專利名稱：近紅外成像超聲血管治療儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種近紅外成像超聲血管治療儀。
背景技術(shù)：
近紅外二極管光源可根據(jù)其特定的波長(zhǎng)，將皮下靜脈或動(dòng)脈的血紅細(xì)胞和周圍組織區(qū)別開來(lái)。運(yùn)用該效應(yīng)，美國(guó)LUMINETX公司已研制出VeinViewer系統(tǒng)(該系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)格參見(jiàn)附件一)，用于幫助醫(yī)療專業(yè)人員快速清晰地觀察到患者的體表靜脈。從而，在靜脈注射時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)可提高血管定位的準(zhǔn)確率，使患者避免被多次針扎，以減少患者痛苦。目前，化療患者和兒科患者已經(jīng)受益于該技術(shù)。另外，此技術(shù)還可應(yīng)用于蜘蛛狀血管病的美化工程。蜘蛛狀血管病的傳統(tǒng)療法包括局部皮膚的激光治療和注射硬化治療。局部激光治療技術(shù)適用于小的蜘蛛狀血管，但滲入的皮膚深度很淺，且會(huì)對(duì)健康皮膚造成灼燒傷害。硬化療法是將刺激化學(xué)物質(zhì)直接注射至體表的小型網(wǎng)狀的蜘蛛狀靜脈血管，這需要 多次注射以使蜘蛛網(wǎng)現(xiàn)象終止。利用近紅外技術(shù)，醫(yī)療工作者不僅可看到體表的蜘蛛狀血管，還可看到距皮膚Icm深度下較大的喂養(yǎng)血管。根據(jù)投影的血管分布，硬化溶劑和硬化泡沫可直接被注射到喂養(yǎng)網(wǎng)狀血管，使之硬化和終止喂養(yǎng)。這種終止喂養(yǎng)血管的方法可以根除體表的蜘蛛狀血管現(xiàn)象，從而達(dá)到美化的效果[15] ([15]http://www. advsurgical. com/html/Vein_Viewer, html.)。另外，近紅外光譜法可用于人體各組織器官血氧飽和度的定量檢測(cè)，由于腦組織供血供氧的重要性，對(duì)腦組織的研究受到格外關(guān)注[16_17]([16]Peter Rolfe. In vivonear-infrared spectroscopy[J]. Biomedical Engineering,2000, 2 :715 754. [17]Joyce A. Wahr, Kevin K. Tremper, Satwant Samra, et al. Near-Infrared spectroscopy Theory and applications[J]. Journal of Cardiothoracic and Vascular Anesthesia，1996,10(3) :406 418.)，對(duì)肌肉等重要器官和組織的血氧狀態(tài)研究也備受矚目[18_19]([18] 丁海曙，王培勇，王廣志，等.動(dòng)脈血管及肌肉中含氧量的無(wú)損檢測(cè)計(jì)[J].世界醫(yī)療器械，1996，2(3) :40 43. [19]Bruno Grassi, Valentina Quaresima, Claudio Marconi,et al. Blood lactate accumulation and muscle deoxygenation during incrementalexercise [J]. Journal of Applied Physiology，1999，87 (I) :348 355.)。這種檢測(cè)方法的有效性已被大部分的手術(shù)室和監(jiān)護(hù)室所接受M ([4]王強(qiáng)·高靈敏度的近紅外光譜法評(píng)價(jià)血管功能狀態(tài)的初步研究[D].中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué).2003.)。醫(yī)學(xué)超聲成像可提供組織的解剖結(jié)構(gòu)及血流信息，具有低成本、實(shí)時(shí)性、無(wú)創(chuàng)傷性的特點(diǎn)，是當(dāng)今世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的影像方法之一 [1] ([I]張平.醫(yī)學(xué)超聲影像新技術(shù)[J].醫(yī)療裝備.2002. 9 :15 17.)。超聲彩色血流成像技術(shù)通過(guò)B型超聲圖像準(zhǔn)確定位血管，并結(jié)合彩色編碼，能直觀生動(dòng)地顯示血流狀況，方便醫(yī)生診斷，而超聲多普勒檢測(cè)技術(shù)可提高血流速度的定量檢測(cè)精度。兩技術(shù)相輔相成，促進(jìn)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中超聲血流檢測(cè)的發(fā)展。超聲除用于臨床診斷外，還可用于臨床治療。低強(qiáng)度聚焦超聲(Low IntensityFocused Ultrasound, LIFU)治療主要是刺激機(jī)體對(duì)傷害的生理反應(yīng)，加速傷口愈合，或者加速體表藥物運(yùn)輸?shù)乃俣?，還可加速骨關(guān)節(jié)的愈合[2] ([2]Gail ter Haar. Therapeuticultrasound[J]. European Journal of Ultrasound,1999,9 (I) :3 9.)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種近紅外成像超聲血管治療儀，其在現(xiàn)有VeinViewer的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)充，使之除能看到體表的靜脈血管以外，還能夠看到淺表的動(dòng)脈血管，從而克服了現(xiàn)有VeinViewer系統(tǒng)存在功能單一的缺點(diǎn)。