專利名稱：脈動(dòng)血流的多普勒探測(cè)的制作方法
脈動(dòng)血流的多普勒探測(cè)本發(fā)明涉及通過(guò)多普勒方法探測(cè)血流，具體的說(shuō)，涉及輔助的脈動(dòng)血 流超聲多普勒探測(cè)。在臨床醫(yī)師想要獲得關(guān)于患者血流信息的時(shí)候執(zhí)行超聲多普勒診斷。 流速的顯示可以通過(guò)頻譜多普勒顯示來(lái)進(jìn)行，其中以圖形方式顯示速度， 或是通過(guò)彩色多普勒顯示，其中以陰影或顏色色調(diào)表示速度。在一些情況下，僅用流探測(cè)就可以定位包含血流的血管，如Schwartz等人的專利 US5474073 "用于三維顯示的超聲診斷掃描"中所描述的。通過(guò)對(duì)多普勒流 信號(hào)源成像，就可以推斷包含血流的血管的位置。這種技術(shù)在確定器官移 植或是其他手術(shù)修復(fù)血管系統(tǒng)的有效性時(shí)很有用。在需要更高位置精度時(shí)，使用多普勒血流信號(hào)確定血管可以用于其他 診斷或手術(shù)的情況。例如，在研究精細(xì)的層流特性時(shí)，或是需要在血管中 放置導(dǎo)管或針時(shí)，就需要標(biāo)識(shí)血管腔中心。然而，靜脈系統(tǒng)中的血流會(huì)限 制多普勒探測(cè)的能力。毛細(xì)血管床緩沖左心室的直接壓力，靜脈中流速會(huì) 顯示出較低壓力并且不均勻和低速。在一些情況下，具有這些特性的靜脈 會(huì)實(shí)際上萎陷(collapse)。如果可以識(shí)別的話，具有較少或沒有可分辨脈動(dòng) 的低速流動(dòng)條件會(huì)使得通過(guò)多普勒手段識(shí)別血管變得很難。因此，想要甚 至在這些不利條件下用多普勒超聲定位諸如靜脈的低流速血管。依照本發(fā)明的原理，提供了一種裝置和方法，用于在血管中導(dǎo)致脈動(dòng) 流，這可以幫助通過(guò)超聲多普勒技術(shù)探測(cè)流動(dòng)。這里使用的術(shù)語(yǔ)"脈動(dòng)的" 表示流速一個(gè)或多個(gè)周期性或非周期性的系列改變。通過(guò)對(duì)血管施加壓力 堵塞血管中的血流。在施加壓力的時(shí)候，壓力使得從血流變?yōu)槎氯Ｔ卺?放壓力并且血管再次打開時(shí)，堵塞的血流將突然沖過(guò)(surge through)血管。 這種流動(dòng)的突然變化更容易被多普勒超聲探測(cè)到，且該流動(dòng)改變的源表示 血管的位置。在下面描述的例子中，自動(dòng)的血壓泵和袖帶用于施加堵塞和 釋放的壓力序列，其在血管中產(chǎn)生獨(dú)特的脈動(dòng)流模式，并可以容易地與心 臟產(chǎn)生的動(dòng)脈脈動(dòng)流區(qū)別開。在圖中

圖1示出與堵塞外周血管的壓力袖帶結(jié)合形成依照本發(fā)明原理構(gòu)建的 超聲系統(tǒng)的框圖；圖2示出超聲系統(tǒng)中的若干多普勒顯示；圖3a、 3b和3c是對(duì)壓力袖帶的控制信號(hào)的圖形顯示，以及堵塞的血管 和未堵塞的動(dòng)脈的脈動(dòng)的多普勒流特性。首先參照?qǐng)D1,以框圖的形式示出了依照本發(fā)明的原理構(gòu)建的超聲系 統(tǒng)。超聲探頭IO包括超聲換能器陣列12，其發(fā)送超聲波并接收超聲回波信 號(hào)，所有都在獲取波束形成器14的控制之下。接收的回波信號(hào)可以與發(fā)射 的頻率相同，或是比發(fā)射頻率的諧波更高或更低。通過(guò)獲取波束形成器14 提供對(duì)換能器發(fā)射和接收的回波信號(hào)處理的控制。發(fā)射和接收的波束可在 平面區(qū)域上偏轉(zhuǎn)(steer)以用于二維成像，或是在立體區(qū)域中偏轉(zhuǎn)以用于三維 成像。可以探測(cè)并處理相干回波信號(hào)用于B模式顯示，該相干回波信號(hào)可 與多普勒處理器16和18耦合用于頻譜和/或彩色流顯示，或可以用于B模 式和多普勒顯示，如專利US6139501(Roundhill等人)中所描述的。