專利名稱：超聲血流測量中的“互相關－－頻譜圖”方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲血流測量中的“互相關—頻譜圖”方法，屬物理測量技術領域。
用超聲方法測量人體血流在臨床中有廣泛的應用。傳統的超聲血流測量是基于多普勒原理設計的。它在一定程度上解決了無創測量人體血流的問題。但是，傳統的多普勒方法存在兩方面固有的缺陷(1)最大可測流速與最大可探測深度相互制約；(2)距離分辯率與速度分辯率之間相互制約。因此，當被測流速較大時，就會在輸出的譜圖上出現混迭現象，給臨床診斷帶來疑惑。如何解決高速血流測量中頻譜混迭一直是人們十分關注的問題。
現有的超聲多普勒血流測量中，測量結果用動態功率譜圖的方式輸出(見圖1)。圖中橫坐標是時間軸；縱坐標是頻偏，它與流速相當；譜圖中的灰度表示特定時刻、具有某種特定流速的物體產生的回波信號的能量。譜圖中在橫坐標上方的部分表示正向流(即流速方向指向換能器)；橫坐標下方的譜圖表示反向流(即流速方向背離換能器)。當被測的血流速度比較高的時候，就會發生譜圖折疊的現象。例如，較高的正向流部分將會折疊到反向流的區域中來，如圖2。當更高速度的血流出現時，嚴重的譜圖折疊會造成譜圖混疊的現象，如圖3。這將給臨床診斷帶來困難。
譜圖混疊現象是多普勒血流測量系統中存在的固有的問題。為了解決這個問題，有人提出了“互相關”血流測量的方法。這種方法可以在某種程度上解決速度測量中的混疊現象。但是，普通的“互相關”方法測量的結果只能提供平均流速，而不能提供譜圖顯示。這樣的結果既不符合醫生的習慣，也不便于在臨床疾病診斷中使用。
本發明的目的是研制一種超聲血流測量中的“互相關—頻譜圖”方法，以解決長期困擾人們的高速血流測量中的頻譜混迭問題，更準確地測定人體血流(特別是高速血流)。
本發明的超聲血流測量中的“互相關—頻譜圖”方法，包括以下各步驟(1)由超聲發射電路產生電脈沖信號，施加到換能器上，激勵壓電晶體，轉換成超聲波射入人體；(2)由射頻放大電路放大微弱的回波信號；(3)由互相關運算器計算兩次發射之間回波信號的互相關函數，并由此找到互相關函數的最大值及對應的時間位移；(4)由互相關函數的最大值及位移量構成時域復數包絡函數，并通過譜分析器計算出血流信號的動態功率譜。
本發明提出的超聲血流測量中的“互相關—頻譜圖”方法，是一種抗混迭的血流測量新方法。這種被稱為“互相關—頻譜圖”的新方法解決了長期困擾人們的高速血流測量中的頻譜混迭問題。基于這種新的檢測原理設計的儀器可用于更準確地測定人體血流(特別是高速血流)。此類儀器同時還可以用于工業生產領域中管道內流體的測量及某些運動目標速度的測量。


圖1是正常的血流譜圖。
圖2是譜圖折疊現象。
圖3是譜圖混疊現象。
圖4是本發明方法的原理框圖。
圖5是互相關運算原理圖。
圖6和圖7是利用本發明方法得到的抗混迭聲譜圖的原理。
圖8是本發明方法的一個實施例。
圖9是發射電路圖。
圖10是射頻放大電路圖。
圖11是互相關運算器電路圖。
下面結合附圖，詳細介紹本發明的內容。
圖4-圖10中，1是換能器，2是皮膚，3是超聲束，4是血管，5是人體組織散射體。
圖4所示為本發明方法的原理框圖，各主要步驟的工作原理如下(1)發射電路在脈沖波超聲血流測量系統中，超聲換能器為單一壓電晶體。由發射電路產生電脈沖，激勵壓電晶體，轉換成超聲波射入人體。體內臟器造成的反射波反過來再由壓電晶體轉換成電信號進入接收電路。
(2)射頻放大電路由于回波信號非常微弱，因此需要經過放大才能做進一步的信息提取。圖中的射頻放大器必須具有一定的增益與帶寬。
(3)互相關運算器互相關運算器用來檢測兩次發射期間同一運動目標產生的回波信號在時間上的位移，其原理參見圖5。
從圖5中可以看出，假定在兩次發射的時間間隔T中，運動物體移動了距離Δd，那么在回波信號中就會出現相應的時間差Δt。簡單推導可得Δt=2Δdc----(1)]]>式中c是超聲波在人體中的傳播速度。
如果將兩次發射后的回波信號做互相關運算，互相關函數必將在τ＝Δt時出現最大值。換言之，通過檢測互相關函數最大值出現的時刻，就可以得到Δt。由Δt可以得到Δd。再將位移Δd除以時間T就得到了運動物體的軸向速度V。v=ΔdT----(2)]]>用時域互相關方法得到某一指定深度下運動物體的平均速度，但是這樣的結果與醫生在臨床中使用的頻譜圖是不一樣的。