本發(fā)明采取以下技術(shù)方案近紅外成像超聲血管治療儀，其包括近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)、彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)、超聲治療子系統(tǒng)、近紅外檢測(cè)操作界面、診斷探頭、治療探頭、鍵盤及顯示器，近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)用于檢測(cè)體表血管，與近紅外血管檢測(cè)操作界面相聯(lián)；近紅外血管檢測(cè)操作界面用于控制聚焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的查看，根據(jù)設(shè)置的查看靜脈或動(dòng)脈情況，體表的靜脈或動(dòng)脈會(huì)在投影裝置下方顯示；彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)用于檢測(cè)血流信息，與診斷探頭相聯(lián)；超聲治療子系統(tǒng)用于治療淺表血管疾病，與治療探頭相聯(lián)；鍵盤用于輸入患者信息，實(shí)現(xiàn)彩色多普勒血流成像和超聲治療的切換及控 制，并分別在顯示器上顯示相應(yīng)信息；顯示器用于顯示患者信息、彩色多普勒血流信息及血栓消融情況。所述的近紅外成像超聲血管治療儀，近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)，包括近紅外LED陣列、近紅外數(shù)碼攝影裝置、微型移動(dòng)投影裝置，近紅外LED陣列向皮膚發(fā)射近紅外光線，微型移動(dòng)投影裝置向皮膚投影，皮膚向近紅外數(shù)碼攝影裝置反射，近紅外數(shù)碼攝影裝置將反射的近紅外光線匯聚成像，并向微型移動(dòng)投影裝置發(fā)送。所述的近紅外成像超聲血管治療儀，近紅外數(shù)碼攝影裝置包括近紅外鏡頭、C⑶光電傳感器、AGC信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字處理器、儲(chǔ)存器及PC卡，近紅外鏡頭將反射的近紅外光線匯聚成像；CCD光電傳感器將采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)并暫存在存儲(chǔ)器中，再用時(shí)鐘脈沖即可順序讀出信號(hào)；將電信號(hào)自動(dòng)增益控制放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后即可進(jìn)行數(shù)字化處理；此數(shù)字信號(hào)可用儲(chǔ)存器進(jìn)行存儲(chǔ)。所述的近紅外成像超聲血管治療儀，診斷探頭向組織發(fā)射超聲波，所述的彩色多普勒血流成像模塊接收到的多普勒回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)和抽取分成兩路信號(hào)，一路檢測(cè)其幅值包絡(luò)生成B型超聲圖像；另一路先經(jīng)壁濾波，去掉血管、瓣膜等產(chǎn)生的低頻分量，再送入自相關(guān)器作自相關(guān)檢測(cè)；自相關(guān)器可計(jì)算出血流動(dòng)態(tài)的各有關(guān)信息資料；將計(jì)算的血流數(shù)據(jù)在數(shù)字掃描器中做處理，疊加B型超聲圖像即可顯示。所述的近紅外成像超聲血管治療儀，超聲治療模塊包括CPU，CPU控制超聲波的方式、強(qiáng)度大小、輸出時(shí)間，通過(guò)鍵盤設(shè)置超聲方式、定時(shí)、功率大小，并由LCD顯示；原始的超聲波信號(hào)由晶振產(chǎn)生，再經(jīng)分頻產(chǎn)生方波，此方波經(jīng)CPU控制信號(hào)調(diào)制后，變成脈沖方波，該脈沖方波信號(hào)經(jīng)緩沖放大、功率放大，再經(jīng)濾波輸出正弦波，輸送給超聲治療探頭作為超聲激勵(lì)源。借助于本發(fā)明近紅外成像超聲血管治療儀，既能看到體表的靜脈血管，還能夠看到淺表的動(dòng)脈血管，從而克服了現(xiàn)有系統(tǒng)功能單一的缺點(diǎn)。另外，本發(fā)明與超聲技術(shù)相結(jié)合，既可幫助專業(yè)醫(yī)療人員清晰觀察到患者的體表血管，又可實(shí)時(shí)顯示該部位血液的流速、流向等信息，且對(duì)于體表傷口的愈合及淺層靜脈的血栓消融有一定的促進(jìn)作用。在臨床應(yīng)用中，給醫(yī)護(hù)人員提供很大的便利。


圖I是血紅蛋白吸收光譜。圖2是近紅外二極管體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)的組成框圖。圖3是連續(xù)多普勒示意圖。圖4是脈沖多普勒示意圖。圖5是自相關(guān)器工作原理不意圖。圖6 (a)、6 (b)是血流顏色顯示示意圖。 圖7是彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)工作原理框圖。圖8是彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)硬件組成框圖。圖9是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)框圖。圖10是低強(qiáng)度超聲治療子系統(tǒng)組成框圖。圖11是本發(fā)明系統(tǒng)整體構(gòu)造框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明。