超声血流测量中的“互相关－－频谱图”方法

本发明涉及一种超声血流测量中的“互相关—频谱图”方法，属物理测量技术领域。

用超声方法测量人体血流在临床中有广泛的应用。传统的超声血流测量是基于多普勒原理设计的。它在一定程度上解决了无创测量人体血流的问题。但是，传统的多普勒方法存在两方面固有的缺陷：(1)最大可测流速与最大可探测深度相互制约；(2)距离分辩率与速度分辩率之间相互制约。因此，当被测流速较大时，就会在输出的谱图上出现混迭现象，给临床诊断带来疑惑。如何解决高速血流测量中频谱混迭一直是人们十分关注的问题。

现有的超声多普勒血流测量中，测量结果用动态功率谱图的方式输出(见图1)。图中横坐标是时间轴；纵坐标是频偏，它与流速相当；谱图中的灰度表示特定时刻、具有某种特定流速的物体产生的回波信号的能量。谱图中在横坐标上方的部分表示正向流(即流速方向指向换能器)；横坐标下方的谱图表示反向流(即流速方向背离换能器)。当被测的血流速度比较高的时候，就会发生谱图折叠的现象。例如，较高的正向流部分将会折叠到反向流的区域中来，如图2。当更高速度的血流出现时，严重的谱图折叠会造成谱图混叠的现象，如图3。这将给临床诊断带来困难。

谱图混叠现象是多普勒血流测量系统中存在的固有的问题。为了解决这个问题，有人提出了“互相关”血流测量的方法。这种方法可以在某种程度上解决速度测量中的混叠现象。但是，普通的“互相关”方法测量的结果只能提供平均流速，而不能提供谱图显示。这样的结果既不符合医生的习惯，也不便于在临床疾病诊断中使用。

本发明的目的是研制一种超声血流测量中的“互相关—频谱图”方法，以解决长期困扰人们的高速血流测量中的频谱混迭问题，更准确地测定人体血流(特别是高速血流)。

本发明的超声血流测量中的“互相关—频谱图”方法，包括以下各步骤：

(1)由超声发射电路产生电脉冲信号，施加到换能器上，激励压电晶体，转换成超声波射入人体；

(2)由射频放大电路放大微弱的回波信号；

(3)由互相关运算器计算两次发射之间回波信号的互相关函数，并由此找到互相关函数的最大值及对应的时间位移；

(4)由互相关函数的最大值及位移量构成时域复数包络函数，并通过谱分析器计算出血流信号的动态功率谱。

本发明提出的超声血流测量中的“互相关—频谱图”方法，是一种抗混迭的血流测量新方法。这种被称为“互相关—频谱图”的新方法解决了长期困扰人们的高速血流测量中的频谱混迭问题。基于这种新的检测原理设计的仪器可用于更准确地测定人体血流(特别是高速血流)。此类仪器同时还可以用于工业生产领域中管道内流体的测量及某些运动目标速度的测量。

附图说明：

图1是正常的血流谱图。

图2是谱图折叠现象。

图3是谱图混叠现象。

图4是本发明方法的原理框图。

图5是互相关运算原理图。

图6和图7是利用本发明方法得到的抗混迭声谱图的原理。

图8是本发明方法的一个实施例。

图9是发射电路图。

图10是射频放大电路图。

图11是互相关运算器电路图。

下面结合附图，详细介绍本发明的内容。

图4-图10中，1是换能器，2是皮肤，3是超声束，4是血管，5是人体组织散射体。

图4所示为本发明方法的原理框图，各主要步骤的工作原理如下：

(1)发射电路：

在脉冲波超声血流测量系统中，超声换能器为单一压电晶体。由发射电路产生电脉冲，激励压电晶体，转换成超声波射入人体。体内脏器造成的反射波反过来再由压电晶体转换成电信号进入接收电路。

(2)射频放大电路：

由于回波信号非常微弱，因此需要经过放大才能做进一步的信息提取。图中的射频放大器必须具有一定的增益与带宽。

(3)互相关运算器：

互相关运算器用来检测两次发射期间同一运动目标产生的回波信号在时间上的位移，其原理参见图5。

从图5中可以看出，假定在两次发射的时间间隔T中，运动物体移动了距离Δd，那么在回波信号中就会出现相应的时间差Δt。简单推导可得： $>>\Delta t>=>>>2>\Delta d>>c>>->->->->>(>1>)>>>s>$

