CN114533127A - 一种用于对血管检测的多普勒超声系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于对血管检测的多普勒超声系统，涉及医学诊断超声系统技术领域，包括超声波探头，包括呈线性阵列排布的若干个阵元；信号处理模块，用于接收所述阵元传输的回波，并对其进行信号处理；以及，多普勒处理模块，用于接收所述信号处理模块传输的处理后的信号，并对其进行处理得到待测血管内的血流信息。本发明将超声波探头上的阵元呈线性阵列排布，线性阵列的长度大于外周动脉血管直径，可根据线性阵列中各个阵元采集到的多普勒信号快速确定血管的中心位置，并根据中心位置采用不同的收发阵元组合和收发模式完成多普勒检查，以获得最佳的多普勒血流信息，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及医学诊断超声系统技术领域，特别是涉及一种用于对血管检测的多普勒超声系统。
背景技术
近些年来，随着人们生活水平的提高和饮食结构的变化，血管疾病的发病率越来越高，血管疾病(peripheral artery disease,PAD)就是其中之一。血管指的是心血管和脑血管之外的主动脉及其分支血管，血管由于动脉粥样硬化引起的血管狭窄、闭塞或瘤样扩张疾病称之为血管疾病。根据流行病学调查显示，血管疾病患病率随年龄的增长而增加，年龄大于35岁的人群患病率为6％；年龄大于60岁的人群患病率为15％。伴随着我国人口老龄化进程加快，并且我国人口基数大，预计血管疾病发病人数会迅速上升。血流流速和血管阻力指数等一些可以由多普勒血管检测仪得出的参数是判断血管疾病的重要指标。
市面上多普勒血管检测仪的探头普遍采用单一阵元，单个阵元覆盖的面积较小，往往首先需要人为确定准确的血管的位置，然后根据血管的位置摆放探头，保证探头对准血管。这种方式不仅操作不方便，而且经常出现探头不能对准血管中心的情况。血管的血流一般都是层流，血管中心位置的血流流速最大，如果每次测量不能保证对准血管中心，会造成得出的数据浮动较大，有很大的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种用于对血管检测的多普勒超声系统。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：
一种用于对血管检测的多普勒超声系统，包括，
超声波探头，包括呈线性阵列排布的若干个阵元，每个所述阵元用于发射超声波并接收回波，所述线性阵列的长度大于待测血管的直径；
阵元控制模块，用于控制所述阵元的运行状态，以形成不同的阵元组合，在不同位置形成超声波波束；
信号处理模块，用于接收所述阵元传输的回波，并对其进行信号处理；以及，
多普勒处理模块，用于接收所述信号处理模块传输的处理后的信号，并对其进行处理得到待测血管内的血流信息。
作为本发明所述用于对血管检测的多普勒超声系统的一种优选方案，其中：所述信号处理模块包括，
模拟信号处理模块，用于接收所述阵元传输的回波信号，并对其进行信号处理；
A/D转换模块，用于接收所述模拟信号处理模块传输的处理后的模拟信号，并将其转换为数字信号；以及，
数字信号处理模块，用于接收所述A/D转换模块传输的数字信号，并对其进行信号处理。
作为本发明所述用于对血管检测的多普勒超声系统的一种优选方案，其中：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任一所述阵元用于发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号。
作为本发明所述用于对血管检测的多普勒超声系统的一种优选方案，其中：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任一所述阵元用于发射超声波信号，并接收与其相邻的一个所述阵元发出的超声波回波信号。
作为本发明所述用于对血管检测的多普勒超声系统的一种优选方案，其中：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任一所述阵元发射的超声波信号由自身以及与其邻近的多个所述阵元接收。
作为本发明所述用于对血管检测的多普勒超声系统的一种优选方案，其中：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任意多个所述阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，并由邻近的多个所述阵元接收。
本发明还公开了一种血管的检测方法，包括，
将超声波探头放置在待测血管上方；
控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理；
通过回波信号确定位于待测血管中心的超声波波束位置；
根据位于待测血管中心的超声波波束位置选择阵元组合进行超声波的发射和接收；
对接收到的回波信号进行处理，得到待测血管内的血流信息。
作为本发明所述血管的检测方法的一种优选方案，其中：所述控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理包括，
超声波探头中，位于任一端部的阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号；
下一个阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号；
循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波发射和回波接收。
作为本发明所述血管的检测方法的一种优选方案，其中：所述控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理包括，
超声波探头中，位于任一端部的阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，同时与其相邻的阵元也接收回波信号；
下一个阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，同时与其相邻的下一个阵元也接收回波信号；
循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波发射和回波接收。
作为本发明所述血管的检测方法的一种优选方案，其中：所述控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理包括，
超声波探头中，位于任一端部的多个所述阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，并由与发射超声波信号的所述阵元临近的多个所述阵元接收；
与上述发射超声波信号的阵元相邻的下一阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，并由与发射超声波信号的所述阵元临近的多个所述阵元接收；
循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波接收。
本发明的有益效果是：
本发明将超声波探头上的阵元呈线性阵列排布，线性阵列的长度大于外周动脉血管直径，可根据线性阵列中各个阵元采集到的多普勒信号快速确定血管的中心位置，并根据中心位置采用不同的收发阵元组合和收发模式完成多普勒检查，以获得最佳的多普勒血流信息，不需要人工反复探查寻找血管位置，测量精度高，避免了数据浮动产生的误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的用于对血管检测的多普勒超声系统的框架示意图；
图2为本发明提供的用于对血管检测的多普勒超声系统中线性阵列的示意图；
图3为多普勒检查过程的示意图；
图4为实际夹角和误差角度与测量相对误差的关系对照表；
图5为本发明提供的用于对血管检测的多普勒超声系统中线性阵列的一种单发单收工作模式的示意图；
图6为本发明提供的用于对血管检测的多普勒超声系统中线性阵列的另一种单发单收工作模式的示意图；
图7为本发明提供的用于对血管检测的多普勒超声系统中线性阵列的单发多收工作模式的示意图；
图8为本发明提供的用于对血管检测的多普勒超声系统中线性阵列的多发多收工作模式的示意图；
图9为实施例中单发单收工作模式下波束定位阶段的示意图；
图10为实施例中单发多收工作模式下波束定位阶段的示意图；
图11为实施例中多发多收工作模式下波束定位阶段的示意图；
图12为实施例中多普勒检查阶段的示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施方式并结合附图，对本发明作出进一步详细的说明。
本实施例提供了一种用于对血管检测的多普勒超声系统，包括超声波探头、阵元控制模块、模拟信号处理模块、A/D转换模块、数字信号处理模块、多普勒信号处理模块、图像处理模块以及图像显示模块。
其中，超声波探头包括呈线性阵列排布的若干个阵元。每个阵元可独立用于发射超声波并接收回波。阵元控制模块用于控制阵元的运行状态，以形成不同的阵元组合进行超声波的发射和接收。具体的，通过控制不同位置的阵元工作形成阵元组合，在不同位置形成超声波收发波束，并遍历扫描范围内不同位置的波束，选择符合既定特征的波束，定位进行多普勒检查。另外，超声波探头可控制阵元发射的超声波的形式，可以是连续波，也可以是脉冲波。
超声波探头中阵元接收到的回波信号可以耦合至模拟信号处理模块。模拟信号处理模块可以对接收到的回波信号进行处理，具体包括前置放大处理、I分量和Q分量的解调等等。模拟信号处理模块处理后的信号传输至A/D转换模块。
A/D转换模块将接收到模拟信号转换成数字信号之后被耦合到数字信号处理模块。
数字信号处理模块负责进一步对信号进行处理，具体包括蒸饺带通滤波、脉冲反转或幅度调制谐波分离等等。数字信号处理模块还可对信号进行额外的增强，如消除散斑和噪声、信号复合等。
经数字信号处理模块处理过的信号被耦合至多普勒信号处理模块。多普勒信号处理模块可以处理血管中红细胞的流动信号，产生对应的多普勒值和多普勒曲线。这里的多普勒值主要是指速度量，包括最大速度、平均速度和流速的分布等，可以是上述速度的一种，也可以是多种的组合。多普勒信号处理模块还可对得到的多普勒曲线进行进一步处理，包括平滑化、去噪声等，以获得更好的多普勒曲线。通常多普勒信号处理模块还包括血管壁信号滤波器，可以滤除血管壁等低频信号。
多普勒信号处理模块处理多的多普勒值和多普勒曲线会耦合到图像处理模块。图像处理模块负责处理得到的多普勒值和多普勒曲线，并将处理后的信息耦合至图像显示模块进行显示。
图2为本实施例中超声波探头中若干个阵元呈线性阵列排布的示意图。在本实施例中，阵元有六个，每个阵元均为边长3～5mm的正方形阵元，相邻两个阵元之间的间隙d为0.3～2mm。考虑到血管的直径一般小于10mm，因此线性阵列的总长度为10～20mm。线性阵列可以是由PZT材料制成的压电换能器，也可以是PVDF材料制成的压电换能器，或是其他新型换能器制作技术。在实施例中换能器阵列是一维阵列，它也可以做成二维阵列。
需要说明的是，线性阵列的阵元数量以及阵元之间的间隔需要考虑的因素有覆盖范围、分辨率、阵元的尺寸。如图2所示，线性阵列放置在血管的上方，当线性阵列的长度方向与血管长度方向垂直时，线性阵列的长度大于血管的直径，只需要保证血管在线性阵列的覆盖范围内，就可准确测得血管内的血流信息。
图3给出了多普勒检查过程的示意图。根据多普勒频移原理，血流速度可以由多普勒频移和多普勒夹角(发射探头与血流速度的方向间的夹角)得出，如式(1)所示：
其中c为声波在人体中传播速度,约为1540m/s,θ为发射探头与血流速度v的方向间的夹角，fd为多普勒频移，fc为发射波频率，vz为测量得到的血流速度，v为实际血流速度。由式(1)可知，当血液流动的方向垂直于超声波的方向时，没有多普勒信号；当血液流动的方向与超声波的方向平行时，可获得最大的信号量。
角度校正出现偏差对最终测量值造成的误差可以表示为：
其中，θe为校正误差角度，表示角度校正的偏差，err是一个相对误差百分比。
图4示出了实际夹角和误差角度与测量相对误差的关系。由图4可知，校正误差角度θe固定时，多普勒夹角θ越大，误差err越大。当实际夹角小于60度时，校正误差角度θe带来的影响较小。因此，需要以一角度放置线性阵列，以提供小于60度的多普勒角度。该角度可以通过相对于皮肤表面的倾斜来提供。
超声波探头中，呈线性阵列排布的阵元可以在脉冲波模式下工作，也可以在连续波模式下工作。连续波是指发射阵元连续不断发射超声波信号，接收阵元连续地接收超声回波，具有很高的速度分辨力，能够检测高速血流。脉冲波是指发射阵元按一定规律间歇性地发射超声波，接收阵元通过控制接收回波的时间，获得对应深度的血流回声信息，能够提供多普勒信号的深度分辨度。脉冲波模式下，发射阵元和接收阵元可以是同一个阵元。
呈线性阵列排布的阵元可以采用单发单收模式，或者单发多收模式。下面结合具体实例列举几种工作模式。
图5给出了一种单发单收工作模式的示意图。在这种单发单收模式下，线性阵列中的每个阵元发射超声波，并接收回波，此时合成波束在阵元的中心。这种模式下，发射波是脉冲波。
图6给出了另一种单发单收工作模式的示意图。在这种单发单收模式下，线性阵列中的每个阵元发射超声波，下一个阵元接收回波，此时合成波束在两个阵元之间。这种模式下，发射波是脉冲波或者连续波。
图7给出了一种单发多收工作模式的示意图。在这种单发多收模式下，位于中部的阵元发射超声波，该阵元和位于其两侧的两个阵元均接收该超声波回波，三个阵元所接收的合成声束位置如图7所示，分别位于中部阵元的正下方和两个阵元之间。
图8给出了一种多发多收工作模式的示意图。在这种多发多收模式下，多个阵元同时发射超声波，形成合成波束，之后由邻近的多个阵元接收。图8中为第二阵元和第四阵元同时发射超声波，形成的合成波束由第一阵元、第三阵元和第五阵元接收。这种模式下，发射波是脉冲波或者连续波。
可以理解的是，多发多收工作模式下，发射超声波的阵元可以存在间隔，如上述的第二阵元和第四阵元，也可以相邻，如第二阵元和第三阵元，具体可根据实际情况进行选用。
对血管检测的整个诊断过程分为两个阶段，分别是波束定位阶段和多普勒检查阶段。在波束定位阶段，需要选择合适的收发阵元组合和收发模式，并根据线性阵列接收到的最大多普勒值阵元的位置判断血管的中心位置。多普勒检查阶段则是根据血管的中心位置确定收发阵元组合和收发模式，获得最佳的多普勒血流信息。下面结合实例进行说明。
参见图9，为单发单收工作模式下波束定位阶段的示意图。超声波探头的线性阵列中的第一阵元发射超声波信号并接收回波，在接收完成后，超声波探头的第二阵元进行超声波发射和回波的接收。以此类推，直至所有超声波探头的阵元均完成一次收发。在图9中，线性阵列的第一阵元、第二阵元、第三阵元、第七阵元和第八阵元不在血管的正上方，接收回波得到的多普勒信号功率较小，检测不到流动。第四阵元、第五阵元和第六阵元在血管的正上方，接收的回波可以得到一定功率的多普勒信号，且由于血管血流一般是层流，血管中心血流流速最大，因此第五阵元接收的回波得到的多普勒信号的功率最大，即由第五阵元接收回波得到的多普勒值最大，速度量最大，据此，可以判断血管的中心位于第五阵元下方。