如圖11所示，本發(fā)明集近紅外體表血管檢測(cè)、彩色多普勒血流成像和超聲治療三大功能于一體，其包括近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)、彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)、超聲治療子系統(tǒng)、近紅外檢測(cè)操作界面、診斷探頭、治療探頭、鍵盤及顯示器，近紅外體表血管檢測(cè)模塊用于檢測(cè)體表血管，與近紅外血管檢測(cè)操作界面相聯(lián)；近紅外血管檢測(cè)操作界面用于控制聚焦，可實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的粗略查看和精細(xì)查看兩種方式，根據(jù)設(shè)置的查看靜脈/動(dòng)脈情況，體表的靜脈或動(dòng)脈會(huì)在投影裝置下方分別顯示。探頭分為治療探頭和診斷探頭兩種類型，可根據(jù)實(shí)際需要更換。診斷探頭與彩色多普勒血流成像模塊相聯(lián)，彩色多普勒血流成像模塊用于檢測(cè)血流。治療探頭與超聲治療模塊相聯(lián)，超聲治療模塊用于治療淺層血管疾病。鍵盤用于輸入患者信息，實(shí)現(xiàn)彩色多普勒血流成像和超聲治療的切換和控制，并分別在顯示器上顯示相應(yīng)信息。顯示器用于顯示患者信息、彩色多普勒血流信息及血栓消融情況。I. I近紅外二極管血管檢測(cè)I. I. I近紅外光譜分析技術(shù)檢測(cè)血紅蛋白近紅外光在生物組織中收到強(qiáng)散射(IO2 IO3CnT1)和弱吸收(1(Γ2 KT1CnT1)，在700 900nm這段近紅外區(qū)域內(nèi)，存在一個(gè)“光譜窗”。在這個(gè)“光譜窗”內(nèi)，生物組織對(duì)光線的吸收作用大大降低，光線可進(jìn)入更深一些的組織 ]([3]嚴(yán)衍祿.近紅外光譜分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[Μ].北京中國(guó)輕工業(yè)出版社，2005.)。由于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)在近紅外光區(qū)有獨(dú)特的吸收光譜，因而近紅外光譜信號(hào)分析方法(NIRS)成為研究組織中血液成分的簡(jiǎn)單可靠方法[4] ([4]王強(qiáng)·高靈敏度的近紅外光譜法評(píng)價(jià)血管功能狀態(tài)的初步研究[D].中國(guó)協(xié)和醫(yī)科大學(xué).2003.)。利用光譜學(xué)方法對(duì)生物組織進(jìn)行檢測(cè)具有安全可靠、連續(xù)實(shí)時(shí)及無(wú)損傷的特點(diǎn)，是一種具有研究和應(yīng)用價(jià)值的無(wú)創(chuàng)傷檢測(cè)方法。HbO2和Hb的近紅外吸收光譜如圖I所示。由圖I可見(jiàn),血液中HbO2和Hb對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收系數(shù)差異明顯。在紅光譜區(qū)(600nm 800nm) ,Hb的吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于HbO2 ;而在紅外光譜區(qū)(800nm IOOOnm)，Hb的吸收系數(shù)小于HbO2 ;在805nm左右，Hb和HbO2具有相同的吸收系數(shù)。通常，760nm和850nm分別位于還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白的吸收峰附近，是比較理想的波長(zhǎng)組合te]([5]吳太虎，徐可欣，劉慶珍，等.近紅外光譜法無(wú)創(chuàng)測(cè)量人體血紅蛋白濃度[J].激光生物學(xué)報(bào).2006，2 :204 208.)。血液的光吸收程度主要與血紅蛋白含量有關(guān)。I. I. 2捕獲生物組織對(duì)近紅外光的反射信號(hào)使用一定波長(zhǎng)的近紅外線照射患者皮膚，血管因血紅蛋白的存在而將光線吸收，而其他組織則對(duì)光線產(chǎn)生強(qiáng)散射和弱吸收。因此，使用近紅外數(shù)碼攝影裝置捕獲反射或散射的近紅外光，經(jīng)過(guò)近紅外鏡頭、CXD、模擬信號(hào)放大、ADC、DSP等一系列處理，可確定血管的具體位置。I. I. 3體表血管分布的實(shí)時(shí)顯示
將數(shù)碼攝影裝置捕獲到的近紅外光進(jìn)行數(shù)字化處理之后，微型移動(dòng)投影裝置根據(jù)接收的近紅外光情況，IXD液晶片上的各像素點(diǎn)有序開閉，產(chǎn)生圖像。選擇波長(zhǎng)為530nm的可見(jiàn)光LED，對(duì)其發(fā)射的光經(jīng)濾光片濾除紅外線和紫外線，以消除它們對(duì)LCD液晶面板的損害作用。再使用聚光鏡和偏振片，以使光線集中且振動(dòng)方向一致，經(jīng)過(guò)LCD液晶面板則可直接把血管分布圖投影到皮膚上。整個(gè)過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行，因此，血管分布會(huì)隨病人的移動(dòng)而發(fā)生相應(yīng)的變化。I. I. 4近紅外二極管血管檢測(cè)子系統(tǒng)的構(gòu)成近紅外二極管體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。近紅外線波長(zhǎng)可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇760nm或850nm。760nm為還原血紅蛋白的吸收峰,可用于顯示體表靜脈；850nm為氧合血紅蛋白的吸收峰，可用于顯示體表動(dòng)脈。圖2中，近紅外鏡頭需能在700 IOOOnm波長(zhǎng)段成像，從而將反射的近紅外光線匯聚成像；CCD光電傳感器可使用TSA-CCD光電傳感器或類似產(chǎn)品，負(fù)責(zé)將米集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)并暫存在存儲(chǔ)器中，再采用時(shí)鐘脈沖即可順序讀出信號(hào)。