超聲經顱多普勒血流分析儀檢測裝置研究

羅犇 童云梅 朱清 韓淑杰

【摘要】超聲經顱多普勒血流分析儀是利用顱骨薄弱部位作為檢測的聲窗，用多普勒頻移效應研究腦底動脈主干血流的一種無創性的檢查設備，目前臨床應用非常廣泛。為了保證超聲經顱多普勒血流分析儀的性能可靠，對其進行計量校準就顯得尤為重要?；诖?，本文研究了一套超聲經顱多普勒血流分析儀的檢測裝置。實際應用表明此檢測系統能較客觀地評估超聲經顱多普勒血流分析儀的性能，可以作為檢測（校準）的裝置。

【關鍵詞】超聲經顱多普勒血流分析儀;弦線式多普勒試件;檢測;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

超聲經顱多普勒血流分析儀（簡稱“TCD儀”）通過對顱腦超聲多普勒回波信號的采集，無創傷的檢測生理、病理條件下的腦底和頸部動脈血流動力學及各血流生理參數，為相關疾病的診斷和治療提供科學依據。TCD檢查通過對血流速度、血流深度、血流音頻、血管搏動指數等參數的檢測來評估腦血管功能及可能發生的病變，其檢查結果直接影響醫生對疾病的診斷。因此，對TCD儀進行量值傳遞和質量控制，確保TCD儀量值準確可靠，對保證臨床診斷的準確性具有重大意義?；诖耍疚膶⒀兄埔惶啄軌驖M足TCD儀量值溯源需求的檢測裝置，對TCD儀的主要性能指標進行測試。

1檢測項目

TCD儀是利用低頻超聲波的Doppler效應原理來實現檢測，其檢測的基本原理是超聲探頭（一般用2 MHz脈沖探頭）發出一定頻率、一定聲強的脈沖超聲，這些脈沖波被血管內流動著的紅細胞反射回來后再由探頭接收，并將多普勒頻移值（接受頻率和發射頻率的差值）經過傅里葉變換處理后轉換為血流速度，單位是cm/s。TCD頻譜提供血流相關的參數用頻率-時間顯示，其中包括：血流瞬時速度和辨別血流方向。通過這些參數可以求得動脈射血時間長短、血流速度上升的快慢，從而反映動脈壁的情況。

血流速度是指紅細胞在血管中流動的速度，主要根據多普勒頻移計算出來，是判斷病理情況是否存在最重要的參數。在正常生理狀態下，顱內各血管中的血流速度均保持在一穩定值。當血流速度增高（超過正常值的上限值）或降低（低于正常值的下限值）均被認為是一種異常的情況。通過TCD儀測得血流速度值結合臨床加以判斷其病變性質，作出相應的診斷。

血流方向是指被檢測到的血管中血液流動方向相對于探頭的方向。在正常生理狀態下，腦部各血管中血液按照特定的方向進行流動，如果發生梗死時，某些血管的血流會發生代償或產生明顯的側支循環，從而使血流方向發生改變。所以在多普勒頻譜中，血流方向是判別血管病變的一個重要組成部分，是識別正常顱內血管和病理性異常通道的重要參數。當進行經顱多普勒超聲檢測時，如果血流方向朝向探頭，表示發生了正向頻移;如果血流方向背離探頭，則表示發生了負向頻移。因此，根據血流方向的變化可以幫助診斷疾病。

多普勒血流探測深度是可正常探及信號顯示頻譜的最深距離。通過對血流深度的測量，可以看出血管的具體方位，從而做出相應的診斷。

由此可見，血流速度、血流方向、血流深度是TCD檢測的基本項目。結合標準YY/T 0705—2008《超聲連續波多普勒系統試驗方法》和YY/T 0593—2015《超聲經顱多普勒血流分析儀》的要求，本文擬研究一款超聲經顱多普勒血流分析儀的檢測裝置，用來檢測TCD儀血流特性，評價TCD儀的血流速度、血流方向識別能力、多普勒血流探測深度等指標。

2檢測系統的設計

2.1外形結構

外殼采用亞克力一體式結構，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。水箱的結構設計與弦線系統、給排水系統、TCD超聲探頭夾持系統、掃描角度控制系統、電氣控制單元有機結合，見圖1。

弦線系統，通過步進電機帶動弦線的運轉來測量TCD儀的各參數指標。步進電機的速度是可調的，運動的弦線可以模擬人體不同的血液流動速度。弦線材質的選擇考慮了聲學特性、耐腐蝕性、耐磨性、合適的彈性及強度。