處理的B 模式和多普勒信號(hào)被耦合到圖像處理器22，在這里將信號(hào)處理用于以所需 圖像格式的顯示，并隨后在圖像顯示器26上顯示?？梢圆杉瘜?shí)時(shí)圖像序列 并以r.f.、估計(jì)、原始或復(fù)合顯示形式存儲(chǔ)在電影回放(Cindoop)存儲(chǔ)器24 中，可以從該存儲(chǔ)器重放圖像序列以供更加詳細(xì)的分析或是再處理。圖2示出圖像顯示，其示出多普勒超聲系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像類型。圖2示 出彩色流多普勒?qǐng)D像40，其用于對(duì)彩色框42之內(nèi)的部分血管50的血流速 度成像。彩色流圖像是通過(guò)疊加組織結(jié)構(gòu)的B模式圖像和流過(guò)同樣區(qū)域的 彩色多普勒?qǐng)D像而形成的圖像，由此產(chǎn)生和重疊兩個(gè)空間上對(duì)應(yīng)的圖像。 在圖2的例子中，彩色重疊不覆蓋整個(gè)B模式圖像，而是僅覆蓋彩色框區(qū) 域42，以避免需要收集彩色框42之外的多普勒信息并由此增加顯示幀頻。 通過(guò)將采樣體52設(shè)置在血管50的中心上，就啟動(dòng)彩色流圖像40中示出的 解剖結(jié)構(gòu)中一點(diǎn)處的流的頻譜分析。將流方向光標(biāo)54設(shè)置為與血流方向?qū)?準(zhǔn)用于角度校正。優(yōu)選的，該流方向光標(biāo)設(shè)定和角度校正是自動(dòng)執(zhí)行的，如專利US6464637(Criton等人)中所述。從樣本體位置52以較高速率獲得 多普勒數(shù)據(jù)并用于產(chǎn)生頻譜多普勒顯示72，如圖底部所示。頻譜顯示中的 每條豎線表示在樣本體位置的即時(shí)速度值的范圍，如沿頻譜顯示的水平時(shí) 間軸所描繪的。峰值速度值70和平均速度值62可以通過(guò)超聲系統(tǒng)自動(dòng)跟 蹤，如專利US5287753(Routh等人)中所述。與顯示屏幕上彩色流圖像40 臨近的是彩色條60,其將彩色流的圖描繪為速度值的范圍。在此圖中，正 速度(參照探頭)在顏色上從綠色(G)延伸到黃色(Y)，而負(fù)速度從淺藍(lán)色(LB) 延伸到深藍(lán)色(DB)，其中綠色和黃色之間的零速度點(diǎn)是顏色基線。依照本發(fā)明的原理，圖1的超聲系統(tǒng)包括用于堵塞血流并由此人為導(dǎo) 致脈動(dòng)流的裝置。壓力控制器20耦接到獲取波束形成器14、頻譜和彩色流 多普勒處理器16和18、圖像處理器22和膨脹泵28。與超聲系統(tǒng)其他區(qū)域 的連接提供了時(shí)間標(biāo)記，以表示通過(guò)附加在患者身上的壓力袖帶80施加壓 力和/或釋放壓力的時(shí)間。通過(guò)激勵(lì)泵28將空氣泵入袖帶，增加袖帶的壓力 以堵塞附加有袖帶的肢體中的血管。在要釋放袖帶壓力的時(shí)候，在壓力控 制器20的控制下，將袖帶80的壓力線中的閥打開以釋放壓力。盡管此例 子示出使用自動(dòng)血壓監(jiān)護(hù)儀中通常使用的氣體膨脹壓力袖帶，但是還可以 使用空氣之外的流體。壓縮力小于空氣的流體可以更快地將壓力施加到肢 體上，但是在釋放壓力時(shí)對(duì)于關(guān)閉的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)需要流體保存器。空氣系統(tǒng) 還不受泵中麻煩的密封和泄漏的可能性的影響。盡管圖1的例子示出堵塞系統(tǒng)和超聲系統(tǒng)其余部分之間的通信和同步， 但也不一定就是這種情況。包括壓力控制器20、泵28以及壓力袖帶80的 堵塞系統(tǒng)可以整個(gè)與超聲系統(tǒng)分開并獨(dú)立。該分幵的系統(tǒng)可以自由運(yùn)行、 以與超聲系統(tǒng)的操作完全獨(dú)立的發(fā)生速率和時(shí)間周期性地使袖帶膨脹和收 縮。