超声经颅多普勒血流分析仪检测装置研究

罗犇 童云梅 朱清 韩淑杰

【摘要】超声经颅多普勒血流分析仪是利用颅骨薄弱部位作为检测的声窗，用多普勒频移效应研究脑底动脉主干血流的一种无创性的检查设备，目前临床应用非常广泛。为了保证超声经颅多普勒血流分析仪的性能可靠，对其进行计量校准就显得尤为重要。基于此，本文研究了一套超声经颅多普勒血流分析仪的检测装置。实际应用表明此检测系统能较客观地评估超声经颅多普勒血流分析仪的性能，可以作为检测（校准）的装置。

【关键词】超声经颅多普勒血流分析仪;弦线式多普勒试件;检测;血流速度;血流方向

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2022.03.020

Research on Detection Device of Ultrasound Transcranial Doppler System

LUO Ben1，TONG Yun-mei1，ZHU Qing1，HAN Shu-jie2

（1.Yangzhou Institute of Metrology and Testing Technology，Yangzhou 225000，China;2.Nanjing Mingrui Testing Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210049，China）

Abstract：Ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer is a noninvasive device to study the main blood flow of the basilar artery by using the Doppler frequency shift effect and using the weak parts of the skull as the acoustic window. In order to ensure the reliable performance of ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer，it is very important to calibrate it. Based on this，this paper studies a set of ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer detection device. The practical application shows that this detection system can objectively evaluate the performance of ultrasound transcranial Doppler blood flow analyzer，and can be used as a detection （calibration）device.

Key words：ultrasound transcranial Doppler system;string Doppler specimen;test;blood flow velocity;blood flow direction

超声经颅多普勒血流分析仪（简称“TCD仪”）通过对颅脑超声多普勒回波信号的采集，无创伤的检测生理、病理条件下的脑底和颈部动脉血流动力学及各血流生理参数，为相关疾病的诊断和治疗提供科学依据。TCD检查通过对血流速度、血流深度、血流音頻、血管搏动指数等参数的检测来评估脑血管功能及可能发生的病变，其检查结果直接影响医生对疾病的诊断。因此，对TCD仪进行量值传递和质量控制，确保TCD仪量值准确可靠，对保证临床诊断的准确性具有重大意义。基于此，本文将研制一套能够满足TCD仪量值溯源需求的检测装置，对TCD仪的主要性能指标进行测试。

1检测项目

TCD仪是利用低频超声波的Doppler效应原理来实现检测，其检测的基本原理是超声探头（一般用2 MHz脉冲探头）发出一定频率、一定声强的脉冲超声，这些脉冲波被血管内流动着的红细胞反射回来后再由探头接收，并将多普勒频移值（接受频率和发射频率的差值）经过傅里叶变换处理后转换为血流速度，单位是cm/s。TCD频谱提供血流相关的参数用频率-时间显示，其中包括：血流瞬时速度和辨别血流方向。通过这些参数可以求得动脉射血时间长短、血流速度上升的快慢，从而反映动脉壁的情况。

血流速度是指红细胞在血管中流动的速度，主要根据多普勒频移计算出来，是判断病理情况是否存在最重要的参数。在正常生理状态下，颅内各血管中的血流速度均保持在一稳定值。当血流速度增高（超过正常值的上限值）或降低（低于正常值的下限值）均被认为是一种异常的情况。通过TCD仪测得血流速度值结合临床加以判断其病变性质，作出相应的诊断。

血流方向是指被检测到的血管中血液流动方向相对于探头的方向。在正常生理状态下，脑部各血管中血液按照特定的方向进行流动，如果发生梗死时，某些血管的血流会发生代偿或产生明显的侧支循环，从而使血流方向发生改变。所以在多普勒频谱中，血流方向是判别血管病变的一个重要组成部分，是识别正常颅内血管和病理性异常通道的重要参数。当进行经颅多普勒超声检测时，如果血流方向朝向探头，表示发生了正向频移;如果血流方向背离探头，则表示发生了负向频移。因此，根据血流方向的变化可以帮助诊断疾病。

多普勒血流探测深度是可正常探及信号显示频谱的最深距离。通过对血流深度的测量，可以看出血管的具体方位，从而做出相应的诊断。

由此可见，血流速度、血流方向、血流深度是TCD检测的基本项目。结合标准YY/T 0705—2008《超声连续波多普勒系统试验方法》和YY/T 0593—2015《超声经颅多普勒血流分析仪》的要求，本文拟研究一款超声经颅多普勒血流分析仪的检测装置，用来检测TCD仪血流特性，评价TCD仪的血流速度、血流方向识别能力、多普勒血流探测深度等指标。

2检测系统的设计

2.1外形结构

外壳采用亚克力一体式结构，体积小、重量轻、携带方便。水箱壁主体材料的选择考虑了声学特性，具有易观察性、便携性、牢固性、可靠性、易加工性与美观性。水箱的结构设计与弦线系统、给排水系统、TCD超声探头夹持系统、扫描角度控制系统、电气控制单元有机结合，见图1。

弦线系统，通过步进电机带动弦线的运转来测量TCD仪的各参数指标。步进电机的速度是可调的，运动的弦线可以模拟人体不同的血液流动速度。弦线材质的选择考虑了声学特性、耐腐蚀性、耐磨性、合适的弹性及强度。

给排水系统，安装于测量水槽底部，通过一块与测量水槽底部成30°的隔板将水隔绝。配置和水箱一体化的自动给排水系统，使用普通水模拟人体组织。控制器单元通过驱动进水单头水泵或出水单头水泵工作，来完成注水、排水工作。

