RU2246896C2 - Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации - Google Patents
Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации Download PDFInfo
- Publication number
- RU2246896C2 RU2246896C2 RU2001129271/14A RU2001129271A RU2246896C2 RU 2246896 C2 RU2246896 C2 RU 2246896C2 RU 2001129271/14 A RU2001129271/14 A RU 2001129271/14A RU 2001129271 A RU2001129271 A RU 2001129271A RU 2246896 C2 RU2246896 C2 RU 2246896C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- blood flow
- measuring
- blood circulation
- flow velocity
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и предназначено для измерения скорости кровотока при кардиодиагностике или исследовании гемодинамики неинвазивным методом. Способ измерения скорости кровотока осуществляют путем ультразвуковой доплеровской эхолокации кровотока на выбранном участке сердечно-сосудистой системы, определения проекций вектора скорости кровотока и вычисления скорости кровотока, при этом эхолокацию кровотока на выбранном участке проводят не менее чем тремя некомпланарными зондирующими ультразвуковыми лучами, установленными под углами относительно выбранного участка сердечно-сосудистой системы в диапазоне от 0 до ± 80°, измеряют углы ориентации выбранного участка кровотока относительно зондирующих ультразвуковых лучей и доплеровские сдвиги частот по каждому каналу измерения и вычисляют скорость кровотока в соответствии с выражениями
где i=1, 2, 3,
ω0i - частота излучения ультразвуковых колебаний в i-ом луче,
Δωi - доплеровский сдвиг частот в i-канале измерения,
V - скорость распространения ультразвуковых волн в среде,
ϑk - скорость кровотока на выбранном участке,
ϑki - проекции скорости кровотока на i-зондирующий луч,
а, b, с, h, k, n11, n12, n13 - коэффициенты, зависящие от углов ориентации ультразвуковых лучей. Устройство для измерения скорости кровотока содержит измерительный блок с ультразвуковыми датчиками и электронный блок, включающий коммутатор, генератор высоких частот, вычислитель, блок индикации и управления, при этом измерительный блок выполнен в виде браслета, секции которого соединены между собой посредством регулируемых шарниров, и включает датчики углов ориентации боковых секций относительно центральной секции и датчики углов ориентации ультразвуковых датчиков относительно i-ой секции, где i=1, 2, 3, соединенные с вычислителем, коммутатором, блоком индикации и управления, соединенным с генератором высоких частот, ультразвуковые датчики измерительного блока соединены через коммутатор с генератором высоких частот. Использование изобретения позволяет повысить точность измерения скорости кровотока и расширить область применения в медицинской практике за счет определения угловой ориентации участка кровотока относительно зондирующих лучей. 2 c.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области медицины и медицинской техники и может быть использовано для измерения скорости кровотока при кардиодиагностике и исследовании гемодинамики неинвазивным методом.
Известен широко применяемый в практической медицине способ определения скорости кровотока на отдельных участках сердечно-сосудистой системы (ССС), основанный на методе доплеровской ультразвуковой эхолокации. Принцип измерения скорости кровотока на отдельных участках ССС на основе метода эхолокации заключается в использовании эффекта Доплера, устанавливающего зависимость доплеровского сдвига частот (Δω) зондирующего и отраженного ультразвуковых лучей (УЗ-лучей) от измеряемой скорости кровотока (ϑk).
В качестве аналогов предлагаемого способа могут быть приняты патенты США [1], [2]. Анализ существующих аналогов способов определения скорости кровотока на основе метода эхолокации показывает, что им характерен общий принципиальный недостаток, заключающийся в том, что в действительности с учетом пространственной взаимной ориентации вектора скорости (
) относительно направления (
) зондирующего УЗ-луча однозначная зависимость между величинами ϑk и Δω нарушается, она требует знания углов взаимной ориентации векторов (
и 
). Неучет этого фактора приводит к проявлению на практике методических погрешностей в определении скорости кровотока (ϑk), которая будет тем больше, чем больше пространственный угол 
отличается от нуля, т.е. от условия коллинеарности векторов 
и 
.
