用超聲回波術快速測定血液流速的儀器的製作方法

2023-05-30 05:27:51 1

專利名稱：用超聲回波術快速測定血液流速的儀器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據N個連續回波記錄信號的序列測定血液流速的儀器，該儀器包括一M點固定回波消除器，其後設有一流速測定裝置，用以通過對所述固定回波消除器提供的N-M+1個獨立信號進行相關/求和/插值的處理，測定所述血液流速。
本發明用在回波記錄法測定血管中血液流速的一般場合，特別是用以映示血流的情況，特別有利。
從歐洲專利申請0225667(PHF85/593)中可以了解到上述那種測量儀的情況，其中所述測定裝置由一存儲器、一個相關裝置一加法器和一插值電路構成，存儲器中存儲著所述N-M+1個獨立信號，相關裝置給所存儲的N-M+1個信號提供N-M個組間相關函數，加法器提供平均組間相關函數，插值電路能確定平均組間相關函數的最大值，也叫組件相關峰值，該峰值的位置與有關的血液流速直接有關。實際上，不難想像，該已知測定儀是利用了這樣一個事實實現的，即由移動著的目標所返回的連續超聲波信號，在再現周期為T的循環傳輸的情況下，可與下列方程聯繫起來Sn+1(t)＝Sn(t-τ)這意味著信號n+1與前一個信號n一模一樣，只是時移為τ。後者表示超聲波從一激發過程到另一激發過程經過從變換器至目標再返回到變換器所需要的增補時間。換句話說τ＝2VT/C
其中V是目標的速率，C是音速。看來測定τ就可以測出有關的速率V。
在寬度為W的窗口中Sn(t)與Sn+1(t)之間的組間相關函數可用下列關係式定義Cn，n + 1( t o ，u ) =t ot o + wSn + 1( t + u ) Sn( t ) d t]]>因而下列關係成立Cn，n+1(to，u)＝Cnn(to，u-τ)時間to與掃描深度Z的關係為to＝2z/c。
函數Cnn(to，u)是自相關函數，因此u等於零時為最大。
這樣，求出函數Cn，n+1(to，u)處於最大值時的參數u就可以測定出時移τ，從而測出速率V。若此最大值是相對於u的uo值求出的，就可以利用等式uo＝和V＝uoC/2T由此導出τ。
這裡所引用的歐洲專利申請中所述的測量儀對血液流速的測定及其映象方面作出了決定性的貢獻。但應該指出的是，測定結果的精確度取決於為形成所述平均值的組間相關函數的數目，也就是說，對已知儀器來說為N-M個。因此為了減小測量偏差，增加應同時處理的信號數目N或減少固定回波消除器的點M的數目是有利的。事實上，要將M減小到大致上小於3或4幾乎是不可能的。大家都知道，在對測定速率的大致範圍作出任何預測之前是非使用固定回波消除器不可的，因為血管壁的反射率高，可能比血液(白細胞)的反射係數高40分貝。最簡單的固定回波消除器是叫做二點式的消除器，這種消除器是由一個與零延遲線路並聯的等於一個再現周期的延遲線路所組成。分別為+1和-1的加權係數附屬於這些線路，這些線路在加權後則由加法器求和。於是此已知濾波器就形成兩個連續的回波記錄線路之間的差別，從而基本上真正全面減少了固定組織所產生的回波。但這種方法有一個主要的缺點，即它同時衰減了對應於低流速的信號。舉例說，可以證明，作為血液流速函數的上述濾波器響應是在再現頻率為5千兆赫和傳輸頻率為5兆赫時，對應於V＝5釐米/秒的信號衰減了30分貝。這樣就難以或不可能測出最低時(也就是說靠近血管壁)的流速。然而，了解這些流速是很重要的例如可用於研究動脈和對動脈進行臨床診斷。因此最好利用歐洲專利申請0298569(PHF87/554)所述的那種包含至少3個點的回波消除器，這種回波消除器能完全消除由固定組織所產生的回波，又不致過量地減少起源於低流速血流的信號。
可以這樣斷定提高測量精確度的唯一方法是增大用以獲取流速預計值的連續信號的數目N。但，顯然這種解決辦法的直接後果是降低了測定的速度，或降低顯示時由1/NT給定的映象速度。
本發明要解決的技術問題是對上述那種測量儀進行改進，使其能達到更高的測量精確度而不致影響測量速度，或換句話說，能提高測量速度而不致降低測量精確度。
