基于超聲波的相對血容量檢測中傳播時間影響因素分析

【作 者】蔣順忠，秦劍，王彩玲，羅燕斌，易薇

1 廣州大學機械與電氣工程學院，廣州市，510006

2 廣州市信臣科技有限公司，廣州市，510440

3 南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院，廣州市，510515

基于超聲波的相對血容量檢測中傳播時間影響因素分析

【作 者】蔣順忠1，秦劍1，王彩玲2，羅燕斌2，易薇3

1 廣州大學機械與電氣工程學院，廣州市，510006

2 廣州市信臣科技有限公司，廣州市，510440

3 南方醫(yī)科大學南方醫(yī)院，廣州市，510515

基于超聲波的相對血容量檢測可用于血液透析患者干體重的評估，相對血容量計算結(jié)果來自于超聲波在動脈壺中傳播時間的測量，而傳播時間測量的準確性直接關(guān)系到相對血容量結(jié)果的可靠性。影響傳播時間的因素是多方面的，該文從患者本身、檢測裝置和外界因素等方面進行了分析論證，并提出了適當?shù)膽獙Υ胧?/p>

超聲波；相對血容量；傳播時間；影響因素

基于超聲波的相對血容量檢測通過超聲波時差法來實現(xiàn)[1]，檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。在血液透析病人體外循環(huán)血液流經(jīng)途中進行在線實時檢測，通常在動脈壺處進行，從一側(cè)發(fā)射超聲波，經(jīng)血液傳播后由另一個探頭接收超聲波，檢測系統(tǒng)要測量出從發(fā)射到接收的短暫傳播時間t，設(shè)傳播路徑為d，則超聲波在血液中的傳播速度為：

圖1 相對血容量檢測儀原理圖[1]Fig.1 Schematic diagram of the relative blood volume monitor[1]

在透析治療過程中（一般為4h），隨著超濾的進行，病人血液系統(tǒng)中的水含量逐漸減少，血細胞在總體血液中的濃度逐漸增大，那么超聲波在血液中的傳播速度將不斷增大，通過測量超聲波在動脈壺的傳播時間，進而計算出傳播速度的變化，即可對應計算出總體血液容量的相對變化。設(shè)透析開始時病人的血容量為V(0)，測得超聲波的傳播速度為S(0)，治療過程t時刻的血容量為V(t)，測得超聲波的傳播速度為S(t)，血容量的變化與超聲波的傳播速度的變化大致相等[15]，則有：

可見，超聲波傳播時間是超聲波檢測儀獲取相對血容量變化信息的關(guān)鍵參數(shù)，其準確測量是超聲波檢測儀實現(xiàn)高精度測量的前提，任何影響傳播時間測量的因素均對超聲波檢測儀的測量精度、可靠性等產(chǎn)生重要影響。近年來，本課題組對基于超聲波的相對血容量檢測進行了初步的研究，發(fā)現(xiàn)超聲波傳播時間測量誤差的產(chǎn)生原因大致出現(xiàn)在三個方面：患者本身、檢測設(shè)備和外界因素，以下分別進行分析。

1 患者本身

首先，超聲波相對血容量檢測儀以血細胞比容和血紅蛋白測量為基礎(chǔ)，通過血液濃度的波動測定血液的聲速變化間接測定血液的相對容量變化[2]。但是實際上由于血液的微觀非均性質(zhì)，在微循環(huán)中的血細胞比容（紅細胞所占的容量）要比大血管中的低。微循環(huán)中的血容量和靜脈血容量占了總血容量的大部分，所以全身血細胞比容不同于局部的靜脈或者動脈血細胞比容。利用超聲波檢測儀計算出的即時血容量變化與實際的血容量分布存在差異。例如檢測時可能將靜脈或動脈血容量的局部變化解釋為總血容量的明顯變化，實際上是血管血容量產(chǎn)生變化而真正血液容量基本保持不變[3]。因此，相對血容量的計算結(jié)果應考慮這種局部和整體的對應關(guān)系予以修正，比如顯示一定時間內(nèi)的平均值等方法。

