專利名稱:一種雙向定量測量血流絕對速度的超聲多普勒方法與儀器的制作方法
本發(fā)明屬于超聲醫(yī)用檢測。
利用連續(xù)波超聲多普勒頻移效應(yīng)來測量血流，其基本出發(fā)點是利用超聲發(fā)送/接收探頭發(fā)出超聲束照射到需檢測的血管，由接收探頭接收其回波信號，則可在其回波信號中得到一平均多普勒頻移
△f，其值為△f= (2fOcosθ)/(C)
V(1)式(1)中，f0為超聲發(fā)送頻率;C為超聲在介質(zhì)中的傳播速度;
V為需要檢測的血流剖面平均速度;θ為聲束和血流軸向速度之間的夾角。一般θ為未知，受到操作人員手法的影響。
目前利用連續(xù)波超聲多普勒頻移效應(yīng)設(shè)計的血流測量儀，按功能來看主要有二大類。一類僅實現(xiàn)了對不同方向血流成份的同步分離檢測，稱為“雙向多普勒”，而對不同方向血流的絕對流速值卻沒有給出，也即沒有能消除上述的θ角對測量血流速度值的影響。如D.A.DE約翰(Jong)等人發(fā)表在“超聲學(xué)”(ULTRASONICS)第13卷第3期的“一種雙向定量測定血流傳送速度的多普勒系統(tǒng)”一文中所述，(Adirectional quantifying Doppler systen for measurement of transport velocity of blood)。該文獻介紹的方法為采用1只超聲發(fā)送/接受探頭。利用雙參考頻率的外差式單邊帶分離制式，將接收到的回波信號與兩只參考信號(OSC1、OSC2)分別同時輸入M1、M2兩只混頻器?；祛l的輸出信號實際上經(jīng)過二只配對的，且作用于不同邊沿的單邊帶濾波器，以分離出對應(yīng)兩種不同方向血流成份的頻移USB及LSB。此外，復(fù)旦大學(xué)葉國凡、王威琪在1982年第6卷第一期《醫(yī)療器械》中發(fā)表的“單邊帶直接分離式雙向超聲多普勒血流檢測”一文中采用單邊帶直接分離制式最后也輸出表示兩種不同方向的血流成份電壓輸出。
另一類僅給出了血管中平均血流速度絕對值，而不能在同一時刻同步地分離出不同方向的血流速度絕對值。如英國去利GB 1238585介紹一種采用兩只獨立的異頻超聲發(fā)送/接收探頭，對接收到的回波信號經(jīng)過運算后，消除了θ角的影響后，最后僅輸出某一時刻的血流速度平均值，并僅指示當時占優(yōu)勢的流動方向。復(fù)旦大學(xué)王威琪、邵謙明、姚林鑫發(fā)表在“復(fù)旦學(xué)報”(自然科學(xué)版)第21卷第1期的“用雙超聲束Doppler效應(yīng)定量測定血流速度”一文中也介紹了上述類似的方法并作了一些改進，使得具體實施時較為方便，但其基本功能，基本上和上述類同。
上述二類血流檢測方法雖然已在無損檢測血流方面得到了廣泛的應(yīng)用，但其各有局限性。前者最大的缺點是由于沒有消除θ角的影響。因此無法進行流速絕對值的測量和比較;后者最大的缺點是不能應(yīng)用在人體身上意義重大的雙向血流的場合，否則不僅不能檢測小的反流，而且測出的正向流速值也可能失真很大。總之，它們都不能同步地給出同一血管內(nèi)在同一時刻中不同方向的血流速度絕對值。
本發(fā)明針對上述二類多普勒效應(yīng)血流測量方法的不足，提出一種新的設(shè)計方法，并根據(jù)此方法研制了一新型的即兼有雙向、定量二大基本功能的超聲多普勒血流測量儀。該方法采用雙超聲束的頻率互補型外差式單邊帶分離制式。通過對兩個獨立的雙向多普勒檢測單元分別產(chǎn)生的正向多普勒平均頻移
Fd1f、
Fd2f及負向多普勒平均頻移
Fd1r、
Fd2r進行“雙雙向多普勒法”的運算后，消除了聲束與血管所夾θ角對測量血流速度的影響，同時輸出正向血流絕對流速值
uf及反向血流絕對流速值
ur。
其工作原理由圖1、圖2、圖3來表示。整個框圖可分為雙向(分離)部分及定量(運算)部分。其中圖1、圖2為雙向部分，為結(jié)構(gòu)完全相同的二部分(僅超聲發(fā)送頻率不同)即上述的“兩個獨立的雙向多普勒檢測單元”。圖3為定量運算部分，即上述的“雙雙向多普勒法”，運算電路框圖。