在操作中，將袖帶80套在患者的肢體上，且超聲探頭10放在要執(zhí)行 診斷的血管穿過(guò)其中的點(diǎn)上，或是連接到穿過(guò)袖帶80的血管上。在圖1的 例子中，其中要這樣檢查血管的點(diǎn)52處于手臂遠(yuǎn)離袖帶80的位置上。通 過(guò)設(shè)置的多普勒探頭，壓力控制器20控制泵28周期性地使袖帶80膨脹和 收縮，由此在所檢査的血管中產(chǎn)生人為導(dǎo)致的流速調(diào)制。泵28的典型的控 制信號(hào)如圖3a所示，其是簡(jiǎn)單的開關(guān)方波(on-offsquarewave)102。在方波的每個(gè)正向轉(zhuǎn)換103時(shí)，泵使袖帶80膨脹以在遠(yuǎn)離袖帶的肢體的血管中整 個(gè)或是部分堵塞血流，且在諸如104和106的每個(gè)負(fù)向轉(zhuǎn)換時(shí)，就打開壓 力閥，使得堵塞的血管打開，并且抑制的血壓沖過(guò)先前堵塞的血管。這將 使得通過(guò)之前堵塞的血管的流動(dòng)速度暫時(shí)增加，通過(guò)在時(shí)間上與反向膨脹 壓力轉(zhuǎn)換104和106對(duì)應(yīng)的速度峰值114和116，該增加可以由多普勒超聲 探測(cè)到，如圖3b所示。在圖3b中，這些多普勒波形中暫時(shí)、人為導(dǎo)致的 流動(dòng)峰值使得先前堵塞的血管變得比通過(guò)第一速度峰值114之前(左側(cè))的多 普勒波形流動(dòng)狀態(tài)中的更加容易分辨。在圖3a的例子中，可以看到以與心臟泵浦產(chǎn)生的脈動(dòng)血流完全不同的 速率使袖帶膨脹和收縮。圖3c是通常由多普勒超聲系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)脈血流的 多普勒波形120。對(duì)于每次心跳速度峰值的脈動(dòng)的規(guī)則性質(zhì)可以從此波形上 清楚地看到。圖3b的壓力袖帶導(dǎo)致峰值的完全不同的脈動(dòng)模式示出人為導(dǎo) 致的例如靜脈的脈動(dòng)，如何可以清楚地與動(dòng)脈的規(guī)則脈動(dòng)區(qū)別開。在此例 子中，圖3b的人為脈動(dòng)與心臟脈動(dòng)在頻率和規(guī)則性上都不同。因?yàn)榱鲝?qiáng)度 的改變可以被多普勒能量處理探測(cè)到，所以每一個(gè)因素都足以分辨人為波 形。有若干種不同的方法和若干不同的模式使用本發(fā)明的系統(tǒng)。在一個(gè)例 子中，壓力設(shè)備80相對(duì)于心臟設(shè)置在近端，而超聲探頭10、 52相對(duì)于心 臟設(shè)置在遠(yuǎn)端。這種配置可以在三種不同的模式中使用。在第一模式中，需要靜脈或是動(dòng)脈的血管位置。在設(shè)備80施加大于心 臟收縮壓力的足夠壓力時(shí)，血管(靜脈和動(dòng)脈)中的血流臨時(shí)被阻止。在釋放 壓力的時(shí)候，血液沖回靜脈和動(dòng)脈，在用多普勒設(shè)備關(guān)注于血管之一進(jìn)行 測(cè)量時(shí)，顯示出速度峰值特征。靜脈和動(dòng)脈中繼續(xù)正常流動(dòng)，直到再次施 加壓力。隨后重復(fù)循環(huán)。如上所述，可以識(shí)別多普勒波形的速度峰值的算 法用于定位來(lái)自血管中心的超聲信號(hào)。由于血液的層流，可以在血管的中 心找到最大峰值速度。在以已知模式施加壓力的時(shí)候，就很容易將速度峰 值與施加的模式相關(guān)聯(lián)。在第二模式中，需要靜脈的位置。在施加低于心臟收縮壓力但是高于 靜脈壓力的適當(dāng)壓力時(shí)，臨時(shí)阻止靜脈中的血流，但是動(dòng)脈中的血流相對(duì) 不受影響。在釋放壓力時(shí)，血液沖回靜脈，采用多普勒設(shè)備關(guān)注于靜脈之一進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候就顯示出速度峰值特征。