频谱多普勒血流速度的自动检测方法技术

一种频谱多普勒血流速度的自动检测方法，用于超声系统对血流速度的测量过程，包括步骤：射频超声回波信号经过解调、滤波和模数转换后获得流体的多普勒信号；对所述多普勒信号进行频谱分析，获得该多普勒信号随时间变化的各功率谱线；确定阈值；根据所述阈值和当前功率谱线来确定该功率谱线对应的频偏参数或血流速度；其中，所述阈值与前一基本时间段内的平均噪声水平相关，并自动根据所述平均噪声水平被更新调整。所述方法确定频偏参数前，还可以包括一判断该谱线是否有效的过程及一平滑所述功率谱的过程。采用本发明专利技术方法，可以使阈值自动收敛，从而便于系统准确并稳健地进行包络检测，自动实时显示参数计算结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声技术，特别涉及利用频谱多普勒效应测量流体速度的超声技术，尤其是涉及超声诊断仪利用包络检测来获得血流速度的方法。
技术介绍
在超声成像系统中，多普勒效应被广泛用于血流检测。例如在应用超声多普勒技术检查心脏与动静脉的超声系统中，需要从多普勒频谱图中提取相关参数来评价心脏与血管的血流动力学状态。该参数包括峰值速度，舒张最低速度，阻力指数，收缩/舒张指数等，这些参数的确定许多都依赖于血流的峰值速度和平均速度。而对血流峰值速度和平均速度的检测可以转换成对超声回波最大频偏和平均频偏的检测。其原理是，超声换能器发射超声波到受试者体内，并接收从受试者体内返回的超声回波；由于血管中运动红细胞对超声波的散射作用，使得超声回波的频率发生偏移，而该频率偏移大小与发射超声波的中心频率及红细胞的运动速度相关，故只要测量超声回波频率偏移，就可以计算获知红细胞的运动情况。图1所示为传统超声多普勒频谱分析系统处理信号的基本流程。超声回波信号经波束合成后形成射频回波信号，又经解调模块分解成两路分量，一路是同相位分量I(In-phasecomponent)，另一路是正交分量Q(quadrate component)。在脉冲多普勒信号处理系统中，系统分别对所述两路I、Q分量作距离选通，即在特定的时间段内分别对两路分量信号进行累加(累加的时间段和脉冲多普勒发射脉冲的长度由操作者根据实际情况选择)；而连续波多普勒信号处理系统则不需该距离选通过程。所述I、Q两路分量(对脉冲多普勒信号处理系统则指经过距离累加后的两路分量)再分别经壁滤波(高通滤波)处理，滤除由静止或者慢速运动组织引起的杂波，得到以红细胞运动引起的回波为主的两路分量信号，并被送往谱估计模块。所述谱估计模块一般用快速傅立叶变换(FFT)来估算功率谱，该快速傅立叶变换的点数可以是128点，也可以是256点。由于估算出来的功率谱动态范围太大，系统需要将每次估算出来的功率谱进行压缩处理，使之落入灰度显示范围，并在屏幕上的多普勒频谱图上显示出对应时刻和速度(频偏)的功率谱强度。因血流峰值速度的检测对应于多普勒最大频移的检测，所以早期利用超声多普勒频谱图来手动检测血流峰值速度的方法包括步骤先保存几个心动周期的功率谱图；接着操作者根据显示屏上的功率谱图来手动标记谱的峰值；最后计算机根据所述标记的峰值来计算出各种参数。这种手动检测的缺点是操作者标记峰值速度比较单调费时，重复性差，估计精度低；并且在检测时，为了标记峰值速度，操作者需要中断采集多普勒信号，从而无法实时估计。因而，图1的系统还须包括自动包络检测模块，可以自动跟踪血流峰值速度和平均速度与时间相关的变化，并在多普勒频谱图上实时显示。该自动检测可以在谱估计之后对估算的功率谱进行，也可以如图1所示对压缩后的功率谱进行。这样医生可以实时自动获取血流的峰值速度，平均速度及其它相关参数。从原理上来说，检测多普勒血流峰值速度似乎比较简单，只要检测最大多普勒频移就可以了。实际上该检测受两个主要因素影响一是声谱的内在变宽，因为估算功率谱的数据点有限(如128或256点)，所以估算出的频谱带宽比理想情况要宽，在整个截止频率带内均有功率谱分布；该因素对多普勒最大频移的影响不好定量判断。二是多普勒信号本身含有的噪声(noise)，在多普勒频谱图中总包含有信号和噪声，检测最大频移即找出二者之间的转折点，但频谱由噪声到信号的转折点不是很明显，多普勒频移在一个心动周期的心脏射血期间变化很快，但在其他期间则变化缓慢；而且，对特定频率，频谱图的信噪比也随时间而变化。为此，先后有很多自动检测血流峰值速度和平均速度的方法被提出来力图克服上述影响。为了能准确并稳健地估算出多普勒频谱图的包络，需要区分频谱图上多普勒谱信号和噪声的边界，所以方法之一是设定阈值，将频谱图上大于阈值的视为信号，反之视为噪声。该阈值可以被设定为所有信号和噪声之和的某个固定百分比，在信噪比(signal to noise rate；SNR)比较高的条件下，这种方法效果比较好。临床应用中，这种方法受SNR和带宽的影响很大。在SNR较低的情况下，固定百分比设定的噪声阈值会低于实际噪声水平；而在SNR较高的情况下，固定百分比设定的噪声阈值会高于实际噪声水平。因为该方法对噪声的估计是通过平均靠近截止频率附近谱线来实现的，所以在SNR较低时，估计峰值有正向偏移；在SNR较高时，估计的峰值有负向偏移。由于噪声具有一定的随机性，这种方法的平均阈值会随着每一根谱线发生变化，导致估计的阈值水平随之而变，而实际上平均噪声水平相对来说会比较平稳，所以这种会自动包络跟踪的方法可能导致结果不可预料。在文章“Comparison of four digital maximum frequency estimators for Dopplerultrasound.”，Ultrasound in Med.& Biol.，Vol.14，No.5，pp.355-363，(1988)中，LarryY.L.等人对四种估算多普勒频率最大频偏的方法作出比较，并提出一种百分比法的改进方法(称之为混合方法)。该方法首先计算每一根谱线的频谱积分曲线，再对该积分谱线进行分析。通常情况下，因频谱图能量主要集中在频率较低部分，故频谱积分曲线在频率较低部分变化较快，频率较高部分变化较缓。该混合方法寻找预定直线和所述频谱积分曲线的交叉点，并将该交叉点对应的频率视为最大频偏。其中所述直线的斜率和噪声水平有关，而估计噪声采用了同百分比方法类似的方法，即平均截止频率附近的谱线。在文章“Comparison of the performance of three maximum Doppler frequencyestimators coupled with different spectral estimation methods.”，Ultrasound in Med.& Biol.，Vol.20，No.7，pp.629-638，(1994)中，K.Marasek等人对混合方法进行改进，提出了几何方法，也是先计算出每一根谱线的频谱积分曲线，再对每条积分谱线进行分析。该方法和所述混合方法不同的是对最大频偏点的确认法它设计一条直线，计算积分谱线上每点到该直线的距离，认为距离最短的那个点对应的频率即最大频偏。在文章“The performance of three maximum frequency envelope detection algorithmsfor Doppler signals.”，J.vasc.Invest.1126-134，(1995)中，R.Moraes等人对几何方法进行改进，提出改进的几何方法设计直线使经过坐标原点，积分曲线和直线之间的垂直距离最大的那个点对应的频率即最大频偏。为了防止信号较弱时出现不可估计的误差，该方法还增加使用一经验阈值。若信号弱于所述阈值，则不进行最大频偏检测，而直接将最大频偏值设为壁滤波截止频率。在美国专利US 5,287,753公开的技术方案中，Routh等人介绍了一种自适应阈值包络检测方法。它的基本思想是通过对比多普勒功率谱强度和一设定阈值，来确定出最大频偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种频谱多普勒血流速度的自动检测方法，用于超声系统对血流速度的测量过程，包括步骤：Ａ．射频超声回波信号经过解调、滤波和模数转换后获得流体的多普勒信号；Ｂ．对所述多普勒信号进行频谱分析，获得该多普勒信号随时间变化的各功率谱线； Ｃ．确定阈值；Ｄ．根据所述阈值和当前功率谱线来确定该功率谱线对应的频偏参数或血流速度，直至测量过程结束或各功率谱线均被处理完毕；其特征在于，所述阈值与前一基本时间段内的平均噪声水平相关，除了在系统启动测试时由 系统经验确定外，均自动根据所述平均噪声水平被更新调整。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，
申请(专利权)人：深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]