颈动脉血管局部脉搏波传播速度测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声成像技术领域，特别涉及一种基于超快速梳齿状聚焦波束发射与 接收序列的颈动脉血管局部脉搏波传播速度测量方法。
【背景技术】
[0002] 动脉弹性减退是多种因素对血管壁早期损害的综合表现，是早期血管病变较好的 特异性和敏感性指标。目前临床上只能在血管结构病变阶段依靠B超图像、多普勒血流等 方面诊断血管壁增厚或斑块存在，无法在血管功能病变阶段实现对动脉粥样硬化定量的早 期检测与评价。1878年，Moens等人推导了脉搏波波速（PWV)与弹性模量的数学方程式，即 Moens-Korteweg方程，证实了脉搏波传播速度与血管壁弹性模量之间成正比例关系。因此， 脉搏波传播速度通常可作为衡量血管硬化程度的直接指标。之后，Safar等人通过大量人 体实验证实了脉搏波波速可独立作为动脉硬化程度评价指标和心血管疾病的风险因素。在 动脉粥样硬化发展过程中血管弹性减小，脉搏波在动脉系统中的传播速度变快，因此，测量 脉搏波传播速度将有利于动脉粥样硬化早期检测的实现，降低急性心脑血管事件的发生。
[0003] 在超声成像领域，对血管脉搏波传播速度的测量方法主要有全局脉搏波传播速度 测量和局部脉搏波传播速度测量。通过测量脉搏波在一长段血管中传播的时间延迟来获得 PWV的方法，叫做全局脉搏波波速估计。根据所测位置的不同有颈-股动脉脉搏波传导速度 (cfPWV)与肱-踝动脉脉搏波传导速度（baPWV)。使用这种方法求得的PWV是沿着整段血 管的平均值，无法确定哪一处血管片段发生病变、存在斑块，同时测量误差较大。在动脉粥 样硬化初期，斑块往往都很小，针对局部血管片段的PWV估计将具有更为重要的意义。然而 传统B超成像模式是由逐条扫描线依次聚焦发射接收实现的，这种成像模式的成像帧频只 有几十赫兹，而人体脉搏波传播速度可达到数米/秒，传统超声成像的帧率难以捕捉脉搏 波在局部血管片段上的传播。因此，有必要发展一种高帧率的超声成像模式来实现血管局 部脉搏波传播速度的测量。
【发明内容】
[0004] 为了克服上述现有技术的缺陷，实现高帧率超声成像的要求，本专利发明一种基 于超快速梳齿状聚焦波束发射与接收序列的颈动脉血管局部脉搏波传播速度测量方法，为 动脉粥样硬化的早期检测提供新的依据。
[0005] 为满足以上要求，本发明的技术方案为：
[0006] 颈动脉血管局部脉搏波传播速度测量方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、设计超快速梳齿状聚焦波束发射与接收序列，同时获取沿颈动脉血管长 轴方向的多个聚焦波束回波信号；
[0008] 步骤二、对同时接收的沿颈动脉血管长轴方向的多个聚焦波束回波信号进行滤波 预处理后，识别与追踪每根扫描线中血管前后壁的回波信号，作为步骤三中自相关估计的 输入；
[0009] 步骤三、对每根扫描线中血管前后壁的相邻帧回波信号分别进行一维自相关相移 估计，得到其对应的血管前后壁相邻帧之间的相对相移变化一相移速度波形，之后，对血管 前后壁的相移速度波形进行低通滤波、去基线漂移、积分及相减处理得到每根扫描线处血 管壁随心动周期变化所对应的相移波形；
[0010] 步骤四、计算相邻扫描线血管壁相移波形之间的相对时延，对血管壁上扫描线之 间的距离以及对应相移波形的时延进行线性拟合，其斜率的倒数即是估计的局部脉搏波传 播速度。
[0011] 步骤一所述的设计超快速梳齿状聚焦波束发射与接收序列，同时获取沿颈动脉血 管长轴方向的多个聚焦波束回波信号，具体步骤为：
[0012] 以Sonix Touch开放式超声成像平台为基础，选用L14-5/38线阵换能器，将128个 阵元分为8组，每组阵元个数为16个，编号为1~8。根据实际测量需要，可分别提供N = 2根、4根以及8根梳齿状聚焦波束发射模式；当N = 2时，第1组与第8组阵元同时受激励 延时产生聚焦波束，2~7组阵元不工作；N = 4时，第1，3, 5, 7组阵元同时受激励延时产生 4根聚焦波束，2, 4, 6, 8组阵元不工作；N = 8时，1~8组阵元同时受激励延时产生8根聚 焦波束；为了实现对聚焦波束回波信号的同时接收，选用SonixDAQ高速数据采集装置对单 通道数据进行同时采集，之后通过波束合成实现对聚焦波束回波信号的同时接收；发射序 列将同时获取沿颈动脉血管长轴方向的N组射频回波信号，存储于一个三维矩阵s (x，y，t) 中，x方向代表成像深度，y方向代表扫描线数，t方向代表成像帧数，用于颈动脉局部脉搏 波传播速度的测量。
