一種新型的超聲波對血流作用方法研究

巫鵬飛 呂 科* 程子棟 康 宇

（大連海洋大學，遼寧 大連116000）

1 概述

社會飛速發展的今天，人們的工作節奏和壓力與日俱增，這導致心血管疾病已成為當今社會高發病率和高死亡率的主要源動力。雖然血管造影術已成為當前診斷動脈粥樣硬化患者血管狹窄程度的主要方式，但此技術在獲取患者血管病變部位的詳細信息時具有局限性，尤其是血管內易損板塊的尺寸、組成等結構信息，診斷動脈粥樣硬化患者疾病病變程度也必須依靠著血管內的病變信息。醫療診斷機構將超聲所得到的血流速度信息和組織內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生進行診斷。超聲波用于檢測人們身體的軟組織、血流等方法和設備層出不窮。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，更加便于醫學診斷和治療。彩色多普勒血流成像技術于1982 年由美國Bornner 和日本的Namekawa、Kasai 最先研制成功，日本Aloka公司于1982 年生產出第一臺彩色多普勒血流顯像儀。20 世紀90 年代又發展了四種彩色多普勒技術:(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)又稱為多普勒心肌顯像(DMI)。(4)能量運動成像(PMI)[1,3]。雖然超聲波現階段能檢測血流速度以及方向，應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題仍然存在：(1)超聲反射接收信號的強度，呈多角度散射，但在流動血液中多角度散射如何衰減規律還沒有公開報道。(2)超聲前向散射范圍在較大區域內，流速與散射角度及血管的直徑之間的關系也未見詳細報道。

2 超聲反射原理

本實驗為了得到血管壁的超聲反射多方向衰減特性，對自制人體血管與血液仿真樣品進行了測量。旋轉角度反射法是本實驗中提出的一種新的方法。目前，考慮到大多數臨床超聲診斷儀器(無論是A 型，還是B 型)都采用的是超聲脈沖反射原理，實際中旋轉角度反射法來測介質樣品的在各個角度的幅值變化。通常的透射法對于活體組織測量一般不適用，在醫院臨床判斷上，透射法也經常無法判斷。因而，旋轉反射法估計組織衰減對臨床應用更具有實際意義。當聲波在血液中傳播時，由于波散射以及吸收等原因，造成聲能向各個方向反射，而幅值降低。在本實驗中正弦信號的激勵下，換能器向被測仿真血液中輻射聲脈沖，聲波在仿真的血液樣本中傳播，當遇到血管壁時被反射，回到換能器L 被接收轉換成反射信號，接收并顯示信號振幅。因此，當聲波到達仿真血液樣本管壁時，會穿透血液樣本壁上下膜兩層反射測量，血液樣本壁的內、外膜將會反射產生兩個正弦回波，反射回來的超聲波可以在示波器上顯示出波形[2]。（圖1）

圖1

3 實驗設計

3.1 實驗裝置設置

由定時注射泵，信號發生器、換能器、旋轉的分光計、示波器、自制的金屬構架、升降臺組成。裝置如圖2 所示。

圖2

其工作原理是，調整信號發生器使之輸出正弦波，發射出一定頻率（40kHz 左右）及強度的正弦波，發射的超聲波與內部流動著模擬血液的導管接觸后被反射，反射后的超聲波被接收的超聲波在分光計上的接受裝置，進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，通過衰減可計算出不同超聲波信號的電壓值。（圖3）

圖3 血液反射波形圖

3.2 實驗數據與討論

首先，我們測量注射器的直徑，這是為計算流量做準備。在推進時，可以利用事先準備好的設計速度輸入注射泵，進而控制流量。（表1）

表1 實驗所用注射器直徑D=3.650cm

其次，測量注射導管的直徑，注射導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管，模擬血液在人體內的流動。（表2）

表2 注射導管直徑d=0.508cm

接著，調整信號發生器的輸出頻率，鑒于本實驗的器材，我們采用輸出頻率為40kHz 的正弦波信號，衰減調制20db，調整過程中，發現超聲輸出頻率隨角度變化而漂移，我們選取了六個特征角度觀察頻率漂移，數據見表3。其規律呈現出與發射端成垂直時頻率漂移最小，與發射管平行時，頻率漂移最大。（表3）

表3 以推動注射器時間為60s 為例 發射超聲波頻率為40kHz

表4 不同角度不同流速時接收聲波的幅值（格）

在實驗中，首先控制模擬血液樣本的流動速度，按照流動速度由小及大的順序，控制流速。以100ml 為例，流動時間控制在10s-60s 之間，每隔5s 設一個采樣區間。在每個采樣區間內，將接收端置于分光計上，分光計的分辨角精度可達1 分，旋轉分光計的接收端，選著6 個不同的特征角度，對反射的正弦波進行采樣，觀察其幅值的變化。采集的數據如表4 所示。

根據表4 所采集的數據，我們以流速、角度、電壓幅值作為三個參量，繪制血液流速多角度反射的幅值變化三維立體圖，見圖4。

圖4

由圖4 所示，我們可以得出關于血液流速超聲波多角度反射幾個特征：

（1）在同一角度上，超聲波在血液中反射的超聲波信號幅值，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幅值，隨角度增加而先增大后減小，其中位于垂直于發射端的方向上，反射超聲波信號幅值，因此這個方向上不宜進行反射法的測量。

（3）經過實驗分析數據，發現采用反射法在多角度測量超聲波信號時，以0-50°之間為宜，這個區間內反射的超聲波信號幅值較小，這樣可以拉開與原發射信號之間的差距，便于分析。

4 結論與展望

經過本項目研究，我們設計了一種新型的超聲波對血流作用方法，這種方法就是旋轉角度反射法，反射法角度區間在0-50°之間為宜。這種方法采用的結構簡單、皮實耐用、價格低廉，適于現場測量。當然，這種方法還有很大的改進余地，諸如如何提高數據的處理速度、如何克服血管內的信號噪聲、如何建立匹配的病理樣本等等。由此可見這種新的方法有著比較明朗的應用前景，這里只做了前期工作，為今后的科學研究做一個有益的探索。