(4)譜分析器互相關器輸出的結果是兩次發射期間目標在回波信號中出現的時間差，這個時間差反映了物體運動的速度。
為了將這個運動信息用聲譜圖格式顯示出來，可以用如下方法構造一個時域復數包絡信號，然后通過譜分析器得到聲譜圖。
所構造的時域復數包絡信號是x(n)＝A(n)ej(n)(3)式中的幅度函數A(n)與相位函數(n)分別是A(n)=Rmax(n)(τmax(n))----(4)]]>

式中τmax(n)是第n次發射與第(n+1)次發射后回波信號的互相關函數出現最大值時的位移時間；Rmax(n)(τmax(n))是在位移量為τmax(m)時的自相關函數值。
可以證明，對(3)式構成的時域信號做傅立葉變換并求其功率譜就是傳統多普勒方法得到血流信號聲譜圖。
(5)譜圖顯示對于在第(4)步中得到的聲譜圖可以按傳統方法在監視器上顯示。顯示的格式與圖一給出的例子一樣，即橫坐標是時間軸；縱坐標是頻偏，它與流速相當；譜圖中的灰度表示特定時刻、具有某種特定流速的物體產生的回波信號的能量。
與傳統的多普勒血流測量相比，本發明專利提出的“互相關—聲譜圖”方法不僅可以給用戶提供同樣的聲譜圖顯示，更重要的是本方法可測的最高流速不受約束。
聲譜圖顯示中的最高流速與被分析的時域數據的采樣率有關。在傳統方法中，采樣率等于發射脈沖的重復頻率PRF。一旦較高的流速產生的頻偏超過PRF的一半時，頻譜就會發生混疊現象。采用“互相關—聲譜圖”方法時，如果流速比較高，可以用插值的方法將一次測得的τmaxn分成兩步到達，這樣就相當于將采樣率PRF提高了一倍。如果將τmaxn分得更細，就相當于得到了更高的采樣率。用這樣的方法自然就可以避免在頻譜中出現混疊現象。即使在流速比較高的情況下，也不例外(參見圖6和圖7)。
下面介紹本發明的一個實施例，如圖8所示。
本實施例以一臺普通微機作為基本的硬件平臺。信號的發射、檢測與分析都由自制的硬件實現。對應以上5個步驟，給出本實施例中采用的方法。
(1)發射電路(參見圖9)發射電路由兩個三極管、兩個VMOS管和一個變壓器組成。由系統控制電路產生的兩個互補的發射脈沖信號分別送給兩個三極管，經過電平轉換后控制VMOS管的開關。兩個VMOS管交替導通，所形成的發射脈沖經過變壓器耦合到換能器晶片上。
(2)射頻放大電路(參見圖10)射頻放大器選用AD600，這是一個寬頻帶、低噪聲的射頻放大器。
放大器的輸入級串聯了一個L、C諧振電路，以便有針對性地選出與發射頻率相關的信號。
前置放大器輸出信號送至相關運算器。
(3)互相關運算器(參見圖11)本實施例中的互相關運算器選用TMC2023數字互相關器。它是一片64位的數字相關運算專用芯片。該芯片的輸入是經過放大的超聲回波信號f(n)，輸出就是兩次發射后回波信號的自相關函數R(N)。
互相關運算器的輸出經過最大相關值的檢測電路，得到最大互相關值Rmax(n)(τmax(n))和相應的時間延遲τmax(n)。
(4)譜分析器譜分析器是一塊商品化的TMS320C25高速信號處理卡。這是一個以TMS320C25為中心的信號處理卡。用TMS320C25匯編語言編制程序可以在5ms內實現256點復數FFT。
整個系統建立在一個通用PC機的平臺上。通過一個人—機交互的界面可以控制系統工作中的必須的各種控制參數。聲譜圖顯示在PC機的顯示器上。
權利要求
1.一種超聲血流測量中的“互相關—頻譜圖”方法，其特征在于，該方法包括以下各步驟(1)由超聲發射電路產生電脈沖信號，施加到換能器上，激勵壓電晶體，轉換成超聲波射入人體；(2)由射頻放大電路放大微弱的回波信號；(3)由互相關運算器計算兩次發射之間回波信號的互相關函數，并由此找到互相關函數的最大值及對應的時間位移；(4)通過譜分析器由互相關函數的最大值及位移量構成時域復數包絡函數，并由此計算出血流信號的動態功率譜。
全文摘要
本發明涉及超聲血流測量中的“互相關—頻譜圖”方法,該方法由超聲發射電路產生脈沖信號,產生電脈沖信號施加到控制器上,由射頻放大電路將回波信號放大,再由互相關運算器計算兩次發射之間回波信號的互相關系數,最后,由相關函數構成時域復數包絡函數,并通過譜分析器計算出血流信號的動態功率。本發明的方法解決了長期困擾人們的高速血流測量中的頻譜混迭問題,可廣泛應用于醫學和工業中。
文檔編號A61B8/06GK1191711SQ9810090
公開日1998年9月2日 申請日期1998年3月13日 優先權日1998年3月13日
發明者高上凱 申請人:清華大學