CN1919146A - 宽频经颅多普勒系统及变频检测脑血管血流速度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽频经颅多普勒系统及变频检测脑血管血流速度的方法，系统包括频率发生器、时序控制模块、发射机、接收机和解调采样转换模块，以及通过PC接口与所述时序控制模块通讯连接的PC系统；其中：所述频率发生器能产生多个预定频率的载波信号，并且所述时序控制模块依据PC系统的指令控制频率发生器输出不同频率的载波信号。本发明的优点是系统配置一具有一定带宽的探头，就可以发射多个不同频率的脉冲信号，最大程度地满足了临床需求。并且系统成本低，临床操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种频率可调控的宽频经颅多普勒(TCD，Transcranial Doppler)系统，以及变频检测脑血管血流速度的方法。
背景技术
经颅多普勒(TCD)是利用超声多普勒原理来无创地检测脑血管血流速度及分布的设备，对检查给大脑供血的主要动脉血流特别有价值。现已广泛应用于医院临床，并已成为一系列诊断脑血管疾病的病因、发病机制、治疗观察和预后判断等不可缺少的重要工具。
经颅多普勒仪包括经颅多普勒主机和探头(换能器)，其原理方框如图1所示，由主机系统内单一的频率源产生一固定频率的载波(例如2M)，该载波经发射控制信号调制后得到固定频率(2M)的脉冲发射信号，该2M发射信号推动相应单一频率(2M)的换能器发射出2M的超声波；之后，主机接收换能器发射的超声回波，经放大后送入解调器得到频移信号，并将得到的频移信号经A/D转换后，通过主机PC接口进入PC系统，运行于PC系统内的应用软件对转换后的频移信号进行快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)得到频移的频谱信息，并描绘在显示屏幕上，再根据描绘的频谱图，分析得到血流的动力学参数。
TCD脉冲发射信号频率(也是探头的频率)不同时，作用到人体的性能不同，探头的频率越低，穿透力越强，但图象粗造，分辨率差；探头频率越高，穿透力越弱，图象细腻，分辨率高。因此导致不同频率脉冲发射信号(探头)的适用性不同，如：
a)1MHz或1.6MHz脉冲波，适用于老年人颞窗闭合严重情形下的颅内血管探测；
b)2MHz脉冲波，适用颅内血管探测；
c)4MHz连续波，识用于颈外段血管探测；
d)8MHz连续波，适用皮肤表层血管探测；
e)16MHz、20MHz脉冲波，适用于手术中及动物实验过程浅表血管检测。
临床上，常规的经颅用2MHz脉冲波探头来获取颅内血流信号，有的机型可选配1MHz或1.6MHz脉冲波探头来增强穿透性，用来获取老年人的颅内血流信号，但图象质量较差。特别是1MHz探头，由于信号穿透力太强，接收到的反射回波减少，图象信号也比2MHz的弱，图象粗造颗粒大，对于年青人及婴幼儿如能使用2MHz以上的脉冲波可获得更好的频谱图象。另外，血流中不同性质的血栓(气栓及固栓)对不同频率信号的反射强度差别很大，根据这个特性，利用不同频率探头信号来检测栓子，可以识别气栓或固栓，其临床意义重大。并且近年来，经颅多普勒在辅助溶栓方面的应用也越来越多，不同脉冲波频率的溶栓效果也不尽相同，升频及减频，无规律变频助溶效果更优。由此可见，为了适应上述不同的用途，要求TCD的频率可调控变化，而目前的TCD设备如果需使用多频率(1MHz或1.6MHz)脉冲波，都是通过主机上配备多个独立的硬件电路，同时要加配1MHz或1.6MHz探头来实现，因此成本加大，临床操作也不方便，不能快速变换频率也就无法识别气栓及固栓，也无法实现自动变频辅助溶栓。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种频率可调控的宽频经颅多普勒系统，该系统可配接一个宽频探头，发射不同频率的脉冲信号，解决现有多频TCD设备成本高，使用不方便的问题。