Для ограничения влияния указанного фактора на точность измерения скорости кровотока в существующих способах эхолокации ограничивают угол между направлением определяемой скорости кровотока ϑk и направлением 
зондирующего УЗ-луча в пределах величин, не превышающих 20°. Однако это условие трудно практически выполнить и оно в значительной степени ограничивает выбор и исследование участка ССС, в котором требуется определить скорость кровотока. Знание углов ориентации исследуемого участка кровотока относительно опорной системы координат может способствовать расширению области исследования ССС, а также получению информации о скорости кровотока ϑk с высокой точностью (без методических погрешностей).
Другими словами, существующие способы и устройства определения скорости кровотока на основе метода эхолокации (аналоги способа) дают неполную информацию о параметрах кровотока в исследуемых участках ССС, т.к. позволяют определить только
величину скорости кровотока 
по модулю (причем со значительными методическими погрешностями, достигающими нескольких единиц - десятков процентов) и не позволяют определить ориентацию в пространстве исследуемых участков сосудистой системы.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу измерения параметров кровотока, является патент США [3], принятый за прототип. Этот способ основан на методе эхолокации с использованием одного УЗ-луча. Причем информация о продольной (осевой) составляющей скорости кровотока получается на основе использования эффекта Доплера, а информация о поперечных составляющих скорости кровотока, обусловленных боковыми перетоками крови, получается на основе метода хронометрии путем измерения времени боковых перетоков жидкости по ширине УЗ-луча в исследуемой области ССС. По измеренным продольной и поперечной составляющим скорости формируется информация о трехмерной величине скорости кровотока 
.
Недостатками прототипа являются низкая точность определения продольной составляющей скорости кровотока (из-за проявления методических погрешностей измерения - до десятков процентов), невысокая точность определения поперечных составляющих скорости кровотока (в перпендикулярных направлениях относительно зондирующего УЗ-луча), обусловленная большими погрешностями в определении ширины УЗ-луча, а также ограниченность области применения предлагаемого способа (по прототипу) режимами ламинарного течения жидкости. В частности, последний недостаток прототипа не позволит использовать его для тех участков ССС, где режим кровотока турбулентный (аорта, артерии, артериолы, вены и венулы), а не ламинарный (капилляры). Таким образом, прототип предлагаемого изобретения имеет узкую область применения и ограничен на практике по режиму течения жидкости.
Известна также система для измерения направленных составляющих скорости движения органов, в том числе и кровотока, в котором имеется матрица ультразвуковых датчиков, образующих совместно с коммутирующим узлом и вычислителем независимые каналы измерения и вычисления [4]. Однако недостатком этого устройства (принятого за прототип) является невозможность осуществления предлагаемого способа определения скорости кровотока из-за несогласованности измерений продольной (вдоль УЗ-луча) и поперечных (по нормали к направлению распространения УЗ-луча) составляющих скорости кровотока. В свою очередь, несогласованность работы каналов измерения обусловлена тем, что первичная информация для трех каналов измерения формируется на основе использования одного (но сканирующего) УЗ-луча. Поэтому обработка УЗ-информации в данном устройстве сводится лишь к определению направленных составляющих скорости движения органов и к вычислению функций взаимной корреляции этих составляющих.
Предлагаемыми изобретениями решается задача расширения области применения в медицинской практике способа и устройства ультразвуковой диагностики. Для получения такого технического результата и повышения точности измерения скорости кровотока в предлагаемом способе измерения скорости кровотока, основанном на использовании метода эхолокации, дополнительно определяют угловую ориентацию исследуемого участка сердечно-сосудистой системы относительно трех зондирующих УЗ-лучей, фиксируя при этом углы ориентации УЗ-лучей относительно исследуемого участка ССС в диапазоне от 0° до ±80°, соответствующие доплеровские сдвиги частот Δωi, а скорость кровотока ϑk определяют с учетом измеренных углов ориентации и доплеровских сдвигов частот Δωi, в соответствии с выражениями
где ω0i - частота излучения i-го УЗ-луча,
Δωi - доплеровский сдвиг частот i-го отраженного УЗ-луча относительно i-го зондирующего УЗ-луча,
V - скорость распространения УЗ-волн в среде (для мягкой биологической ткани V=1540 м/с),
ϑki - проекция вектора скорости кровотока 
на направление i-го УЗ-луча,
a, b, c, h, k, n11, n12, n13 - коэффициенты, зависящие от углов ориентации УЗ-лучей.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются
- измерение углов ориентации исследуемого участка кровотока в пространстве относительно зондирующих УЗ-лучей,
- измерение скорости кровотока не менее чем по трем каналам с использованием в пространстве некомпланарных зондирующих УЗ-лучей, установленных под углами относительно участка ССС в диапазоне 0°...±80°.
