一種新型的超聲波對(duì)血流作用方法研究

巫鵬飛 呂 科* 程子棟 康 宇

（大連海洋大學(xué)，遼寧 大連116000）

1 概述

社會(huì)飛速發(fā)展的今天，人們的工作節(jié)奏和壓力與日俱增，這導(dǎo)致心血管疾病已成為當(dāng)今社會(huì)高發(fā)病率和高死亡率的主要源動(dòng)力。雖然血管造影術(shù)已成為當(dāng)前診斷動(dòng)脈粥樣硬化患者血管狹窄程度的主要方式，但此技術(shù)在獲取患者血管病變部位的詳細(xì)信息時(shí)具有局限性，尤其是血管內(nèi)易損板塊的尺寸、組成等結(jié)構(gòu)信息，診斷動(dòng)脈粥樣硬化患者疾病病變程度也必須依靠著血管內(nèi)的病變信息。醫(yī)療診斷機(jī)構(gòu)將超聲所得到的血流速度信息和組織內(nèi)部的信息綜合到普通的B 超圖像上，從而形成彩色多普勒血流成像以供醫(yī)生進(jìn)行診斷。超聲波用于檢測(cè)人們身體的軟組織、血流等方法和設(shè)備層出不窮。這種成像方式能夠提供包括解剖圖和血流信息的完整的人體解剖信息，更加便于醫(yī)學(xué)診斷和治療。彩色多普勒血流成像技術(shù)于1982 年由美國(guó)Bornner 和日本的Namekawa、Kasai 最先研制成功，日本Aloka公司于1982 年生產(chǎn)出第一臺(tái)彩色多普勒血流顯像儀。20 世紀(jì)90 年代又發(fā)展了四種彩色多普勒技術(shù):(1)多普勒能量圖、能量多普勒和血管造影(Color Doppler, Power Doppler Imaging )。(2)彩色多普勒能量圖(CDE)。(3)彩色多普勒組織成像(CDTI)又稱(chēng)為多普勒心肌顯像(DMI)。(4)能量運(yùn)動(dòng)成像(PMI)[1,3]。雖然超聲波現(xiàn)階段能檢測(cè)血流速度以及方向，應(yīng)用成像方面也極為廣泛，但超聲波例在超聲成像，尤其是判斷心血管病變方面的問(wèn)題仍然存在：(1)超聲反射接收信號(hào)的強(qiáng)度，呈多角度散射，但在流動(dòng)血液中多角度散射如何衰減規(guī)律還沒(méi)有公開(kāi)報(bào)道。(2)超聲前向散射范圍在較大區(qū)域內(nèi)，流速與散射角度及血管的直徑之間的關(guān)系也未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。

2 超聲反射原理

本實(shí)驗(yàn)為了得到血管壁的超聲反射多方向衰減特性，對(duì)自制人體血管與血液仿真樣品進(jìn)行了測(cè)量。旋轉(zhuǎn)角度反射法是本實(shí)驗(yàn)中提出的一種新的方法。目前，考慮到大多數(shù)臨床超聲診斷儀器(無(wú)論是A 型，還是B 型)都采用的是超聲脈沖反射原理，實(shí)際中旋轉(zhuǎn)角度反射法來(lái)測(cè)介質(zhì)樣品的在各個(gè)角度的幅值變化。通常的透射法對(duì)于活體組織測(cè)量一般不適用，在醫(yī)院臨床判斷上，透射法也經(jīng)常無(wú)法判斷。因而，旋轉(zhuǎn)反射法估計(jì)組織衰減對(duì)臨床應(yīng)用更具有實(shí)際意義。當(dāng)聲波在血液中傳播時(shí)，由于波散射以及吸收等原因，造成聲能向各個(gè)方向反射，而幅值降低。在本實(shí)驗(yàn)中正弦信號(hào)的激勵(lì)下，換能器向被測(cè)仿真血液中輻射聲脈沖，聲波在仿真的血液樣本中傳播，當(dāng)遇到血管壁時(shí)被反射，回到換能器L 被接收轉(zhuǎn)換成反射信號(hào)，接收并顯示信號(hào)振幅。因此，當(dāng)聲波到達(dá)仿真血液樣本管壁時(shí)，會(huì)穿透血液樣本壁上下膜兩層反射測(cè)量，血液樣本壁的內(nèi)、外膜將會(huì)反射產(chǎn)生兩個(gè)正弦回波，反射回來(lái)的超聲波可以在示波器上顯示出波形[2]。（圖1）

