專利名稱：利用視在位移的多普勒血流速度矢量測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學超聲應用領域，利用視在位移概念及參數(shù)，實現(xiàn)脈沖波多普勒的人體血管中血流速度矢量測量。

背景技術：
1842年奧地利科學家多普勒(Doppler)發(fā)現(xiàn)了一個重要的物理現(xiàn)象，當振動著的波源逐漸靠近觀測者時，測量到的頻率比從波源發(fā)出的頻率高。當波源離去時，測量到的頻率則低于發(fā)出的頻率。后來人們就把多普勒的發(fā)現(xiàn)叫做多普勒效應。
當用脈沖波做信號源時，通過檢查相鄰兩次接收到的信號的相位差，可以考察被測體的運動速度，這種方法稱為脈沖波多普勒方法。在現(xiàn)有的各種超聲血流成像技術中，多使用脈沖波多普勒方法。
眾所周知，在醫(yī)學超聲檢測中，測量出血流的真實速度具有重要的意義。但目前的商用超聲成像系統(tǒng)只能估計出血流速度沿聲束方向的分量(這里我們稱為軸向速度)，不能估計非軸向的速度分量。實際上人體血管中血流速度方向在大多數(shù)測量情況下都不可能絕對地沿著聲束傳播方向，而是與聲束方向成一定的角度，這一角度將使速度估計變小，在極端情況下當血流速度和聲束方向成九十度時，測量結果將為零，即無法測量血流速度。
為了能夠測量血流的速度矢量，有些學者采用超聲探頭陣列對被測區(qū)域進行測量，每個陣元就是一個信號通道，由于每個陣元發(fā)射和接收的聲束與血流速度成不同角度，不同位置的陣元就測量出不同角度的速度，然后通過速度合成就可以求出血流矢量。比如文獻[1]使用孔徑域的數(shù)據(jù)，分別計算每個陣元的由血流運動引起的時移，建立一個速度或時移沿換能器陣列方向的曲線方程，經(jīng)過適當?shù)挠嬎慵纯傻盟俣鹊妮S向、橫向分量。該方案采用近似的一階多項式處理這個曲線，使測量精度受到很大影響。
鑒于現(xiàn)有技術存在的不足，特提出本發(fā)明。


發(fā)明內(nèi)容
為了能測量血流的速度矢量信息，我們提出視在位移概念，對于每個接收陣元，利用向量投影定理，根據(jù)視在位移與位移投影的關系直接建立了矢量速度各分量與接收信號相位之間線性關系式，當考慮所有的接收陣元所接收到的信號，這個線性關系就構成了多元一次方程組，最后采用最小二乘法方法進行求解得到速度矢量信息。由于在建立速度和測量信號之間數(shù)學物理關系時不存在有些文獻中(如文獻[1])采用非線性到線性的近似處理，取得了比現(xiàn)有脈沖多普勒血流測量精度更高的測量結果，并提高了計算速度。本方法不僅適用于超聲醫(yī)學中的血流速度矢量測量，也適用于其他領域的運動物體的速度矢量測量。
為敘述方便，我們在二維空間討論，所得結論完全適用于三維空間的情況。
向量投影定理是指二維空間x-z中的一個向量在一個直線上的投影，等于該向量的兩垂直分量即x分量和z分量分別在此直線上投影的和。如果知道直線的傾角，利用向量投影定理，可以方便地把向量在一個直線上的投影表示為直線的傾角與向量的x、z兩分量的關系。
我們把任意陣元的相鄰發(fā)送或接收信號間相位差所反映的散射點位移，稱為散射點相對該陣元的視在位移。用向量投影定理可以方便地給出視在位移與物體位移變化的關系式。
考慮從陣元O發(fā)出超聲，傳播到在P點的運動物體，入射超聲波被該物體反射或散射后的信號為陣元U所接收，在相鄰兩次超聲信號發(fā)射——接收事件測量過程中運動物體相對于陣元O的位移變化量，及相對與陣元U的位移變化量在測量中相繼發(fā)生，因此在相鄰兩次超聲信號發(fā)射——接收事件測量過程中的視在位移應該是這二者的和。
本發(fā)明的實現(xiàn)方式如下當我們采用一脈沖序列對運動物體進行檢測時，每次測量過程包含了發(fā)送和接收兩個過程。因此在相鄰兩次脈沖發(fā)送——接收事件中，不僅含有兩次發(fā)射的時間差，又含有兩次接收的時間差，這兩個時間差之和應該和視在位移成正比。這樣利用接收信號的相位信息，我們就可以測量出運動物體的視在位移，進而求出物體在x方向和z方向的速度分量，完成運動物體的速度矢量的檢測。
對陣元的接收信號進行正交解調(diào)處理可以得到信號的相位差。把相位差轉(zhuǎn)換為時間差，是脈沖波多普勒方法的思想。把時間差轉(zhuǎn)化為視在位移，并建立視在位移與矢量速度各分量的關系，是本方法的思想。
視在位移概念在本發(fā)明中具有重要意義。第一、在建立接收信號和被測速度矢量關系時，從數(shù)學分析的角度，引入視在位移使分析得到了簡化，在無需對方程進行數(shù)學近似的前提下，得出了簡潔、嚴格的速度和接收信號相位差之間的數(shù)學模型。第二、計算機仿真結果分析對比表明，利用這個數(shù)學模型可以有效提高測量精度，特別是在近場情況下測量精度。第三、由于數(shù)學模型直接給出回波信號的相位和測量速度分量的線性方程組，可以直接利用成熟的最小二乘法對方程進行求解，不僅計算簡單，而且提高了抗干擾性。