Указанные отличительные признаки способа позволяют повысить точность измерения скорости кровотока, расширить область применения способа вне зависимости от течения кровотока и получить дополнительную информацию об угловой ориентации исследуемых участков ССС.
Для достижения названного технического результата предлагается устройство, представляющее собой измерительно-вычислительный комплекс, состоящий из измерительного блока с ультразвуковыми датчиками, датчиками углов и электронного блока, в состав которого входят генератор высоких частот, коммутатор, вычислитель, блок индикации и управления.
Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что измерительный блок выполнен в виде браслета, секции которого соединены между собой посредством регулируемых шарниров, и включает датчики углов ориентации боковых секций относительно центральной секции и датчики углов ориентации ультразвуковых датчиков относительно i-ой секции (где i=1, 2, 3), соединенные с вычислителем, подключенным к коммутатору, блоку индикации и управления.
Предлагаемые изобретения поясняются чертежами. На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 представлена схема размещения измерительного блока (выполненного в виде браслета) на пациенте (на руке).
Предлагаемое устройство состоит (см. фиг.1) из измерительного блока 1 с ультразвуковыми датчиками (УЗД) и датчиками углов (ДУ) 2, 3, выполненного в виде браслета (см. фиг.2), и электронного блока, состоящего из коммутатора 4, генератора высоких частот 5, вычислителя 6, блока индикации и управления 7. Секции измерительного блока (браслета) 1 соединены между собой с помощью регулируемых шарниров (на чертежах не показаны). Датчики углов позволяют измерить углы βj (j=2, 3) ориентации боковых секций (j=2, 3) относительно центральной (j=1) секции (ДУ-2) и углы αi (i=1, 2, 3) ориентации УЗД относительно i-ой секции (ДУ-3).
Датчики углов ориентации ультразвуковых датчиков (ДУ-3) относительно соответствующей секции соединены с вычислителем 6, подключенным к коммутатору 4, блоку индикации и управления 7 и соединенным с генератором высоких частот 5. При этом ультразвуковые датчики УЗД измерительного блока 1 соединены через коммутатор 4 с генератором высоких частот 5.
В качестве вычислительного блока 6 может быть использован универсальный компьютер типа IBM AT/XT или Apple Macintosh с клавиатурой и другой периферией.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Система n (n≥3) ультразвуковых лучей взаимодействует с определенной точкой выбранного участка сердечно-сосудистой системы. Механическое взаимодействие каждого из зондирующих УЗ-лучей с кровотоком в данной точке участка ССС приводит к появлению эффекта Доплера и соответствующему доплеровскому сдвигу частот зондирующих и отраженных лучей. Регистрируют углы ориентации в пространстве УЗ-лучей.
Для осуществления способа измерительный блок (браслет) крепят на область человеческого тела, где требуется произвести измерение параметров кровотока в артериальных или венозных участках ССС. Устройство может работать в одном из двух режимов: режиме настройки и в рабочем режиме (в режиме идентификации кровотока).
В режиме настройки измерительный блок и блок электроники настраиваются на выполнение условия обеспечения акустического контакта всех n (n≥3) ультразвуковых лучей с одной точкой выбранного участка сердечно-сосудистой системы. Это условие выполняется, если реализуется алгоритм настройки:
где H1; H2; θ - конструктивные параметры секций измерительного блока,
α1 - угол настройки УЗ-датчика средней секции,
l - расстояние от УДЗ средней секции до контрольной точки сосуда,
α2, α3 - углы ориентации УЗД боковых секций.
