专利名称：一种彩色多普勒仿组织超声体模系统及其设计方法
技术领域：
本发明属于声学计量领域，尤其涉及一种用于检定、校准彩色多普勒超声 诊断仪的体模系统及其设计方法。
背景技术：
目前临床上大量、广泛应用彩超作为医用超声的诊断设备，而对于彩超设备的定性评价、定期检测主要包括功率检测和图像检测。其中功率检测主要 是探头输出声强的检测；图像检测主要包括盲区、纵向分辨力、横向分辨力、对比度评价等。功率检测主要是利用超声功率计来测量，图像检测则利用仿组织超声体模 进行检测。医用超声诊断设备经过近十几年的发展，升级换代很快，目前彩超设备大量使用。彩超设备除了能提供黑白B超提供的位置图像信息外，还利用 多普勒等原理增加了血流识别、谐波造影等诸多功能，从而获得了更多的动态 信息。如获得血液流速、血流方向等信息，为临床诊断提供了保障。而作为图像检测只用的仿组织超声体模，我国的研究始于20世纪80年代， 目前计量部门使用的仿组织超声体模就是当时研究制成的，其检定对象是基于 黑白B超设备。该体模仅能评价定位精度、分辨力等静态信息，但是根本无法 评价血流方向、血流流速等动态信息，已远不能满足目前主流彩超设备的日常 检定需要。国内计量部门和相关医学单位都急需针对目前彩超设备的多普勒仿组织超声体模。本发明所描述的彩色多普勒仿组织超声体模是一种完全不同于 以往超声体模的新体模。彩色多普勒仿组织超声体模中的诸多量与计量紧密相关。该体模中的材料主要由^f方人体纟且织才才泮牛(TMM-Tissue Mimicking Material)和i方血'液液体 (BMF-Blood Mimicking Fluid)组成。上述两种材料的声学及其它参数都必须 满足相关的IEC标准。发明内容本发明为了解决现有技术中仿人体组织模型的的结构和功能的不完备性， 根据彩超的特性，设计了基于彩色多普勒的仿组织超声体模。该体模设备主要 由三部分组成仿人体组织材料、仿血液液体和流速控制装置。该体模通过流 速控制装置，提供平稳的、已知流速的液体循环，与彩超设备中的血流速度测 量结果相比较，给出该彩超设备此项功能的性能评价。本发明设计出了一种检 定、校准彩超设备中动态血流功能的体模设备。 为了实现上述发明目的，本发明的内容为， 一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，所述体模系统包括， (1)仿组织体模单元； (2 )仿血液液体； (3)液体流速控制单元；所述的仿组织体模单元包括仿组织体模和仿血管通道，所述的仿血管通道 设置在仿组织体模的内部；所述的仿血液液体注入所述仿血液通道中；所述的 液体流速控制单元包括液体控制装置和液体流量测量装置，用于控制仿血液液体的流速、方向，并进行流量读取。为了适应不同的彩超仪器操作软件中关于多普勒角度的设置，需要制作一 定形状的仿组织体模。并在体模中植入若干不同内径的仿血管通道，以模仿人 体中不同深度、不同内径的血管。而在使用彩超设备测定人体内血流速度时，声束和血流方向的夹角e被称 为多普勒角度，如图2所示。实际应用中的多普勒角度跟方法中设置的多普勒 角度是否一致，对于测量结果具有非常明显的影响。为了适应不同仪器的测量 方法软件设置、不同操作人员的操作习惯，本发明中的体模设计了具有两个斜坡结构。斜坡与水平面的夹角为ocl和cc2，如图3a所示。能同时提供较大和较 小的两种多普勒角度。同时为了能提供外周血管和内部血管的环境，为了能模 拟大血管和小血管，仿组织体模的尺寸必须足够大， 一般长度大于30cm,高度大 于15cm。即，所述的仿组织体模上表面具有两个斜面结构，且所述两个斜面与水平 面的内夹角分别为al和a2;所述两个斜面与水平面的内夹角al: a2>=2. 5: 1。同时所述的仿组织体模上表面可具有一个平面结构；优点在于在体模中通 过布置不同倾斜角度的仿血管通道，模拟不同流向的血管。实际应用中只需使 探头与该上表面垂直即可，使用方便可靠。所述仿血管通道为一组液体通道，设置在仿组织体模中，且横向贯穿整个 仿组织体模；所述仿血管通道布置在所述仿组织体模纵向高度的下1/4 ~ 3/4处。 且在每一个液体通道的两端设置有连接头。所述仿血管通道具有不同的内径，且通道数量至少为2条。当仿组织体模上表面为平面结构时，内部布置的每条仿血管通道与水平面 设置有夹角，夹角范围为10°~70°。