專利名稱：一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量外周靜壓的方法，特別是一種采用微氣泡超諧波響應(yīng)測量外周壓力的方法。
背景技術(shù)：
壓力的測量在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等行業(yè)中意義非凡，傳統(tǒng)測量壓力的方法按不同原理有液柱式、彈性式、電氣式、活塞式之分，分別將被測壓力轉(zhuǎn)換成液柱高度差、彈性元件形變位移、電量和砝碼重量。這些方法全都需要直接感受器直接處于被測靜壓環(huán)境中，因而在某些特定的環(huán)境中無法利用傳統(tǒng)方法測量壓力，如體內(nèi)動(dòng)脈血壓、儀器無法到達(dá)的惡劣環(huán)境等。隨著間接測量壓力的需求日益增大(尤其是臨床上進(jìn)行無損血壓測量)，國內(nèi)外研究人員試圖利用超聲間接測量外周壓強(qiáng)。其中，利用超聲多普勒進(jìn)行的無損測量方法被證實(shí)不具有可重復(fù)性。而另一種基于超聲造影劑微氣泡諧波效應(yīng)的測量技術(shù)近年發(fā)展迅速。 從Fairbank和kully等人提出利用微泡測量血壓到現(xiàn)在已有三十年左右，期間包括用自由氣泡、包膜氣泡等不同材質(zhì)，通過觀測氣泡破裂時(shí)間、分析散射諧波強(qiáng)度等不同方法探究微泡超聲特性的探索過程。Fairbank 和 Scully (/萬瓶BiomecL Eng. 24, 107-110, 1977)提出利用微泡振動(dòng)的共振頻率隨外周壓力的變化曲線測量血壓。然而，他們的實(shí)驗(yàn)研究基于自由空氣微泡(第一代超聲造影劑微泡)，該樣品分布不均、體積過大，不利于得到較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后來的許多研究者試圖改進(jìn)i^airbank和kully等人的實(shí)驗(yàn)選材和方法，但都由于自由空氣微泡破裂過快，進(jìn)展緩慢。上世紀(jì)九十年代初，造影劑微泡制備技術(shù)的革新為這項(xiàng)研究帶來了新的希望。很多研究者希望找到微泡破裂的消融時(shí)間與外周壓力的關(guān)系從而利用測量該時(shí)間間接測量血壓。Bouakaz 等人(Wira1SOffi7i/U. Biol.，25，1407-1415，1999)利用大振幅超聲使包膜空氣微泡(第二代微泡)破裂，再測量周圍壓力與微泡消融時(shí)間的變化關(guān)系。Brayman 等人 O； Acoust. Soc. Am., 99，2403-2408, 1996)利用第二代微泡(Albunex)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)由于微泡破裂過快，技術(shù)上探查消融時(shí)間的靈敏度不夠，這極大地限制了該方案在實(shí)際上的應(yīng)用。諧波是頻率為基波倍數(shù)的輔波或者分量。超諧波是指頻率高于基波并且不為基波整數(shù)倍關(guān)系的輔波或者分量，如3/2次、5/2次諧波為超諧波。次諧波是指頻率為基波的整數(shù)分之一關(guān)系的輔波或者分量，如1/2、1/3次諧波為次諧波。超聲造影劑中微氣泡在超聲激勵(lì)下課產(chǎn)生非線性振動(dòng)，激發(fā)諧波、次諧波和超諧波等，從而發(fā)展為各種非線性成像技術(shù)。利用寬帶換能器，發(fā)射基頻波并接受次、超諧波，就可以進(jìn)行造影劑的次、超諧波成像。九十年代末期，Shi等人(Wira1SOffi7i/ifei/. Biol.，31，673-686，2005)從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了利用次諧波效應(yīng)測量血壓的可能性。他們先后利用LevOViSt，0ptiSon，Definity， 此-1，50皿20丨(1等微泡樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別得到趨近線性的9.9 dB，10.1 dB，11.03 dB，12. 2 dB和13. 3 dB的次諧波(幅值)減小。后來的研究者大多在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了次諧波幅值隨外周壓力增大呈一定程度上的減小。然而，Peter J. A. FrinkingCTrans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr 1，57, 1762-1771，2010)發(fā)現(xiàn)低聲壓激勵(lì)(50 kPa)條件下Sono Vue隨外周壓力變化產(chǎn)生了很大程度的增大(28. 9 dB)，這可能是因?yàn)槲⑴莅さ臐q縮導(dǎo)致的非線性增強(qiáng)效應(yīng)。他們還發(fā)現(xiàn)在高聲壓激勵(lì)下(400 kPa)，同批微泡的次諧波幅值有9. 6 dB的減小。由此拓展了獲取同外周靜壓更高相關(guān)性的諧波的方法，鞏固了超聲諧波效應(yīng)測量外周壓力的可行性。由于一般情況下超諧波的幅值低于次諧波，前人大多將研究的注意力集中在幅值更大的次諧波上；而我們發(fā)現(xiàn)超諧波具有幅值變化范圍大的特點(diǎn)等，使其更適合應(yīng)用于外周壓力測量(精度更高)，詳細(xì)見下文關(guān)于諧波測量外周壓力方法發(fā)展過程的介紹。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明要解決的技術(shù)問題
