胎儿脐带血流超声多普勒频谱分析仪的研制
作者：杜慧洁 杨 强 卞正中
单位：杜慧洁 杨 强 卞正中(西安交通大学 电信学院医电所，西安 710049)
关键词：超声多普勒；脐带血流监测；频谱分析；胎儿监护
生物医学工程学杂志990129 内容摘要 阐述了胎儿脐带血流超声Doppler频谱分析仪的设计，重点分析了Doppler频移信号采样和血流频谱参数的算法。由于在AD板上不采用DSP芯片，大大简化了硬件设计，提高了系统稳定性；在计算血流频谱参数过程中，采用幅度阀值动态更新技术和超时控制避免算法锁死，因此算法自适应强，稳定性好。
The Design of an Ultrasonics Doppler Spectrum Analysis
System for Fetal Umbilical Blood Flow Monitoring
, http://www.100md.com
Du Huijie Yang Qiang Bian Zhengzhong
(Biomedical Engineering department of Xi'an an Jiaotong University, Xi'an 710049)
Abstract This paper explains the design of an Ultrasonics Doppler Spectrum Analysis System for fetal umbilical blood flow monitoring. The gist of discussion includes the sampling method of the Doppler signals and the algorithm of the blood flow parameters. Because the DSP chip is not used in the AD cardboard, the hardware design is simplified and the system works steadily. In theprocess of computing the blood flow paramenters, an autochange method of the amplitude threshold and a timeout control technology are used, so the algorithm has good adaptability and works very stable.
, 百拇医药
Key words Ultrasonic doppler Umbilical blood flow velocimetry Spectrum analysiis Fetus monitoring
1 前言
胎儿脐带血流的几个参数，如S/D值、PI(脉动指数)、RI(脉阻指数)，能比较准确地反映胎儿血流灌注状况，对确定围产期胎儿健康状况和监护孕妇与胎儿的生命安全有重要意义。为此西安交大电信学院医电所与珠海BLT电子公司合作开发了“胎儿脐带血流超声Doppler频谱分析仪”。
2 脐带血流超声Doppler测量原理
在医用超声Doppler技术中，超声波发射和接收换能器均固定，由人体内运动目标，如血细胞等，将产生Doppler频移，由此可确定其运动速度以及方向和体内分布等信息。当发射信号为载波频率等于f0的正弦超声波时，在接收信号中，由血细胞运动产生的接收信号Doppler频移fd为：
, 百拇医药
式中：c为组织中声速；v为血流速度幅值；ψi和ψr分别为发射和接收换能器与所测血管组织的夹角。取ψi=ψr=θ，则有：
本课题中，设计f0=4MHz，取c=1560m/s，θ=30°，则有：
v(cm/s)=22.52fd(kHz)
其中fd的范围取0.1～5 KHz。
在超声多普勒方法中，非运动目标所引起的附加频移是影响分析精度的重要因素。本课题首先考虑到，非运动目标(如血管壁的弹性运动)所引起的附加频移属低频成分，如果运动目标(血流)引起的频移与非运动目标引起的附加频移相当，则测量值误差很大，可信度很低。胎儿脐带血管管径小，而血流速度较大，即运动目标引起的频移远大于非运动目标所引起的附加频移，因此，若探头位置正确，那么附加频移并不影响多谱勒频谱包络和血流参数的检测。
, 百拇医药
其次考虑探头位置。在超声Doppler测量原理上，探头位置即超声束与血流方向之间的夹角是很重要的。当超声束与血流方向之间的夹角在-30～+30度时，计算得到的血流速度与真实值的误差仅为0%～13%，所以在小角度测量时忽略角度误差而获得非常准确的血流速度是可能的。当检测角度大于60度时，测量误差急剧增加，这是因为非运动目标的运动方向一般可认为是与血流方向垂直的，超声束角度与非运动目标运动方向逐渐一致使得血流频移在声速方向的分量显著减弱，而附加频移分量显著增强。