圖1中8為超聲發(fā)送頻率振蕩器，其頻率為f01，9為中頻振蕩器，其頻率為fM，6為互補頻率分離電路。參考頻率混頻電路7對超聲發(fā)送頻率f01及中頻振蕩頻率fM進行混頻，其輸出信號f01±fM輸入互補頻率分離電路6，分別輸出f01-fM及f01+fM。同時分別輸入到兩個混頻電路2。在該部分電路中。由超聲發(fā)送頻率振蕩器產(chǎn)生的高頻振蕩信號f01推動超聲發(fā)送/接收探頭1，產(chǎn)生超聲波射入需檢測的血管，其回波信號包括了f01，f01+fd1f及f01-Fd1r。(這里為簡明起見，假設(shè)兩個方向的多普勒頻移Fd1f及Fd1r均為單一的)。通過發(fā)送/接收探頭1可直接輸入到混頻電路2。該二個混頻電路2對來自超聲發(fā)送/接收探頭1及頻率分離電路6的輸出信號f01-fM及f01+fM進行混頻后分別輸出fM+Fd1f、fM-Fd1f及fM-Fd1f、fM+Fd1r，其中Fd1f為發(fā)送/接收探頭1接收信號的正向多普勒頻移，F(xiàn)d1r為接收信號的負向多普勒頻移，混頻電路2輸出的信號通過單邊帶濾波器3后，分別輸出fM+Fd1f及fM+Fd1r，頻率解調(diào)電路4對來自單邊帶濾波器3的輸出信號以中頻振蕩器9的輸出信號fM為參考頻率進行解調(diào)，分離出Fd1f及Fd1r二路信號。這二路信號分別通過頻率電壓轉(zhuǎn)換電路5及5′。經(jīng)適當放大濾波及頻率電壓轉(zhuǎn)換后，即可輸出與多普勒頻移對應(yīng)的電壓信號
u1f及
u1r，其中輸出
u1f的頻率電壓轉(zhuǎn)換電路5的轉(zhuǎn)換系數(shù)為A，而5′的轉(zhuǎn)換系數(shù)為 (f01)/(f02) A。
圖2和圖1的結(jié)構(gòu)完全相同，僅超聲發(fā)送振蕩器8′的振蕩頻率為f02，且頻率電壓轉(zhuǎn)換電路5的輸出為
u2f及5′的輸出為
u2r。
上述部分電路的主要特點是(1)采用頻率互補混頻制式。圖1中的互補參考頻率為f01+fM及f01-fM。圖2中的互補參考頻率為f02+fM及f02-fM，從而使四個方向通道可使用性能相同的單邊帶濾波器，有利于保證通道性能的一致性，提高方向通道隔離度，對生產(chǎn)調(diào)試也帶來了很大的方便。
(2)四個混頻電路2的參考頻率f01+fM、f01-fM及f02+fM、f02-fM是由超聲發(fā)送振蕩器8及8′的信號f01與f02與中頻振蕩器9的信號經(jīng)混頻后分離獲得，這一方式使得頻率精度取決于中頻振蕩頻率，且本發(fā)明采用大大降低中頻的方式，從而提高了整機的頻率穩(wěn)定性。
(3)由于中頻fM較低，使得可采用機械濾波器作為單邊帶濾波器，其特點是濾波特性好，從而使得兩超聲發(fā)送頻率的頻差最小可約為15KHZ，避免了由于兩超聲束頻率不一致。在肌體中傳播特性上的差異的影響。本儀器實際采用雙超聲束發(fā)送頻率的頻差為30KHZ。
(4)上述電路所有混頻電路及解調(diào)電路均采用通用集成模擬乘法器來構(gòu)成。由于是采用真正的乘法來實際混頻，且本儀器中的發(fā)送/接收探頭信號直接輸入混頻電路2。從而可大大減小普通外差式中混頻所帶來的附加頻率的影響。同時又利用了乘法器本身的增益，可獲得可觀的混頻增益。此外，由于解調(diào)電路4也采用通用集成模擬乘法器來實現(xiàn)乘法解調(diào)，因而信號失真最小，且也可獲得可觀的增益。由于充分發(fā)揮了混頻及解調(diào)乘法器的增益，使得本儀器整個高頻，中頻通道可不用專門的高頻及中頻放大器，這不僅簡化了線路，而且減小了失真，提高了穩(wěn)定性，而且整個電路結(jié)構(gòu)對稱，整齊，便于生產(chǎn)與調(diào)試。
定量部分的原理可簡述如下如圖4所示。設(shè)兩超聲束同時照射到血管2上，圖中1及1′分別為二個超聲發(fā)送/接收探頭，其發(fā)送頻率分別為f01及f02，兩探頭夾角為2θ0，且2θ0＞90°，超聲束與血管中血流軸向間夾角分別為θ1、θ2。
現(xiàn)有的定量多普勒系統(tǒng)由于二個多普勒檢測單元均為非雙向的。每個多普勒檢測單元僅有一個輸出，因而定量運算處理只涉及到兩個輸出量，相對比較簡單。本發(fā)明有兩個獨立的雙向多普勒檢測單元，總共有四個輸出，即前述的
Fd1f、