圖1為總體結構框圖其中，1脈沖激勵單元、2為超聲傳感器陣列、3為運動物體、4是信號接收與放大電路、5為接收信號預處理、6為建立視在速度方程組、7為用最小二乘法對方程進行求解。
圖2為超聲傳感器器陣列[2]和運動物體[3]之間的關系示意圖。
圖3對投影定理和視在位移的說明 圖4為測量結果的比較。

具體實施例方式 下面結合附圖簡單說明本發(fā)明具體實施方式
。首先由脈沖激勵單元[1]驅(qū)動超聲傳感器陣列[2]中的一些單元發(fā)射超聲信號，各陣元發(fā)出的超聲信號在測量位置聚焦后經(jīng)過運動物體[3]反射后被傳感器[2]中的一些單元接收并送信號接收與放大單元[4]放大，放大后的信號送接收信號預處理單元[5]進行正交解調(diào)處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換并合成復數(shù)信號、再經(jīng)過相關器處理得出相對于相鄰兩次發(fā)射的接收信號的相位差，然后相位差送單元[6]建立視在速度線性方程組，該方程組通過[7]進行最小二乘法求解便得出被測物體的速度矢量各分量。
下面結合附圖對本發(fā)明具體實施方式
作一步說明。
A、投影定理 這里指的投影定理是指在x-z平面上的一個向量在同一平面上的直線上的投影，等于該向量的橫向分量和縱向分量分別在該直線上投影的和。比如

是x-z平面上的一個向量(如圖3所示)，PSx和PSz分別是它在x方向和z方向上的分量。設過線段UP的直線為l，PQ是向量PS在直線l上的投影，PA是PSx在直線l上的投影，PB是PSz在直線l上的投影。則PQ＝PA+PB。
根據(jù)上述的投影定理，我們不難得出如下結論向量