图1是本系统实际测量所得的胎儿Doppler血流信号动态功率谱图。纵轴表示Doppler频移大小，对应血流速度；横轴时间和心电信号同步(t=12 s)，反映血流速度变化与心电时相的关系。功率谱强度用伪彩色(或灰阶)显示，零频率轴以上表示正向血流，零频率轴以下表示反向血流。
图1 胎儿多谱勒血流信号动态功率谱图
, http://www.100md.com
Fig 1 The Doppler umbilical blood flow spectrum fo the fetus
在血流信号动态功率谱图上，根据谱包络点FreqMax[i]，可实时计算出血流参数S/D、PI、RI、PV(峰值速度)、MV(包络均值速度)以及HR(胎心率)。由血流参数的定义可知：
S/D=收缩峰血流速度/舒张末期血流速度=
PI=(收缩峰血流速度-舒张末期血流速度)/血流谱包络均速=
RI=(收缩峰血流速度-舒张末期血流速度)/收缩峰血流速度=
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3 脐带血流仪设计要点
脐带血流仪的设计框图如图2。主振为16 MHz晶振，经4分频后形成4 MHz发射脉冲，接收信号经前放和双路正交解调，再经低通放大后形成0～5 V的Doppler频移信号送入AD板。下面重点阐述Doppler频移信号采样和血流频谱参数算法。
图2 脐带血流仪的设计框图
Fig 2 The design frame for the umbilical blood flow spectrum system
3.1 Doppler频移信号的采样
过去，由于PC浮点运算速度有限，作实时动态谱分析时必须依靠AD板上的专用数字信号处理芯片DSP以完成FFT和功率谱计算，再通过I/O口把数据传给主机。但在以往的设试中注意到DSP部件稳定性不好，在仪器返修中占有很高的故障率。为此本课题没有使用DSP芯片，而采用P100型PC，直接用软件做FFT，计算功率谱。系统工作分为前台和后台两个进程，后台进程完成Doppler频移信号的采样；前台进程计算FFT和功率谱，同时显示动态谱和计算谱参数。为了实现后台进程，特设计了一块A/D板，框图如下：
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图3 脐带血流仪的采样板卡框图
Fig 3 The AD board design frame for the umbilical blood flow spectrum system
在AD板上，由于fd的设计范围为0.1Hz≤fd≤5 kHz，根据采样定律，则采样频率应取fs≥2fdMax=10 kHz，对双路正交Doppler血流频移信号，则必须有每路信号的采样频率fcs≥20 kHz，这里取fcs=20 kHz，采样所得数据由单片机80C31依次打入FIF0。当数据包满后，80C31利用握手信号端口通知主机数据就绪，主机软件对音量的控制也是通过握手信号端口实现的。
在设计中为了保证频谱的分辨率，软件采用了256点的FFT，并使用滑动窗口法，取窗口容量为128点(对应12.8 ms)。定滑动窗口为128点的原因是：由于采样数据包不能在后台进程中堆积造成阻塞，因此前台进程必须先于后台进程完成。实践证明，滑窗容量取128，不仅使这一条件得到满足，还令血流动态谱显示比较美观，不因滑窗容量过大(时延大)造成谱压缩，也不因滑窗容量过大(时延小)造成谱拉得过长。同时，单片机80C31通过FIF0以数据包形式把采样数据打给主机，数据包容量只需128对正交双路Doppler血流频移信号就行了。
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3.2 血流频谱参数算法
在前台进程中，我所精心设计了正交双路信号的FFT算法。经在一台286PC上测试，其速度比现有文献上采用的FFT算法快40%以上，从而充分保证了FFT的实时性。为了求出脐带血流参数(关键是包络峰值点和谷值点的获取)，考虑到谱包络稳定性较好的特点，因此，斜率加幅度阈值的判定法完全可以应用。在算法里，采用软斯密特触发方式剔除噪声干扰能取得很好的效果。下面是算法的主要步骤：
A 求初始软斯密特触发器的上限幅度阈值PosThred和下限幅度阈值NegThred。
A1 取3秒谱包络数据FredMax[i]，计算其均值
A2 令PosThred=NegThred=AveThred，根据此二幅度阈值以及正负斜率判定(代表谱包络的有序升降)，求出3秒内包络的所有峰值Peak[j]j=1,2,…和谷值Bottom[j]j=1,2,…，A3 求出峰值和谷值的均值AvePeak和AveBottom，A4 令PosThred=AveBottom+k.(AvePeak-AveBottom)
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NegThred=AveBottom+L.(AvePeak-AveBottom)
本课题中，设置k=0.5,L=0.25。
