專利名稱：一種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超聲波測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高精度超聲波測(cè)距方法。
背景技術(shù)：
對(duì)肺部腫瘤進(jìn)行放射治療時(shí)，呼吸運(yùn)動(dòng)一直是靶區(qū)勾畫中要重點(diǎn)考慮的問題，測(cè)量病變的運(yùn)動(dòng)范圍很重要。我們?cè)诨颊吆魵饽┘拔鼩饽﹥蓚€(gè)時(shí)相要求患者憋住氣，此時(shí)進(jìn)行兩次CT掃描，并測(cè)量肺部病變?cè)趦纱蜟T中的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)差，可得出病變的運(yùn)動(dòng)范圍。但實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)僅靠工作人員對(duì)患者口頭要求憋住氣，不能確?；颊叩膶?shí)際呼吸時(shí)相與要求的呼吸時(shí)相一致。我們?cè)黾恿艘粋€(gè)自由呼吸時(shí)的CT掃描，理論上此時(shí)的病變位置應(yīng)該在呼氣末時(shí)相與吸氣末時(shí)相CT的病變位置之間，但有的患者卻超出了這個(gè)范圍，說明名義上的呼氣末CT或吸氣末CT不一定全部符合實(shí)際情況。因此，急需精確、敏感的呼吸監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)，并在需要的呼吸時(shí)相進(jìn)行CT掃描。超聲波測(cè)距是一種用途廣泛的非接觸式測(cè)距方法，其測(cè)距原理如圖1所示:處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，交流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，超聲波接收探頭將反射回來的超聲波(回波)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過濾波放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸入到處理器進(jìn)行處理。處理器通過比較超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差，便可計(jì)算出障礙物距離探頭的距離如圖2所示，當(dāng)發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探頭和障礙物之間的距離是，探頭和障礙物之間的距離可如下計(jì)算:L = v*t/2，其中V是聲速，t是超聲波接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時(shí)間間隔。實(shí)際使用過程中，由于探頭起振(起振需要時(shí)間)和余振的影響，發(fā)射探頭和接收探頭的電壓信號(hào)如圖3所示:在圖3中，CHl為發(fā)射的波形，CH2為接收波形。超聲波發(fā)射的起始時(shí)間TO很容易確定，而超聲波接收信號(hào)是一個(gè)振幅逐漸增大的過程，其起始時(shí)間Tl卻不太好確定，目前常用的方法是電平閾值法，如圖4所示。當(dāng)接收信號(hào)的電平超過某一個(gè)電平閾值VO時(shí)，則認(rèn)為是接收信號(hào)的開始。然后再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)出時(shí)間偏置At，則t =T1-ΤΟ- Λ t。如果由于振動(dòng)，噪聲等引起接收電平的小幅抖動(dòng)，則可能使TI產(chǎn)生一個(gè)周期的偏差，如圖5所示，使用這種方法t的最小誤差為超聲波的一個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)間，如果超聲波的頻率為f = 40KHZ,則一個(gè)波長(zhǎng)為T = 1/f = 25uS。距離的誤差為AL = V*25uS/2 = 340m/s*25uS/2 = 4.25mm。所以使用這種的方法測(cè)量的誤差為mm級(jí)，不適用對(duì)精度要求比較高的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種精確、敏感的呼吸監(jiān)測(cè)儀，監(jiān)測(cè)呼吸運(yùn)動(dòng)，并在需要的呼吸時(shí)相進(jìn)行CT掃描。為實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下:—種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀， 利用高精度的超聲波測(cè)距技術(shù)，在電腦屏幕上實(shí)時(shí)展現(xiàn)出患者的呼吸時(shí)相，其特征在于，高精度的超聲波測(cè)距技術(shù)的具體步驟如下:步驟1:處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，交流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波，超聲波發(fā)射的起始時(shí)間TO ；步驟2:利用一種反相回波定位法來準(zhǔn)確的確定超聲波回波的起始時(shí)間，發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波，疊加后在回波中有一個(gè)下凹的波峰，其波峰點(diǎn)的時(shí)間為Tr ;步驟3:超聲波接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時(shí)間間隔為t ;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)出時(shí)間偏置At，步驟4:此時(shí)的距離可按下式計(jì)算:L = (Tr-TO-Δ t)*v/2,其中Δ 是一個(gè)固定值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)得；V為聲速。所述反相回波定位法為發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波；疊加后在回波中有一個(gè)下凹的波峰，即這個(gè)周期的波峰比前一個(gè)周期和后一個(gè)周期的波峰都要低，其波峰點(diǎn)的時(shí)間為Tr，不管發(fā)射功率的變化，還是測(cè)量距離變化，振動(dòng)等，這個(gè)下凹的波峰始終存在，而且Tr與TO的間隔只與距離有關(guān)，測(cè)量Tr的誤差極小，不會(huì)出現(xiàn)整周期的誤差。


圖1為超聲波測(cè)距原理圖；圖2是超聲波接收與 發(fā)射的時(shí)間間隔圖；圖3是發(fā)射探頭和接收探頭電壓波形圖；圖4是電平閾值法；圖5是接收電平的小幅抖動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)周期的偏差；圖6是超聲波發(fā)射探頭發(fā)射一個(gè)周期的超聲波時(shí)其回波波形圖7是延遲一個(gè)周期后，發(fā)射一個(gè)反相的超聲波，其波形及回波圖8發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波疊加后效果
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。一種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀，利用高精度的超聲波測(cè)距技術(shù)，在電腦屏幕上實(shí)時(shí)展現(xiàn)出患者的呼吸時(shí)相，其特征在于，高精度的超聲波測(cè)距技術(shù)的具體步驟如下:步驟1:處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，交流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波，超聲波發(fā)射的起始時(shí)間TO ；步驟2:利用一種反相回波定位法來準(zhǔn)確的確定超聲波回波的起始時(shí)間，發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波，疊加后在回波中有一個(gè)下凹的波峰，其波峰點(diǎn)的時(shí)間為Tr ;步驟3:超聲波接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時(shí)間間隔為t ;根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)出時(shí)間偏置At，