按照本發明，解決上述提出的技術問題的方案是，所述流速測定裝置一方面包括NF個並行處理通道，每個通道由一濾波器、一存儲N-M+1個濾波後信號的存儲器和一提供N-M個組間相關函數的相關裝置所組成;另一方面包括一產生所獲得的NF(N-M)個組間相關函數的平均值的加法器，有關流速的預計值由作用於平均組間相關函數的插值電路提供。因此本發明是通過將獨立組間相關函數的數目乘以因數NF，在這個基礎上計算平均組間相關函數，由此來達到本發明效果的。之所以能做到這一點是因為濾波操作過程使各信號之間保持一定的時間關係，從而達到相同的相關效果。各NF濾波器之間不存在相關關係，由此確保了各種並行處理通道所獲得的各組間相關函數的獨立性。這樣，在同樣的測定頻率1/NT下可以獲得精確度提高了(NF]]>-1)倍的流速預計值。相反，若1/NoT為產生與本發明的測定儀相同精度估算值的上述已知測定儀的測定速度，則N與No之間的關係可用下式求出
NF(N-M)＝NoM，因而N+(NO-M)/NF+M，其中，No＝15，M＝3，NF＝6，因而N＝5，就測定速度而論，這對應於增益因數為3。但應該指出的是，並行處理通道的數目NF增加時，在N＝M的情況下就有一個極限值。選擇NF個濾波器是基於這樣一個想法進行的，即通過在單個變換器上進行各種不同的濾波操作來人為地了解N個不同的壓電變換器而無需冒信號解析度變差的風險。因此在本發明測定儀的取樣頻率為Fe的一個具體實施例中，每個濾波器是由等於1的模量響應和任意相限定在區間〔O，Fe/2〕上，頻率為0時，則由零響應加以限定。因此NF個濾波器的每個特點在於其隨機的相位分布。還應該指出的是，這種濾波器保持所述信號的頻帶。
最後，可以按周知的方式應用一種利用稱之為「1位」相關的相關性方法，其中各存儲器只存儲由相應濾波器提供的N-M+1個信號的符號。在此情況下，組間相關函數的峰值呈等腰三角形。知道這個形狀就可以藉助於線性插值法對相關峰值從最高點及其兩毗鄰值開始進行完全地重新編定，從而能精確確定其最大值的位置uo。
下面以舉例的方式參照附圖詳細說明本發明的內容。附圖中

圖1示出了本發明測定儀的示意圖;
圖2a和2b示出了圖1所示測定儀中所使用的濾波器的頻率響應和相位;
圖3示出了其頻率響應如圖2所示的濾波器的時間響應的一些實例。
圖1 示意地示出了基於N個連續回波記錄信號Sn(t)序列，測定血液流速用的儀器，其中n以等於1的步長從1變到N。這些回波記錄信號來自發射機/接收機單元100(圖中未示出)，該發射機/接收機單元按常規包括一壓電變換器，由這個變換器將從發射機級收到的電激勱信號變換成一序列重複周期為T的周期性超聲波脈衝。接收機級輸出在取樣頻率Fe下取樣的回波記錄信號Sn(t)，該信號通過在研究中的媒質返回到壓電變換器。圖1的流速測定儀包括一M點固定回波消除器200，該消除器從N個回波記錄信號Sn(t)序列產生N-M+1個不含來自各固定血管壁的高振幅分量的一系列獨立信號di(t)。如前面已述，歐洲專利申請0298569中介紹了適用於本發明的儀器的一個含M＝3點的固定回波消除器的實例。
從圖1可以看出，固定回波消除器200後面連接有一測定裝置300，用以通過對如歐洲專利申請0225667所述固定回波消除器所提供的N-M+1個獨立信號di(t)進行相關/求和/插值，測定有關的血液流速V。從圖1可以看出，測定裝置300首先包括N個以310j表示的並行處理通道，其中，j＝1，2……NF。這些處理通道的第一個含有濾波器311j，該濾波器的頻率響應H(f)作為頻率f的函數示意於圖2a和2b中f＝0時，模量｜H(f)｜為0，f＝0至Fe/2時，模量｜H(f)｜＝1，其中Fe為取樣頻率，相位φ(f)在相同間隔內為頻率的隨機函數φ(f)＝Ran(f)。圖3示出了這類濾波器的時間響應h(t)的一些實例。圖中所示的四個濾波器具有這樣的性質，即，它們之間完全抗相關，確保NF個處理通道彼此完全獨立;這是確保本發明儀器有效發揮作用的必不可少的性能。濾波器311j所進行的操作是褶積操作，即有輸入信號di(t)時，在輸出端產生等於下式的信號dji(t);
dji(t)＝di(t)xhj(t).