將電信號(hào)自動(dòng)增益控制放大，再由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后即可進(jìn)行數(shù)字化處理。此時(shí)的數(shù)字信號(hào)可用存儲(chǔ)器進(jìn)行儲(chǔ)存。另一方面，DSP通過(guò)控制LCD液晶面板中液晶單元的開啟、閉合，從而控制光路的通斷，LCD液晶面板用TN/HTN/STN/FSTN點(diǎn)陣式單色即可；可見(jiàn)光LED陣列(波峰530nm，其他可見(jiàn)光波段也可)發(fā)出的光線根據(jù)控制情況，經(jīng)鏡頭投影至皮膚，即可顯示體表的血管分布圖像。I. 2彩色多普勒血流成像I. 2. I利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行血流測(cè)量的方法根據(jù)多普勒效應(yīng)建立的超聲多普勒血流檢測(cè)有三種方式連續(xù)多普勒(Continuous Wave Doppler, CW)、脈沖多普勒(Pulsed Wave Doppler, PW)、高脈沖重復(fù)頻率脈沖多普勒(High Pulsed Repetition Frequency Doppler, HPRF)[6] ([6]袁光華.超聲診斷基礎(chǔ)與臨床檢查規(guī)范[M].北京科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2005.)。較常用的是CW、Pff兩種。Cff方式中，常使用兩個(gè)換能器獲得有關(guān)血流的資料。一個(gè)換能器發(fā)射頻率及振幅恒定不變的超聲波，而另一個(gè)換能器接收其反射波，即血流的背向散射信號(hào)te]([6]袁光華·超聲診斷基礎(chǔ)與臨床檢查規(guī)范[M].北京科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2005.)，如圖3所示。由于連續(xù)發(fā)射和接收超聲波，沿超聲束的血流和組織運(yùn)動(dòng)的多普勒頻移均被檢測(cè)并顯示出來(lái)，指示來(lái)自不同深度出現(xiàn)的血流頻移。理論上不受高速血流的限制，卻不能提供距離信息，連續(xù)波的發(fā)射采用專用Doppler探頭，也可以使用相控陣探頭或微凸陣探頭m([7]翟偉，王紅莉，蘇重清.基于多普勒成像的彩色血流成像技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備.2008，23(4) 43 47.)。PW采用單個(gè)換能器，在很短的脈沖期發(fā)射超聲波，而在脈沖間期內(nèi)有一“可聽(tīng)期”，如圖4所示。PW可通過(guò)選擇性的時(shí)間延遲，對(duì)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位，即具有距離選通能力[6]，可測(cè)量人體內(nèi)不同部位的血流信息。PW方式有一項(xiàng)重要參數(shù)，就是脈沖重復(fù)頻率，它的上限受最大探測(cè)深度的制約。脈沖波的發(fā)射可以采用普通的線陣或凸陣探頭m ([7]翟偉，王紅莉，蘇重清.基于多普勒成像的彩色血流成像技術(shù)[J].中國(guó)醫(yī)療設(shè)備.2008,23(4) :43 47.)。HPRF是在脈沖多普勒基礎(chǔ)上的改進(jìn)。HPRF工作時(shí)，探頭在發(fā)射一組超聲脈沖波之 后，不等取樣部位的回聲信號(hào)返回，探頭又發(fā)射出新的超聲脈沖群，這樣在超聲束方向上，沿超聲束的不同深度可有一個(gè)以上的取樣門。HPRF增加了速度可測(cè)范圍，但犧牲了距離分辨能力Μ ([6]袁光華.超聲診斷基礎(chǔ)與臨床檢查規(guī)范[M].北京科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2005.)。I. 2. 2自相關(guān)技術(shù)自相關(guān)器是彩色多普勒血流成像技術(shù)中的關(guān)鍵部件。自相關(guān)技術(shù)用于對(duì)比來(lái)自同一取樣部位的兩個(gè)以上的多普勒頻移信號(hào)，分析相位差。在自相關(guān)技術(shù)中，兩個(gè)連續(xù)的回聲信號(hào)不是相減而是相乘，自相關(guān)計(jì)算采用復(fù)數(shù)乘法對(duì)相位信息進(jìn)行處理。圖5為自相關(guān)器工作原理。自相關(guān)器由延遲電路、復(fù)數(shù)乘法器和積分器組成。通過(guò)延遲電路的多普勒信號(hào)進(jìn)入復(fù)數(shù)乘法器，與未經(jīng)過(guò)延遲電路的多普勒信號(hào)相乘。這樣，每一個(gè)經(jīng)過(guò)延遲的多普勒信號(hào)均與前一個(gè)未經(jīng)過(guò)延遲的多普勒頻移信號(hào)相乘。由于血細(xì)胞群流速的差別，在每一取樣門，探頭在每一瞬間都將接收若干頻移信號(hào)，自相關(guān)器利用積分器將這些頻移信號(hào)加以平均以獲得平均血流速度。由于多普勒頻移信號(hào)是離散化的，可通過(guò)自相關(guān)器計(jì)算血流動(dòng)態(tài)的各有關(guān)信息資料，即計(jì)算平均多普勒血流速度(V)和速度離散度(湍流)數(shù)據(jù)(S2，δ3)以及平均功率(P)等。自相關(guān)技術(shù)具有高速處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，這是實(shí)現(xiàn)彩色血流實(shí)時(shí)顯像的基礎(chǔ)。但它只能給出不同流速的平均值，不能用于定量分析最大血流速度Μ ([6]袁光華.超聲診斷基礎(chǔ)與臨床檢查規(guī)范[Μ].北京科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，2005.)。I. 2. 