本发明的另一目的是：提供变频检测脑血管血流速度的方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种宽频经颅多普勒系统，包括频率发生器、时序控制模块、发射机、接收机和解调采样转换模块，以及通过接口与所述时序控制模块通讯连接的处理/显示系统；所述时序控制模块将频率发生器输出的载波信号调制成同频率的脉冲信号送至发射机，所述发射机驱动探头发射脉冲超声波，所述接收机用于接收和放大探头拾取的回波信号并送至解调采样转换模块，所述解调采样转换模块在时序控制模块产生的控制信号作用下，对所述回波信号进行解调采样及转换处理，并将得到的数据经由接口传送到处理/显示系统进行分析处理和显示；其中：所述频率发生器能产生多个预定频率的载波信号，并且所述时序控制模块依据处理/显示系统的指令控制频率发生器输出载波信号频率的切换。
所述的宽频经颅多普勒系统，其中：所述发射机和/或接收机采用能够发射和/或接收预定频宽信号的宽带发射和/或接收机；所述处理/显示系统为PC系统，所述接口为PC接口。
所述的宽频经颅多普勒系统，其中：所述频率发生器包括至少一个时钟源，以及与时钟源连接的频率合成单元，所述频率合成单元依据时钟源产生多个预定频率载波信号。
所述的宽频经颅多普勒系统，其中：所述时序控制模块设置在FPGA内，并且所述FPGA中还设置所述频率合成单元。
所述的宽频经颅多普勒系统，其中：所述时钟源为三个不同频率的晶振，所述频率合成单元通过选择晶振并对选定的晶振频率的分频得到预定频率的载波信号。
所述的宽频经颅多普勒系统，其中：所述宽带接收机包括前级放大，以及与前级放大输出端相连的选频网络。
所述的宽频经颅多普勒系统，其中：所述选频网络为LC串联谐振回路。
8、一种变频检测脑血管血流速度的方法，包括如下步骤：
A、由频率可调控的频率发生器产生载波信号，按照预定方式设置该载波信号的频率；
B、将载波信号调制成与其同频率的脉冲波，并经发射机放大后驱动探头发射出脉冲超声波；
C、用所述探头拾取超声回波；
D、将经放大之后的超声回波信号进行处理，得到频移数字信号；
E、由PC系统对所述频移数字信号进行处理分析和显示。
所述的方法，其中：所述步骤A中的所述载波信号的频率按照预置时间间隔自动改变；所述步骤D包括如下处理：将经放大之后的超声回波信号进行解调、采样保持和A/D转换，得到频移数字信号。
所述的方法，其中：所述步骤A中的所述载波信号的频率按照预置时间间隔自动改变；所述步骤D包括如下处理：将经放大之后的超声回波信号进行A/D转换、解调和采样/保持，得到频移数字信号。
本发明的有益效果为：由于本发明的宽频经颅多普勒系统内设置一可以产生多个频率的频率发生器，并且通过PC系统的软件程序来控制频率发生器输出频率以及频率变化周期，因此本系统配置一具有一定带宽的探头，就可以发射多个不同频率的脉冲信号，最大程度地满足了临床需求。同时由于本发明系统仅配置一套频率发生器硬件电路和一个探头，因此成本低，临床操作方便。
附图说明
图1为现有技术的原理方框图；
图2为本发明的原理方框图；
图3为本发明频率发生器的一实施方案原理示意图；
图4为本发明宽带接收机前级放大加选频网络的电路示意图。
具体实施方式
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明：