Расстояние l определяют с помощью УЗ-датчика средней секции путем переключения его в режим ультразвуковой дальномерной эхолокации.
Углы взаимной ориентации β2 и β3 боковых секций с УЗ-датчиками УЗД-2 и УЗД-3 относительно средней секции определяют с помощью датчиков углов 2. Углы αi (
) ориентации УЗ-датчиков в азимуте выставляют путем поворотов датчиков относительно секций и контролируют с помощью датчиков углов 3 (шкал). Сигналы, пропорциональные величинам sin αI; cosαi (
), вводят в вычислитель 6.
В рабочем режиме (режиме идентификации кровотока) УЗ-датчики УЗД-1, УЗД-2 и УЗД-3 попеременно подключают через коммутатор 4 к генератору 5 и обеспечивают ультразвуковую доплеровскую эхолокацию кровотока в контрольной точке выбранного участка сердечно-сосудистой системы. При этом за счет переключения каждого УЗ-датчика попеременно в режим излучателя, а затем - в режим приемника выделяют три доплеровских сдвига частот Δω0 (
)
Из выражения (3) находим проекции вектора скорости
На основе измерения углов αi (
), βj (j=2, 3) и вычисления составляющих скорости ϑki (
) для системы трех доплеровских УЗ-лучей можно составить векторно-матричное уравнение
где N - квадратная матрица (3×3),
ϑk - модуль вектора скорости кровотока,
α; β - углы ориентации вектора ϑk.
Причем коэффициенты матрицы N зависят от углов ориентации Θ, αi, βj.
Обращением векторно-матричного уравнения (5) находим искомое решение
где N-1 - обратная матрица.
Алгоритм идентификации параметров кровотока (ϑk; α; β), реализующий решение (7), может быть найден на основе метода Крамера.
Алгоритм идентификации в виде соотношений (8), (9) реализуется с помощью вычислителя.
В отличие от существующих способов ультразвуковой доплеровской эхолокации, позволяющих определить лишь один параметр кровотока (скорость ϑk), причем со значительными методическими погрешностями, обусловленными неучетом конкретной ориентации вектора 
в пространстве относительно измерителя, предлагаемый способ обеспечивает получение более полной 
(ϑk α β) и достоверной (точной) информации о скорости 
кровотока.
Источники информации
1. Патент США №5363851 А. Оценка скорости потока. Опубл. 15.11.94.
2. Патент США №5373847 А. Способ цветной доплерографии для исследования кровотока у пациента. Опубл. 20.12.94.
3. Патент США №5390677 А. Способ и устройство для определения и отображения трехмерной величины скорости крови. Опубл. 21.02.95 (прототип способа).
4. Патент США №5000184. Система для измерения направленных составляющих с использованием эхографии. Опубл. 19.03.1991 (прототип устройства).
Claims (2)
1. Способ измерения скорости кровотока путем ультразвуковой доплеровской эхолокации кровотока на выбранном участке сердечно-сосудистой системы, определения проекций вектора скорости кровотока и вычисления скорости кровотока, отличающийся тем, что эхолокацию кровотока на выбранном участке проводят не менее чем тремя некомпланарными зондирующими ультразвуковыми лучами, установленными под углами относительно выбранного участка сердечно-сосудистой системы в диапазоне от 0 до ±80°, измеряют углы ориентации выбранного участка кровотока относительно зондирующих ультразвуковых лучей и доплеровские сдвиги частот по каждому каналу измерения и вычисляют скорость кровотока в соответствии с выражениями
где i=1, 2, 3,
ω0i - частота излучения ультразвуковых колебаний в i-м луче,
ωi - доплеровский сдвиг частот в i-м канале измерения,
V - скорость распространения ультразвуковых волн в среде,
ϑk - скорость кровотока на выбранном участке,
ϑki - проекция скорости кровотока на i-й - зондирующий луч,
а, b, с, h, k, n11, n12, n13, - коэффициенты, зависящие от углов ориентации ультразвуковых лучей.
