多普勒超声血流测量系统的研制

摘 要 根据Doppler效应，当声源和接收器之间存在着相对运动时，接收到的声信号的频率和声源频率有差别，这种效应叫多普勒效应。 多普勒效应的应用非常广泛，如测定遥远天体相对地球的运动速度，人造地球卫星的运动情况，流体的流动，潜艇的速度，还可应用于报警，检查车速，医学诊断等。多普勒超声血流测量系统是根据超声波发射的超声经过运动流体中的悬浮杂质或气泡散射后，会产生多普勒频移的多普勒效应来求流体的流速，是一种能提供血流动力学信息的检查手段，临床应用广泛。本文设计的多普勒超声血流测量电路，电路简单，成本较低，操作方便，灵敏可靠，具有较高的推广价值。 利用谱分析的方法进行多普勒信号处理可以提高流量测量的准确度与灵敏度，但是由于做功率谱估计计算量大，要求速度快，所以长久以来只能在PC机上实现，不适宜实时在线使用，因而实际应用的超声波多普勒流量计仍多采用过零检测发。随着电子技术的发展，作为快速处理与实时处理运算的数字信号处理器(DSP器件)的出现与迅猛发展，使我们可以利用DSP芯片来实现复杂的数据处理任务，本文就此设计的多普勒超声血流测量系统，电路简单，成本较低，操作方便，灵敏可靠，具有较高的推广价值。 关键词：多普勒效应；数字信号处理；血流测量 前言 1．1 超声技术的历史和发展 超声是一种声波，在医学领域中超声应用很广。超声成像设备目前广泛应用于临床诊断中，需求量很大。多普勒效应是声学中的一个现象，它是1843年由奥地利科学家多普勒发现的并以此命名，根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成比。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速．进而可以得到流体的流量。目前以这种多普勒原理为物理基础的多普勒超声技术已在医学诊断中用于测量人体内血流和心脏等器官的运动速度，在医学临床诊断中占有重要地位。 运用多普勒效应测量血流速度已有许多年历史。此间经历了三个重要发展时期。 第一阶段是五六十年代的连续多普勒技术，第二阶段是七十年代的脉冲多普勒技术，连续多普勒和脉冲多普勒通常被称为频谱多普勒技术。八十年代出现了彩色血流图（CFM）技术，把体内血流速度的空间分布用彩色编码实时的显示在屏幕上，直观的给出血流的位置和速度信息，通常称为彩色多普勒技术，这是超声多普勒技术的第三个阶段。 九十年代以来频谱多普勒和彩色多普勒技术都有了很大的发展。如彩色多普勒技术又出现了：多普勒能量图、彩色多普勒能量图、彩色多普勒组织成像、能量运动成像等等。目前我国相关实验室和研究所大力致力于这方面的研究，并将研究的相关成果应用于超声仪器的制造中，超声多普勒血流测试仪就是其中的一个运用。 1．2 超声技术的特点 ??? 超声波是振动频率在20000赫兹（Hertz，Hz）以上，人耳停步到的声波，使用超身波制作医学诊断仪器，是由于超声波具有以下的特点 1)?? 超声波频率高，人耳听不到，减小对环境的可听声污染； 2)?? 频率高，波长短，有利于减小声学装置； 3)?? 超声波声束指向性好，能量大，穿透性强； 4)?? 超声波在人体内部的传播特性与人体组织的特性密切相关，并且容易受到障碍物的反射和散射，有利于提取反映组织生理的病理信息的回声； 5)?? 医学超声诊断仪器和其他成像设备相比，具有实时性好、无损伤、无痛苦、以及低成本，成像块，诊断及时，可观察运动器官的活动情况等待独特的优点。 1．3 超声诊断仪器分类 当前诊断技术中比较成熟的医用超声一起，按照不同的方式可以分成很多的类型。 根据成像分式分，有A型、M型、B型、D型、C型、F型、T型的等几种类型。其中B型和D型以及二者的结合型是最常用的。A型已经是基本停产，而M型一般作为B型的一项附加功能，C型、F型和T型都比较少见。 根据成像方法的不同，分为静态成像和动态成像或实时成像（real time imaging）两种。 根据超声波诊断仪器的工作远离可以分为脉冲回波型、超声多普勒型和透射超声诊断仪。 根据仪器探头的结构分，有线阵式，凸阵式，相控阵式等几种。根据探头扫查的方位，有分为单平面、双平面及多平面探头超声仪等。根据声束扫描方式分，有机械扫描，电子扫描等超声仪。 根据获得图像所采用的颜色分为灰度（黑白）超声仪器和彩色超声仪器。 根据检查的不同部位分，有腹部超声仪，眼科超声仪，腔内超声仪和阴道超声仪等；或者分为通用型、心脏科和小器官/血管等三类。 根据B超的档次分，我国从高到低一次分为A、B、C、D四种。 2 设计的依据 2.1? 课题的提出 在现代医学领域中朝声广泛的应用于疾病诊断与治疗、金属探伤、清洗等方面。超声诊断以其对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易优点，受到医务工作者和患者的欢迎。其中最经常使用就是利用超声诊断对人体内流体速度的测定。如今大多数测定流速的方法都是基于多普勒原理，即超声照射到移动着的散射体上（对于血流体，散射体主要是指红血球），回波超声的频移正比于散射体的移动速度。 目前我国相关实验室和研究所大力致力于超声仪器的制造这方面的研究，超声多普勒血流测试仪就是其中的一个运用。本文设计的多普勒超声血流测量电路，电路简单，成本较低，操作方便，灵敏可靠，具有较高的推广价值。 2.2? 设计的目的和内容 目的：利用多普勒效应来测量血流，具有较高的科研价值和实用价值。 内容：1、超声多普勒血流测量的理论分析。 2、超声信号的发射，多普勒信号的接受与解调分析， 3、利用DSP对多普勒信号进行处理、流量流速的计算和结果与图形的实时显示。