本发明中体模的材质需要符合主要声学参数IEC 61685-2001中的相关规定。 所述仿组织体模单元中的仿组织体模为水、琼脂、甘油、金属粉颗粒的混合物； 所述仿血管通道为具有不同内径的硅胶管。本发明中所应用的仿血液液体需要符合一定的物理和声学标准。所述仿血 液液体为水、甘油、尼龙粉、右旋糖酐和表面活性剂的混合物。本发明所述液体流速控制单元包括(1) 液体控制装置，包括蠕动泵和一组单泵头；(2) 阻尼装置，所述阻尼装置用于消除液体的高频脉动；(3) 液体流量测量装置，包括一组流量计，用于即时获取流量信息； 所述仿血液液体在蠕动泵的驱动下，通过一组单泵头，注入所述阻尼装置中，之后将仿血液液体注入仿组织体模中，流经仿组织体模后的仿血液液体通 过液体流量测量装置测定流速。所述单泵头的结构如图4a、 4b所示，其通过旋转，对置于空间中的软管实 现机械挤压，从而实现液体驱动。单泵头有三个挤压柱，旋转一周将对软管实 现三次挤压，其输出液流的脉动较大。为了减小泵头输出液流的低频脉动，本发明釆用等相位差组合泵头， 一方面提高了输出能力，另一方面减弱了输出液流的脉动，使得输出液体更加平稳。所述单泵头的数量至少为2个。所述液体流速控制单元中还包括至少1个阻尼装置。阻尼装置结构其由一 密闭腔体、 一个出口、 一个进口组成。运行时腔体中保持一定的液位高度，保 持一定的液体空气比例。单泵头输出的液流在消除了低频脉动后，仍有一部分高频脉动，如图4d所示。当入口的液体有较弱的高频脉动时，由于腔体中密闭 空气的緩沖作用，在出口处的液流脉动会得到显著的改善。在实际应用中，可 以根据脉动改善情况，适当地增加脉动阻尼器的个数，以期获得符合要求的稳 定液流。该阻尼器位于单泵头的输出端与体模输入端之间，如图1中所示位置。 所述一组流量计采用串连方式，且至少包括2个流量计，所述的流量计为 玻璃浮子流量计。根据本发明一种设计彩色多普勒仿组织超声体模系统方法，其特征在于， 所述方法中包括，(1)构建仿组织体模单元步骤包括制造仿组织体模和仿血管通道过程； (2 )制造仿血液液体步骤；(3 )连接液体流速控制单元步骤包括设计和连接液体控制装置和液体流 量测量装置过程；所述方法将所述仿血液液体在液体流速控制单元的驱动下，将仿血液液体 注入仿组织体模中，流经仿组织体模后的液体通过液体流量测量装置完成测定 流速的过程。具体的应用中，所述构建仿组织体模单元步骤包括，(1) 仿组织体模制作过程a,制作仿人体组织材料，将水、琼脂、甘油、金属粉颗粒混合物混合，后 进行搅拌并加热，温度为90摄氏度后保持1小时以上，后自然冷却至约42。后 〉免〉主而成;b，构建仿组织体模，利用仿人体组织材料，制作出体模上表面具有两个斜 面结构或上表面为平面结构；制作所述具有两个斜面结构时，所述两个斜面与水平面的内夹角分别为od 和a2。(2) 仿血管通道制作过程a,制作仿血管通道，利用仿人体组织材料，制作一组仿血管通道；b，搭建仿血管通道，将一组仿血管通道设置在仿组织体模中，且横向贯穿整个仿组织体模；且在每一个液体通道的两端设置有连接头；制作所述平面结构型体模时，其所述内部仿血管通道分别具有10。 70°的倾斜角度。具体的应用中，所述制造仿血液液体步骤包括，仿血液液体是由基于水的混合溶液经过搅拌、90^ira滤网过滤、〈750 mmHg低 压下除气等工艺后获得。具体的应用中，所述连接液体流速控制单元步骤包括，a，制作液体控制装置，将蠕动泵和一组单泵头作为液体控制装置，用于减弱输出液流的脉动；b,设计阻尼装置，所述阻尼装置用于消除液体的高频脉动；c，设计液体流量测量装置，利用一组流量计作为测量装置，用于即时获取流量信息；所述仿血液液体在蠕动泵的驱动下，通过一组单泵头，注入所述阻尼装置 中，之后将仿血液液体注入仿组织体模中，流经仿组织体才莫后的液体通过液体 流量测量装置测定流速。在所述构建仿组织体模单元步骤中， 所述两个斜面与水平面的内夹角al: oc2>=2. 5: 1。所述仿血管通道布置在所述仿组织体模纵向高度的下1/4-3/4处；所述一 组仿血管通道具有不同的内径，且通道数量至少为2条。在所述连接液体流速控制单元步骤中，在所述的液体控制装置中的一组单泵头采用等相位差组合方式连接组合； 用于提高输出能力并减少液流脉动；且所述单泵头的数量至少为2个； 所述液体流速控制单元中包括至少1个阻尼装置；所述一组流量计采用串连方式，且至少包括2个流量计，所述的流量计为 玻璃浮子流量计。在具体的体模制作中，所述仿人体组织材料需要满足以下技术指标声速 (1540 ± 15 ) m s —1衰减 (0. 5 ± 0. 05 ) x 10 — 4 x f dB m — 1 Hz —1背向散射系数(1 — 4) x 10 -28 x f 4 m —1 Hz-4 sr —1在具体的仿血液的设计中，所述仿血液液体需要满足声学及物理参数如下声速(1570 ± 30) m s _1 密度(1050 ± 40) kg itT3 声阻抗由密度和声速决定背向散射系数(1 10) x 10 -31 x f 4 m-1 Hz" sr —1 声衰減(<0. 1) x 10-4 x f dB irf1 Hz-1 粘度(4 ± 0. 4) x 10 -3 Pa s)由于目前医学领域中广泛、大量使用的彩超设备，然而血流动态性能无法 评估，发明了该体模。本发明设计的体模设备能够模仿人体组织、人体血液、 血管等材料和装置，并能提供稳定的仿血液液体流。该体模设备操作方便、可 靠，能根据需要进行启停控制、方向控制和流速控制。非常适合于对现有彩超 设备中的血流动态性能进行评估。人体中不同部位的血流速度测定对于临床疾病诊断具有重要的作用。但是目前不同的B超设备、不同的操作人员所测出的血流速度差异很大，因此无法 提供可靠的诊断依据。该模块的发明，将会为血流速度测定提供统一准确的依 据，对于临床诊断具有重要的意义。
图1是本发明的结构示意图。图2是多普勒角度的示意图，即声束与血流方向夹角。 图3a是本发明中设计的仿组织体模外轮廓、内部管路示意图。 图3b，图3c分别是该体模的正视图和俯视图的示意图。 图3d是本发明中平定面式仿组织体模的结构示意图。 图4 a是本发明中应用的单泵头A，图4 b是本发明中应用的单泵头B, 图4 c是单泵头A和B的等相位差组装泵头示意图。 图4d是采用本发明后，消除低频液流脉动效果示意图。 图5是本发明采用的用于消除高频液流脉动的阻尼装置。 本发明具体的说明和上述附图的说明请参见下述的具体实施方式
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具体实施方式
图1是本发明设计的彩色多普勒超声体模的示意图。 一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，包括， (1)仿组织体模单元； (2 )仿血液液体； (3)液体流速控制单元；所述的仿组织体模单元包括仿组织体模和仿血管通道，所述的仿血管通道 设置在仿组织体才莫的内部；所述的仿血液液体注入所述仿血液通道中；所述的 液体流速控制单元包括液体控制装置和液体流量测量装置，用于控制仿血液液 体的流速，方向，并进行流量读取。而本发明所述液体流速控制单元包括(1) 液体控制装置，包括蠕动泵和一组单泵头；(2) 阻尼装置，所述阻尼装置用于消除液体的高频脉动；(3) 液体流量测量装置，包括一组流量计，用于即时获取流量信息； 本发明采用等相位差组合泵头， 一方面提高了输出能力，另一方面减弱了输出液流的脉动，使得输出液体更加平稳。如图1所述，仿血液液体从仿血液液体储存罐中提取，通过具有转速和转 向调节功能的的蠕动泵的驱动下，通过具有等相位差的并联多泵头，注入所述 消除液流脉动的阻尼装置中，之后将仿血液液体注入仿组织体模中的一组仿血 管通道中，流经仿组织体^^莫后的仿血液液体通过液体流量测量装置测定流速。图3a是本发明中设计的仿组织体模的三维示意图。该体模有两个斜面。两 个斜面与水平面的内夹角分别为al〉 = 50。和a2〈 = 20°。内部有四根不同内径的 ^方血管通道,该仿血管通道平4亍走向，内径分另'J为2 mm、 4 mm、 6 mm、 8mm， 通 道之间的间距足够大。该四根通道的两端为刚性连接头，以便根据不同的需要 构成所需要的液体流通道。图3b、图3c分别是该组织体模的正视图和俯视图示 意图。图3d是另外一种结构的体模示意图，其顶面是平面，内部多个仿血管通 道跟顶面具有不同的倾斜角度。其所述内部仿血管通道分别具有10。~70°的倾斜 角度。如夹角为10。、 20°、 30。、 40。、 50。、 60°、 70°。图4c是本发明设计中采用的等相位差并联泵头示意图。