Fd2f及
Fd1r、
Fd2r，因而處理的方法具有特殊性，需要重新建立。
由圖4可知，當θ(θ1或θ2)在(2θ0-90°)～90°的范圍內(nèi)變化時，對同一流速成份，由接收探頭1及1′接收到的多普勒頻移總保持符號相反。因此，當血管中同時存在雙向血流成份
uf及
ur的情況下，正向流速成份
uf將對探頭1產(chǎn)生正多普勒平均頻移
Fd1f，而對探頭1′將產(chǎn)生負多普勒平均頻移
Fd2r，它們的值分別為
而反向流速成份
ur將對探頭1產(chǎn)生負多普勒平均頻移
Fd1r而對探頭1′產(chǎn)生正多普勒平均頻移
Fd2f，它們的值分別為
式(2)(3)(4)(5)中的θ′2＝π-θ2＝2θ0-θ1因此，正向流速值
uf應(yīng)由
Fd1f及
Fd2r組合運算而得，而反向流速值
ur，則應(yīng)由
Fd1r及
Fd2r組合運算獲得。此即“雙雙向多普勒”的基本出發(fā)點。
令:
u1f=
AFd1f;
u2f= (f01)/(f02)
AFd2fu2r=A (f01)/(f02)
Fd2r;
u1r= A
Fd1r上四式中A為頻率電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)。
則由式(2)及式(3)可得
u1f=ξ
ufcosθ1(6)u2r=ξ
urcosθ2′=ξ
uf(cos2θ0cosθ1+sin2θ0sinθ1)其中ξ= (2f01)/(C) A (7)由式(3)及式(7)可得u2r-
u1fcos2θ0=ξ
ufsin2θ0sinθ1(8)由式(6)及式(8)可得
則
同理從式(4)及式(5)可得
實現(xiàn)式(10)及式(11)的運算電路框圖如圖3所示。
圖3中10及12為平方電路，兩運算電路11分成完成
的運算，13為加法電路，14為開平方電路，分別輸出正向血流速度絕對值
uf及反向血流絕對值
ur。
本發(fā)明中實際取2θ0＝120°，這使θ角向兩邊可有保持信號多普勒頻譜形狀不變的最大的偏角范圍，此時θ的變化范圍為30°～90°包括了θ的整個有效使用范圍;同時探頭也方便實用。
從式(10)及式(11)也可知，由于90°＜2θ0＜180°。cos2θ0恒為負值。因此，可用簡單的第一象限平方電路實現(xiàn)。如取2θ0＝120°，則式(10)及(11)變?yōu)?br> 本發(fā)明充分考慮了實際血流測量對兼有雙向、定量功能的要求，使連續(xù)波超聲多普勒血流測量儀達到了一個新的層次，且由于上述的各種特點，使本發(fā)明的儀器在方向通道隔離度及消除θ角的影響等各方面的指標都得到了相當?shù)奶岣摺＝?jīng)測試，本儀器的方向通道隔離度可達60db。在消除θ角的影響方面經(jīng)測試，在θ＝θ0＝60°中心位置上，θ角變化-21°～+22.5°時定量輸出誤差不超過±5%，分別優(yōu)于目前文獻中所能見到的雙向多普勒及定量多普勒的上述指標。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)對稱，器件重復(fù)性高，便于調(diào)試，易于投產(chǎn)，有臨床實用推廣基礎(chǔ)。利用本發(fā)明生產(chǎn)的血流測量儀可廣泛地用于臨床或研究中。為周圍血管疾病，心血管、腦血管等疾病的診斷，手術(shù)療效、藥效估價及血液動力學(xué)研究提供了有效的手段。
權(quán)利要求
1.一種基于連續(xù)波超聲多普勒效應(yīng)測量血流速度的方法，其特征在于用頻率互補型的外差式單邊帶分離制式來分離正向血流與反向血流成份。同時用“雙雙向多普勒法”來消除超聲入射角θ對測量血流速度絕對值的影響，從而兼有雙向定量功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于上述的“雙雙向多普勒法”是對兩個獨立的雙向多普勒檢測單元分別產(chǎn)生的正向多普勒平均頻移
Fd1f、
Fd2f及負向多普勒平均頻移
Fd1r、
Fd2r進行如下式所示的運算
后，同時輸出正向血流速度絕對值
uf及反向血流速度絕對值
ur。上式中
u1f=AFd1f;
u2f= (f01)/(f02) A
Fd2fu1r=A
Fd1r;