TCD超声探头夹持系统根据水槽的外形特点和检测方式，设计了专用可滑动的多功能夹具，测试过程无须操作者接触被测器具，操作简单方便。夹具移动过程配合导轨精准控制，大大减小误差。TCD超声探头夹持系统，匹配目前市面上大部分型号的超声探头。

采用无线蓝牙或WiFi通信方式，用手机APP控制体模便于操控TCD，并配有上位机软件实时与液晶屏同步显示。液晶屏采用15英寸可触摸操作面板，符合人体工程学的设计，水平视角，可以带来更好的人机交互体验。

2.2组成单元

装置由六个单元组成，包括：注水/排水驱动单元、多普勒弦线式试件单元、多普勒探头夹持单元、扫描角度控制单元、测量水槽以及控制器单元。其中，注水/排水驱动单元通过水管和测量水槽连接;多普勒弦线式试件单元、多普勒探头夹头单元、控制器单元和测量水槽采用机械连接;多普勒弦线式试件单元的弦线位于多普勒探头夹头单元的探头夹头正上方;注水/排水驱动单元、多普勒弦线式试件单元、多普勒探头夹持单元和控制器单元采用电气连接。其框架图如图2所示。

2.3电路设计

装置主要由单片机控制部分、电机控制部分、彩屏显示部分、无线通信部分、电源管理部分等组成。在电路设计上，保证检测结果可靠的同时实现了远程控制。

在软件方面，建立以微处理器为核心，uC/OS-II为操作系统的神经肌肉电刺激类设备计量标准装置，实现检测物理量的预处理、测量、控制和显示。采用手机APP通过蓝牙或WiFi实现检测系统和手机间的通信，操控相关系统工作。基于嵌人式实时操作系统uC/OS-II，开发了操作系统的总体框架以及功能模块，实现信号采集、存储以及显示等功能。电路系统设计框图如图3所示。

2.4应用效果

我们采用超声经颅多普勒血流分析仪检测装置对TCD仪的血流速度、血流方向和血流深度进行检测。

2.4.1多普勒血流速度测量

测试体模设置如下：1）在流速测量范围测试时，测试体模的运动构件速度分别设置在被测TCD仪流速范围的最大值和最小值处;2）在流速测量误差测试时，测试体模的运动构件速度分别设置在被测TCD仪流速测量范围的1/3和2/3处。

被检TCD仪设置如下：1）按不同超声标称频率的超声探头设置TCD仪的工作距离和取样区间;2）血管选择，将滤波、声功率、接收增益等调节在视觉可分辨的最佳处;3）将超声探头夹持在夹具中，并确保其端面到测试体模运动部分被测点的距离与TCD的工作距离一致;4）多普勒声束轴（一般为探头手柄轴线）和测试体模运动构件运动方向之间的夹角建议选择30°、45°或60°，在计算所显示的流速测量误差时，除按上述实际夹角外还应考虑TCD仪的多普勒角设定为0°。

合理设置灵敏度、取样区间等参数，并使用多普勒角度校正功能，仔细调整取样区游标以获得最佳的频谱图像，利用测量功能（如自动平均功能等）测出对应测试体模运动构件速度，重复测量3次，取算术平均值作为流速测量结果。

按下式计算流速测量误差：

式中：ΔV——流速测量误差%;

V₀——测试体模运动构件或仿血流体模血流速度设定值，cm/s。

2.4.2血流方向识别能力测量

先将模体注水至规定高度，取出TCD的探头，将探头的扫描面置于模体的液面下，对准两根并行的方向相反的弦线;调节TCD仪的有关键钮，使弦线在图像上清晰显示。微动探头，在图像上观察是否能清晰显示两个距离为2 mm的颜色不同的血液流向。不同颜色分别代表不同的血液流向。改变相对于探头的血流方向，观察血流图是否显示为另一方向。

2.4.3多普勒血流探测深度测量

先将模体注水至规定高度，取出TCD的探头，将探头的扫描面置于模体的液面下，对准模拟血管的弦线;调节TCD仪的有关键钮，以获得清晰的弦线图像。测量时，将探头向弦线的较深处移动，直到彩色信号消失，此后将探头回退到彩色消失前的位置，将图像冻结后以电子游标测量此时弦线最远端的深度，即为血流探测深度。

3结语

用于测试多普勒超声系统所用的人造结构，标准YY/T 0593—2015《超声经颅多普勒血流分析仪》中推荐采用仿血流体模和弦线式测试件。由于仿血流体模一般只对流量进行设置、监测和校准，尽管制造商提供有对应流量的参考流速值，但由于管道中心和管壁附近的流速差别较大且不稳定，故本研究采用弦线式体模。但弦线式体模还存在弦线所用材料以及弦线抖动的问题，我们还将就此做进一步研究，以期提高该套检测装置的计量性能。

【参考文献】

[1]高山，黄家星.经颅多普勒超声（TCD）的诊断技术与临床应用[M].北京：中国协和医科大学出版社.2004：23-25.

[2]华扬，何文，段云友，等.血管超声检查指南[M].北京：中国医师协会超声医师分会.2009：6-34.

[3]付礼霞，房爱萍.经颅多普勒超声技术原理及应用评价[J].医疗设备信息，2002（7）：5758.

[4]超聲经颅多普勒血流分析仪：YY/T0593—2015[S].

[5]超声连续波多普勒系统试验方法：YY/T 0705—2008[S].

[6]超声经颅多普勒诊断仪超声源校准规范：JJF（冀）077—2005[S].