3彩色血流顯示用自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信息經(jīng)頻率-色彩編碼器轉(zhuǎn)換成彩色，實(shí)時(shí)疊加在B型黑白圖像上，才能構(gòu)成一幅具有診斷價(jià)值的二維彩色血流圖。血流彩色顯示規(guī)律如圖6 (a)、6(b)所示，(a)表示紅、綠、藍(lán)3種原色相加后的混合效果，(b)為血流方向和速度與色彩明暗的對(duì)照關(guān)系。通常，朝向探頭的運(yùn)動(dòng)血流用紅色,遠(yuǎn)離探頭運(yùn)動(dòng)的血流用藍(lán)色，而瑞流用綠色。綠色的混合比率是與血流的紊亂程度成正比的，所以正向湍流的顏色接近黃色(由于紅和綠的混合)，而反向湍流的顏色接近深青色(由于藍(lán)和綠的混合)。血流的層流越多，所顯示的紅色或藍(lán)色越純正。此外，血流的速度與紅藍(lán)兩種彩色的亮度成正比，正向速度越高，紅色的亮度越亮；同樣反向速度越高，藍(lán)色的亮度越亮。這樣，用3種彩色顯示了血流的方向、速度及湍流程度，為臨床提供了血流實(shí)時(shí)分析的資料。I. 2. 4彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)的構(gòu)成彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)的工作原理框圖如圖7所示。探頭向組織發(fā)射超聲波，接收到的多普勒回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)和抽取分成兩路信號(hào)。一路檢測(cè)其幅值包絡(luò)生成B型超聲圖像；另一路先經(jīng)壁濾波，去掉血管、瓣膜等產(chǎn)生的低頻分量，再送入自相關(guān)器作自相關(guān)檢測(cè)。自相關(guān)器可計(jì)算出血流動(dòng)態(tài)的各有關(guān)信息資料，即多普勒血流速度、速度離散度(方差)以及平均功率等。將計(jì)算的血流數(shù)據(jù)在數(shù)字掃描器中做有關(guān)處理，疊加B型超聲圖像即可顯示。針對(duì)彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)的性能要求與工作原理，繪制如圖8所示的彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)硬件組成框圖。圖中各模塊用于實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)的不同功能。系統(tǒng)控 制與實(shí)時(shí)控制模塊作為控制核心，負(fù)責(zé)整個(gè)子系統(tǒng)各模塊的協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。在控制核心的管理下，該子系統(tǒng)依次完成聲波發(fā)射、回波接收、波束合成、信號(hào)處理及顯示等過(guò)程。圖中，Pecho表不探頭I/O信號(hào)；Hecho表不回波信號(hào)；Twave表不發(fā)射波形；Hpuls表不發(fā)射波形驅(qū)動(dòng)后的信號(hào)；Adclk表不A/D米樣時(shí)鐘；Dspout表不信號(hào)處理輸出；Dsphead表示數(shù)據(jù)頭；Dspclk表示數(shù)據(jù)時(shí)鐘；Impout表示圖像處理數(shù)據(jù)輸出；Imphead表示圖像處理數(shù)據(jù)頭；Impclk表示圖像處理數(shù)據(jù)時(shí)鐘；PCI總線表示實(shí)時(shí)控制模塊與子系統(tǒng)主控制器之間的連接。圖中各模塊功能說(shuō)明如下高壓開關(guān)控制各陣元與收發(fā)通道之間的連接，工程上用單刀單擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)即可。前置放大是對(duì)回波信號(hào)固定放大一定倍數(shù)，用常規(guī)的集成運(yùn)放即可實(shí)現(xiàn)。發(fā)射驅(qū)動(dòng)是對(duì)發(fā)射波形的放大，發(fā)射功率可調(diào)，采用PWM調(diào)制。前端控制模塊提供發(fā)射波形，控制高壓開關(guān)的開閉，支持整節(jié)距與半節(jié)距兩種掃描方式，掃描線數(shù)最大可達(dá)255線，支持變焦、變頻發(fā)射。經(jīng)放大的回波信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)隔直、延時(shí)存儲(chǔ)、線性插值、動(dòng)態(tài)加權(quán)、并串求和等過(guò)程，即完成了波束合成。信號(hào)處理過(guò)程包括動(dòng)態(tài)濾波、取絕對(duì)值、低通濾波、二次抽樣、線數(shù)據(jù)緩存。血流成像多采用壁濾波和自相關(guān)估計(jì)來(lái)計(jì)算血流的速度、方差和功率，再進(jìn)行彩色編碼處理。圖像處理主要針對(duì)B型超聲圖像，過(guò)程通常包括動(dòng)態(tài)范圍變換與對(duì)數(shù)壓縮、時(shí)間濾波、空間濾波、幀相關(guān)處理、灰階映射等，之后與彩色編碼結(jié)果相疊加。掃描變換包括線陣掃描變換和凸陣掃描變換，其中凸陣掃描變換包括直角坐標(biāo)變換、極角坐標(biāo)變換、角度量化處理、去偏與邊界處理等環(huán)節(jié)，極坐標(biāo)變換采用CORDIC常規(guī)算法。實(shí)時(shí)控制模塊框圖如圖9所示。圖9中，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)主要有四個(gè)模塊PCI協(xié)議處理器、圖像總線接口、控制總線驅(qū)動(dòng)、掃描專線驅(qū)動(dòng)。圖像總線接口設(shè)有兩個(gè)幀存儲(chǔ)器，以讀寫乒乓模式工作。圖像總線接口的寫控制器根據(jù)圖像總線提供的幀頭、時(shí)鐘、塊地址把圖像數(shù)據(jù)寫入一個(gè)幀存，并控制兩個(gè)幀存的讀寫乒乓。PCI協(xié)議處理器從另一個(gè)幀存中讀出圖像數(shù)據(jù)，并通過(guò)PCI總線以中斷方式上傳到主機(jī)內(nèi)存?？刂瓶偩€驅(qū)動(dòng)模塊由控制數(shù)據(jù)緩存和讀控制器組成，主要負(fù)責(zé)波束合成數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)濾波系數(shù)、控制數(shù)據(jù)表的下載。掃描專線驅(qū)動(dòng)模塊掛于控制總線，提供線號(hào)線型以及掃描同步信號(hào)。