步驟4:此時(shí)的距離可按下式計(jì)算:L = (Tr-TO-Δ t)*v/2,其中At是一個(gè)固定值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)得；V為聲速。處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，交流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波，超聲波發(fā)射的起始時(shí)間TO ；當(dāng)超聲波發(fā)射探 頭發(fā)射一個(gè)周期的超聲波時(shí)，其回波波形如圖6。圖中的發(fā)射的一個(gè)周期的超聲波用粗線表示。如果延遲一個(gè)周期后，發(fā)射一個(gè)反相的超聲波，其波形及回波如圖7所示。圖中用粗線表示一個(gè)周期的超聲波，比圖6中滯后一個(gè)周期且反相。將上述兩步疊加起來，即發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后,緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波；疊加后效果如圖8所示:疊加后在回波中有一個(gè)下凹的波峰，即這個(gè)周期的波峰比前一個(gè)周期和后一個(gè)周期的波峰都要低，其波峰點(diǎn)的時(shí)間為Tr，不管發(fā)射功率的變化，還是測(cè)量距離變化，振動(dòng)等，這個(gè)下凹的波峰始終存在，而且Tr與TO的間隔只與距離有關(guān)，測(cè)量Tr的誤差極小，不會(huì)出現(xiàn)整周期的誤差。此時(shí)的距離可按下式計(jì)算:L= (Tr-TO-At)抑/2，其中Λ t是一個(gè)固定值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)得；V為聲速。測(cè)試結(jié)果表明，用這種方法的測(cè)距結(jié)果的誤差小于0.05mm。相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果mm級(jí)的誤差，精度有了質(zhì)的提高。本發(fā)明使用的是一種高精度超聲波測(cè)距技術(shù)。普通的超聲波測(cè)距技術(shù)只能達(dá)到毫米級(jí)，這種精度不足以準(zhǔn)確追蹤呼吸時(shí)相。本發(fā)明利用獨(dú)特的反相回波定位方法實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)距，測(cè)量精度可達(dá)微米級(jí)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。使用時(shí)，將超聲波探 頭對(duì)準(zhǔn)患者腹部，隨著呼吸運(yùn)動(dòng)的起伏，超聲波探頭到腹部的距離會(huì)有微小的變化，利用本發(fā)明微米級(jí)的測(cè)量精度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸狀態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤。
權(quán)利要求
1.一種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀，利用高精度的超聲波測(cè)距技術(shù)，在電腦屏幕上實(shí)時(shí)展現(xiàn)出患者的呼吸時(shí)相，其特征在于，高精度的超聲波測(cè)距技術(shù)的具體步驟如下: 步驟1:處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，交流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭,發(fā)射出一段超聲波,超聲波發(fā)射的起始時(shí)間TO ； 步驟2:利用一種反相回波定位法來準(zhǔn)確的確定超聲波回波的起始時(shí)間，發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波，疊加后在回波中有一個(gè)下凹的波峰，其波峰點(diǎn)的時(shí)間為Tr ； 步驟3:超聲波接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時(shí)間間隔為t ；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)出時(shí)間偏置At， 步驟4:此時(shí)的距離可按下式計(jì)算:L = (Tr-TO-At) *v/2,其中Δ 是一個(gè)固定值,可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)得；V為聲速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一 種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀，其特征在于:反相回波定位法為發(fā)射一個(gè)周期的超聲波后，緊接著發(fā)射一個(gè)反相的超聲波；疊加后在回波中有一個(gè)下凹的波峰，即這個(gè)周期的波峰比前一個(gè)周期和后一個(gè)周期的波峰都要低，其波峰點(diǎn)的時(shí)間為Tr而且Tr與TO的間隔只與距離有關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀，其特征在于:使用時(shí)，將超聲波探頭對(duì)準(zhǔn)患者腹部，隨著呼吸運(yùn)動(dòng)的起伏，超聲波探頭到腹部的距離會(huì)有微小的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸狀態(tài)的實(shí)時(shí)追蹤。
全文摘要
一種高精度呼吸監(jiān)測(cè)儀，處理器通過控制波形發(fā)生電路產(chǎn)生一定頻率的交流信號(hào)，交流信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路的放大和阻抗匹配后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射出一段超聲波，超聲波發(fā)射的起始時(shí)間T0；利用一種反相回波定位法來準(zhǔn)確的確定超聲波回波的起始時(shí)間，超聲波接收探頭接收到信號(hào)的時(shí)間與發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波的時(shí)間間隔為t；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)出時(shí)間偏置Δt，此時(shí)的距離可按下式計(jì)算L＝(Tr-T0-Δt)*v/2，其中Δt是一個(gè)固定值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)測(cè)得；V為聲速。
文檔編號(hào)A61B5/08GK103099620SQ20131004261
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月4日
發(fā)明者申戈, 邢旭東, 李功杰, 周振山, 張鵬, 盛洪國(guó), 張洪濤, 劉海豹 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第三0七醫(yī)院