針對(duì)目前臨床上尚無無損測量肺動(dòng)脈血壓的測量方法，本發(fā)明提供了一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法，通過對(duì)外周靜壓環(huán)境中微氣泡散射信號(hào)進(jìn)行處理得到3/2 次諧波幅值，進(jìn)而通過對(duì)應(yīng)關(guān)系得到外周靜壓值，可以應(yīng)用在肺動(dòng)脈血壓及其他器官血壓的無損測量中。2、技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法，主要包括以下步驟 將一定濃度的微氣泡置于待測環(huán)境中，微氣泡的濃度(單位體積內(nèi)的數(shù)量)控制在 2-5 X IO8 個(gè)/ml ；
信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生超聲激勵(lì)信號(hào)，并通過功率放大器放大；
利用一個(gè)發(fā)射換能器發(fā)射信號(hào)和一個(gè)接受換能器接受信號(hào)，兩個(gè)換能器保證共焦并呈 90°夾角以接收散射信號(hào)；
發(fā)射換能器在待測樣品中激發(fā)出諧波信號(hào)后，利用快速傅里葉變換對(duì)接收的信號(hào)做處理，提取出散射信號(hào)的超諧波幅值；
利用所得的超諧波幅值根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境下超諧波幅值與外周靜壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系(這個(gè)關(guān)系測量前需提前校準(zhǔn)測得，詳見如下說明)進(jìn)而得到待測外周壓力值。其中，激勵(lì)信號(hào)采用超聲頻率的寬帶脈沖信號(hào)，如果應(yīng)用于臨床測量人體血壓，常用頻率范圍為1至5MHz。在正常情況下，信號(hào)不可能在時(shí)域和空間域都是周期的，而且在兩個(gè)域上都是有限長的，因而都會(huì)產(chǎn)生頻譜泄露，所以利用窗函數(shù)對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行平滑以減小泄露的影響。本發(fā)明中，發(fā)射與接收換能器呈90度張角放置，目的是保證換能器接收到了盡量是散射波，以減小反射波的影響。當(dāng)時(shí)環(huán)境下超諧波幅值與外周靜壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系需提前校準(zhǔn)測得。校準(zhǔn)方法可按圖 2所示，基本流程與圖1 一致，通過試管上方活塞控制外周靜壓，測得對(duì)應(yīng)的超諧波幅值，繪制出這一關(guān)系(如圖3)。3、有益效果相比于其他超聲測壓力的方法，本發(fā)明提供了一種新的基于超聲造影劑微氣泡超諧波響應(yīng)測外周壓力的方法，提出了散射信號(hào)中超諧波分量和外周壓力有著更好的相關(guān)性。與目前已有的次諧波效應(yīng)相比，本發(fā)明超諧波測量閾值更低，精確度更高，可以用于提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。


圖1為本發(fā)明基于超聲造影劑微氣泡諧波響應(yīng)測量外周靜壓方法的步驟示意圖2為校準(zhǔn)超諧波幅值與外周靜壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖； 圖3為實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測得的超諧波幅值與外周靜壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
首先用小試管、注射器、壓力計(jì)以及閥門用硅膠黏合為密閉可控變壓系統(tǒng)，將適度濃度 (2-5X IO8個(gè)/ml)的微泡溶劑置于試管中待測。試管底部浸沒于水槽中待測。由信號(hào)發(fā)生器(Agilent 33250，CA, USA)產(chǎn)生4MHz的寬帶脈沖電信號(hào)(脈沖長度為64周期)，經(jīng)功率放大器放大，并傳遞給發(fā)射換能器；發(fā)射換能器將其轉(zhuǎn)換為超聲信號(hào)，并發(fā)射至微泡樣品，使其產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生散射信號(hào)；接收換能器(Panametrics， USA)同發(fā)射換能器呈90°角度放置，以保證接收散射信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)一步分析； 接收換能器接收的信號(hào)通過小信號(hào)放大器放大后輸出到數(shù)字示波器(Agilent 54830B)；通過活塞改變試管內(nèi)壓力得到不同壓力下的散射信號(hào)。采樣由計(jì)算機(jī)利用LabVIEW(Nati0nal Instruments, Austin, TX, USA ；—種實(shí)驗(yàn)室與工業(yè)界廣泛采用的虛擬儀器設(shè)計(jì)軟件)控制GPIB數(shù)據(jù)采集卡(連接到示波器)實(shí)現(xiàn)。