一种单通道乘法器解调的超声多普勒血流速度测量方法

摘要

本发明公开了一种单通道乘法器解调的超声多普勒血流速度测量方法，现有的多普勒血流测量系统多采用一双通道乘法器为核心的正交解调方案对超声回波信号中的多普勒信号进行解调，测量电路比较复杂。在本申请发明中，采用简单的单通道乘法器，通过选取合适的正弦波解调信号和频率轴的坐标变换，就可以提取多普勒血流信号的频谱；这种方案中对电路要求低，可以有效降低电路的复杂度，提高数据的测量速度，并具有较高的测量精度。

说明书

技术领域

本发明属于医学超声应用领域，利用单通道乘法器和频差概念，实现多普勒的人体血管 中血流速度测量。

背景技术

当声波波源运动时，测量到的频率较波源实际发出的频率有一定的变化，波源运动方向 及速度决定频移的大小，这种现象叫做多普勒效应。利用多普勒效应可以测量运动物体的速 度，而超声多普勒血流测量就是利用多普勒效应测量血管中红细胞的运动速度。

现有的多普勒血流测量系统多采用正交解调的方式得出超声回波信号中和速度有关的多 普勒信号，然后经过计算机处理提取血流的运动信息。为了实现正交解调，需要双通道或两 路在电路性能上完全一致的模拟乘法器，以及两个幅度相同相位成九十度的频率为信号载波 频率的正弦波信号，否则将严重影响多普勒信号的提取，降低血流速度测量精度。

现有的多普勒血流测量处理过程如下：首先频率为f_c的超声波入射到运动的物体(如血液 中的红细胞)上，由于多普勒效应，回波信号中含有频率为f_c+f_d的多普勒信号，当然由于红 细胞的速度有一定的分布范围，而且每个红细胞的运动方向不同，f_d不是一个数值，其分布 有一定的范围，比如分布在-f_d1≤f_d≤f_d2。

含有多普勒信号的回波信号由超声接收探头接收，经过放大后输入到正交解调模块，正 交解调模块的调制输入信号是频率为f_c的正弦和余弦波信号，经滤波后的解调输出为两路信 号，一路称为正交分量，另一路称为同相分量。再用两路AD将正交分量和同相分量采样合并 为一个复数函数，通过傅里叶变换及其他方法处理就可以得到多普勒频移f_d及血流速度。

从傅里叶变换的性质上可以看出，上述变换实际上利用频移特性，把信号的频谱从f_c平 移到了原点附近。由于实信号的频谱是关于原点对称，无法反映小于f_c的多普勒信号，因此 必须采用复信号的处理方式。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种单通道乘法器解调的超声多 普勒血流速度测量方法，旨在简化现有测量电路的同时提高测量精度和测量速度。

本发明解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明单通道乘法器解调的超声多普勒血流速度测量方法，其特点在于：以信号发生器 产生中心频率为f_c的正弦波驱动超声发射探头向运动物体发射超声波信号，并被所述运动物 体反射，获得含有多普勒频移、且频率为f_c+f_d的回波信号，其中f_d为多普勒频移；所述回 波信号被超声接收探头接收，然后作为乘法器的一个输入进入到单通道乘法器；由所述信号 发生器产生的中心频率为f_c的正弦波进入频率合成器，产生频率为f_c1的正弦波，作为所述单 通道乘法器的另一个输入进入单通道乘法器，其中f_c-f_c1≥f_d，且f_c>f_c1；

所述单通道乘法器的输出信号中包含一个频率为f_c+f_c1+f_d的高频分量、一个频率为 f_c-f_c1-f_d的低频分量和一个频率为f_c-f_c1的低频分量；所述单通道乘法器的输出信号通过 低通滤波器去除频率为f_c+f_c1+f_d的高频分量，剩余的低频分量送入中心频率为f_c-f_c1的陷 波器，通过所述陷波器去除频率为f_c-f_c1的低频分量，所述陷波器的输出信号通过模数转换 单元转换为数字信号；

数据处理单元对所述数字信号进行傅里叶变换得到所述数字信号的频谱，然后进行频率 坐标轴坐标平移，把频率点f_c-f_c1移到坐标原点，即获得与所述运动物体的运动速度相对应 的多普勒信号频谱，从所述多普勒信号频谱中获得f_d。

为满足f_c-f_c1≥f_d，由频率合成器产生的正弦波的频率f_c1可按如下方式确定：

设仪器所能测量的最大速度为v_max，其方向为靠近发射者,c为超声波的速度，由多普勒 原理可知，此时所能得到的最大频偏f_dmax为：

$f_{d\max }=f_c\frac{c+v_{\max }}{c-v_{\max }}-f_c;$

f_c1由下式确定：

f_c1≤f_c-f_dmax。

在本申请中采用简单的单通道或一路乘法器代替现在所用的正交解调模块。乘法器的一 个乘数输入端输入经放大后含有多普勒频移的回波信号，另一个乘数输入端输入简单的正弦 信号，其频率为f_c1,取值小于f_c，在考虑到最大的多普勒频移后，乘法器的输出信号通过低 通滤波器后的频谱是以f_c-f_c1为中心的位置，因为f_c-f_c1≥f_d，这样以f_c-f_c1为中心的位置距 离原点距离是f_d，如果f_d取最大速度对应的多普勒平移，这样整个多普勒平移都落在了正频 率范围内。然后对此信号进行模数转换和傅里叶变换得到信号的频谱，再通过坐标轴平移就 实现了多普勒频谱的检测和速度的测量。