如图2所示，本发明的宽频经颅多普勒系统由信号采集系统、PC接口(具体可以是USB模块)以及PC系统组成，信号采集系统与探头一起完成对颅内血流信号的采集。信号采集系统包括：一频率发生器、一时序控制模块、一发射机和宽带接收机，以及由解调单元、采样/保持电路、A/D转换单元组成的解调采样转换模块。时序控制模块主要用于产生各种控制信号，并将频率发生器输出的方波载波信号调制成与载波信号同频率的脉冲波，以及与PC系统交换数据和指令；时序控制模块输出的脉冲波经由宽带发射机驱动换能器发射出超声波，超声波发出后，碰撞到人体组织和/或细胞产生回波，回波经换能器变换后成为回波信号，回波信号经过宽带接收机放大后，由解调采样转换模依次进行解调、采样/保持、A/D转换处理，或者根据设计方案的不同，依次进行A/D转换、解调、采样/保持处理，得到的数据经由USB传送到PC机进行分析处理和显示。
与现有技术不同的是，本发明的频率发生器为一频率可调的频率发生器，其可以在一定频率范围内产生多个不同频率的载波信号，并且频率发生器输出的载波频率是由PC系统的应用软件通过时序/控制模块来选择和切换的，使频率发生器根据需要在某一时刻输出某一频率的载波信号.例如频率发生器可以产生1.7MHz～2.3MHz频率范围内的多个频率，如1.7MHz、2.0MHz和2.3MHz三个频率，那么TCD应用软件通过时序/控制模块来设置频率发生器，就可以得到频率为1.7MHz或2.0MHz或2.3MHz的一载波信号，该载波经过时序控制模块后成为1.7MHz或2.0MHz或2.3MHz的脉冲波，该脉冲波经过发射机的放大输出匹配后驱动换能器发射出脉冲超声波，根据脉冲波频率的不同，该脉冲超声波具有1.7MHz或2.0MHz或2.3MHz的频率；脉冲超声波发出后，碰撞到人体组织和/或细胞产生的回波经换能器变换后成为回波信号，回波信号的频率与发射波的频率相同，当配置的探头具有一定带宽时，就可以用一个脉冲波探头来发射1.7MHz到2.3MHz频率之间的脉冲波信号，实现了频率的变换。在诊断过程中，操作者可以根据不同年龄病人的情况选择最佳的频率，得到图象强度与细腻程度的最佳组合，操作方便。频率的设置可以采用手动方式和自动方式两种，采用手动方式时，用户通过软件设定一频率，然后TCD就以该频率为载频工作，直到下一次设置一个新的频率为止；采用自动方式时，用户通过软件设定一个时间间隔，然后TCD根据这个间隔时间，定时地在两个或者多个频率之间变换。这种通过软件调整，自动快速变频，有助于识别气栓及固栓以及增强辅助溶栓效果，最大程度地满足了临床需求。同时由于采用一个频率发生器和一个探头来实现，减少了硬件电路及探头数量，降低了变频的成本。
频率发生器包括时钟源和频率合成单元两部分，一般采用晶振作为时钟源，频率合成单元依据时钟源通过倍频、分频、合成等方式产生多个预定频率的载波信号。具体实施时，本技术方案采用了一个FPGA来完成(实现)时序控制模块和频率合成单元两部分功能，并且采用了三个不同频率的晶振作为时钟源，如图3所示，3个晶振的输出信号同时输入给FPGA，系统通过程序控制来选择不同的晶振作为时钟源，即FPGA在程序的控制下选择其中一个作为时钟源，FPGA通过对该时钟源进行分频，得到供发射机使用的脉冲波。例如，通过程序的选择，FPGA把32MHz作为时钟源，通过分频得到2MHz的脉冲波。
为了更有效地接收和放大回波信号，发射机和接收机采用能够发射和接收预定频宽信号的宽带发射/接收机。宽带接收机可以有多种方式实现，例如采用多级宽带放大器实现，或通过增加带通滤波器来实现。具体实施时可采用图2所示电路，在前级放大电路后增加选频网路，换能器接收到超声回波后将回波转换为回波信号，回波信号经过前级放大器放大后通过一个选频网路，该选频网路滤除回波信号中1.7MHz～2.3MHz以外的部分，仅保留1.7MHz～2.3MHz之间的部分，此部分即为有效的超声回波，回波的频率同发射波的频率相同。选频网路可以采用一个L-C谐振回路，筛选出1.7MHz～2.3MHz之间的部分，实现了对特定频率信号的选取。
本发明的变频检测脑血管血流速度的方法，包括如下步骤：
