶元组和高频段段超声晶元组，低频段超声晶元组用于测定颈动脉血流情况，高频段段超声晶元组用于测量颈静脉血流情况。
10.如权利要求9所述的一种使用双频率超声技术同时测量颈动脉和颈静脉血流情况的方法，其中低频段超声晶元组频段为2-5MHz，高频段超声晶元组频段为6-12MHz；
优选地，低频段超声晶元组频段为3-5MHz，高频段超声晶元组频段为8-10MHz；
更优选地，低频段超声晶元组频段为4MHz，高频段段超声晶元组频段为8MHz。
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