因此，本发明的有益效果体现在：

1、由于本发明仅采用一路乘法器就可以实现多普勒信号的提取，不需要两路在电路性能 上完全一致的模拟乘法器，以及两路幅度相同、相位成九十度的频率为信号载波频率的正弦 波信号，不仅简化了电路，降低了多普勒信号解调对电路的要求，而且可以在一定程度上提 高多普勒信号提取的精度。同时本发明在将模拟信号转换为数字信号的部分，使原来需要对 两路信号进行模数转换降低了一路，进一步简化了电路。

2、由于本发明中的数据处理单元是在实数域对信号进行处理，不需要原来的复数处理， 这样对信号做傅里叶变换的速度提高了一倍，因此本发明的方法可以提高超声多普勒血流速 度测量速度。

附图说明

图1为本发明超声多普勒血流速度测量方法所用系统的结构框图；

图2为本发明中数据处理单元的数据处理过程示意图；

图中标号：1信号发生器、2超声发射探头、3运动物体、4超声接收探头、5单通道乘法器、 6频率合成器、7低通滤波器、8陷波器、9模数转换单元、10数据处理单元。

具体实施方式

本发明单通道乘法器解调的超声多普勒血流速度测量方法为：以信号发生器1产生中心频 率为f_c的正弦波驱动超声发射探头2向运动物体3发射超声波信号，并被运动物体3反射，获得 含有多普勒频移、且频率为f_c+f_d的回波信号，其中f_d为多普勒频移；回波信号被超声接收 探头4接收，然后作为乘法器的一个输入进入到单通道乘法器5；由信号发生器1产生的中心频 率为f_c的正弦波进入频率合成器6，产生频率为f_c1的正弦波，作为单通道乘法器5的另一个输 入进入单通道乘法器5，其中f_c-f_c1≥f_d，且f_c>f_c1；

单通道乘法器5的输出信号中包含一个频率为f_c+f_c1+f_d的高频分量、一个频率为 f_c-f_c1-f_d的低频分量和一个频率为f_c-f_c1的低频分量；单通道乘法器5的输出信号通过低通 滤波器7去除频率为f_c+f_c1+f_d的高频分量，剩余的低频分量送入中心频率为f_c-f_c1的陷波器 8，通过陷波器8去除频率为f_c-f_c1的低频分量，陷波器8的输出信号通过模数转换单元9转换 为数字信号；

数据处理单元10对数字信号进行傅里叶变换得到数字信号的频谱，然后进行频率坐标轴 坐标平移，把频率点f_c-f_c1移到坐标原点，即获得与运动物体的运动速度相对应的多普勒信 号频谱，从所述多普勒信号频谱中获得f_d。

下面结合附图对本发明具体实施方式作一步说明。

本发明测量速度的具体实施方式是：

如图1所示，信号发生器1驱动超声发射探头2发射中心频率为f_c、且持续一定时间的超声 信号x(t)：

x(t)＝cos(2πf_ct)    (1)；

超声信号x(t)入射到例如血细胞的运动物体3并被反射形成回波信号r(t)，根据多普勒效 应，回波信号中含有多普勒频移f_d，即：

超声接收探头4接收到回波信号并输入到单通道乘法器5进行处理，获得输出信号y(t)：

y(t)＝r(t)×cos(2πf_c1t)    (3)；

(3)式表明单通道乘法器的两个乘数分别是r(t)和cos(2πf_c1t)，后者cos(2πf_c1t)由频率 合成器6产生。由于血流的方向不同，多普勒频移f_d可正可负。对于(3)式，f_c1取值得条件是：

f_c1≤f_c-f_dmax    (4)；

其中f_dmax为多普勒频偏的最大绝对值。

因为多普勒频移远小于f_c，所以f_c1接近f_c。(3)式所乘结果将包含三个频率分量，一个 是频率为f_c+f_c1+f_d的高频分量，通过低通滤波器7就可以滤去。另两个分量是频率为 f_c-f_c1-f_d的低频分量和一个频率为f_c-f_c1的低频分量。显然，由于(4)式的关系， f_c-f_c1-f_d1≥0，这说明通过(3)式处理，信号的频移分量全部在正频段，可以直接通过实函 数的傅里叶变换就可以得出多普勒信号的频谱。

低通滤波器6提取的频率为f_c-f_c1-f_d的低频分量和频率为f_c-f_c1的低频分量，送入陷波 器8，陷波器的中心频率点为f_c-f_c1，其目的是滤除频率为f_c-f_c1的低频分量，因为这一部 分实际是静止物体信号和缓慢变化的血管壁信号，而非多普勒血流信号。

陷波器的输出信号经过模数转换单元9转换为数字信号。

如图2所示，数据处理单元10对数字信号进行傅里叶变换得到信号的频谱，然后进行频率 坐标轴坐标平移，把频率点f_c-f_c1移到坐标原点，即可得到和运动物体的运动速度对应的正 负频率的多普勒信号频谱，在所述多普勒信号频谱中的最大值所对应的频率值，即是多普勒 频移f_d。