在同一平面上的直線l上的投影PQ，與該向量的x分量PSx和z分量PSz，以及直線l與x軸的夾角θ有如下關系 PQ＝PSx cosθ+PSz sinθ (1) B、視在位移 定義點P到點U距離的變化，稱為點P相對點U的移動。
如圖3所示，點P相對點U移動到點S，當點P的實際位移與兩點距離之比趨近0時，US和UP趨近于平行，因此點P相對點U的移動就趨近于實際位移在直線UP(即l)上的投影PQ，即|US-UP|＝PQ。在實際應用中，散射點位移遠小于散射點到探頭的距離，因此可以認為相對移動就是實際位移的投影。
定義陣元U的兩相鄰接收信號間相位差所反映的散射點位移，稱為散射點相對陣元U的視在位移。
相位差由兩部分所貢獻發(fā)射過程和接收過程。因此，視在位移可分為發(fā)射部分和接收部分。
視在位移的接收部分，等于散射點相對接收超聲信號陣元U的移動。
視在位移的發(fā)射部分，除幾何關系外，還與發(fā)射信號的形式有關。本發(fā)明采取發(fā)射聚焦，因此發(fā)射部分等于散射點相對發(fā)射陣元孔徑幾何中點的移動。
在圖2所示的x-z平面上有一個散射點P(x，z)，向S方向運動，設其位移為PS。超聲換能器陣列設于x軸上，其中心為原點，其對稱軸為z軸。(u，0)處的陣元稱為陣元U，設為接收超聲信號陣元。
對圖2，視在位移的接收部分，等于P相對U的移動，當PS相對于UP很小時，應為PQ。設位移PS的x分量為PSx，z分量為PSz，根據(jù)公式(1)， 其中 當超聲以在點P聚焦的方式發(fā)射，并且參與聚焦的合成孔徑陣元關于直線x＝0對稱(當然也可選其他陣元)，等效的發(fā)射點為O(0，0)。同理可得視在位移的發(fā)射部分等于P相對點O的移動，設為PM，根據(jù)公式(1) 則總的視在位移是 特殊的，如果我們將散射點放到陣列的軸線上，則公式(4)中的x＝0。
視在位移與散射點位移的x分量和z分量具有確定的關系，所以我們可以通過引入“視在位移”的，去確定散射點的位移，進而確定散射點的速度。
C、視在速度方程組 對于同一個散射點，接收信號預處理單元[5]對陣元U的接收信號處理后得出信號相位差

設超聲脈沖中心頻率對應的波長為λ0，則散射點產(chǎn)生

相位差所對應的視在位移為
其中波長λ0與脈沖中心頻f0的關系為 λ0·f0＝c c為超聲波的傳播速度。
根據(jù)公式(4)可以得到
這就是散射點視在位移方程。
將方程(7)除以脈沖間隔周期T，得到散射點的視在速度方程
其中 fprf是脈沖重復頻率，與脈沖間隔周期T的關系為
用兩個陣元的接收信號得出的相位差以及各個相關參數(shù)代入二元方程(8)，產(chǎn)生二元一次方程組，即可求得散射點速度

的x分量vx和z分量vz，然后利用公式 可求得散射點的速度大小v及方向δ。
D、視在速度方程組的求解 下面為本發(fā)明測量速度的
具體實施例方式激勵源[1]對傳感器陣列[2]中的選定單元比如陣列中心點O區(qū)域處(當然也可以選定其他位置)的若干陣元進行一定次數(shù)的重復激勵，這些O區(qū)域處的陣元便構成了一合成發(fā)射孔徑，其內(nèi)的陣元發(fā)射序列超聲脈沖信號，每個脈沖中心頻率f0、脈沖重復頻率fprf；傳感器陣列[2]的其他陣元比如陣列U處(可以包括發(fā)射陣元)接收運動物體[3]反射或散射的信號，N個陣元數(shù)則得到N個接收信號；對接收信號送信號接收與放大單元[4]放大，然后進行預處理[5]，包括正交解調(diào)、數(shù)模轉(zhuǎn)換、把正交解調(diào)輸出的信號合成接收信號的復數(shù)信號、設置時間窗取對應測量運動區(qū)域的復數(shù)信號、對接收復數(shù)脈沖序列進行相關處理得相鄰兩個脈沖的相位差

此

送建立視在速度方程組單元[6]建立速度和信號相位

之間關系的方程。單元[7]對方程組進行求解，求解過程如下當考慮到所有陣元的數(shù)據(jù)，它可以寫成如下形式的視在方程組 其中
由于參數(shù)x、z、u、fprf、f0和

