摘要本文使用基于TMS320C25高速信号处理卡的双通道脉冲波经颅多普勒血流分析仪，建立起模拟血栓实验平台。从频域和时域两方面采集模拟血栓数据，并对血栓的特性及其检测方法进行研究。实验结果表明，从时域延迟和频谱特征变化两方面来检测血栓是一种有应用前景的方法。

Experimental Study on Embolus Detection by Ultrasonic Methods

Huang Bin

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University,100084)

Gao Shangkai

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University,100084)

Chen Yu

(Physics Department, Tsinghua University,Beijing 100084)

Wang Yiding

(Department of Electrical Engineering, Tsinghua University,100084)

Abstract

An experimental study on the characteristics of emboli by ultrasonic methods is presented in this paper. In order to acquire embolic signals, based on transcranial Doppler(TCD)blood flow analyzer, a two channel blood flow analyzer was set up. Programs of analog data collection both in frequency and time domains, spectrum analyzing, and system control are developed on the TMS320C25 high-speed digital signal processing (DSP) board. Experimental results showed that it can be a good method to test emboli both from time domain delay and change of characteristics in frequency spectrum.

Key words:Utrasound, Blood flow, Embolus, Transcranial Doppler

0引言

当血栓被血流通过血循环从一个地方带到另一个地方时，有可能会堵塞血管。因此，血栓的检测具有很重要的临床价值，包括血栓源的定位，抗血栓疗法有效性的评价，高危人群中风治疗的药物和手术疗法的选择等。

本文主要从物理实验方面对血栓的特性及其检测方法进行研究。为了采集实验数据，本文在经颅多普勒血流分析仪(transcranial Doppler，TCD)的基础上，建立了基于TMS320C25高速信号处理卡的双通道系统，包括双通道经颅多普勒血流分析仪的A／D采样、谱分析程序以及与PC主机的通讯软件等。最后搭起了模拟血栓实验平台，从频域和时域两方面采集了含模拟血栓的模拟血流信号。并对采集的数据进行了分析，得出模拟血栓信号的一般特征。

1实验原理

超声检测脑血栓的基本原理是多普勒原理。可以从多普勒频偏中得到血流的方向、速度等信息。一般在计算血流速度时只使用了回波信号的频率信息，回波信号的强度信息一般被忽略。然而，强度信息包含了产生回波信号的介质的特性。超声在传播过程中的反射率取决于不同物质材料交界面处声阻抗的差异。声阻抗与密度和声速有关。因此两种媒介的声阻抗差别越大，回波的强度就越大。血栓比周围的血细胞大，并与周围的血流有不同声阻抗，入射声束便在血栓和血液的交界面处产生较强的反射和折射。因为血栓仅在采样体积内持续一段时间，所以血栓回波信号的典型特征就是回波强度增加(往往远大于背景血流信号)，并持续一段时间。强度信息表现在经颅多普勒血流分析仪频谱图或时域信号中。

此外，在血栓流经的两个不同深度处设置两个采样门，由于血栓随着血液流动，血栓应该在这两个采样深度都出现，并有一个时间延迟。这是双通道经颅多普勒血流分析仪测血栓的基本原理。

2实验器材

2.1经颅多普勒血流分析仪

经颅多普勒血流分析仪是80年代中期出现的新型脑血管疾病诊断的高技术产品。它以声谱图及电脑处理的数据结果提供颅内指定深度处脑血流速度等血液动力学方面的非常广泛的信息，从而对脑血管疾病做出客观评价。

我们医学超声工程科研组设计制作的经颅多普勒血流分析仪以PC机为硬件平台，在PC机的基础上加上多普勒信号检测电路和频谱分析等部件，构成一台功能完备的经颅多普勒血流分析仪。系统框图图1所示：

图1经颅多普勒血流分析仪系统框图

图2双通道脉冲波经颅多普勒血流仪

经颅多普勒血流分析仪主要分为两大部分：连续波部分(CW)和脉冲波(PW)部分。本文研究的TCD系统工作在脉冲波方式(参见图2中虚线框内的部分)

PW的探头只有一个换能器晶片，但兼有两种功能：既充当发射换能器，又是接收换能器。探头不断重复地发射短脉冲群超声波。在脉冲发射间隙，探头作为接收器接收回波信号。

PW由脉冲发射、接收放大、乘法器解调、距离选通、采样保持和带通滤波等环节构成。脉冲功放输出短脉冲群，送到换能器转换成超声波向人体内传播，反射回波由换能器接收后转换成电信号，经高放后送乘法器解调，再经低通滤波后送到采样保持电路。调节采样距离即可获得不同深度处的回波信号。将与之对应深度处的血流信息采样后送后面电路进一步处理。

2.2双通道经颅多普勒血流分析仪

双通道经颅多普勒血流仪在血栓流经的途中设置两个不同的采样深度，由于血栓随着血液流动，血栓应该在这两个采样深度都出现，并有一个时间延迟。原理框图如图3。

图3双通道采样信号的时序关系

由原理框图可以看出：双通道TCD硬件平台是在单通道TCD的基础上建成的，信号解调之后增加了一套采样保持及滤波电路，以提取与前一个通道不同深度的回波信号。

为了提取不同深度的回波信号，时序关系控制如图3所示。

2.3TMS320C25高速信号处理卡

为了建立双通道脉冲波TCD硬件平台，必须有四路A／D同时采集(Q1，I1，Q2，I2)的装置。经过调查，我们选用了北京合众达公司的Seed C25PS高速信号处理卡，该卡可以提供四通道同时采集的功能。

TMS320C25卡主要完成A／D采样、谱分析的计算等功能。

3实验平台

模拟血栓检测实验平台由水槽、橡皮管、水泵和TCD仪器组成，见图4。水槽底部铺有吸声板，以减少水槽底部的回波反射。实验时，水泵驱动橡皮管中的水流循环流动，模拟血管中血液的流动。多普勒血流仪电路接收超声回波，当有模拟血栓通过时，多普勒回波信号也相应地发生变化，并在时域信号和频域信号上同时表现出来，这时，就可以记录相应的时域或频域信号。模拟血栓采用往橡皮管中用注射器注入不同容量的空气和固体物质的方法。

图4模拟血栓实验平台示意图

图5时域数据采集示意图

数据采集分频域数据采集和时域数据采集(见图5)。频域数据采集是采集多普勒血流信号经TMS320C25进行谱分析后所得的结果。时域采集是要截获多普勒血流信号做谱分析之前的时域信号。主要通过对TMS320C25高速信号处理卡进行编程来实现：A／D采样多普勒血流信号后送到TMS320C25的双口RAM，然后向主机发出中断，主机接收中断后取走数据。

4模拟实验数据的分析

4.1频域数据分析

4.1.1单通道经颅多普勒血流仪采集的谱图

TCD在PC机屏幕上显示的是不同时刻血流信号的动态功率谱，是在一个二维平面上显示的三维信息。如图6，横坐标代表时间，纵坐标代表频率，功率谱计算值的大小用平面中不同的灰度值来表示。

图6无模拟血栓时的模拟血流背景信号频谱图

声谱图中包含血流的方向、速度等多种信息。声谱图在零频率上方的点表示方向指向探头的正向流；零频率下方的点表示方向背离探头的反向流。纵坐标所能测得的最高频率(最大流速)由脉冲重复频率决定。经颅多普勒血流仪共有4种不同的脉冲重复频率，假设声速与血流的夹角θ=60°，所对应的最大流速分别为±50c