B 求谱序列的峰值S点和谷值D点，并计算谱参数。
B1 根据当前功率谱计算所得谱包络点FreqMax[i]，B1.1 如果FreqMax[i]≥PosThred且斜率为正，则结合斜率判定求出在后序FreqMax[i]值下降到FreqMax[i]≤NegThred之前区间内的包络最大值，它就是峰值S点，B1.2 如果FreqMax[i]≤NegThred且斜率为负，则结合斜率判定求出在后序FreqMax[i]值上升到FreqMax[i]≥PosThred之前区间内的包络最小值，它就是谷值D点，B2 如果已经求出了连续两个峰值S点和谷值D点，B2.1 由血流参数公式计算谱参数S/D、PI、RI、PV、MV和HR，B2.2 用A4公式更新幅度阈值PosThred和NegThred，C 如果6秒内连续的两个峰值S点和谷值D点未能找到，则返回A(重新计算初始上限幅度阈值PosThred和下限幅度阈值NegThred)；否则返回B。
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在上述算法中，由于采用动态更新技术跟踪软斯密特触发器的上限幅度阈值和下限幅度阈值，并且采用了超时空控制避免算法锁死，因此算法自适应强，稳定性好。
4 结论
本课题的软件部分采用Windows3.1平台，用VB和BC++编制，充分利用了Windows强大的GUI特性和丰富的资源，鼠标、键盘皆可操作，界面中英文可选，Doppler血流动态谱显示清晰，血流参数丰富，血流声音强度软件可控。目前系统样机已经经过了临床和评审，正进入生产阶段，相信会有很好的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 万明习等.医学超声学-原理与技术.西安：西安交通大学出版社，1992
[2] 郑德连.医学超声原理与仪器.上海：上海交通大学出版社，1990
[3] (美)AV奥本海姆等著，刘树棠译.信号与系统.西安：西安交通大学出版社，1990
[4] (美)FeldmanP等著，赵闻飙等译.Visual Basic3使用指南.北京：清华大学出版社，1995
[5] (美)James WM著，钟向群等译. BorlandC++开发Windows应用程序.北京：清华大学出版社，1993
(收稿：1997-10-23 修回：1998-05-26), 百拇医药
单位：杜慧洁 杨 强 卞正中(西安交通大学 电信学院医电所，西安 710049)
关键词：超声多普勒；脐带血流监测；频谱分析；胎儿监护
生物医学工程学杂志990129 内容摘要 阐述了胎儿脐带血流超声Doppler频谱分析仪的设计，重点分析了Doppler频移信号采样和血流频谱参数的算法。由于在AD板上不采用DSP芯片，大大简化了硬件设计，提高了系统稳定性；在计算血流频谱参数过程中，采用幅度阀值动态更新技术和超时控制避免算法锁死，因此算法自适应强，稳定性好。
The Design of an Ultrasonics Doppler Spectrum Analysis
System for Fetal Umbilical Blood Flow Monitoring
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Du Huijie Yang Qiang Bian Zhengzhong
(Biomedical Engineering department of Xi'an an Jiaotong University, Xi'an 710049)
Abstract This paper explains the design of an Ultrasonics Doppler Spectrum Analysis System for fetal umbilical blood flow monitoring. The gist of discussion includes the sampling method of the Doppler signals and the algorithm of the blood flow parameters. Because the DSP chip is not used in the AD cardboard, the hardware design is simplified and the system works steadily. In theprocess of computing the blood flow paramenters, an autochange method of the amplitude threshold and a timeout control technology are used, so the algorithm has good adaptability and works very stable.