I. 3LIFU對(duì)淺層血管疾病的治療I. 3. I低強(qiáng)度超聲的治療機(jī)理研究超聲治療中，需要利用超聲能量來(lái)改變生物組織的狀態(tài)結(jié)構(gòu)，或促使其發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)。頻率范圍通常在IOkHz IMHz之間，強(qiáng)度從O. 12ff/cm2到幾百W/cm2，甚至幾千W/cm2，相對(duì)而言，超聲診斷所采用的聲強(qiáng)較小，為O. I 50mW/cm2M([8]嚴(yán)碧歌，?？〉?醫(yī)學(xué)超聲治療原理及其臨床應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展.2007，8 1246 1248.)。所謂的“低強(qiáng)度”通常是指 O. 125 3W/cm2[2] ([2]Gail ter Haar. Therapeutic ultrasound [J].European Journal of Ultrasound,1999,9(I) :3 9.)。據(jù)文獻(xiàn)記載，藥物運(yùn)輸系統(tǒng)中，在溶解劑存在的情況下，用很低強(qiáng)度的超聲輻射，可使藥物劑量可減少1/10，溶栓時(shí)間可縮短1/5。此現(xiàn)象的機(jī)理尚不清楚，不過(guò)推斷超聲的非熱效應(yīng)起到了關(guān)鍵的作用。很低的超聲強(qiáng)度(0. I lW/cm2)可增強(qiáng)溶栓效果[9] ([9]Katsuro Tachibana. Ultrasound therapy for stroke and regenerative medicine[J].International Congress Series, 2004,1274 :153 158.)。超聲的非熱效應(yīng)則與空化 作用等有關(guān)，超聲的空化效應(yīng)可制造高粘性應(yīng)力，后者可改變膜的結(jié)構(gòu)和功能，或作為一個(gè)刺激信號(hào)促使細(xì)胞的鈣內(nèi)流，同時(shí)也促進(jìn)其他離子和代謝物擴(kuò)散通過(guò)細(xì)胞膜M([10]袁僑英，朱正偉，黃晶，等.一種醫(yī)用介入超聲治療儀[J].壓電與聲光.2007，29 (2) :167 169.)。非熱效應(yīng)對(duì)組織的影響是周期或非周期的。主要的非周期效應(yīng)指聲流，這可能是由穩(wěn)定振蕩的空氣泡或細(xì)胞內(nèi)外的輻射力量引起。聲流可能會(huì)改變細(xì)胞環(huán)境，微泡的回彈、退化和噴射造成細(xì)胞的機(jī)械損傷，于是細(xì)胞的孔道或通道被打開[n]([ll]Gail ter Haar.Therapeutic applications of ultrasound[J]. Progress in Biophysics and MolecularBiology，2007，93 (I 3) :111 129.)，導(dǎo)致細(xì)胞外膜附近的濃度產(chǎn)生梯度。這種濃度梯度會(huì)導(dǎo)致離子或分子的跨膜擴(kuò)散。因此，在超聲照射時(shí)鉀鈣離子發(fā)生運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是受聲流的影響[2]。另外，研究發(fā)現(xiàn)，超聲波振蕩能產(chǎn)生組織的收縮和舒張，具有類似微按摩的機(jī)械作用，也產(chǎn)生摩擦熱,而組織的熱反應(yīng)可增強(qiáng)代謝、增加血流量和血流速度、改善局部血液循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)狀況，結(jié)合超聲的機(jī)械效應(yīng)使生物膜通透性增加，膜電位改變M([10]袁僑英，朱正偉，黃晶，等.一種醫(yī)用介入超聲治療儀[J].壓電與聲光.2007，29 (2) :167 169.)。I. 3. 2低強(qiáng)度超聲治療子系統(tǒng)低強(qiáng)度、中小劑量(治療劑量)起刺激、調(diào)節(jié)作用，不會(huì)引起或僅引起輕微的可逆性組織形態(tài)學(xué)的改變[12] ([12]張紅梅，陳光杰，李曦.超聲治療儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2002，6 :17 18.)。對(duì)超聲波的頻率和劑量進(jìn)行有效控制，是超聲治療子系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該子系統(tǒng)是基于超聲波能治療軟組織損傷的機(jī)理而設(shè)計(jì)的。實(shí)驗(yàn)證明強(qiáng)度為(0. 5 I. 0) W/cm2、頻率為(I I. 5)MHz的超聲波結(jié)合藥物療法能顯著改善局部血液循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)狀況，加速軟組織扭、挫傷愈合[12]([12]張紅梅，陳光杰，李曦.超聲治療儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備.2002,6:17 18.)。系統(tǒng)能輸出連續(xù)波和通斷比可調(diào)的脈沖波2種類型的超聲波，超聲波輸出強(qiáng)度在(0. I l.OW/cm2)可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)超聲頭空載保護(hù)。系統(tǒng)硬件按照功能設(shè)置分為控制電路、信號(hào)放大整形和輸出保護(hù)3個(gè)大部分。結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。
