一种新型的超声波对血流作用方法研究

巫鹏飞 吕 科* 程子栋 康 宇

（大连海洋大学，辽宁 大连116000）

1 概述

社会飞速发展的今天，人们的工作节奏和压力与日俱增，这导致心血管疾病已成为当今社会高发病率和高死亡率的主要源动力。虽然血管造影术已成为当前诊断动脉粥样硬化患者血管狭窄程度的主要方式，但此技术在获取患者血管病变部位的详细信息时具有局限性，尤其是血管内易损板块的尺寸、组成等结构信息，诊断动脉粥样硬化患者疾病病变程度也必须依靠着血管内的病变信息。医疗诊断机构将超声所得到的血流速度信息和组织内部的信息综合到普通的B 超图像上，从而形成彩色多普勒血流成像以供医生进行诊断。超声波用于检测人们身体的软组织、血流等方法和设备层出不穷。这种成像方式能够提供包括解剖图和血流信息的完整的人体解剖信息，更加便于医学诊断和治疗。彩色多普勒血流成像技术于1982 年由美国Bornner 和日本的Namekawa、Kasai 最先研制成功，日本Aloka公司于1982 年生产出第一台彩色多普勒血流显像仪。20 世纪90 年代又发展了四种彩色多普勒技术:(1)多普勒能量图、能量多普勒和血管造影(Color Doppler, Power Doppler Imaging )。(2)彩色多普勒能量图(CDE)。(3)彩色多普勒组织成像(CDTI)又称为多普勒心肌显像(DMI)。(4)能量运动成像(PMI)[1,3]。虽然超声波现阶段能检测血流速度以及方向，应用成像方面也极为广泛，但超声波例在超声成像，尤其是判断心血管病变方面的问题仍然存在：(1)超声反射接收信号的强度，呈多角度散射，但在流动血液中多角度散射如何衰减规律还没有公开报道。(2)超声前向散射范围在较大区域内，流速与散射角度及血管的直径之间的关系也未见详细报道。

2 超声反射原理

本实验为了得到血管壁的超声反射多方向衰减特性，对自制人体血管与血液仿真样品进行了测量。旋转角度反射法是本实验中提出的一种新的方法。目前，考虑到大多数临床超声诊断仪器(无论是A 型，还是B 型)都采用的是超声脉冲反射原理，实际中旋转角度反射法来测介质样品的在各个角度的幅值变化。通常的透射法对于活体组织测量一般不适用，在医院临床判断上，透射法也经常无法判断。因而，旋转反射法估计组织衰减对临床应用更具有实际意义。当声波在血液中传播时，由于波散射以及吸收等原因，造成声能向各个方向反射，而幅值降低。在本实验中正弦信号的激励下，换能器向被测仿真血液中辐射声脉冲，声波在仿真的血液样本中传播，当遇到血管壁时被反射，回到换能器L 被接收转换成反射信号，接收并显示信号振幅。因此，当声波到达仿真血液样本管壁时，会穿透血液样本壁上下膜两层反射测量，血液样本壁的内、外膜将会反射产生两个正弦回波，反射回来的超声波可以在示波器上显示出波形[2]。（图1）

图1

3 实验设计

3.1 实验装置设置

由定时注射泵，信号发生器、换能器、旋转的分光计、示波器、自制的金属构架、升降台组成。装置如图2 所示。

图2

其工作原理是，调整信号发生器使之输出正弦波，发射出一定频率（40kHz 左右）及强度的正弦波，发射的超声波与内部流动着模拟血液的导管接触后被反射，反射后的超声波被接收的超声波在分光计上的接受装置，进一步输入到示波器上，在示波器上观察波形幅值的改变。示波器所显示的波形不同，通过衰减可计算出不同超声波信号的电压值。（图3）

图3 血液反射波形图

3.2 实验数据与讨论

首先，我们测量注射器的直径，这是为计算流量做准备。在推进时，可以利用事先准备好的设计速度输入注射泵，进而控制流量。（表1）

表1 实验所用注射器直径D=3.650cm

其次，测量注射导管的直径，注射导管主要是模拟人体的血管，将事先配好的模拟的血液输入注射泵，然后由注射泵推入导管，模拟血液在人体内的流动。（表2）

表2 注射导管直径d=0.508cm

接着，调整信号发生器的输出频率，鉴于本实验的器材，我们采用输出频率为40kHz 的正弦波信号，衰减调制20db，调整过程中，发现超声输出频率随角度变化而漂移，我们选取了六个特征角度观察频率漂移，数据见表3。其规律呈现出与发射端成垂直时频率漂移最小，与发射管平行时，频率漂移最大。（表3）

表3 以推动注射器时间为60s 为例 发射超声波频率为40kHz

表4 不同角度不同流速时接收声波的幅值（格）

在实验中，首先控制模拟血液样本的流动速度，按照流动速度由小及大的顺序，控制流速。以100ml 为例，流动时间控制在10s-60s 之间，每隔5s 设一个采样区间。在每个采样区间内，将接收端置于分光计上，分光计的分辨角精度可达1 分，旋转分光计的接收端，选着6 个不同的特征角度，对反射的正弦波进行采样，观察其幅值的变化。采集的数据如表4 所示。

根据表4 所采集的数据，我们以流速、角度、电压幅值作为三个参量，绘制血液流速多角度反射的幅值变化三维立体图，见图4。

图4

由图4 所示，我们可以得出关于血液流速超声波多角度反射几个特征：

（1）在同一角度上，超声波在血液中反射的超声波信号幅值，随流速增加而增大。

（2）在同一流速下，超声波在血液中反射的超声波信号幅值，随角度增加而先增大后减小，其中位于垂直于发射端的方向上，反射超声波信号幅值，因此这个方向上不宜进行反射法的测量。

（3）经过实验分析数据，发现采用反射法在多角度测量超声波信号时，以0-50°之间为宜，这个区间内反射的超声波信号幅值较小，这样可以拉开与原发射信号之间的差距，便于分析。

4 结论与展望

经过本项目研究，我们设计了一种新型的超声波对血流作用方法，这种方法就是旋转角度反射法，反射法角度区间在0-50°之间为宜。这种方法采用的结构简单、皮实耐用、价格低廉，适于现场测量。当然，这种方法还有很大的改进余地，诸如如何提高数据的处理速度、如何克服血管内的信号噪声、如何建立匹配的病理样本等等。由此可见这种新的方法有着比较明朗的应用前景，这里只做了前期工作，为今后的科学研究做一个有益的探索。