超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀檢測(cè)裝置研究

羅犇 童云梅 朱清 韓淑杰

【摘要】超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀是利用顱骨薄弱部位作為檢測(cè)的聲窗，用多普勒頻移效應(yīng)研究腦底動(dòng)脈主干血流的一種無(wú)創(chuàng)性的檢查設(shè)備，目前臨床應(yīng)用非常廣泛。為了保證超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀的性能可靠，對(duì)其進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)就顯得尤為重要?；诖?，本文研究了一套超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀的檢測(cè)裝置。實(shí)際應(yīng)用表明此檢測(cè)系統(tǒng)能較客觀地評(píng)估超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀的性能，可以作為檢測(cè)（校準(zhǔn)）的裝置。

【關(guān)鍵詞】超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀;弦線式多普勒試件;檢測(cè);血流速度;血流方向

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.020

Research on Detection Device of Ultrasound Transcranial Doppler System

LUO Ben1，TONG Yun-mei1，ZHU Qing1，HAN Shu-jie2

（1.Yangzhou Institute of Metrology and Testing Technology，Yangzhou 225000，China;2.Nanjing Mingrui Testing Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210049，China）

Abstract：Ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer is a noninvasive device to study the main blood flow of the basilar artery by using the Doppler frequency shift effect and using the weak parts of the skull as the acoustic window. In order to ensure the reliable performance of ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer，it is very important to calibrate it. Based on this，this paper studies a set of ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer detection device. The practical application shows that this detection system can objectively evaluate the performance of ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer，and can be used as a detection （calibration）device.

Key words：ultrasound transcranial Doppler system;string Doppler specimen;test;blood flow velocity;blood flow direction

超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀（簡(jiǎn)稱“TCD儀”）通過(guò)對(duì)顱腦超聲多普勒回波信號(hào)的采集，無(wú)創(chuàng)傷的檢測(cè)生理、病理?xiàng)l件下的腦底和頸部動(dòng)脈血流動(dòng)力學(xué)及各血流生理參數(shù)，為相關(guān)疾病的診斷和治療提供科學(xué)依據(jù)。TCD檢查通過(guò)對(duì)血流速度、血流深度、血流音頻、血管搏動(dòng)指數(shù)等參數(shù)的檢測(cè)來(lái)評(píng)估腦血管功能及可能發(fā)生的病變，其檢查結(jié)果直接影響醫(yī)生對(duì)疾病的診斷。因此，對(duì)TCD儀進(jìn)行量值傳遞和質(zhì)量控制，確保TCD儀量值準(zhǔn)確可靠，對(duì)保證臨床診斷的準(zhǔn)確性具有重大意義?；诖耍疚膶⒀兄埔惶啄軌驖M足TCD儀量值溯源需求的檢測(cè)裝置，對(duì)TCD儀的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

1檢測(cè)項(xiàng)目

TCD儀是利用低頻超聲波的Doppler效應(yīng)原理來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，其檢測(cè)的基本原理是超聲探頭（一般用2 MHz脈沖探頭）發(fā)出一定頻率、一定聲強(qiáng)的脈沖超聲，這些脈沖波被血管內(nèi)流動(dòng)著的紅細(xì)胞反射回來(lái)后再由探頭接收，并將多普勒頻移值（接受頻率和發(fā)射頻率的差值）經(jīng)過(guò)傅里葉變換處理后轉(zhuǎn)換為血流速度，單位是cm/s。TCD頻譜提供血流相關(guān)的參數(shù)用頻率-時(shí)間顯示，其中包括：血流瞬時(shí)速度和辨別血流方向。通過(guò)這些參數(shù)可以求得動(dòng)脈射血時(shí)間長(zhǎng)短、血流速度上升的快慢，從而反映動(dòng)脈壁的情況。

血流速度是指紅細(xì)胞在血管中流動(dòng)的速度，主要根據(jù)多普勒頻移計(jì)算出來(lái)，是判斷病理情況是否存在最重要的參數(shù)。在正常生理狀態(tài)下，顱內(nèi)各血管中的血流速度均保持在一穩(wěn)定值。當(dāng)血流速度增高（超過(guò)正常值的上限值）或降低（低于正常值的下限值）均被認(rèn)為是一種異常的情況。通過(guò)TCD儀測(cè)得血流速度值結(jié)合臨床加以判斷其病變性質(zhì)，作出相應(yīng)的診斷。