A、由频率可调控的频率发生器产生载波信号，并按照预定方式设置该载波信号的频率；频率设置可以采用手动方式和自动方式两种。采用手动方式时，用户通过软件设定一频率，然后仪器就以该频率为载频工作，直到下一次设置一个新的频率为止。采用自动方式时，用户通过软件设定一个时间间隔，然后仪器根据这个间隔时间，定时地在两个或者多个频率之间变换；
B、将载波信号调制成与其同频率的脉冲波，并经发射机放大后驱动探头发射出脉冲超声波；
C、用同一个探头拾取超声回波；
D、将经放大之后的超声回波信号进行解调、采样保持和A/D转换，或先进行A/D转换、解调再采样/保持，得到频移数字信号；
E、由PC系统对所述频移数字信号进行处理分析和显示。
应当理解的是，本发明所述的宽频经颅多普勒系统及变频检测脑血管血流速度的方法，上述针对较佳实施例的描述过于具体，并不能因此而理解为对本实用新型的专利保护范围的限制，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1、一种宽频经颅多普勒系统，包括频率发生器、时序控制模块、发射机、接收机和解调采样转换模块，以及通过接口与所述时序控制模块通讯连接的处理/显示系统；所述时序控制模块将频率发生器输出的载波信号调制成同频率的脉冲信号送至发射机，所述发射机驱动探头发射脉冲超声波，所述接收机用于接收和放大探头拾取的回波信号并送至解调采样转换模块，所述解调采样转换模块在时序控制模块产生的控制信号作用下，对所述回波信号进行解调采样及转换处理，并将得到的数据经由接口传送到处理/显示系统进行分析处理和显示；其特征在于：所述频率发生器能产生多个预定频率的载波信号，并且所述时序控制模块依据处理/显示系统的指令控制频率发生器输出载波信号频率的切换。
2、根据权利要求1所述的宽频经颅多普勒系统，其特征在于：所述发射机和/或接收机采用能够发射和/或接收预定频宽信号的宽带发射和/或接收机；所述处理/显示系统为PC系统，所述接口为PC接口。
3、根据权利要求2所述的宽频经颅多普勒系统，其特征在于：所述频率发生器包括至少一个时钟源，以及与时钟源连接的频率合成单元，所述频率合成单元依据时钟源产生多个预定频率载波信号。
4、根据权利要求3所述的宽频经颅多普勒系统，其特征在于：所述时序控制模块设置在FPGA内，并且所述FPGA中还设置所述频率合成单元。
5、根据权利要求4所述的宽频经颅多普勒系统，其特征在于：所述时钟源为三个不同频率的晶振，所述频率合成单元通过选择晶振并对选定的晶振频率的分频得到预定频率的载波信号。
6、根据权利要求1至5任一权利要求所述的宽频经颅多普勒系统，其特征在于：所述宽带接收机包括前级放大，以及与前级放大输出端相连的选频网络。
7、根据权利要求6所述的宽频经颅多普勒系统，其特征在于：所述选频网络为LC串联谐振回路。
8、一种变频检测脑血管血流速度的方法，包括如下步骤：
A、由频率可调控的频率发生器产生载波信号，并按照预定方式设置该载波信号的频率；
B、将载波信号调制成与其同频率的脉冲波，并经发射机放大后驱动探头发射出脉冲超声波；
C、用所述探头拾取超声回波；
D、将经放大之后的超声回波信号进行处理，得到频移数字信号；
E、由PC系统对所述频移数字信号进行处理分析和显示。
9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤A中的所述载波信号的频率按照预置时间间隔自动改变；所述步骤D包括如下处理：将经放大之后的超声回波信号进行解调、采样保持和A/D转换，得到频移数字信号。
10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤A中的所述载波信号的频率按照预置时间间隔自动改变；所述步骤D包括如下处理：将经放大之后的超声回波信号进行A/D转换、解调和采样/保持，得到频移数字信号。
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