基于超声波的相对血容量检测中传播时间影响因素分析

【作 者】蒋顺忠，秦剑，王彩玲，罗燕斌，易薇

1 广州大学机械与电气工程学院，广州市，510006

2 广州市信臣科技有限公司，广州市，510440

3 南方医科大学南方医院，广州市，510515

基于超声波的相对血容量检测中传播时间影响因素分析

【作 者】蒋顺忠1，秦剑1，王彩玲2，罗燕斌2，易薇3

1 广州大学机械与电气工程学院，广州市，510006

2 广州市信臣科技有限公司，广州市，510440

3 南方医科大学南方医院，广州市，510515

基于超声波的相对血容量检测可用于血液透析患者干体重的评估，相对血容量计算结果来自于超声波在动脉壶中传播时间的测量，而传播时间测量的准确性直接关系到相对血容量结果的可靠性。影响传播时间的因素是多方面的，该文从患者本身、检测装置和外界因素等方面进行了分析论证，并提出了适当的应对措施。

超声波；相对血容量；传播时间；影响因素

基于超声波的相对血容量检测通过超声波时差法来实现[1]，检测系统原理如图1所示。在血液透析病人体外循环血液流经途中进行在线实时检测，通常在动脉壶处进行，从一侧发射超声波，经血液传播后由另一个探头接收超声波，检测系统要测量出从发射到接收的短暂传播时间t，设传播路径为d，则超声波在血液中的传播速度为：

图1 相对血容量检测仪原理图[1]Fig.1 Schematic diagram of the relative blood volume monitor[1]

在透析治疗过程中（一般为4h），随着超滤的进行，病人血液系统中的水含量逐渐减少，血细胞在总体血液中的浓度逐渐增大，那么超声波在血液中的传播速度将不断增大，通过测量超声波在动脉壶的传播时间，进而计算出传播速度的变化，即可对应计算出总体血液容量的相对变化。设透析开始时病人的血容量为V(0)，测得超声波的传播速度为S(0)，治疗过程t时刻的血容量为V(t)，测得超声波的传播速度为S(t)，血容量的变化与超声波的传播速度的变化大致相等[15]，则有：

可见，超声波传播时间是超声波检测仪获取相对血容量变化信息的关键参数，其准确测量是超声波检测仪实现高精度测量的前提，任何影响传播时间测量的因素均对超声波检测仪的测量精度、可靠性等产生重要影响。近年来，本课题组对基于超声波的相对血容量检测进行了初步的研究，发现超声波传播时间测量误差的产生原因大致出现在三个方面：患者本身、检测设备和外界因素，以下分别进行分析。

1 患者本身

首先，超声波相对血容量检测仪以血细胞比容和血红蛋白测量为基础，通过血液浓度的波动测定血液的声速变化间接测定血液的相对容量变化[2]。但是实际上由于血液的微观非均性质，在微循环中的血细胞比容（红细胞所占的容量）要比大血管中的低。微循环中的血容量和静脉血容量占了总血容量的大部分，所以全身血细胞比容不同于局部的静脉或者动脉血细胞比容。利用超声波检测仪计算出的即时血容量变化与实际的血容量分布存在差异。例如检测时可能将静脉或动脉血容量的局部变化解释为总血容量的明显变化，实际上是血管血容量产生变化而真正血液容量基本保持不变[3]。因此，相对血容量的计算结果应考虑这种局部和整体的对应关系予以修正，比如显示一定时间内的平均值等方法。

其次，测量血液透析期间相对血容量变化是相对于透析开始时血容量数值的变化，但对病患的血容量状态做出正确的评估需要三方面的信息：身体各部分的储液能力（如细胞外液和细胞内液）、身体各部位的水量以及溶解的物质（如钠），这会影响到身体各个部位的液体转变和透析后最佳的重量[4]。而血液浓度显示了相当大的可变性，这种可变性与超滤的开始、血液透析的开始以及生理过程有关。当病人部分血液在体外循环时，含盐水预充液在可变量范围返回给病人。这些盐份到达血管里面之前需要经过几个循环的运送，由于血浆渗透压的存在，在血管外盐份会遗失[5]。另一方面，因为躺着、坐着和站着的身体位置变化，从身体较低部位开始，血流量将重新再分布以及血管的血流量进一步增加。所以，在透析开始阶段很难获得一个“真实”的参考值，而这个参考值是用来进一步计算相对血容量变化的重要初始值。加之透析时人体相对血容量将随着透析周期、个人情绪、外界和内在的各种刺激而产生波动。因此，为获得更可信的初始值，可在患者姿势、情绪、体外循环等相对稳定之后再进行采样。