血流方向是指被檢測(cè)到的血管中血液流動(dòng)方向相對(duì)于探頭的方向。在正常生理狀態(tài)下，腦部各血管中血液按照特定的方向進(jìn)行流動(dòng)，如果發(fā)生梗死時(shí)，某些血管的血流會(huì)發(fā)生代償或產(chǎn)生明顯的側(cè)支循環(huán)，從而使血流方向發(fā)生改變。所以在多普勒頻譜中，血流方向是判別血管病變的一個(gè)重要組成部分，是識(shí)別正常顱內(nèi)血管和病理性異常通道的重要參數(shù)。當(dāng)進(jìn)行經(jīng)顱多普勒超聲檢測(cè)時(shí)，如果血流方向朝向探頭，表示發(fā)生了正向頻移;如果血流方向背離探頭，則表示發(fā)生了負(fù)向頻移。因此，根據(jù)血流方向的變化可以幫助診斷疾病。

多普勒血流探測(cè)深度是可正常探及信號(hào)顯示頻譜的最深距離。通過(guò)對(duì)血流深度的測(cè)量，可以看出血管的具體方位，從而做出相應(yīng)的診斷。

由此可見(jiàn)，血流速度、血流方向、血流深度是TCD檢測(cè)的基本項(xiàng)目。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0705—2008《超聲連續(xù)波多普勒系統(tǒng)試驗(yàn)方法》和YY/T 0593—2015《超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀》的要求，本文擬研究一款超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀的檢測(cè)裝置，用來(lái)檢測(cè)TCD儀血流特性，評(píng)價(jià)TCD儀的血流速度、血流方向識(shí)別能力、多普勒血流探測(cè)深度等指標(biāo)。

2檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1外形結(jié)構(gòu)

外殼采用亞克力一體式結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕、攜帶方便。水箱壁主體材料的選擇考慮了聲學(xué)特性，具有易觀察性、便攜性、牢固性、可靠性、易加工性與美觀性。水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與弦線系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、TCD超聲探頭夾持系統(tǒng)、掃描角度控制系統(tǒng)、電氣控制單元有機(jī)結(jié)合，見(jiàn)圖1。

弦線系統(tǒng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)弦線的運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)測(cè)量TCD儀的各參數(shù)指標(biāo)。步進(jìn)電機(jī)的速度是可調(diào)的，運(yùn)動(dòng)的弦線可以模擬人體不同的血液流動(dòng)速度。弦線材質(zhì)的選擇考慮了聲學(xué)特性、耐腐蝕性、耐磨性、合適的彈性及強(qiáng)度。

給排水系統(tǒng)，安裝于測(cè)量水槽底部，通過(guò)一塊與測(cè)量水槽底部成30°的隔板將水隔絕。配置和水箱一體化的自動(dòng)給排水系統(tǒng)，使用普通水模擬人體組織?？刂破鲉卧ㄟ^(guò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)水單頭水泵或出水單頭水泵工作，來(lái)完成注水、排水工作。

TCD超聲探頭夾持系統(tǒng)根據(jù)水槽的外形特點(diǎn)和檢測(cè)方式，設(shè)計(jì)了專用可滑動(dòng)的多功能夾具，測(cè)試過(guò)程無(wú)須操作者接觸被測(cè)器具，操作簡(jiǎn)單方便。夾具移動(dòng)過(guò)程配合導(dǎo)軌精準(zhǔn)控制，大大減小誤差。TCD超聲探頭夾持系統(tǒng)，匹配目前市面上大部分型號(hào)的超聲探頭。

采用無(wú)線藍(lán)牙或WiFi通信方式，用手機(jī)APP控制體模便于操控TCD，并配有上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)與液晶屏同步顯示。液晶屏采用15英寸可觸摸操作面板，符合人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)，水平視角，可以帶來(lái)更好的人機(jī)交互體驗(yàn)。

2.2組成單元

裝置由六個(gè)單元組成，包括：注水/排水驅(qū)動(dòng)單元、多普勒弦線式試件單元、多普勒探頭夾持單元、掃描角度控制單元、測(cè)量水槽以及控制器單元。其中，注水/排水驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)水管和測(cè)量水槽連接;多普勒弦線式試件單元、多普勒探頭夾頭單元、控制器單元和測(cè)量水槽采用機(jī)械連接;多普勒弦線式試件單元的弦線位于多普勒探頭夾頭單元的探頭夾頭正上方;注水/排水驅(qū)動(dòng)單元、多普勒弦線式試件單元、多普勒探頭夾持單元和控制器單元采用電氣連接。其框架圖如圖2所示。

2.3電路設(shè)計(jì)

裝置主要由單片機(jī)控制部分、電機(jī)控制部分、彩屏顯示部分、無(wú)線通信部分、電源管理部分等組成。在電路設(shè)計(jì)上，保證檢測(cè)結(jié)果可靠的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