参见图10，为单发多收工作模式下波束定位阶段的示意图。超声波探头的线性阵列中第三阵元发射超声波信号并接收回波，同时，第二阵元和第四阵元也接收回波。在接收完成后，超声波探头的第四阵元进行超声波发射和回波的接收，同时，第三阵元和第五阵元也接收回波。以此类推，直至所有超声波探头的阵元均完成一次收发。在图10中，线性阵列的第一阵元、第二阵元、第三阵元、第四阵元和第八阵元不在血管的正上方，接收回波得到的多普勒信号功率较小，检测不到流动。第五阵元、第六阵元和第七阵元在血管的正上方，接收的回波可以得到一定功率的多普勒信号，且由于血管血流一般是层流，血管中心血流流速最大，因此第六阵元接收的回波得到的多普勒信号的功率最大，即由第六阵元接收回波得到的多普勒值最大，速度量最大，据此，可以判断血管的中心位于第六阵元下方。
参见图11，多发多收工作模式下波束定位阶段的示意图。超声波探头的线性阵列中第二阵元和第四阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，由第一阵元、第三阵元和第五阵元接收。在接收完成后，第三阵元和第五阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，由第二阵元、第四阵元和第六阵元接收。以此类推，直至所有阵元均接收到合成波束。在图11中，线性阵列的第一阵元、第二阵元、第三阵元、第七阵元和第八阵元不在血管的正上方，接收回波得到的多普勒信号功率较小，检测不到流动。第四阵元、第五阵元和第六阵元在血管的正上方，接收的回波可以得到一定功率的多普勒信号，且由于血管血流一般是层流，血管中心血流流速最大，因此第五阵元接收的回波得到的多普勒信号的功率最大，即由第五阵元接收回波得到的多普勒值最大，速度量最大，据此，可以判断血管的中心位于第五阵元下方。
在多普勒检查阶段，根据波束定位阶段获得的血管中心位置信息，采用不同的收发阵元组合和收发模式完成多普勒检查。结合图11判断得出的中心位置位于第五阵元下方，可以采用图12所示的多发多收的检查方案，即控制超声波探头的第四阵元和第六阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，超声波探头的第三阵元、第五阵元和第七阵元接收合成波束。阵元通过发射脉冲波获得不同深度的血流信息。
本实施例还提供了一种血管的检测方法，包括步骤S101～步骤S105，具体步骤说明如下：
步骤S101：将超声波探头放置在待测血管上方。
步骤S102：控制超声波探头中的各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理。
步骤S103：通过回波信号确定位于待测血管中心的超声波波束位置。
步骤S104：根据位于待测血管中心的超声波波束位置选择阵元组合进行超声波的发射和接收；
步骤S105：对接收到的回波信号进行处理，得到待检测的血管内的血流信息。
其中，步骤S102可采用图9所示的单发单收工作模式，即超声波探头中位于任一端部的阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，之后下一个阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，循环上述步骤，直至所有超声波探头均完成超声波发射和回波接收。
可以理解的是，步骤S102也可采用图10所示的单发多收的工作模式，即超声波探头中位于任一端部的阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，同时与其相邻的多个阵元也接收回波信号，之后下一个阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，同时与其相邻的多个阵元也接收回波信号。循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波发射和回波接收。这种工作模式与图5所示的单发单收工作模式相比，合成波束位于阵元中心以及相邻两个阵元之间，可以更加准确的获取血流最大值所在的位置，即血管中心位置。
可以理解的是，步骤S102也可采用图11所示的多发多收的工作模式，超声波探头的线性阵列中第二阵元和第四阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，由第一阵元、第三阵元和第五阵元接收。在接收完成后，第三阵元和第五阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，由第二阵元、第四阵元和第六阵元接收。以此类推，直至所有阵元接收到合成波束。此种工作模式下，合成波束位于中心阵元的正下方，获得的信号质量更好，位置更为精确。