給排水系統，安裝于測量水槽底部，通過一塊與測量水槽底部成30°的隔板將水隔絕。配置和水箱一體化的自動給排水系統，使用普通水模擬人體組織?？刂破鲉卧ㄟ^驅動進水單頭水泵或出水單頭水泵工作，來完成注水、排水工作。

TCD超聲探頭夾持系統根據水槽的外形特點和檢測方式，設計了專用可滑動的多功能夾具，測試過程無須操作者接觸被測器具，操作簡單方便。夾具移動過程配合導軌精準控制，大大減小誤差。TCD超聲探頭夾持系統，匹配目前市面上大部分型號的超聲探頭。

采用無線藍牙或WiFi通信方式，用手機APP控制體模便于操控TCD，并配有上位機軟件實時與液晶屏同步顯示。液晶屏采用15英寸可觸摸操作面板，符合人體工程學的設計，水平視角，可以帶來更好的人機交互體驗。

2.2組成單元

裝置由六個單元組成，包括：注水/排水驅動單元、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、測量水槽以及控制器單元。其中，注水/排水驅動單元通過水管和測量水槽連接;多普勒弦線式試件單元、多普勒探頭夾頭單元、控制器單元和測量水槽采用機械連接;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/排水驅動單元、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電路設計

裝置主要由單片機控制部分、電機控制部分、彩屏顯示部分、無線通信部分、電源管理部分等組成。在電路設計上，保證檢測結果可靠的同時實現了遠程控制。

在軟件方面，建立以微處理器為核心，uC/OS-II為操作系統的神經肌肉電刺激類設備計量標準裝置，實現檢測物理量的預處理、測量、控制和顯示。采用手機APP通過藍牙或WiFi實現檢測系統和手機間的通信，操控相關系統工作?；谇度耸綄崟r操作系統uC/OS-II，開發了操作系統的總體框架以及功能模塊，實現信號采集、存儲以及顯示等功能。電路系統設計框圖如圖3所示。

2.4應用效果

我們采用超聲經顱多普勒血流分析儀檢測裝置對TCD儀的血流速度、血流方向和血流深度進行檢測。

2.4.1多普勒血流速度測量

測試體模設置如下：1）在流速測量范圍測試時，測試體模的運動構件速度分別設置在被測TCD儀流速范圍的最大值和最小值處;2）在流速測量誤差測試時，測試體模的運動構件速度分別設置在被測TCD儀流速測量范圍的1/3和2/3處。

被檢TCD儀設置如下：1）按不同超聲標稱頻率的超聲探頭設置TCD儀的工作距離和取樣區間;2）血管選擇，將濾波、聲功率、接收增益等調節在視覺可分辨的最佳處;3）將超聲探頭夾持在夾具中，并確保其端面到測試體模運動部分被測點的距離與TCD的工作距離一致;4）多普勒聲束軸（一般為探頭手柄軸線）和測試體模運動構件運動方向之間的夾角建議選擇30°、45°或60°，在計算所顯示的流速測量誤差時，除按上述實際夾角外還應考慮TCD儀的多普勒角設定為0°。

合理設置靈敏度、取樣區間等參數，并使用多普勒角度校正功能，仔細調整取樣區游標以獲得最佳的頻譜圖像，利用測量功能（如自動平均功能等）測出對應測試體模運動構件速度，重復測量3次，取算術平均值作為流速測量結果。

按下式計算流速測量誤差：

式中：ΔV——流速測量誤差%;

V₀——測試體模運動構件或仿血流體模血流速度設定值，cm/s。

2.4.2血流方向識別能力測量

先將模體注水至規定高度，取出TCD的探頭，將探頭的掃描面置于模體的液面下，對準兩根并行的方向相反的弦線;調節TCD儀的有關鍵鈕，使弦線在圖像上清晰顯示。微動探頭，在圖像上觀察是否能清晰顯示兩個距離為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多普勒血流探測深度測量

先將模體注水至規定高度，取出TCD的探頭，將探頭的掃描面置于模體的液面下，對準模擬血管的弦線;調節TCD儀的有關鍵鈕，以獲得清晰的弦線圖像。測量時，將探頭向弦線的較深處移動，直到彩色信號消失，此后將探頭回退到彩色消失前的位置，將圖像凍結后以電子游標測量此時弦線最遠端的深度，即為血流探測深度。

3結語

用于測試多普勒超聲系統所用的人造結構，標準YY/T 0593—2015《超聲經顱多普勒血流分析儀》中推薦采用仿血流體模和弦線式測試件。由于仿血流體模一般只對流量進行設置、監測和校準，盡管制造商提供有對應流量的參考流速值，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的問題，我們還將就此做進一步研究，以期提高該套檢測裝置的計量性能。

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