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Key words Ultrasonic doppler Umbilical blood flow velocimetry Spectrum analysiis Fetus monitoring
1 前言
胎儿脐带血流的几个参数，如S/D值、PI(脉动指数)、RI(脉阻指数)，能比较准确地反映胎儿血流灌注状况，对确定围产期胎儿健康状况和监护孕妇与胎儿的生命安全有重要意义。为此西安交大电信学院医电所与珠海BLT电子公司合作开发了“胎儿脐带血流超声Doppler频谱分析仪”。
2 脐带血流超声Doppler测量原理
在医用超声Doppler技术中，超声波发射和接收换能器均固定，由人体内运动目标，如血细胞等，将产生Doppler频移，由此可确定其运动速度以及方向和体内分布等信息。当发射信号为载波频率等于f0的正弦超声波时，在接收信号中，由血细胞运动产生的接收信号Doppler频移fd为：
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式中：c为组织中声速；v为血流速度幅值；ψi和ψr分别为发射和接收换能器与所测血管组织的夹角。取ψi=ψr=θ，则有：
本课题中，设计f0=4MHz，取c=1560m/s，θ=30°，则有：
v(cm/s)=22.52fd(kHz)
其中fd的范围取0.1～5 KHz。
在超声多普勒方法中，非运动目标所引起的附加频移是影响分析精度的重要因素。本课题首先考虑到，非运动目标(如血管壁的弹性运动)所引起的附加频移属低频成分，如果运动目标(血流)引起的频移与非运动目标引起的附加频移相当，则测量值误差很大，可信度很低。胎儿脐带血管管径小，而血流速度较大，即运动目标引起的频移远大于非运动目标所引起的附加频移，因此，若探头位置正确，那么附加频移并不影响多谱勒频谱包络和血流参数的检测。
, 百拇医药
其次考虑探头位置。在超声Doppler测量原理上，探头位置即超声束与血流方向之间的夹角是很重要的。当超声束与血流方向之间的夹角在-30～+30度时，计算得到的血流速度与真实值的误差仅为0%～13%，所以在小角度测量时忽略角度误差而获得非常准确的血流速度是可能的。当检测角度大于60度时，测量误差急剧增加，这是因为非运动目标的运动方向一般可认为是与血流方向垂直的，超声束角度与非运动目标运动方向逐渐一致使得血流频移在声速方向的分量显著减弱，而附加频移分量显著增强。
图1是本系统实际测量所得的胎儿Doppler血流信号动态功率谱图。纵轴表示Doppler频移大小，对应血流速度；横轴时间和心电信号同步(t=12 s)，反映血流速度变化与心电时相的关系。功率谱强度用伪彩色(或灰阶)显示，零频率轴以上表示正向血流，零频率轴以下表示反向血流。
图1 胎儿多谱勒血流信号动态功率谱图
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Fig 1 The Doppler umbilical blood flow spectrum fo the fetus
在血流信号动态功率谱图上，根据谱包络点FreqMax[i]，可实时计算出血流参数S/D、PI、RI、PV(峰值速度)、MV(包络均值速度)以及HR(胎心率)。由血流参数的定义可知：
S/D=收缩峰血流速度/舒张末期血流速度=
PI=(收缩峰血流速度-舒张末期血流速度)/血流谱包络均速=
RI=(收缩峰血流速度-舒张末期血流速度)/收缩峰血流速度=
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3 脐带血流仪设计要点
脐带血流仪的设计框图如图2。主振为16 MHz晶振，经4分频后形成4 MHz发射脉冲，接收信号经前放和双路正交解调，再经低通放大后形成0～5 V的Doppler频移信号送入AD板。下面重点阐述Doppler频移信号采样和血流频谱参数算法。
图2 脐带血流仪的设计框图
Fig 2 The design frame for the umbilical blood flow spectrum system
3.1 Doppler频移信号的采样
过去，由于PC浮点运算速度有限，作实时动态谱分析时必须依靠AD板上的专用数字信号处理芯片DSP以完成FFT和功率谱计算，再通过I/O口把数据传给主机。但在以往的设试中注意到DSP部件稳定性不好，在仪器返修中占有很高的故障率。为此本课题没有使用DSP芯片，而采用P100型PC，直接用软件做FFT，计算功率谱。系统工作分为前台和后台两个进程，后台进程完成Doppler频移信号的采样；前台进程计算FFT和功率谱，同时显示动态谱和计算谱参数。为了实现后台进程，特设计了一块A/D板，框图如下：
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图3 脐带血流仪的采样板卡框图