u2r= (f01)/(f02) A
Fd2rξ=2A (f01)/(C)其中A為頻率電壓轉(zhuǎn)換系數(shù);f01、f02分別為兩超聲束發(fā)射頻率;2θ0為二聲束之間的夾角，且2θ0＞90°。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的頻率互補混頻型的外差式單邊帶分離制式，其特征在于通過二個獨立的異頻超聲發(fā)送/接收探頭1接收超聲回波信號。分別輸入四個參考頻率分別為f01+fM、f01-fM及f02+fM、f02-fM的混頻電路。經(jīng)過四個單邊帶濾波器及頻率解調(diào)電路同時分離出
Fd1f、
Fd2f及
Fd1r、
Fd2r，其中fM為中頻振蕩頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1和2和3所述方法所設(shè)計的血流速度測量儀，其特征在于它是由下列部件組合構(gòu)成(A)兩只超聲發(fā)送/接收探頭1(B)兩只超聲發(fā)送頻率振蕩器8及8′，它們的振蕩頻率分別為f01及f02。(C)四只混頻電路2(D)四只單邊帶濾波器3(E)四只頻率解調(diào)電路4(F)四只頻率電壓轉(zhuǎn)換電路5及5′，它們的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為A及AA (f01)/(f02)(G)兩只中頻振蕩器9(H)兩只參考頻率混頻電路7及兩只互補頻率分離電路6(I)一套運算電路10、11、12、13、14，其中運算電路10、11的輸入信號分別為頻率轉(zhuǎn)換電路5、5′的輸出信號
1f、
u1r及
u2f、
u2r。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的血流測量儀，其特征在于上述混頻電路2的參考頻率由兩只發(fā)送頻率振蕩器8及8′輸出的f01及f02分別與兩只中頻振蕩器輸出的fM經(jīng)兩只參考頻率混頻電路7混頻后通過兩只互補頻率分離電路6得到。
6.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的血流測量儀，其特征在于上述的混頻電路2及頻率解調(diào)電路4均由通用集成模擬乘法器實現(xiàn)乘法混頻與乘法解調(diào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的血流測量儀，其特征在于上述的單邊帶濾波器為性能完全相同的機械濾波器，且作用于同一邊沿。
8.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的血流測量儀，其特征在于上述的兩只超聲發(fā)送/接收探頭1的固定夾角2θ0＝120°。
9.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的血流測量儀，其特征在于上述的兩只超聲發(fā)送頻率振蕩器8及8′，它們的頻率差｜f01-f02｜＝30KC。
10.根據(jù)權(quán)利要求
1、2、3所述的血流測量方法，其特征在于利用上述單邊帶濾波器3的頻率選擇性來充分抑制兩個異頻超聲發(fā)送頻率的相互干擾，使得兩超聲最小的發(fā)送頻率差約等于血流多普勒信號正向頻譜寬度與反向頻譜寬度之和。
11.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的頻率互補混頻型的外差式單邊帶分離制式，其特征在于整個高頻、中頻通道僅由混頻電路、單邊帶濾波器及頻率解調(diào)電路所構(gòu)成。
專利摘要
現(xiàn)有利用連續(xù)波超聲多普勒頻移效應(yīng)測量血流的方法或儀器，僅有雙向功能或僅有定量功能。
文檔編號A61B8/06GK85100528SQ85100528
公開日1986年5月10日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者葉國帆 申請人:復(fù)旦大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan