基于光声流速测量评估管径狭窄分数的装置及方法与流程

本发明属于内窥的技术领域，具体涉及一种基于光声流速测量评估管径狭窄分数的装置及方法。

背景技术：

现代医学技术评估狭窄程度的有血管造影术与血流储备分数ffr等。大量的临床试验证明，血管造影术无法准确界定狭窄的功能意义，无法精确判断狭窄程度，而ffr是一种昂贵的测量技术且其重要部分压力导丝技术被国外公司所掌握，中国的医疗技术发展需要一种测量方法和设备来评估管径狭窄程度，并且这种方法需要满足精确度高、操作简单、安全度高、分辨率高和穿透深度深的特点。众所周知，血液中含有丰富的血红细胞，通过管径内光声技术可以通过对运动的血红细胞对激光的吸收产生光声信号，通过对管径狭窄前后得到的光声信号的一系列计算来评估管径狭窄程度。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于光声流速测量评估管径狭窄分数的装置，具有测量精度高、分辨率高和穿透深度深的特点。

本发明的另一目的在于，提供一种基于光声流速测量评估管径狭窄分数的装置的测量方法。

为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：

基于光声流速测量评估管径狭窄分数的装置，包括内窥光声一体化探头、光声激发系统、光声信号采集系统、扫描控制系统和显示计算系统，内窥光声一体化探头连接光声信号采集系统和扫描控制系统，光声激发系统与显示计算机系统连接，光声信号采集系统、扫描控制系统与显示计算系统连接；

所述的光声激发系统包括脉冲激光器、fpga、光纤耦合器和单模光纤，脉冲激光器与fpga连接，光纤耦合器与激光器连接，单模光纤与光纤耦合器连接；

所述的光声信号采集系统包括放大器、滤波器、数据采集卡、信号线，放大器通过信号线连接滤波器，滤波器通过信号线连接数据采集卡；

所述的扫描控制系统包括步进电机、驱动控制电路和控制信号线，步进电机通过控制线连接驱动电路再与计算机相连；

所述的显示计算系统包括计算机；

所述的内窥光声一体化探头尺寸≤1mm，包括超声换能器、光纤、c-lens和反射镜，激光从光纤通过c-lens聚焦，通过反射镜反射，从超声换能器中空部位射出。

作为优选的技术方案，所述的脉冲激光器用于出射532nm波长的激光。

作为优选的技术方案，所述fpga采用ax301cycloneiv系列。

作为优选的技术方案，所述脉冲激光器和光纤耦合器之间还设置有准直系统

为了达到上述另一目的，本发明采用以下技术方案：

基于光声流速测量评估管径狭窄分数的装置的测量方法，包括下述步骤：

s1、在管径狭窄前端将激光照射到被测物体上产生光声信号；

s2、激光光束通过管径内一体化探头来探测被测物体的光声信号；

s3、利用超声换能器将探测到的光声信号转化为电信号，然后利用采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号进行存储；

s4、根据光声多普勒展宽原理进行数据处理，包括下述步骤：

对a-line信号进行希尔伯特变换，定义复函数；

计算出光声信号做多普勒频谱标准差；

通过建立血流速度的测量模型，获得多普勒频谱标准差和多普勒频带展宽之间的关系，得出测量区域内流动物体速度的表达式。

s5、在管径狭窄后端重复步骤s1-s4；

s6、根据流量与流速的关系，流速与光声信号的关系，将狭窄前后得到的流速比值处理得到狭窄评估分数，评估狭窄程度。

作为优选的技术方案，步骤s4具体为：

s41、从管内返回的信号表示为：

s42、定义复函数，如下式：

s43、对a-line信号进行希尔伯特变换，如下式：

其中h表示希尔伯特变换，*表示卷积，p(t)表示a-line信号，表示希尔伯特变换后的信号；

s44、多普勒频谱标准差的计算，如下式：

其中表示平均多普勒角频率，表示第j次a-line的光声信号的复函数，t表示相邻a-line的时间间隔，σ²为多普勒频谱的标准差；

利用复信号z(t)的自相关函数来测量平均角频率及其方差，通过用r(τ)表示自相关函数，根据wiener-khinchine定理，r(τ)与p(ω)之间的关系如下：