Fig 3 The AD board design frame for the umbilical blood flow spectrum system
在AD板上，由于fd的设计范围为0.1Hz≤fd≤5 kHz，根据采样定律，则采样频率应取fs≥2fdMax=10 kHz，对双路正交Doppler血流频移信号，则必须有每路信号的采样频率fcs≥20 kHz，这里取fcs=20 kHz，采样所得数据由单片机80C31依次打入FIF0。当数据包满后，80C31利用握手信号端口通知主机数据就绪，主机软件对音量的控制也是通过握手信号端口实现的。
在设计中为了保证频谱的分辨率，软件采用了256点的FFT，并使用滑动窗口法，取窗口容量为128点(对应12.8 ms)。定滑动窗口为128点的原因是：由于采样数据包不能在后台进程中堆积造成阻塞，因此前台进程必须先于后台进程完成。实践证明，滑窗容量取128，不仅使这一条件得到满足，还令血流动态谱显示比较美观，不因滑窗容量过大(时延大)造成谱压缩，也不因滑窗容量过大(时延小)造成谱拉得过长。同时，单片机80C31通过FIF0以数据包形式把采样数据打给主机，数据包容量只需128对正交双路Doppler血流频移信号就行了。
, http://www.100md.com
3.2 血流频谱参数算法
在前台进程中，我所精心设计了正交双路信号的FFT算法。经在一台286PC上测试，其速度比现有文献上采用的FFT算法快40%以上，从而充分保证了FFT的实时性。为了求出脐带血流参数(关键是包络峰值点和谷值点的获取)，考虑到谱包络稳定性较好的特点，因此，斜率加幅度阈值的判定法完全可以应用。在算法里，采用软斯密特触发方式剔除噪声干扰能取得很好的效果。下面是算法的主要步骤：
A 求初始软斯密特触发器的上限幅度阈值PosThred和下限幅度阈值NegThred。
A1 取3秒谱包络数据FredMax[i]，计算其均值
A2 令PosThred=NegThred=AveThred，根据此二幅度阈值以及正负斜率判定(代表谱包络的有序升降)，求出3秒内包络的所有峰值Peak[j]j=1,2,…和谷值Bottom[j]j=1,2,…，A3 求出峰值和谷值的均值AvePeak和AveBottom，A4 令PosThred=AveBottom+k.(AvePeak-AveBottom)
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NegThred=AveBottom+L.(AvePeak-AveBottom)
本课题中，设置k=0.5,L=0.25。
B 求谱序列的峰值S点和谷值D点，并计算谱参数。
B1 根据当前功率谱计算所得谱包络点FreqMax[i]，B1.1 如果FreqMax[i]≥PosThred且斜率为正，则结合斜率判定求出在后序FreqMax[i]值下降到FreqMax[i]≤NegThred之前区间内的包络最大值，它就是峰值S点，B1.2 如果FreqMax[i]≤NegThred且斜率为负，则结合斜率判定求出在后序FreqMax[i]值上升到FreqMax[i]≥PosThred之前区间内的包络最小值，它就是谷值D点，B2 如果已经求出了连续两个峰值S点和谷值D点，B2.1 由血流参数公式计算谱参数S/D、PI、RI、PV、MV和HR，B2.2 用A4公式更新幅度阈值PosThred和NegThred，C 如果6秒内连续的两个峰值S点和谷值D点未能找到，则返回A(重新计算初始上限幅度阈值PosThred和下限幅度阈值NegThred)；否则返回B。
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在上述算法中，由于采用动态更新技术跟踪软斯密特触发器的上限幅度阈值和下限幅度阈值，并且采用了超时空控制避免算法锁死，因此算法自适应强，稳定性好。
4 结论
本课题的软件部分采用Windows3.1平台，用VB和BC++编制，充分利用了Windows强大的GUI特性和丰富的资源，鼠标、键盘皆可操作，界面中英文可选，Doppler血流动态谱显示清晰，血流参数丰富，血流声音强度软件可控。目前系统样机已经经过了临床和评审，正进入生产阶段，相信会有很好的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] 万明习等.医学超声学-原理与技术.西安：西安交通大学出版社，1992
[2] 郑德连.医学超声原理与仪器.上海：上海交通大学出版社，1990
[3] (美)AV奥本海姆等著，刘树棠译.信号与系统.西安：西安交通大学出版社，1990
[4] (美)FeldmanP等著，赵闻飙等译.Visual Basic3使用指南.北京：清华大学出版社，1995
[5] (美)James WM著，钟向群等译. BorlandC++开发Windows应用程序.北京：清华大学出版社，1993
(收稿：1997-10-23 修回：1998-05-26), 百拇医药