[0013] 步骤二所述的对同时接收的沿颈动脉血管长轴方向的多个聚焦波束回波信号进 行滤波预处理后，识别与追踪每根扫描线中血管前后壁的回波信号，作为步骤三中自相关 估计的输入，具体步骤为：
[0014] (1)对同时接收的沿颈动脉血管长轴方向的N组聚焦波束回波信号，采用巴特沃 斯带通滤波器滤除信号噪声，再将滤波后信号减去其自身的平均值以去除信号的直流分 量，在回波信号上手动选取包含颈动脉血管信号的R0I区域，利用一维自相关法估计R0I区 域内第1帧信号与第2帧信号所发生的相移，并对相移结果进行均值平滑滤波和归一化处 理得到相移计算结果。
[0015] (2)对第1帧射频信号取包络，利用阈值法找到局部最大峰值点，结合相移计算结 果，将两两局部最大峰值位置之间信号相移最大的区域看作血管腔位置；基于包络信号，从 血管腔位置开始分别向两侧寻找最近的局部最大峰值点，认为位于血管腔两侧的两个最近 的局部最大峰值点位置就是血管前后壁位置；
[0016] (3)根据血管前后壁信号峰值点位置，依次向两侧寻找信号幅度下降为峰值幅度 〇. 05倍时的两个位置，将它们之间的射频信号作为血管前后壁信号；之后的各帧信号均参 照初始帧血管前后壁位置自动选取相同位置处的血管前后壁射频信号进行处理。
[0017] 步骤三所述的对每根扫描线中血管前后壁的相邻帧回波信号分别进行一维自相 关相移估计，得到其对应的血管前后壁相邻帧之间的相对相移变化一相移速度波形，之后， 对血管前后壁的相移速度波形进行低通滤波、去基线漂移、积分及相减处理得到每根扫描 线处血管壁随心动周期变化所对应的相移波形；具体步骤为：
[0018] (1)在血管壁每条扫描线位置处，利用基于相位的一维自相关法估计血管前后壁 相邻两帧回波信号所发生的相移，将血管前后壁相邻帧回波信号所发生的相移沿时间轴展 开，即血管前后壁的相移速度波形；
[0019] (2)应用前向-反向双向巴特沃斯低通数字滤波器滤除血管前后壁相移速度波形 中的高频噪声，将噪声抑制后的血管前后壁相移速度波形减去其自身的平均值以去除由于 人体呼吸运动所引起的波形基线漂移影响；
[0020] (3)将血管前后壁相移速度波形沿时间轴积分可获得血管前后壁的相移波形，再 将血管前后壁的相移波形相减即得到血管壁的相移波形。同理，在血管壁每条扫描线位置 处均可获得一条血管壁相移波形，即得到血管壁上多点相移波形。
[0021] 步骤四所述的基于血管壁上多点相移波形，计算相邻相移波形之间的相对时延， 对血管壁上各点距离以及对应相移波形的时延进行线性拟合，其斜率的倒数即是估计的局 部脉搏波传播速度，具体步骤为：
[0022] (1)基于血管壁上多点相移波形，截取一个周期的相移波形数据用于后续的相移 波形时延估计；
[0023] (2) -个周期的血管壁多点相移波形求二阶导，得到多点相移二阶导波形，在相移 二阶导波形上寻找重搏切迹点，即相移波形峰值后第一个二阶导最大峰值，以该峰值点为 中心，在相移二阶导波形上，取左右幅度下降为峰值幅度的0. 1倍之间的局部信号用于相 移波形时延估计；
[0024] (3)基于血管壁多点相移二阶导局部信号，应用一维自相关法估计多点相移二阶 导波形局部信号之间的时延；
[0025] (4)对血管壁上各点距离以及对应相移波形的时延进行线性拟合，其斜率的倒数 就是估计的局部脉搏波传播速度。
[0026] 本发明的优点
[0027] 1.设计了一种超快速梳齿状聚焦波束发射与接收序列，实现了多个聚焦波束的同 时发射，大大提高了帧率，满足局部脉搏波传播速度测量高帧率的要求。
[0028] 2.提出了一种半自动的识别与追踪每根扫描线中血管前后壁的回波信号的方法， 根据第1帧与第2帧射频信号逐点一维自相关得到的相移曲线，认为两两局部最大峰值之 间相移最大的位置为血管腔位置。
[0029] 3.血管壁运动估计中，采用一维自相关相移估计法估计血管壁的运动相移。在高 帧率的成像模式下，相邻两帧血管壁信号之间发生的位移远小于波长，使用基于相位的一