通过将多个泵头进行等相位差并联连接，可以基本消除泵头输出液流中的低频脉动。图示为将两个泵头进行等相位差的并联而成。而消除液流低频脉动的效果如图4d所示。图5是本发明采用的脉动阻尼器，该阻尼器中的密封空气能够显著消除液 体流中的高频脉动，使得液体流更加平稳。其由一密闭腔体、 一个出口、 一个 进口组成。运行时腔体中保持一定的液位高度，保持一定的液体空气比例。泵 头输出的液流在消除了低频脉动后，仍有一部分高频脉动，如图4d所示。当入 口的液体有较弱的高频脉动时，由于腔体中密闭空气的緩冲作用，在出口处的 液流脉动会得到显著的改善。在实际应用中，可以根据脉动改善情况，适当地 增加脉动阻尼器的个数，以期获得符合要求的稳定液流。该阻尼器位于泵头的 输出端与体模输入端之间，如图1中所示位置。上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言， 在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形， 而不仅限于本发明上述具体实施方式
所描述的方法，因此前面描述的方式只是 优选地，而并不具有限制性的意义。
权利要求
1. 一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，其特征在于，所述体模系统包括，(1)仿组织体模单元；(2)仿血液液体；(3)液体流速控制单元；所述的仿组织体模单元包括仿组织体模和仿血管通道，所述的仿血管通道设置在仿组织体模的内部；所述的仿血液液体注入所述仿血液通道中；所述的液体流速控制单元包括液体控制装置和液体流量测量装置，用于控制仿血液液体的流速，方向，并进行流量读取。
2. 根据权利要求l所述的一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，其特征在于， 所述的仿组织体模上表面具有两个斜面结构，且所述两个斜面与水平面的内夹角分别为ccl和a2 ;所述仿血管通道为一组液体通道，设置在仿組织体;f莫中，且横向贯穿整个 仿组织体模；且在每一个液体通道的两端设置有连接头。
3. 根据权利要求1所述的一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，其特征在于， 所述的仿组织体模上表面具有 一个平面结构；所述仿血管通道为一组液体通道，设置在仿组织体^t中，且横向贯穿整个 仿组织体模；且在每一个液体通道的两端设置有连接头；且内部布置的每条仿 血管通道与水平面设置有夹角。
4.根据权利要求1或2所述的一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，其特征在 于，所述仿血液液体为水、甘油、尼龙粉、右旋糖酐和表面活性剂的混合物。 所述仿组织体模单元中的仿组织体模为水、琼脂、甘油、金属粉颗粒的混合 物；所述仿血管通道为具有不同内径的硅胶管；所述两个斜面与水平面的内夹角al: oc2>=2.5: 1; 所述仿血管通道布置在所述仿组织体模纵向高度的下1/4 ~ 3/4处； 所述一组仿血管通道数量至少为2条。
5. 根据权利要求1所述的一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，其特征在于， 所述液体流速控制单元包括(1) 液体控制装置，包括蠕动泵和一组单泵头；(2) 阻尼装置，所述阻尼装置用于消除液体的高频脉动；(3) 液体流量测量装置，包括一组流量计，用于即时获取流量信息； 所述仿血液液体在蠕动泵的驱动下，通过一组单泵头，注入所述阻尼装置中，之后将仿血液液体注入仿組织体模中，流经仿组织体模后的仿血液液体通 过液体流量测量装置测定流速。
6 .根据权利要求5所述的一种彩色多普勒仿组织超声体模系统，其特征在于， 在所迷的液体控制装置中的一组单泵头采用等相位差组合方式连接组合；用于提高输出能力并减少液流脉动；且所述单泵头的数量至少为2个； 所述液体流速控制单元中包括至少1个阻尼装置；所述一组流量计采用串连方式，且至少包括2个流量计。