靜脈中正常的流動(dòng)繼續(xù)，直到 再次施加壓力，并且重復(fù)該循環(huán)?？梢宰R(shí)別多普勒速度峰值的算法用于識(shí) 別來(lái)自靜脈中心的超聲信號(hào)。由于以已知的模式施加壓力，所以就很容易 將靜脈中速度峰值與施加模式相關(guān)聯(lián)。動(dòng)脈將顯示出心跳模式的特征，這 與施加壓力的模式不一樣，并將通過(guò)算法區(qū)別開來(lái)。在第三模式下，需要?jiǎng)用}的位置。在施加高于心臟收縮壓力的足夠壓 力的時(shí)候，動(dòng)脈和靜脈中的血流被臨時(shí)阻止。在部分釋放壓力的時(shí)候(低于 心臟收縮壓力，但是高于靜脈壓力)，則血液沖回動(dòng)脈，但是沒有回到仍舊 被阻塞的靜脈，并且在以多普勒設(shè)備關(guān)注于動(dòng)脈進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，血流顯 示出速度峰值特征。血流回到動(dòng)脈，直到再次施加壓力，此時(shí)重復(fù)該循環(huán)。 可以識(shí)別速度峰值的算法用于識(shí)別來(lái)自動(dòng)脈中心的超聲信號(hào)。由于以已知 的模式施加壓力，就很容易使動(dòng)脈的速度峰值與施加的模式相關(guān)聯(lián)。由于 其中的流動(dòng)被阻止，靜脈將不顯示任何模式，并且將通過(guò)算法區(qū)別開。在本發(fā)明的第二示例性應(yīng)用中，壓力設(shè)備80相對(duì)于心臟設(shè)置在遠(yuǎn)端， 并且超聲探頭10相對(duì)于心臟位于近端。在此情況下，施加壓力的時(shí)候，靜 脈中的血流在短時(shí)間內(nèi)加速并且隨后流動(dòng)恢復(fù)正常。在釋放壓力的時(shí)候， 沒有探測(cè)到顯著的改變，直到再次施加壓力且重復(fù)循環(huán)。超聲系統(tǒng)的性質(zhì)依賴于血管位置所需的信息量。如果不需要深度信息 而只需要皮膚表面上的橫向位置，則可以使用連續(xù)波(CW)超聲系統(tǒng)。如果 還需要靜脈中心的深度，則需要脈沖波(PW)超聲系統(tǒng)用于可變深度掃描和 識(shí)別。PW系統(tǒng)可以使用不同深度的選通，以識(shí)別血管的深度。為了找到皮 膚表面上的血管位置，可以使用不同的換能器配置。最簡(jiǎn)單的配置包括在 患者肢體上機(jī)械移動(dòng)的單個(gè)換能器。另一種配置可以使用電子選擇或是掃 描的換能器陣列。兩者的結(jié)合也是可以的，其中機(jī)械式地移動(dòng)陣列。 一種 適當(dāng)?shù)膿Q能器配置在專利US6575914中進(jìn)行描述(Rock等人)。還參照為 Ayati等人于2005年11月17日提交的專利申請(qǐng)US60/737909，題為"通過(guò) 血管流動(dòng)測(cè)量的引導(dǎo)的CPR"。壓力控制器20可以具有多種功能。首先，其傳遞信號(hào)給壓力袖帶80， 以根據(jù)需要?jiǎng)用}還是靜脈的位置來(lái)施加足夠的壓力。由于患者的運(yùn)動(dòng)可以 干擾多普勒流動(dòng)信號(hào)，所以壓力改變應(yīng)該以這樣一種方式來(lái)進(jìn)行，其限制患者肢體中的組織運(yùn)動(dòng)。在圖1的例子中，壓力控制器耦接到超聲系統(tǒng)以增強(qiáng)系統(tǒng)性能。到波束形成器14的連接使得波束形成器增加在壓力轉(zhuǎn)換期 間的傳輸率(PRF),以提高精度來(lái)探測(cè)速度改變。到頻譜和彩色流多普勒處 理器16和18的連接56優(yōu)化在這些時(shí)候的多普勒處理。壓力控制器到圖像 處理器的耦接使得速度調(diào)制的時(shí)間可以在滾動(dòng)頻譜顯示72上被添加顏色或 是被加強(qiáng)。同時(shí)，如上所述，這些連接、同步和增強(qiáng)是可選的，它們可用 在構(gòu)建的系統(tǒng)中，以提高監(jiān)視的血管的定位。