圖1

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置

由定時(shí)注射泵，信號(hào)發(fā)生器、換能器、旋轉(zhuǎn)的分光計(jì)、示波器、自制的金屬構(gòu)架、升降臺(tái)組成。裝置如圖2 所示。

圖2

其工作原理是，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器使之輸出正弦波，發(fā)射出一定頻率（40kHz 左右）及強(qiáng)度的正弦波，發(fā)射的超聲波與內(nèi)部流動(dòng)著模擬血液的導(dǎo)管接觸后被反射，反射后的超聲波被接收的超聲波在分光計(jì)上的接受裝置，進(jìn)一步輸入到示波器上，在示波器上觀察波形幅值的改變。示波器所顯示的波形不同，通過(guò)衰減可計(jì)算出不同超聲波信號(hào)的電壓值。（圖3）

圖3 血液反射波形圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

首先，我們測(cè)量注射器的直徑，這是為計(jì)算流量做準(zhǔn)備。在推進(jìn)時(shí)，可以利用事先準(zhǔn)備好的設(shè)計(jì)速度輸入注射泵，進(jìn)而控制流量。（表1）

表1 實(shí)驗(yàn)所用注射器直徑D=3.650cm

其次，測(cè)量注射導(dǎo)管的直徑，注射導(dǎo)管主要是模擬人體的血管，將事先配好的模擬的血液輸入注射泵，然后由注射泵推入導(dǎo)管，模擬血液在人體內(nèi)的流動(dòng)。（表2）

表2 注射導(dǎo)管直徑d=0.508cm

接著，調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率，鑒于本實(shí)驗(yàn)的器材，我們采用輸出頻率為40kHz 的正弦波信號(hào)，衰減調(diào)制20db，調(diào)整過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)超聲輸出頻率隨角度變化而漂移，我們選取了六個(gè)特征角度觀察頻率漂移，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。其規(guī)律呈現(xiàn)出與發(fā)射端成垂直時(shí)頻率漂移最小，與發(fā)射管平行時(shí)，頻率漂移最大。（表3）

表3 以推動(dòng)注射器時(shí)間為60s 為例 發(fā)射超聲波頻率為40kHz

表4 不同角度不同流速時(shí)接收聲波的幅值（格）

在實(shí)驗(yàn)中，首先控制模擬血液樣本的流動(dòng)速度，按照流動(dòng)速度由小及大的順序，控制流速。以100ml 為例，流動(dòng)時(shí)間控制在10s-60s 之間，每隔5s 設(shè)一個(gè)采樣區(qū)間。在每個(gè)采樣區(qū)間內(nèi)，將接收端置于分光計(jì)上，分光計(jì)的分辨角精度可達(dá)1 分，旋轉(zhuǎn)分光計(jì)的接收端，選著6 個(gè)不同的特征角度，對(duì)反射的正弦波進(jìn)行采樣，觀察其幅值的變化。采集的數(shù)據(jù)如表4 所示。

根據(jù)表4 所采集的數(shù)據(jù)，我們以流速、角度、電壓幅值作為三個(gè)參量，繪制血液流速多角度反射的幅值變化三維立體圖，見(jiàn)圖4。

圖4

由圖4 所示，我們可以得出關(guān)于血液流速超聲波多角度反射幾個(gè)特征：

（1）在同一角度上，超聲波在血液中反射的超聲波信號(hào)幅值，隨流速增加而增大。

（2）在同一流速下，超聲波在血液中反射的超聲波信號(hào)幅值，隨角度增加而先增大后減小，其中位于垂直于發(fā)射端的方向上，反射超聲波信號(hào)幅值，因此這個(gè)方向上不宜進(jìn)行反射法的測(cè)量。

（3）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采用反射法在多角度測(cè)量超聲波信號(hào)時(shí)，以0-50°之間為宜，這個(gè)區(qū)間內(nèi)反射的超聲波信號(hào)幅值較小，這樣可以拉開(kāi)與原發(fā)射信號(hào)之間的差距，便于分析。

4 結(jié)論與展望

經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的超聲波對(duì)血流作用方法，這種方法就是旋轉(zhuǎn)角度反射法，反射法角度區(qū)間在0-50°之間為宜。這種方法采用的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、皮實(shí)耐用、價(jià)格低廉，適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。當(dāng)然，這種方法還有很大的改進(jìn)余地，諸如如何提高數(shù)據(jù)的處理速度、如何克服血管內(nèi)的信號(hào)噪聲、如何建立匹配的病理樣本等等。由此可見(jiàn)這種新的方法有著比較明朗的應(yīng)用前景，這里只做了前期工作，為今后的科學(xué)研究做一個(gè)有益的探索。