其次，測量血液透析期間相對血容量變化是相對于透析開始時血容量數(shù)值的變化，但對病患的血容量狀態(tài)做出正確的評估需要三方面的信息：身體各部分的儲液能力（如細胞外液和細胞內(nèi)液）、身體各部位的水量以及溶解的物質(zhì)（如鈉），這會影響到身體各個部位的液體轉(zhuǎn)變和透析后最佳的重量[4]。而血液濃度顯示了相當大的可變性，這種可變性與超濾的開始、血液透析的開始以及生理過程有關(guān)。當病人部分血液在體外循環(huán)時，含鹽水預充液在可變量范圍返回給病人。這些鹽份到達血管里面之前需要經(jīng)過幾個循環(huán)的運送，由于血漿滲透壓的存在，在血管外鹽份會遺失[5]。另一方面，因為躺著、坐著和站著的身體位置變化，從身體較低部位開始，血流量將重新再分布以及血管的血流量進一步增加。所以，在透析開始階段很難獲得一個“真實”的參考值，而這個參考值是用來進一步計算相對血容量變化的重要初始值。加之透析時人體相對血容量將隨著透析周期、個人情緒、外界和內(nèi)在的各種刺激而產(chǎn)生波動。因此，為獲得更可信的初始值，可在患者姿勢、情緒、體外循環(huán)等相對穩(wěn)定之后再進行采樣。

2 檢測裝置

2.1 衰減

超聲波檢測裝置在得到精準的測量結(jié)果之前，首先需要克服超聲波傳播過程中的信號衰減，以獲得可靠的回波信號。衰減是超聲波在通過介質(zhì)傳播時聲壓或聲能隨距離的增大逐漸減小的現(xiàn)象，在實際測量中時常出現(xiàn)。在衰減作用中影響最多的主要有三個方面：一是聲束的擴散；二是聲波的散射；三是介質(zhì)的吸收，即黏滯衰減[6]。超聲波在血液中傳播的衰減機理比較復雜，一般認為血液中超聲波主要以縱波的形式向前傳播，其衰減主要由黏滯力引起，其衰減系數(shù)αη可由式(3)計算：

其中，f為超聲波頻率，s為超聲波聲速，ρ為液體介質(zhì)密度，η為黏滯系數(shù)。

可見，超聲波頻率和液體介質(zhì)密度是對應衰減程度大小的主要參數(shù)。在血液為低濃度時，相互作用僅限于固液兩相之間；而對于高濃度來說，由于液相被顯著增稠和顆粒相距過近，相互作用將明顯復雜化。由于衰減只是對應超聲回波幅度的大小且動脈壺的直徑小，所以只需選擇合適的頻率，同時回波接收放大電路設(shè)計為增益可調(diào)，這樣就可以調(diào)試得到幅度適當?shù)幕夭ㄐ盘?，確保第一個回波脈沖的正確識別。

2.2 頻率

超聲波是一種振動頻率范圍超過20 kHz的聲波，在固體、液體及氣體中都能傳播，具有方向性好、波長短、穿透能力強等優(yōu)點，在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度，信號強度隨傳播距離衰減，特別是容易與電信號相互轉(zhuǎn)換[7]。在超聲檢測中根據(jù)使用目的不同往往使用不同的工作頻率[8]，通常在 （1～15）MHz 之間。不同頻率產(chǎn)生的衰減不同，如式（3）所示，如果超聲波換能器的頻率太低，則在血液傳輸過程中衰減不會很大，但多重反射波增加，會干擾測量結(jié)果，同時，過低的頻率對應于回波的周期過長，測量精度難以保證；如果超聲波換能器的頻率太高，則在血液傳輸過程中衰減過大，回波幅度過小，信噪比過低。因此，需要選取適中的頻率，在實際的相對血容量檢測中，選用的超聲波換能器的頻率為（2～5）MHz，通過進一步的對比和試驗，可以確定更精準的超聲波頻率。