此外，壓力控制器或是系統(tǒng)的其他部分應(yīng)該給用戶提供關(guān)于所仔細(xì)研 究的血管位置的反饋。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單的光、或是比較復(fù)雜的顯示，諸如 提供血管和/或血管中心的坐標(biāo)、或是如圖2所示，顯示具有位置標(biāo)記的圖 像和頻譜圖的蹤跡來(lái)完成。盡管上述例子描述了使用可視化方式定位的情形，但是還可以使用音 頻增強(qiáng)系統(tǒng)、或是僅僅音頻本身。例如，可以相對(duì)患者的皮膚移動(dòng)單個(gè)或 成對(duì)的多普勒換能器，將得到的調(diào)制多普勒信號(hào)作為多普勒音調(diào)播放。用 戶相對(duì)于身體移動(dòng)換能器，同時(shí)進(jìn)行調(diào)制，直到最大音調(diào)強(qiáng)度或是聲音通 知用戶已經(jīng)定位了具有流動(dòng)調(diào)制的血管。
權(quán)利要求
1、一種用于探測(cè)血管中的流動(dòng)的系統(tǒng)，包括堵塞設(shè)備，其可以周期性地或非周期性地堵塞血管；超聲換能器，用于接收來(lái)自血管的多普勒信號(hào)，該血管中的血流受到周期性或非周期性堵塞的血管的血流的影響；以及多普勒處理器，耦接到該超聲換能器；以及輸出設(shè)備，耦接到該多普勒處理器，其產(chǎn)生標(biāo)識(shí)與該周期性或非周期性堵塞對(duì)應(yīng)的血流速度的信號(hào)。
2、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該輸出設(shè)備包括超聲顯示器。
3、 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中該超聲顯示器顯示頻譜多普勒波形。
4、 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中該超聲顯示器顯示彩色多普勒?qǐng)D像。
5、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該堵塞設(shè)備包括可膨脹壓力袖帶。
6、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中該堵塞設(shè)備還包括耦接到該壓力袖 帶的泵。
7、 如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中該堵塞設(shè)備還包括可控壓力釋放閥。
8、 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中該堵塞設(shè)備還包括泵控制器，其使 得該泵和該壓力釋放閥周期性地或非周期性地使該壓力袖帶膨脹和收縮。
9、 如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中用比空氣壓縮性小的流體使該壓力 袖帶膨脹。
10、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該多普勒處理用于產(chǎn)生多普勒速度或是多普勒能量估計(jì)。
11、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該超聲換能器還包括機(jī)械掃描換能 器探頭。
12、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該超聲換能器還包括電子掃描換 能器探頭。
13、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該超聲換能器還包括手動(dòng)掃描換 能器探頭。
14、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該堵塞設(shè)備相對(duì)于心臟設(shè)置在近 側(cè)，并且該超聲換能器相對(duì)于心臟設(shè)置在遠(yuǎn)側(cè)。
