[发明专利]具有音高偏移的超声血流多普勒音频

说明书

本发明涉及医学诊断超声系统，并且具体而言，涉及能够以分音高(pitch)控制的产生多普勒音频的超声系统。

使用多普勒音频诊断血流可追溯到几十年前。在出现多普勒流动特性的实时视频显示之前的年代，音频是用超声诊断血流的唯一手段。医师将多普勒探头瞄准感兴趣的器官或血管，没有视频的辅助，并倾听血流特有的脉动“倏倏”声。由于多普勒频移一般在千赫兹范围或更低，所以可以将经放大的多普勒频率信号用于直接驱动音频扬声器。这样保持了当今从血流生成超声多普勒信号的方式。然而，随着多普勒流动的实时视频显示，诸如谱多普勒和彩色流多普勒提供了更精确并且空间上特定的方式来用超声方式诊断血流特性，音频多普勒的诊断用途已经衰退。尽管如此，多普勒音频仍旧是诊断超声的基本要素，并且如今仍用于帮助指导和确认适当的探头和样本体积放置。当声谱仪操作员所看到的可视显示和声谱仪操作员所听到的多普勒音频两者都产生对应的信息时，增强了声谱仪操作员对诊断信息有效性和精确性的信心。

多普勒音频信号是通过作为超声系统一部分的音响系统而播放的。在车载系统中，音响系统的扬声器可以位于拖车上各种位置，诸如在系统主机中、在控制面板上或者在显示器上。由于扬声器由拖车承载并且可以位于各种地方，所以系统设计师可以使用各式各样的市售扬声器。但随着近来出现了更紧凑的手持式超声系统，扬声器的空间受到大大制约。在紧凑型系统中，尺寸和重量很受重视，并且系统设计师常常局限于使用非常小，非常紧凑的扬声器。例如，在Philips Healthcare的CX50紧凑型超声系统中，扬声器被安装在承载把手中，需要使用非常小、轮廓非常薄的扬声器。由于其属性的原因，小扬声器一般将比更大的扬声器有更高范围的频率响应，这是由它们的小尺寸和受限的声学环境两者导致的结果。这些扬声器不能有在更大隔声罩中的更大扬声器所具有的更高保真度的低频(低音)响应特性。

如上所述，超声系统的扬声器必须要再现多普勒信号频率范围的音频声音。多普勒信号的频率与血流速度或速率成正比(proportional)。对于较高速度的血流，保真度良好的再现大致处在便携式系统的小扬声器能力之内，因为来自较高速度流动的较高频率声音处在扬声器的可再现频率范围之内。当诊断动脉血流时通常会遇到这些较高的血流速度。但在静脉流诊断中，血流速度要低得多。例如，腿部隐静脉中的静脉血流可能在仅每秒几厘米的范围内或者更低。因此，从这些低流动速率再现的多普勒音频将是小扬声器再现很差的低频。多普勒音频将音量低、失真大并且难以理解。因此，希望提供尤其在静脉超声检查中遇到的较低频率的更好的音频再现。

针对组织多普勒模式已经尝试了低频再现问题的一种解决方案。在组织多普勒中，通过多普勒处理来探测组织的运动，诸如心脏心肌的运动。与血流不同的是，组织运动是组织的连续部分的运动，其中组织细胞是一致运动的，因为它们是物理接连在一起的。于是，组织运动中占支配地位的是接连组织细胞的统一速度，而不是湍动血流产生的速度范围。因此，多普勒信号的特征将是任何短时段的支配性的单频率。使用平均频率值生成在平均频率下的合成正弦波。为了再现较高频率的多普勒信号，仅需要将平均频率乘以频率缩放项，从而将正弦波频率偏移到较高频率。例如，将合成的正弦波频率乘以三，能够将60Hz的信号简单地调制到180Hz。

尽管对于组织多普勒而言是成功的，但这种平均频率偏移方法却不适用于血流的多普勒音频。如上所述，静脉或动脉中的血细胞是分离的，并且将基本彼此独立地在血流中运动。由于在血管壁处有摩擦，而在血管中心内没有，所以血管中心处的流速将大于沿血管壁的速率。由于在障碍和瓣膜处导致的紊流，血细胞还可能沿很多不同的方向运动。因此，血流的特征不是像组织那样的单一速度，而是有众多同时的速度。多普勒音频产生的是与这些速度对应的音频的谱，对于经训练的耳朵而言，该谱富有谐波和细微的音色。经训练的声谱仪操作员依靠这种丰富的多普勒音频声音来引导其放置探头和样本体积。将多普勒信号的平均频率简单地偏移到更高频率不能够再现血流引起的多普勒偏移(Doppler shift)频率的完整谱，而将产生单调的人为声音，这是经训练的声谱仪操作员所不熟悉的。因此，针对改善低频静脉流音频多普勒声音再现的问题，必须采取不同的方式。