7. 根据权利要求1-6 —种设计彩色多普勒仿组织超声体模系统的方法，其特 征在于，所述方法中包括，(1)构建仿组织体模单元步骤包括制造仿组织体模和仿血管通道过程； (2 )制造仿血液液体步骤；(3)连接液体流速控制单元步骤包括设计和连接液体控制装置和液体流 量测量装置过程；所迷方法将所述仿血液液体在液体流速控制单元的驱动下，将仿血液液体 注入仿组织体模中，流经仿组织体模后的液体通过液体流量测量装置完成测定 流速的过程。
8. 根据权利要求7 —种设计彩色多普勒仿组织超声体模系统的方法，其特征 在于，所述构建仿组织体模单元步骤包括， (1 )仿组织体模制作过程a, 制作仿人体组织材料，将水、琼脂、甘油、金属粉颗粒混合物混合，后 进行搅拌并加热，温度为90摄氏度后保持1小时以上，后自然冷却至约42°后 免注而成；b, 构建仿组织体模，利用仿人体组织材料，制作出体模上表面具有两个斜 面结构或上表面为平面结构；制作所述具有两个斜面结构时，所述两个斜面与水平面的内夹角分别为al和a2;(2 )仿血管通道制作过程a, 制作仿血管通道，利用仿人体组织材料，制作一组仿血管通道；b, 搭建仿血管通道，将一组仿血管通道设置在仿组织体^f莫中，且横向贯穿 整个仿组织体模；且在每一个液体通道的两端设置有连接头；制作所述平面结构型体模时，其所述内部仿血管通道分别具有10。~70。的倾 斜角度；所述制造仿血液液体步骤包括，仿血液液体是将基于水的混合溶液经过搅拌、90^m滤网过滤，以及〈750 mmHg 低压下除气工艺后制得；所述连接液体流速控制单元步骤包括，a，制作液体控制装置，将蠕动泵和一組单泵头作为液体控制装置，用于减 弱输出液流的脉动；b, 设计阻尼装置，所述阻尼装置用于消除液体的高频脉动；c, 设计液体流量测量装置，利用一组流量计作为测量装置，用于即时获:f又 流量信息；所述仿血液液体在蠕动泵的驱动下，通过一组单泵头，注入所述阻尼装置 中，之后将仿血液液体注入仿组织体模中，流经仿组织体才莫后的液体通过液体 流量测量装置测定流速。
9. 根据权利要求7或8所述的一种设计彩色多普勒仿组织超声体模系统的方 法，其特征在于，在所述构建仿组织体模单元步骤中，所述两个斜面与水平面的内夹角ocl: oc2>=2. 5: 1; 所述仿血管通道布置在所述仿组织体模纵向高度的下1/4 ~ 3/4处；在所述连接液体流速控制单元步骤中，在所述的液体控制装置中的一组单泵头采用等相位差组合方式连接组合； 用于提高输出能力并减少液流脉动；且所述单泵头的数量至少为2个；所述液体流速控制单元中包括至少1个阻尼装置；所述一组流量计采用串连方式，且至少包括2个流量计，所述的流量计为 玻璃浮子流量计。
10. 根据权利要求7-9之一所述的一种设计彩色多普勒仿组织超声体模系统的方法，其特征在于，所述仿人体组织材料需要满足以下技术指标声速 (1540 ± 15) m s —1衰减 (0. 5 ± 0. 05 ) x l(T4 x f dB m — 1 Hz一1背向散射系数(1-4) x 10 —28 x f 4 m — 1 Hz — 4 sr —1所述仿血液液体需要满足声学及物理参数如下 声速(1570 ± 30) m s _1密度(1050 ± 40) kg m —3 声阻抗由密度和声速决定背向散射系数(1 ~10) x 10 -31 x f 4 m-1 Hz" sr — 声衰减(<0. 1 ) x l(T4 x f dB nf1 Hz — 1 粘度(4 ± 0.4) x 10 -3 Pa s)
全文摘要
本发明为一种彩色多普勒仿组织超声体模系统及其设计方法，涉及一种用于检定、校准彩色多普勒超声诊断仪的体模系统及其设计方法。包括仿组织体模单元；仿血液液体和液体流速控制单元；仿组织体模单元包括仿组织体模和仿血管通道，仿血管通道设置在仿组织体模的内部；仿血液液体注入所述仿血液通道中；液体流速控制单元包括液体控制装置和液体流量测量装置，用于控制仿血液液体的流速，方向，并进行流量读取。本发明设计的体模设备能够模仿人体组织、人体血液、血管等材料和装置，并能提供稳定的仿血液液体流。该体模设备操作方便、可靠，能根据需要进行启停控制、方向控制和流速控制。非常适合于对现有彩超设备中的血流动态性能进行评估。
文档编号A61B8/06GK101249004SQ20081010290
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者岩 朱, 平 杨, 边文萍 申请人:中国计量科学研究院