式中c是超声波在人体中的传播速度。

如果将两次发射后的回波信号做互相关运算，互相关函数必将在τ＝Δt时出现最大值。换言之，通过检测互相关函数最大值出现的时刻，就可以得到Δt。由Δt可以得到Δd。再将位移Δd除以时间T就得到了运动物体的轴向速度V。 $>>v>=>>\Delta d>T>>->->->->>(>2>)>>>s>$

用时域互相关方法得到某一指定深度下运动物体的平均速度，但是这样的结果与医生在临床中使用的频谱图是不一样的。

(4)谱分析器：

互相关器输出的结果是两次发射期间目标在回波信号中出现的时间差，这个时间差反映了物体运动的速度。

为了将这个运动信息用声谱图格式显示出来，可以用如下方法构造一个时域复数包络信号，然后通过谱分析器得到声谱图。

所构造的时域复数包络信号是：

        x(n)＝A(n)e^j(n)                 (3)

式中的幅度函数A(n)与相位函数(n)分别是 $>>A>(>n>)>=>>>R>max>>(>n>)>\; >(>>\tau >max>>(>n>)>\; >)>>->->->->>(>4>)>>>s>$

式中τ_max⁽ⁿ⁾是第n次发射与第(n+1)次发射后回波信号的互相关函数出现最大值时的位移时间；R_max⁽ⁿ)(τ_max⁽ⁿ⁾)是在位移量为τ_max^(m)时的自相关函数值。

可以证明，对(3)式构成的时域信号做傅立叶变换并求其功率谱就是传统多普勒方法得到血流信号声谱图。

(5)谱图显示：

对于在第(4)步中得到的声谱图可以按传统方法在监视器上显示。显示的格式与图一给出的例子一样，即横坐标是时间轴；纵坐标是频偏，它与流速相当；谱图中的灰度表示特定时刻、具有某种特定流速的物体产生的回波信号的能量。

与传统的多普勒血流测量相比，本发明专利提出的“互相关—声谱图”方法不仅可以给用户提供同样的声谱图显示，更重要的是本方法可测的最高流速不受约束。

声谱图显示中的最高流速与被分析的时域数据的采样率有关。在传统方法中，采样率等于发射脉冲的重复频率PRF。一旦较高的流速产生的频偏超过PRF的一半时，频谱就会发生混叠现象。采用“互相关—声谱图”方法时，如果流速比较高，可以用插值的方法将一次测得的τ_maxⁿ分成两步到达，这样就相当于将采样率PRF提高了一倍。如果将τ_maxⁿ分得更细，就相当于得到了更高的采样率。用这样的方法自然就可以避免在频谱中出现混叠现象。即使在流速比较高的情况下，也不例外(参见图6和图7)。

下面介绍本发明的一个实施例，如图8所示。

本实施例以一台普通微机作为基本的硬件平台。信号的发射、检测与分析都由自制的硬件实现。对应以上5个步骤，给出本实施例中采用的方法。

(1)发射电路(参见图9)

发射电路由两个三极管、两个VMOS管和一个变压器组成。由系统控制电路产生的两个互补的发射脉冲信号分别送给两个三极管，经过电平转换后控制VMOS管的开关。两个VMOS管交替导通，所形成的发射脉冲经过变压器耦合到换能器晶片上。

(2)射频放大电路(参见图10)

射频放大器选用AD600，这是一个宽频带、低噪声的射频放大器。

放大器的输入级串联了一个L、C谐振电路，以便有针对性地选出与发射频率相关的信号。

前置放大器输出信号送至相关运算器。

(3)互相关运算器(参见图11)

本实施例中的互相关运算器选用TMC2023数字互相关器。它是一片64位的数字相关运算专用芯片。该芯片的输入是经过放大的超声回波信号f(n)，输出就是两次发射后回波信号的自相关函数R(N)。

互相关运算器的输出经过最大相关值的检测电路，得到最大互相关值R_max⁽ⁿ⁾(τ_max⁽ⁿ⁾)和相应的时间延迟τ_max⁽ⁿ⁾。

(4)谱分析器：

谱分析器是一块商品化的TMS320C25高速信号处理卡。这是一个以TMS320C25为中心的信号处理卡。用TMS320C25汇编语言编制程序可以在5ms内实现256点复数FFT。

整个系统建立在一个通用PC机的平台上。通过一个人—机交互的界面可以控制系统工作中的必须的各种控制参数。声谱图显示在PC机的显示器上。