2.3 氣泡干擾

血液透析過程由于超濾作用產(chǎn)生負壓，引起血路中氣泡的形成。超聲波通過含有氣泡的血液時，發(fā)生波束衰減和波形失真，回波幅度和時間將顯著改變。聲波信號在沒有氣泡的液體(血液)里，幾乎不發(fā)生反射和折射，大部分被接收器所接收，接收強度較大，輸出電壓幅度也較大。一旦液體中有氣泡存在，一部分聲波信號將要被氣泡所反射和折射，不能達到信號接收器，穿越氣泡的聲波由于氣泡的聲阻抗遠小于血液的聲阻抗而使得回波量能減小，因此，接收器接收到的聲波強度將會減少，輸出電壓信號也隨之變小[9]。所以，實際的檢測裝置可通過閾值比較來剔除氣泡干擾時的數(shù)據(jù)。目前市場上的血液透析機都具有靜脈管路氣泡探測功能，可將相對血容量檢測探頭安裝在已經(jīng)過氣泡分離的后段管路位置，動脈端則剛從患者血管內(nèi)流出，超濾作用的即時影響還未發(fā)生，如第一部分所述更能代表全身的血容量特征，在氣泡分離腔即動脈壺下端最適合放置超聲波收發(fā)探頭。

2.4 電路延時

信號在電路中運行的時間非常短，多數(shù)情況下是可以忽略不計的，但是相對血容量檢測的原理正是基于超聲波在不同濃度的血液中的傳播時間差，該時間差為納秒級別，因此電路延時不能不考慮。血液透析時超聲波相對血容量檢測儀從TDC-GP2的START信號和STOP信號之間所經(jīng)歷的時間包括了超聲波在動脈壺血液間的傳播時間，也包括了信號在電路間延遲的時間[1]。集成電路的高度密集化降低了每個電路的儲位成本并獲得更好的電路性能，但是電路延時并未按照相同比例減小[10]。如果測量過程采用微處理器控制，那么程序運行的時間更是不可忽略，甚至可能超過回波的時間差，導致測量無效。因此，控制超聲波的發(fā)射和回波的接收處理對應的部分盡量采用簡單的電路實現(xiàn)，元件個數(shù)少、無需軟件控制，以盡量減少電信號在電路中傳輸或處理的時間，另外還可通過模擬相同的條件測試出具體的電路延時大小，予以修正。

2.5 回波信號處理

超聲回波處理是基于超聲波的相對血容量檢測裝置的關(guān)鍵所在，處理的方式直接影響傳播時間的可靠性。超聲回波在接收放大之后，首先需要濾除雜波，若雜波濾除不當，必將造成后面的計時脈沖偏差，應根據(jù)雜波信號的頻率特征設(shè)計合適的濾波電路。濾波之后，如何得到準確的計時脈沖信號是裝置的難點所在，比如常見的采用過零檢測法，由于起振時幅度小，過零檢測很難準確定位到第一個過零點；采用上下限閾值的方法則由于回波幅度的波動也同樣容易出現(xiàn)誤差；波形先經(jīng)過整形再根據(jù)其特征按一定的邏輯處理可提高準確度[11]，同時后續(xù)的數(shù)據(jù)處理也是必要的。接下來，即使得到了準確的計時脈沖信號，如何將從發(fā)射脈沖到回波計時脈沖之間的時間差記錄下來也是非常困難的，雖然該時間有長達約10 μs的級別，但血液濃度變化時對應的兩次時間差卻是納秒級別，因此計時精度至少應達到納秒級。在超聲波液體流速測量、超聲波測距或探傷等應用中，有循環(huán)N次測時法、鎖相環(huán)測時法、單片機定時器直接測計時法、計數(shù)法等等[12-13]，這些方法其測時精度最高不過數(shù)十甚至數(shù)百納秒，無法得到高精度的傳播時間。基于數(shù)字內(nèi)插法的TDC-GP2測量芯片具有65 ps的測量分辨率，測量范圍為4 ms，完全滿足要求，不失為一個極佳的選擇。此外，預先計算好傳播時間的正常范圍，對于明顯超出范圍的測量數(shù)據(jù)予以剔除也是必要的。