2 检测装置

2.1 衰减

超声波检测装置在得到精准的测量结果之前，首先需要克服超声波传播过程中的信号衰减，以获得可靠的回波信号。衰减是超声波在通过介质传播时声压或声能随距离的增大逐渐减小的现象，在实际测量中时常出现。在衰减作用中影响最多的主要有三个方面：一是声束的扩散；二是声波的散射；三是介质的吸收，即黏滞衰减[6]。超声波在血液中传播的衰减机理比较复杂，一般认为血液中超声波主要以纵波的形式向前传播，其衰减主要由黏滞力引起，其衰减系数αη可由式(3)计算：

其中，f为超声波频率，s为超声波声速，ρ为液体介质密度，η为黏滞系数。

可见，超声波频率和液体介质密度是对应衰减程度大小的主要参数。在血液为低浓度时，相互作用仅限于固液两相之间；而对于高浓度来说，由于液相被显著增稠和颗粒相距过近，相互作用将明显复杂化。由于衰减只是对应超声回波幅度的大小且动脉壶的直径小，所以只需选择合适的频率，同时回波接收放大电路设计为增益可调，这样就可以调试得到幅度适当的回波信号，确保第一个回波脉冲的正确识别。

2.2 频率

超声波是一种振动频率范围超过20 kHz的声波，在固体、液体及气体中都能传播，具有方向性好、波长短、穿透能力强等优点，在不同的介质中具有不同的传播速度，信号强度随传播距离衰减，特别是容易与电信号相互转换[7]。在超声检测中根据使用目的不同往往使用不同的工作频率[8]，通常在 （1～15）MHz 之间。不同频率产生的衰减不同，如式（3）所示，如果超声波换能器的频率太低，则在血液传输过程中衰减不会很大，但多重反射波增加，会干扰测量结果，同时，过低的频率对应于回波的周期过长，测量精度难以保证；如果超声波换能器的频率太高，则在血液传输过程中衰减过大，回波幅度过小，信噪比过低。因此，需要选取适中的频率，在实际的相对血容量检测中，选用的超声波换能器的频率为（2～5）MHz，通过进一步的对比和试验，可以确定更精准的超声波频率。

2.3 气泡干扰

血液透析过程由于超滤作用产生负压，引起血路中气泡的形成。超声波通过含有气泡的血液时，发生波束衰减和波形失真，回波幅度和时间将显著改变。声波信号在没有气泡的液体(血液)里，几乎不发生反射和折射，大部分被接收器所接收，接收强度较大，输出电压幅度也较大。一旦液体中有气泡存在，一部分声波信号将要被气泡所反射和折射，不能达到信号接收器，穿越气泡的声波由于气泡的声阻抗远小于血液的声阻抗而使得回波量能减小，因此，接收器接收到的声波强度将会减少，输出电压信号也随之变小[9]。所以，实际的检测装置可通过阈值比较来剔除气泡干扰时的数据。目前市场上的血液透析机都具有静脉管路气泡探测功能，可将相对血容量检测探头安装在已经过气泡分离的后段管路位置，动脉端则刚从患者血管内流出，超滤作用的即时影响还未发生，如第一部分所述更能代表全身的血容量特征，在气泡分离腔即动脉壶下端最适合放置超声波收发探头。

2.4 电路延时

信号在电路中运行的时间非常短，多数情况下是可以忽略不计的，但是相对血容量检测的原理正是基于超声波在不同浓度的血液中的传播时间差，该时间差为纳秒级别，因此电路延时不能不考虑。血液透析时超声波相对血容量检测仪从TDC-GP2的START信号和STOP信号之间所经历的时间包括了超声波在动脉壶血液间的传播时间，也包括了信号在电路间延迟的时间[1]。集成电路的高度密集化降低了每个电路的储位成本并获得更好的电路性能，但是电路延时并未按照相同比例减小[10]。如果测量过程采用微处理器控制，那么程序运行的时间更是不可忽略，甚至可能超过回波的时间差，导致测量无效。因此，控制超声波的发射和回波的接收处理对应的部分尽量采用简单的电路实现，元件个数少、无需软件控制，以尽量减少电信号在电路中传输或处理的时间，另外还可通过模拟相同的条件测试出具体的电路延时大小，予以修正。