該子系統(tǒng)超聲波的方式、強(qiáng)度大小、輸出時(shí)間等由89C51或類似CPU控制，通過(guò)鍵盤設(shè)置超聲方式、定時(shí)、功率大小，并由LCD顯示。超聲波方式指連續(xù)波和通斷比可調(diào)的脈沖波。原始的超聲波信號(hào)由晶振產(chǎn)生，再經(jīng)分頻產(chǎn)生IMHz方波，此方波經(jīng)CPU控制信號(hào)調(diào)制后，變成頻率為IOOHz的脈沖方波。方波信號(hào)經(jīng)緩沖放大、功率放大，再經(jīng)濾波輸出正弦波，就可輸送給超聲治療探頭作為超聲激勵(lì)源。超聲輸出強(qiáng)度控制采用PWM調(diào)節(jié)，可在(O. I
I.O) W/cm2范圍內(nèi)以間隔O. lW/cm2調(diào)節(jié)。經(jīng)超聲治療探頭治療后，輸出取樣，經(jīng)過(guò)比較器，向警報(bào)器輸出。方波信號(hào)還通過(guò)DAC、比較器后向警報(bào)器輸出。超聲頭在空載情況下由于直接與空氣接觸，能量發(fā)射不出去而易使超聲頭過(guò)熱而損壞，因此在這種情況下應(yīng)能自動(dòng)切斷輸出，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能。保護(hù)電路從反射的超聲信號(hào)提取峰值后送入比較器與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)比較，當(dāng)電壓增大時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)警報(bào)，同時(shí)保護(hù)電路切斷輸出信號(hào)。2.本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 2. I近紅外二極管血管檢測(cè)子系統(tǒng)·圖像信息的傳遞。近紅外數(shù)碼攝影裝置根據(jù)所捕獲的反射近紅外光信號(hào)進(jìn)行成像。微型投影裝置獲取圖像信息并進(jìn)行成像?！ぱ軋D像與血管實(shí)際位置的重合。微型投影裝置所投影的脈管圖像必須與血管的實(shí)際位置相重合，才具有臨床使用價(jià)值。因此，對(duì)系統(tǒng)中光學(xué)元件的擺放位置和角度具有要求。 實(shí)時(shí)成像。當(dāng)身體移動(dòng)時(shí)，血管圖像也應(yīng)隨之發(fā)生變化。因此，要最大程度地減小成像滯后效應(yīng)，系統(tǒng)內(nèi)部處理速度不受影響。2. 2彩色多普勒血流成像子系統(tǒng) 灰階/彩色寬景成像。寬景成像技術(shù)拓寬了觀察的視野，通過(guò)連續(xù)掃描并拼接系列圖像，就可以在同一幅圖像上顯示整個(gè)組織或結(jié)構(gòu)，并可以觀察周圍相鄰組織的情況[13]([13]董劍，馮赫林.寬景成像技術(shù)[J]·中國(guó)醫(yī)療器械信息.2004，3 20 22.)?！?shí)時(shí)超聲造影功能。超聲造影顯像技術(shù)主要是提取造影劑的非線性二次諧波信號(hào)[14]([14]馮赫林，倪東.超聲造影技術(shù)與設(shè)備發(fā)展[J].現(xiàn)代醫(yī)學(xué)儀器與應(yīng)用.2007，I:36 38.)。2. 3低強(qiáng)度超聲治療子系統(tǒng) 通斷比調(diào)節(jié)技術(shù)。通斷比可調(diào)的脈沖波是系統(tǒng)提供的超聲波方式之一。這里涉及的技術(shù)有分頻、PWM技術(shù)等?！けＷo(hù)電路。超聲頭空載時(shí)，由于能量發(fā)射不出去而易使超聲頭過(guò)熱損壞，在這種情況下系統(tǒng)應(yīng)能自動(dòng)切斷輸出，以實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)功能。附件一技術(shù)規(guī)格版本，型號(hào)版本I. 1，型號(hào)GS重量135磅(合約 61kg)間隙(加頭部單元的高度):78· 5英寸(約2m)底座規(guī)格22·25 X 24. 5 英寸(56. 5cm X 60cm)臂最長(zhǎng)延伸范圍40英寸(約I. 02m)電源線美國(guó)醫(yī)用電力電纜提供
紅外波長(zhǎng)，峰值約760nm可視波長(zhǎng)，峰值約530nm電壓要求100-240V AC, I. 2-0. 6A, 50_60Hz工作周期連續(xù)操作溫度+60°F-+90。F(+16-+30°C )操作濕度10%-9O%大氣壓強(qiáng)(操作時(shí)):700hPa-1060hPa(百帕)蓋子拆卸塑料蓋不應(yīng)拆卸
支持VeinViewer支持中心發(fā)行=VeinViewer已通過(guò)檢驗(yàn)并遵守電磁兼容性(EMC)和福射傳導(dǎo)發(fā)射的IEC60601-1-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)章被美國(guó)FDA列為第一類豁免應(yīng)用部件無(wú)應(yīng)用部件一任何與設(shè)備接觸的部分都是附件醫(yī)療儀器有關(guān)觸電、火和機(jī)械危害等內(nèi)容只依照UL60601-1和IEC60601-1，CAN/CSAC22. 2 NO. 601. I