15、 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中該堵塞設(shè)備相對(duì)于心臟設(shè)置在遠(yuǎn) 側(cè)，并且該超聲換能器相對(duì)于心臟設(shè)置在近側(cè)。
16、 一種探測(cè)血管位置的方法，包括 將超聲換能器朝向身體中關(guān)注的區(qū)域； 調(diào)制流入或是流出該關(guān)注區(qū)域的血流； 接收和多普勒處理來(lái)自該超聲換能器的信號(hào)；以及 通過(guò)使用該多普勒處理的信號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)該流動(dòng)調(diào)制。
17、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中調(diào)制該血流的過(guò)程還包括周期性 地或非周期性地堵塞該身體中的血管。
18、 如權(quán)利要求17所述的方法，其中標(biāo)識(shí)該流動(dòng)調(diào)制的過(guò)程還包括將 該堵塞的發(fā)生時(shí)間與該多普勒處理的信號(hào)相關(guān)聯(lián)。
19、 如權(quán)利要求18所述的方法，其中相關(guān)聯(lián)的過(guò)程還包括標(biāo)識(shí)該多普勒處理的信號(hào)的峰值速度分量。
20、 如權(quán)利要求17所述的方法，其中周期性或非周期性地堵塞的過(guò)程 還包括使該身體的肢體上的壓力袖帶膨脹和收縮。
21、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中在該身體上與該心臟具有位置關(guān) 系的位置調(diào)制血流；以及其中，在該身體上相對(duì)于調(diào)制血流的位置設(shè)置在遠(yuǎn)側(cè)的位置上執(zhí)行接 收多普勒超聲。
22、 如權(quán)利要求16所述的方法，其中在該身體上與該心臟具有位置關(guān) 系的位置調(diào)制血流；以及其中，在該身體上相對(duì)于調(diào)制血流的位置設(shè)置在近側(cè)的位置執(zhí)行接收 多普勒超聲。
全文摘要
脈動(dòng)波多普勒是公知的用于量化循環(huán)系統(tǒng)中血流的超聲技術(shù)。通過(guò)使用短脈沖的超聲并測(cè)量返回回波的頻移，就可以估計(jì)身體內(nèi)較窄空間中血流的速度。動(dòng)脈血流表現(xiàn)出心臟跳動(dòng)調(diào)制的特征模式。然而，靜脈表現(xiàn)出的流動(dòng)在本質(zhì)上更難以預(yù)測(cè)，在大多數(shù)時(shí)間是連續(xù)的，但是有時(shí)是脈動(dòng)的。在一些情況下，靜脈萎陷并探測(cè)不到流動(dòng)。因?yàn)殪o脈中難以預(yù)測(cè)的流動(dòng)，就使得探測(cè)和區(qū)別靜脈和動(dòng)脈變得很困難。本發(fā)明通過(guò)調(diào)制流動(dòng)為可以利用多普勒超聲技術(shù)識(shí)別的模式來(lái)克服血流這種難以預(yù)測(cè)的本質(zhì)。由于依賴于施加的壓力動(dòng)脈和靜脈表現(xiàn)出不同的流動(dòng)調(diào)制模式，因此就可以將其區(qū)分開。
文檔編號(hào)G01S15/89GK101326447SQ200680046702
公開日2008年12月17日 申請(qǐng)日期2006年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者B·拉朱, B·杜福特, E·科昂-索拉爾, J·彼得魯齊洛 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司