其次，通道310j包括存儲器312j，用以存儲N-M+1個濾波後信號dji(t)的值，該信號值供採用相關裝置313j計算以下式表示的N-M個組間相關函數之用Cji i( t o,u - τ ) = Cji, i + 1( t o,u ) =t ot o + wdji+1(t+u)dji(t)dt]]>確定各組間相關函數所使用的信號dji(t)可以只限於諸信號本身的符號。這種方法大大簡化了各相關計算，也精簡了存儲器312j的容量，因為所處理的信號只佔用其中的1位字。
濾波器311j的濾波作用並沒有影響相關結果，因為褶積過程並沒有改變各信號之間的時間關係，換句話說t ot o + wdji+1(t+u)dji(t)dt =t ot o + wdi+1(t+u)di(t)dt,]]>而與j無關。
這種性能使我們可以有效地獲取NF(N-M)個獨立的組間相關函數，其平均值則由加法器320形成。由於各相關函數的阻抗，平均相關函數c(to，u-)＝∑i，jCjii(to，u-τ)表示了編差δ2除以NF。
最後，按一般方式用插值裝置330處理函數C(to，u-τ)，插值裝置330通過計算相關峰值的位置uo＝τ＝2VT/C提供有關流速的預計值V，相關峰的高度CMax也加以測定，以便用在電路340中供驗證流速預計值V之用。
流速測定值的驗證工作是必不可少的。這是因為在流動區之外，固定回波消除裝置200的輸出信號基本上是噪音。如此由本發明儀器提供的結果並不表示流速為零，去證實或否定這一結果是必要的。因此要進行兩種比較。一方面，計算固定回波消除裝置輸出信號的局部能量EN-M+1E＝ ∑ d2i(t)i＝1然後將E與閾值E0進行比較。若比較結果是肯定的，則將相關峰的最大值CMax與第二閾值E1比較。只有當CMax大於E1時才能證實該流速的預計值V。
如此證實後的流速再經處理即可由單元400(圖中未示出)按一般方式加以顯示，單元400則包括一用以存儲、掃描轉換和色彩編碼的裝置。
權利要求
1.一種根據N個連續回波記錄信號序列測定血液流速的儀器，該儀器包括一M點固定回波消除裝置(200)，其後設有的一流速測定裝置(300)，以便通過對所述固定回波消除器(200)提供的N-M+1個獨立信號進行相關/求和/插值處理而測定所述血液流速，其特徵在於，所述流速測定裝置(300)一方面包括NF個並行處理通道(310j)，其每個通道由一濾波器(311j)、一存儲N-M+1個濾波後信號的存儲器(312j)和一提供N-M+1個組間相關函數的相關裝置(313j)組成，另一方面包括一形成所獲得的NF(N-M)個組間相關函數的平均值的加法器(320)，和一個作用於平均組間相關函數提供有關流速預計值的插值電路(330)。
2.如權利要求1所述的測定儀，其特徵在於，Fe為測定儀的取樣頻率，各濾波器(311j)由等於1的模量響應和任一隨機相位限定在區間〔0，Fe/2〕上，而頻率為0時則由零響應加以限定。
3.如權利要求1或2所述的測定儀，其特徵在於，每個存儲器(312j)只存儲相應濾波器(311j)所提供的N-M+1個信號的符號。
4.如權利要求1至3之一所述的測定儀，其特徵在於，它包括用於驗證相對所述流速所獲得的預計值的驗證電路(340)。
全文摘要
一種根據回波記錄信號測定血液流速的儀器，它包括M點固定回波消除器(200)，流速測定裝置(300)，用以通過對所述消除器提供的獨立信號進行相關/求和/插值處理而測定血液流速。所述測定裝置包括N個並行處理通道(310j)，其各由濾波器(310j)存儲濾波後信號的存儲器(312j)和提供組間相關函數的相關裝置(313j)組成，還包括產生組間相關函數平均值的加法器(320)，及提供有關流速預計值的插值電路(330)。本儀器用途映示血管中的血流。
文檔編號G01S15/58GK1047202SQ9010279
公開日1990年11月28日 申請日期1990年5月9日 優先權日1989年5月12日
發明者奧迪爾·博尼富斯 申請人:菲利浦光燈製造公司