指南與制造商聲明-電磁福射
VeinViewer專用于以下指定的電磁環(huán)境，VeinViewer的客戶或用戶應(yīng)確保其用于
此種環(huán)境。
權(quán)利要求
1.近紅外成像超聲血管治療儀，其特征是包括近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)、彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)、超聲治療子系統(tǒng)、近紅外檢測(cè)操作界面、診斷探頭、治療探頭、鍵盤及顯示器，近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)用于檢測(cè)體表血管，與近紅外血管檢測(cè)操作界面相聯(lián)；近紅外血管檢測(cè)操作界面用于控制聚焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的查看，根據(jù)設(shè)置的查看靜脈或動(dòng)脈情況，體表的靜脈或動(dòng)脈會(huì)在投影裝置下方顯示；彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)用于檢測(cè)血流信息，與診斷探頭相聯(lián)；超聲治療子系統(tǒng)用于治療淺表血管疾病，與治療探頭相聯(lián)；鍵盤用于輸入患者信息，實(shí)現(xiàn)彩色多普勒血流成像和超聲治療的切換及控制，并分別在顯示器上顯示相應(yīng)信息；顯示器用于顯示患者信息、彩色多普勒血流信息及血栓消融情況。
2.如權(quán)利要求I所述的近紅外成像超聲血管治療儀，其特征是所述的近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)，包括近紅外LED陣列、近紅外數(shù)碼攝影裝置、微型移動(dòng)投影裝置，近紅外LED陣列向皮膚發(fā)射近紅外光線，微型移動(dòng)投影裝置向皮膚投影，皮膚向近紅外數(shù)碼攝影裝置反射，近紅外數(shù)碼攝影裝置將反射的近紅外光線匯聚成像，并向微型移動(dòng)投影裝置發(fā)送。
3.如權(quán)利要求2所述的近紅外成像超聲血管治療儀，其特征是所述的近紅外數(shù)碼攝影裝置包括近紅外鏡頭、CCD光電傳感器、AGC信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字處理器、儲(chǔ)存器及PC卡，近紅外鏡頭將反射的近紅外光線匯聚成像；CCD光電傳感器將采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)并暫存在存儲(chǔ)器中，再用時(shí)鐘脈沖即可順序讀出信號(hào)；將電信號(hào)自動(dòng)增益控制放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后即可進(jìn)行數(shù)字化處理；此數(shù)字信號(hào)可用儲(chǔ)存器進(jìn)行存儲(chǔ)。
4.如權(quán)利要求I所述的近紅外成像超聲血管治療儀，其特征是所述的診斷探頭向組織發(fā)射超聲波，所述的彩色多普勒血流成像模塊接收到的多普勒回波信號(hào)先經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)和抽取分成兩路信號(hào)，一路檢測(cè)其幅值包絡(luò)生成B型超聲圖像；另一路先經(jīng)壁濾波，去掉血管、瓣膜等產(chǎn)生的低頻分量，再送入自相關(guān)器作自相關(guān)檢測(cè)；自相關(guān)器可計(jì)算出血流動(dòng)態(tài)的各有關(guān)信息資料；將計(jì)算的血流數(shù)據(jù)在數(shù)字掃描器中做處理，疊加B型超聲圖像即可顯示。
5.如權(quán)利要求I所述的近紅外成像超聲血管治療儀，其特征是所述的超聲治療模塊包括CPU，CPU控制超聲波的方式、強(qiáng)度大小、輸出時(shí)間，通過(guò)鍵盤設(shè)置超聲方式、定時(shí)、功率大小，并由IXD顯示；原始的超聲波信號(hào)由晶振產(chǎn)生，再經(jīng)分頻產(chǎn)生方波，此方波經(jīng)CPU控制信號(hào)調(diào)制后，變成脈沖方波，該脈沖方波信號(hào)經(jīng)緩沖放大、功率放大，再經(jīng)濾波輸出正弦波，輸送給超聲治療探頭作為超聲激勵(lì)源。
全文摘要
本發(fā)明公開了近紅外成像超聲血管治療儀，近紅外體表血管檢測(cè)子系統(tǒng)用于檢測(cè)體表血管，與近紅外血管檢測(cè)操作界面相聯(lián)；近紅外血管檢測(cè)操作界面用于控制聚焦，實(shí)現(xiàn)對(duì)血管的查看，根據(jù)設(shè)置，體表的靜脈或動(dòng)脈會(huì)在投影裝置下方顯示；彩色多普勒血流成像子系統(tǒng)用于檢測(cè)血流信息，與診斷探頭相聯(lián)；超聲治療子系統(tǒng)用于治療淺層血管疾病，與治療探頭相聯(lián)；鍵盤用于輸入患者信息，實(shí)現(xiàn)彩色多普勒血流成像和超聲治療的切換及控制，并分別在顯示器上顯示；顯示器用于顯示患者信息、彩色多普勒血流信息及血栓消融情況。本發(fā)明可實(shí)時(shí)顯示體表靜脈或動(dòng)脈分布，快速獲得血流參數(shù)，準(zhǔn)確定位病灶，根據(jù)血流情況針對(duì)性選擇超聲強(qiáng)度進(jìn)行治療，從而達(dá)到最佳治療效果。
文檔編號(hào)A61B8/06GK102871645SQ20111019320
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月11日
發(fā)明者鄭音飛, 解卓麗 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)