在軟件方面，建立以微處理器為核心，uC/OS-II為操作系統(tǒng)的神經(jīng)肌肉電刺激類設(shè)備計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)物理量的預(yù)處理、測(cè)量、控制和顯示。采用手機(jī)APP通過(guò)藍(lán)牙或WiFi實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)和手機(jī)間的通信，操控相關(guān)系統(tǒng)工作。基于嵌人式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II，開(kāi)發(fā)了操作系統(tǒng)的總體框架以及功能模塊，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、存儲(chǔ)以及顯示等功能。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2.4應(yīng)用效果

我們采用超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀檢測(cè)裝置對(duì)TCD儀的血流速度、血流方向和血流深度進(jìn)行檢測(cè)。

2.4.1多普勒血流速度測(cè)量

測(cè)試體模設(shè)置如下：1）在流速測(cè)量范圍測(cè)試時(shí)，測(cè)試體模的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件速度分別設(shè)置在被測(cè)TCD儀流速范圍的最大值和最小值處;2）在流速測(cè)量誤差測(cè)試時(shí)，測(cè)試體模的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件速度分別設(shè)置在被測(cè)TCD儀流速測(cè)量范圍的1/3和2/3處。

被檢TCD儀設(shè)置如下：1）按不同超聲標(biāo)稱頻率的超聲探頭設(shè)置TCD儀的工作距離和取樣區(qū)間;2）血管選擇，將濾波、聲功率、接收增益等調(diào)節(jié)在視覺(jué)可分辨的最佳處;3）將超聲探頭夾持在夾具中，并確保其端面到測(cè)試體模運(yùn)動(dòng)部分被測(cè)點(diǎn)的距離與TCD的工作距離一致;4）多普勒聲束軸（一般為探頭手柄軸線）和測(cè)試體模運(yùn)動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角建議選擇30°、45°或60°，在計(jì)算所顯示的流速測(cè)量誤差時(shí)，除按上述實(shí)際夾角外還應(yīng)考慮TCD儀的多普勒角設(shè)定為0°。

合理設(shè)置靈敏度、取樣區(qū)間等參數(shù)，并使用多普勒角度校正功能，仔細(xì)調(diào)整取樣區(qū)游標(biāo)以獲得最佳的頻譜圖像，利用測(cè)量功能（如自動(dòng)平均功能等）測(cè)出對(duì)應(yīng)測(cè)試體模運(yùn)動(dòng)構(gòu)件速度，重復(fù)測(cè)量3次，取算術(shù)平均值作為流速測(cè)量結(jié)果。

按下式計(jì)算流速測(cè)量誤差：

式中：ΔV——流速測(cè)量誤差%;

V₀——測(cè)試體模運(yùn)動(dòng)構(gòu)件或仿血流體模血流速度設(shè)定值，cm/s。

2.4.2血流方向識(shí)別能力測(cè)量

先將模體注水至規(guī)定高度，取出TCD的探頭，將探頭的掃描面置于模體的液面下，對(duì)準(zhǔn)兩根并行的方向相反的弦線;調(diào)節(jié)TCD儀的有關(guān)鍵鈕，使弦線在圖像上清晰顯示。微動(dòng)探頭，在圖像上觀察是否能清晰顯示兩個(gè)距離為2 mm的顏色不同的血液流向。不同顏色分別代表不同的血液流向。改變相對(duì)于探頭的血流方向，觀察血流圖是否顯示為另一方向。

2.4.3多普勒血流探測(cè)深度測(cè)量

先將模體注水至規(guī)定高度，取出TCD的探頭，將探頭的掃描面置于模體的液面下，對(duì)準(zhǔn)模擬血管的弦線;調(diào)節(jié)TCD儀的有關(guān)鍵鈕，以獲得清晰的弦線圖像。測(cè)量時(shí)，將探頭向弦線的較深處移動(dòng)，直到彩色信號(hào)消失，此后將探頭回退到彩色消失前的位置，將圖像凍結(jié)后以電子游標(biāo)測(cè)量此時(shí)弦線最遠(yuǎn)端的深度，即為血流探測(cè)深度。

3結(jié)語(yǔ)

用于測(cè)試多普勒超聲系統(tǒng)所用的人造結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0593—2015《超聲經(jīng)顱多普勒血流分析儀》中推薦采用仿血流體模和弦線式測(cè)試件。由于仿血流體模一般只對(duì)流量進(jìn)行設(shè)置、監(jiān)測(cè)和校準(zhǔn)，盡管制造商提供有對(duì)應(yīng)流量的參考流速值，但由于管道中心和管壁附近的流速差別較大且不穩(wěn)定，故本研究采用弦線式體模。但弦線式體模還存在弦線所用材料以及弦線抖動(dòng)的問(wèn)題，我們還將就此做進(jìn)一步研究，以期提高該套檢測(cè)裝置的計(jì)量性能。

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