對于每一陣元u都是已知的，所以參數(shù)A(u)、B(u)和C(u)這三個數(shù)都是確定的。另外在測量過程中，多個陣元可能同時對運動物體的散射信號進行接收，所以得出是方程的個數(shù)大于未知數(shù)個數(shù)的超定方程，即 式中u1、u2......un代表不同位置的傳感器陣元。
為了對上述方程求解得出速度，我們對方程兩邊同乘以系數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置，即 令 顯然D為2行2列矩陣，而E為2行1列矩陣。
于是就可以得出方程的解 這實際就是根據(jù)殘差平方和最小原則的最小二乘法方法求解。
在得到vx和vz值后，根據(jù)(9)就可以得到散射點矢量速度

的大小和方向。
圖4為測量結果的比較，超聲原始數(shù)據(jù)有Filed II軟件產(chǎn)生。隨機產(chǎn)生散射點(代表紅細胞)非均勻分布在x-z平面的采樣體積中，在采樣體積中散射點密度為每平方毫米(2維)100個散射點。圖4為測量結果的比較，理論速度是每秒200mm。圖4中所示為規(guī)一化的評估誤差，表示測量體積在聲場的軸向時，側(cè)向速度分量(即x方向)、軸向速度分量(即z方向)、標量速度值、速度方向這4個量與速度方向從x軸開始的傾角的關系。為了便于比較，我們把采用文獻[1]方法得出的結果也同時給出。處理時被測速度由理想速度每秒200mm規(guī)一化?？梢钥闯鑫覀兲岢龅姆椒ū任墨I[1]方法所得結果的精度更高。
參考文獻.Shun-Li Wang，Meng-Lin Li，and Pai-Chi Li，“Estimating the Blood Velocity VectorUsing Aperture Domain Data，”IEEE Trans.Ultrason.，F(xiàn)erroelect.，F(xiàn)req.Contr.，2007，54(1)70-78。
權利要求
1.一種基于視在位移的多普勒血流速度矢量測量方法，用脈沖激勵單元[1]驅(qū)動超聲傳感器陣列[2]中的一些單元發(fā)射超聲信號，超聲信號經(jīng)過運動物體[3]反射后被傳感器[2]中的一些單元接收后送信號接收與放大單元[4]放大，放大后的信號送接收信號預處理單元[5]進行正交解調(diào)處理、數(shù)模轉(zhuǎn)換并合成復數(shù)信號、再經(jīng)過相關器處理得出相對于相鄰兩次發(fā)射的復數(shù)信號相位差。其特征在于相位差送視在速度方程組單元[6]建立關于血流速度矢量各分量的線性方程組，該方程組用最小二乘法進行求解[7]得出被測物體的速度矢量。
2.如權利要求1所述基于視在位移的多普勒血流速度矢量測量方法，其特征在于利用視在位移建立了速度矢量的各個分量與信號相位差之間的線性方程組，該信號相位差由接收信號通過正交解調(diào)處理及相關器處理得出。
3.如權利要求1或2所述基于視在位移的多普勒血流速度矢量測量方法，其特征在于視在位移表述的是相鄰兩次探測時間間隔內(nèi)，測量物體相對于等效發(fā)射陣元的移動及物體相對于接收陣元的移動之和。
4.如權利要求1或2或3所述基于視在位移的多普勒血流速度矢量測量方法，其特征在于視在位移可以由投影定理導出，其表達式是被測速度各個分量的線性組合，其系數(shù)由傳感器陣元位置及其與被測點位置的幾何參數(shù)確定。
全文摘要
利用視在位移的多普勒血流速度矢量測量方法，本發(fā)明采用視在位移對運動目標的速度矢量各分量進行測量，從而實現(xiàn)多普勒血流速度的矢量測量。對于每個接收陣元，根據(jù)視在位移建立了速度諸分量與接收信號相位之間線性關系式，當考慮所有的接收陣元接收的信號，這個線性關系就構成了一個(超定)多元一次方程組，最后采用最小二乘法方法進行求解，取得了較高精度的測量結果。
文檔編號A61B8/06GK101828929SQ20091011632
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月11日 優(yōu)先權日2009年3月11日
發(fā)明者彭虎, 于盎寧 申請人:中國科學技術大學