2. Устройство для измерения скорости кровотока, содержащее измерительный блок с ультразвуковыми датчиками и электронный блок, включающий коммутатор, генератор высоких частот, вычислитель, блок индикации и управления, отличающееся тем, что измерительный блок выполнен в виде браслета, секции которого соединены между собой посредством регулируемых шарниров, и включает датчики углов ориентации боковых секций относительно центральной секции и датчики углов ориентации ультразвуковых датчиков относительно i-й секции, где i=1, 2, 3, соединенные с вычислителем, подключенным к коммутатору, блоку индикации и управления и соединенным с генератором высоких частот, при этом ультразвуковые датчики измерительного блока соединены через коммутатор с генератором высоких частот.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001129271/14A RU2246896C2 (ru) | 2001-10-30 | 2001-10-30 | Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001129271/14A RU2246896C2 (ru) | 2001-10-30 | 2001-10-30 | Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001129271A RU2001129271A (ru) | 2003-06-27 |
| RU2246896C2 true RU2246896C2 (ru) | 2005-02-27 |
Family
ID=35286455
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001129271/14A RU2246896C2 (ru) | 2001-10-30 | 2001-10-30 | Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2246896C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623301C2 (ru) * | 2011-06-30 | 2017-06-23 | Конинклейке Филипс Н.В. | Способ и устройство для автоматизированной доплеровской оценки угла и скорости потока |
| RU2813806C1 (ru) * | 2023-02-13 | 2024-02-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" | Способ измерения скорости кровотока системой ультразвуковых датчиков |
-
2001
- 2001-10-30 RU RU2001129271/14A patent/RU2246896C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2623301C2 (ru) * | 2011-06-30 | 2017-06-23 | Конинклейке Филипс Н.В. | Способ и устройство для автоматизированной доплеровской оценки угла и скорости потока |
| RU2813806C1 (ru) * | 2023-02-13 | 2024-02-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина" | Способ измерения скорости кровотока системой ультразвуковых датчиков |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Jensen et al. | Ultrasound vector flow imaging—Part I: Sequential systems | |
| CN106999162B (zh) | 超声波诊断装置以及弹性评价方法 | |
| EP0909395B1 (en) | Apparatus for determining movements and velocities of moving objects | |
| Boulnois et al. | Non-invasive cardiac output monitoring by aortic blood flow measurement with the Dynemo 3000 | |
| US20050240101A1 (en) | Ultrasonograph and method for controlling ultrasonograph | |
| JPH06237929A (ja) | 超音波エコーグラフィによる動脈の弾力性測定装置及び方法 | |
| Hoskins | A review of the measurement of blood velocity and related quantities using Doppler ultrasound | |
| Hoskins | A comparison of single-and dual-beam methods for maximum velocity estimation | |
| JP5998197B2 (ja) | 生体の血管径連続測定装置 | |
| Tortoli et al. | Accurate Doppler angle estimation for vector flow measurements | |
| JP2001061840A (ja) | 超音波診断装置 | |
| US11490876B2 (en) | Ultrasonic diagnostic device and method for evaluating physical properties of biological tissue | |
| JP2005074146A (ja) | 超音波測定方法、超音波発生機構 | |
| US6726628B2 (en) | Angle-independent doppler system for screening | |
| RU2246896C2 (ru) | Способ измерения скорости кровотока и устройство для его реализации | |
| US20100312110A1 (en) | Ultrasonograph | |
| JPS6253182B2 (ru) | ||
| JP2018099180A (ja) | 超音波信号処理装置、および、それを用いた超音波送受信装置 | |
| KR20080087408A (ko) | 도플러 초음파 진단용 초음파 탐촉자 시스템 | |
| JP2002224063A (ja) | 脈波伝播速度計測装置及び超音波診断装置 | |
| Eriksson et al. | A microcirculation phantom for performance testing of blood perfusion measurement equipment | |
| Feletti et al. | Physical Principles and Image Creation | |
| JPH078485A (ja) | 超音波診断装置 | |
| JP2004305236A (ja) | 超音波診断装置 | |
| JP2005211590A (ja) | 超音波距離測定方法、超音波距離測定装置および超音波診断装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131031 |