当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式；凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于对血管检测的多普勒超声系统，其特征在于：包括，
超声波探头，包括呈线性阵列排布的若干个阵元，每个所述阵元用于发射超声波并接收回波，所述线性阵列的长度大于待测血管的直径；
阵元控制模块，用于控制所述阵元的运行状态，以形成不同的阵元组合，在不同位置形成超声波波束；
信号处理模块，用于接收所述阵元传输的回波，并对其进行信号处理；以及，
多普勒处理模块，用于接收所述信号处理模块传输的处理后的信号，并对其进行处理得到待测血管内的血流信息。
2.根据权利要求1所述的用于对血管检测的多普勒超声系统，其特征在于：所述信号处理模块包括，
模拟信号处理模块，用于接收所述阵元传输的回波信号，并对其进行信号处理；
A/D转换模块，用于接收所述模拟信号处理模块传输的处理后的模拟信号，并将其转换为数字信号；以及，
数字信号处理模块，用于接收所述A/D转换模块传输的数字信号，并对其进行信号处理。
3.根据权利要求1所述的用于对血管检测的多普勒超声系统，其特征在于：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任一所述阵元用于发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号。
4.根据权利要求1所述的用于对血管检测的多普勒超声系统，其特征在于：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任一所述阵元用于发射超声波信号，并接收与其相邻的一个所述阵元发出的超声波回波信号。
5.根据权利要求1所述的用于对血管检测的多普勒超声系统，其特征在于：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任一所述阵元发射的超声波信号由自身以及与其邻近的多个所述阵元接收。
6.根据权利要求1所述的用于对血管检测的多普勒超声系统，其特征在于：呈线性阵列排布的若干个所述阵元中，任意多个所述阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，并由与发射超声波信号的所述阵元邻近的多个所述阵元接收。
7.一种血管的检测方法，包括，
将超声波探头放置在待测血管上方；
控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理；
通过回波信号确定位于待测血管中心的超声波波束位置；
根据位于待测血管中心的超声波波束位置选择阵元组合进行超声波的发射和接收；
对接收到的回波信号进行处理，得到待测血管内的血流信息。
8.根据权利要求7所述的血管的检测方法，其特征在于：所述控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理包括，
超声波探头中，位于任一端部的阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号；
下一个阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号；
循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波发射和回波接收。
9.根据权利要求7所述的血管的检测方法，其特征在于：所述控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理包括，
超声波探头中，位于任一端部的阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，同时与其相邻的阵元也接收回波信号；
下一个阵元发射超声波信号，并接收自身发出的超声波回波信号，同时与其相邻的下一个阵元也接收回波信号；
循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波发射和回波接收。
10.根据权利要求7所述的血管的检测方法，其特征在于：所述控制超声波探头中各个阵元发射超声波并接收回波，并对接收到的回波信号进行处理包括，
超声波探头中，位于任一端部的多个所述阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，并由与发射超声波信号的所述阵元临近的多个所述阵元接收；
与上述发射超声波信号的阵元相邻的下一阵元同时发射超声波信号，形成合成波束，并由与发射超声波信号的所述阵元临近的多个所述阵元接收；
循环上述步骤，直至所有阵元均完成超声波接收。
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