3 外界因素

3.1 操作環(huán)境溫度

超聲波在不同溫度的液體中傳播速度相差甚大，如果透析過程中體外循環(huán)血液的溫度在變化，則測量到的傳播時間就需要進行溫度補償，先進的檢測裝置應該同時檢測動脈壺的溫度。血液透析時一般將透析液的溫度設(shè)定到略高于體溫的溫度，這就會增加體溫，反之會降低；外部環(huán)境的熱量也會影響身體溫度，使身體通過新陳代謝產(chǎn)生不同的熱量，或是身體皮膚對熱量的損耗也不相同[14]，而這些可能性將使血液的溫度發(fā)生波動，引起超聲波傳播速度的變化，如圖 2所示，超聲波傳播速度不僅隨血液濃度變化，聲速也隨著溫度的變化而變化[15]。如果假定透析過程溫度設(shè)定是恒定的，則可以省略溫度補償，但透析剛開始階段或其他溫度變化情況，均應予以充分考慮。

圖 2 聲速、溫度和密度在血液中的關(guān)系[15]Fig.2 Sound speed, density and temperature of blood[15]

3.2 干擾和噪聲

如果超聲波檢測環(huán)境是相對穩(wěn)定的，那么影響超聲波傳播時間的因素還有各種干擾和噪聲，如電子噪音、介質(zhì)內(nèi)部噪聲、環(huán)境干擾等。干擾和噪聲包括來自設(shè)備環(huán)境的電磁干擾和來自設(shè)備系統(tǒng)的電子噪聲[16]。因此，設(shè)備裝置應具有抗干擾設(shè)計，并且具備合適的濾波設(shè)計（考慮電磁兼容）。

4 總結(jié)

超聲波相對血容量檢測儀因其具有特定的優(yōu)勢，在血液透析領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。近年來，我們對基于超聲波的相對血容量檢測進行了初步的研究，提出了一種高精度的超聲波傳播時間測量方法。然而，由于超聲波在血液中的傳播時間僅幾個微秒，而血液濃度變化所對應的傳播時間之差則只有若干納秒，因此需要對影響這個微小變化的各個因素做出科學的分析。該文主要分析了患者本身、檢測設(shè)備和外界因素的三個大的因素，實際上，影響超聲波相對血容量檢測效果的因素是復雜和多方面的，很難僅由一方面的改進而使檢測精度發(fā)生較大的變化，需要通過包括外部多條件檢測輸入、系統(tǒng)硬件電路合理設(shè)計、高精度計時芯片選用、程序軟件和算法優(yōu)化等多個工作而實現(xiàn)。該文通過分析基于超聲波的相對血容量檢測中傳播時間的影響因素，力求將相對血容量檢測的誤差降低到最小，進一步提高基于超聲波的相對血容量檢測技術(shù)水平，使血液透析患者廣泛采用這種持續(xù)、可靠、無創(chuàng)的檢測方法更容易實現(xiàn)。

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lnfuence Factors on Analyzing Transmission Time of Relative Blood Volume Based on Ultrasonic

【W(wǎng)riters】JIANG Shunzhong1, QIN Jian1, WANG Cailing2, LUO Yanbin2, YI Wei3
1 School of Mechanical＆Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, 510006
2 Guangzhou Jscend Technology Co. Ltd., Guangzhou, 510760
3 Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou, 510515

Ultrasound-based measurement of relative blood volume can be used to assess patient's dry weight during hemodialysis. The results of relative blood volume were calculated from the ultrasonic transmission time measurement in the arteriol pot, and the accuracy of transmission time measurement is directly related to the reliability of the results of relative blood volume. There are various factors which influence the travel time, this article analyzed patients themselves, measuring device and the external factors, and advised appropriate counter measures.

ultrasound, relative blood volume, transit time, influence factors

R318.6

A

1671-7104(2017)01-0005-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.002

2016-07-28

廣州市屬高?？蒲许椖浚?201420935）

蔣順忠，E-mail: jiangszky808@163.com