LabVIEW程序設(shè)定采樣速率為100MHz，，每個(gè)采樣信號(hào)有4096點(diǎn)，由此控制GPIB數(shù)據(jù)采集卡對(duì)示波器上的波形進(jìn)行相應(yīng)采樣，并以二維數(shù)據(jù)(采樣時(shí)間和對(duì)應(yīng)的采樣值)的形式將波形信息保存在特定txt文檔中，然后利用Matlab (Mathworks Inc., Nat ick, MA ；—種常用的數(shù)值分析軟件)對(duì)每一組數(shù)據(jù)做快速傅里葉變換得到超諧波幅值，再與每組數(shù)據(jù)的環(huán)境壓力對(duì)應(yīng)后擬合出壓變關(guān)系圖如圖3，其超諧波幅值隨外周靜壓變化而呈現(xiàn)單調(diào)顯著變化證明了此方法的可行性，且脈沖周期數(shù)增大提高了超諧波的變化范圍，有利于精度的提升。然后測量實(shí)際環(huán)境壓強(qiáng)。測量時(shí)保證活塞靜止密封，與上述步驟相同，測得一定靜壓對(duì)應(yīng)的超諧波幅值后，在上述得到的曲線中找到對(duì)應(yīng)的靜壓即可。實(shí)施例2
重復(fù)上述過程，改變脈沖長度為20周期，其他設(shè)置不變，得到結(jié)果如圖3。結(jié)果顯示， 脈沖長度對(duì)超諧波幅值的變化幅度有影響。脈沖縮短，變化幅度變小，也即測量的精度變小 (因?yàn)榉茸冃?，曲線斜率變小，所以每個(gè)橫坐標(biāo)單位對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)變化變小)。實(shí)施例3
重復(fù)上述過程，改變脈沖長度為1 周期，其他設(shè)置不變，得到結(jié)果如圖3。結(jié)果顯示， 脈沖長度對(duì)超諧波幅值的變化幅度有影響。脈沖縮長，變化幅度變大，但測量的精度并不會(huì)總變大。因?yàn)殡m然幅度變大了，但曲線不再呈直線變化，所以每個(gè)橫坐標(biāo)單位對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)變化不一樣，并不利于測量。綜上，64周期的脈沖長度更適合測量。
權(quán)利要求
1.一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法，主要包括以下步驟(1)將濃度為2-5X IO8個(gè)/ml的微氣泡置于待測環(huán)境中；(2)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，并通過功率放大器放大；(3)發(fā)射換能器將步驟(2)產(chǎn)生的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為超聲信號(hào)，并發(fā)射至微泡樣品，使其產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生散射信號(hào)；(4)接收換能器接收經(jīng)微泡散射的超聲信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)待進(jìn)一步處理，利用快速傅里葉變換對(duì)接收的信號(hào)做處理，提取出散射信號(hào)的超諧波幅值；(5)利用所得的超諧波幅值根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境下超諧波幅值與外周靜壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)而得到待測外周壓力值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法，其特征在于發(fā)射換能器和接受換能器呈90°夾角以接收散射信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法，其特征在于步驟(5)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系是指在測量前根據(jù)不同外周靜壓與超諧波幅值所確定的相關(guān)性。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于微泡超諧波響應(yīng)測量外周靜壓的方法，屬于超聲諧波成像技術(shù)的拓展應(yīng)用領(lǐng)域。其步驟為將造影劑微泡溶劑置于被測外周靜壓環(huán)境中，使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，并經(jīng)過功率放大器放大；再利用一個(gè)換能器作為發(fā)射換能器，在外周靜壓作用下的微氣泡溶劑中激發(fā)出超聲諧波信號(hào)，另外一個(gè)換能器作為接收換能器，接收超聲散射信號(hào)；然后利用快速傅里葉變換處理信號(hào)得到散射信號(hào)的散射圖譜并提取出頻譜圖中超諧波分量；對(duì)照超諧波分量幅值與外周壓強(qiáng)的變化關(guān)系計(jì)算出此時(shí)的肺動(dòng)脈血壓。本發(fā)明首次采用超諧波效應(yīng)測量肺動(dòng)脈血壓，相比已有的次諧波檢測方法，該技術(shù)可以在一定激勵(lì)頻率、脈沖信號(hào)周期數(shù)的情況下有效地增強(qiáng)測量精度。
文檔編號(hào)A61B8/04GK102488532SQ20111041182
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者孫韜, 章東, 賈楠 申請人:南京大學(xué)