2.5 回波信号处理

超声回波处理是基于超声波的相对血容量检测装置的关键所在，处理的方式直接影响传播时间的可靠性。超声回波在接收放大之后，首先需要滤除杂波，若杂波滤除不当，必将造成后面的计时脉冲偏差，应根据杂波信号的频率特征设计合适的滤波电路。滤波之后，如何得到准确的计时脉冲信号是装置的难点所在，比如常见的采用过零检测法，由于起振时幅度小，过零检测很难准确定位到第一个过零点；采用上下限阈值的方法则由于回波幅度的波动也同样容易出现误差；波形先经过整形再根据其特征按一定的逻辑处理可提高准确度[11]，同时后续的数据处理也是必要的。接下来，即使得到了准确的计时脉冲信号，如何将从发射脉冲到回波计时脉冲之间的时间差记录下来也是非常困难的，虽然该时间有长达约10 μs的级别，但血液浓度变化时对应的两次时间差却是纳秒级别，因此计时精度至少应达到纳秒级。在超声波液体流速测量、超声波测距或探伤等应用中，有循环N次测时法、锁相环测时法、单片机定时器直接测计时法、计数法等等[12-13]，这些方法其测时精度最高不过数十甚至数百纳秒，无法得到高精度的传播时间。基于数字内插法的TDC-GP2测量芯片具有65 ps的测量分辨率，测量范围为4 ms，完全满足要求，不失为一个极佳的选择。此外，预先计算好传播时间的正常范围，对于明显超出范围的测量数据予以剔除也是必要的。

3 外界因素

3.1 操作环境温度

超声波在不同温度的液体中传播速度相差甚大，如果透析过程中体外循环血液的温度在变化，则测量到的传播时间就需要进行温度补偿，先进的检测装置应该同时检测动脉壶的温度。血液透析时一般将透析液的温度设定到略高于体温的温度，这就会增加体温，反之会降低；外部环境的热量也会影响身体温度，使身体通过新陈代谢产生不同的热量，或是身体皮肤对热量的损耗也不相同[14]，而这些可能性将使血液的温度发生波动，引起超声波传播速度的变化，如图 2所示，超声波传播速度不仅随血液浓度变化，声速也随着温度的变化而变化[15]。如果假定透析过程温度设定是恒定的，则可以省略温度补偿，但透析刚开始阶段或其他温度变化情况，均应予以充分考虑。

图 2 声速、温度和密度在血液中的关系[15]Fig.2 Sound speed, density and temperature of blood[15]

3.2 干扰和噪声

如果超声波检测环境是相对稳定的，那么影响超声波传播时间的因素还有各种干扰和噪声，如电子噪音、介质内部噪声、环境干扰等。干扰和噪声包括来自设备环境的电磁干扰和来自设备系统的电子噪声[16]。因此，设备装置应具有抗干扰设计，并且具备合适的滤波设计（考虑电磁兼容）。

4 总结

超声波相对血容量检测仪因其具有特定的优势，在血液透析领域有着广阔的应用前景。近年来，我们对基于超声波的相对血容量检测进行了初步的研究，提出了一种高精度的超声波传播时间测量方法。然而，由于超声波在血液中的传播时间仅几个微秒，而血液浓度变化所对应的传播时间之差则只有若干纳秒，因此需要对影响这个微小变化的各个因素做出科学的分析。该文主要分析了患者本身、检测设备和外界因素的三个大的因素，实际上，影响超声波相对血容量检测效果的因素是复杂和多方面的，很难仅由一方面的改进而使检测精度发生较大的变化，需要通过包括外部多条件检测输入、系统硬件电路合理设计、高精度计时芯片选用、程序软件和算法优化等多个工作而实现。该文通过分析基于超声波的相对血容量检测中传播时间的影响因素，力求将相对血容量检测的误差降低到最小，进一步提高基于超声波的相对血容量检测技术水平，使血液透析患者广泛采用这种持续、可靠、无创的检测方法更容易实现。

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lnfuence Factors on Analyzing Transmission Time of Relative Blood Volume Based on Ultrasonic

【Writers】JIANG Shunzhong1, QIN Jian1, WANG Cailing2, LUO Yanbin2, YI Wei3
1 School of Mechanical＆Electrical Engineering, Guangzhou University, Guangzhou, 510006
2 Guangzhou Jscend Technology Co. Ltd., Guangzhou, 510760
3 Nanfang Hospital, Southern Medical University, Guangzhou, 510515

Ultrasound-based measurement of relative blood volume can be used to assess patient's dry weight during hemodialysis. The results of relative blood volume were calculated from the ultrasonic transmission time measurement in the arteriol pot, and the accuracy of transmission time measurement is directly related to the reliability of the results of relative blood volume. There are various factors which influence the travel time, this article analyzed patients themselves, measuring device and the external factors, and advised appropriate counter measures.

ultrasound, relative blood volume, transit time, influence factors

R318.6

A

1671-7104(2017)01-0005-04

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.01.002

2016-07-28

广州市属高校科研项目（1201420935）

蒋顺忠，E-mail: jiangszky808@163.com