将r(τ)用振幅a(τ)和相位表示

利用函数奇偶性质得：a(0)＝0，

s45、多普勒频带展宽如下式：

其中bd表示多普勒频带展宽，f0表示中心频率，c表示声在水中的速度，v表示流动物体速度，θ表示多普勒角，naeff表示透镜的有效数值孔径；

s46、根据联立(3)(4)，计算出流动物体的速度v的大小，如下式：

作为优选的技术方案，步骤s6具体为：

流量与流速的关系如下式：q＝a*v，其中q表示流量，a表示截面面积，v表示流速；

管径狭窄程度表达式

其中qstenosis和qnormal分别代表管径狭窄后前的血流量，vd和sd分别代表管径狭窄后的流速和截面面积，va代表管径狭窄前的流速。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明在管径狭窄前端将激光照射到被测物体上产生光声信号，然后根据光声多普勒展宽原理进行数据处理，根据流量与流速的关系，流速与光声信号的关系，将狭窄前后得到的流速比值处理得到狭窄评估分数，具有满足成本小、精确度高、分辨率高和穿透深度深的优点。

2、本发明依赖内窥光声一体化探头和532nm波长的光，评估狭窄程度，系统稳定，操作简便，伤害小。

附图说明

图1是本发明实例的光声流速测量管径狭窄分数评估的装置图；

图2是本发明实例的光声流速测量管径狭窄分数评估的方法的流程图；

图3是本发明实例的光声流速测量管径狭窄分数评估的方法及装置原理图。

附图标号说明：1-激光器，2-准直系统，3-光纤耦合器，4-扫描控制装置，5-fpga，6-计算机，7-采集系统，8-放大器，9-内窥光声一体化探头。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

参阅附图1，本实施例基于管径内光声流速测量的管径狭窄分数评估装置，包括内窥光声一体化探头9、光声激发系统、光声信号采集系统7、扫描控制系统4和显示计算系统，内窥光声一体化探头连接光声信号采集系统和扫描控制系统，光声激发系统与显示计算机系统连接，光声信号采集系统、扫描控制系统与显示计算系统连接；所述脉冲激光器和光纤耦合器之间还设置有准直系统2，将激光光源聚焦准直后通过反射镜反射到流动物体激发产生光声信号。

所述的光声激发系统包括脉冲激光器1、fpga5、光纤耦合器3和单模光纤，脉冲激光器与fpga连接，光纤耦合器与激光器连接，单模光纤与光纤耦合器连接；

所述的光声信号采集系统7包括放大器8、滤波器、数据采集卡、信号线，放大器通过信号线连接滤波器，滤波器通过信号线连接数据采集卡；

所述的扫描控制系统包括步进电机、驱动控制电路和控制信号线，步进电机通过控制线连接驱动电路再与计算机相连；

所述的显示计算系统包括计算机6；

所述的内窥光声一体化探头尺寸≤1mm，包括超声换能器、光纤、c-lens和反射镜，激光从光纤通过c-lens聚焦，通过反射镜反射，从超声换能器中空部位射出。

所述的脉冲激光器用于出射532nm波长的激光，本发明依赖内窥光声一体化探头和532nm波长的光，评估狭窄程度，系统稳定，操作简便，伤害小。

所述fpga采用ax301cycloneiv系列，当然其他系列的fpga也在本申请保护范围之内。

参阅附图2、图3所示，本发明实例的基于管径内光声流速测量的管径狭窄分数评估方法，包括下述步骤：

s1、在管径狭窄前端将激光照射到被测物体上产生光声信号；

s2、激光光束通过管径内一体化探头来探测被测物体的光声信号；

s3、利用超声换能器将探测到的光声信号转化为电信号，然后利用采集卡对转化成的电信号进行采集，将采集到的光声信号进行存储；

s4、根据光声多普勒展宽原理进行数据处理，包括下述步骤：

对a-line信号进行希尔伯特变换，定义复函数；

计算出光声信号做多普勒频谱标准差；

通过建立血流速度的测量模型，获得多普勒频谱标准差和多普勒频带展宽之间的关系，得出测量区域内流动物体速度的表达式。

步骤s4具体为：

s41、从管内返回的信号表示为：

s42、定义复函数，如下式：

s43、对a-line信号进行希尔伯特变换，如下式：

其中h表示希尔伯特变换，*表示卷积，p(t)表示a-line信号，表示希尔伯特变换后的信号；

s44、多普勒频谱标准差的计算，如下式：

其中表示平均多普勒角频率，表示第j次a-line的光声信号的复函数，t表示相邻a-line的时间间隔，σ²为多普勒频谱的标准差；

利用复信号z(t)的自相关函数来测量平均角频率及其方差，通过用r(τ)表示自相关函数，根据wiener-khinchine定理，r(τ)与p(ω)之间的关系如下：

将r(τ)用振幅a(τ)和相位表示

利用函数奇偶性质得：a(0)＝0，

s45、多普勒频带展宽如下式：

其中bd表示多普勒频带展宽，f0表示中心频率，c表示声在水中的速度，v表示流动物体速度，θ表示多普勒角，naeff表示透镜的有效数值孔径；

s46、根据联立(3)(4)，计算出流动物体的速度v的大小，如下式：

s5、在管径狭窄后端重复步骤s1-s4；

s6、根据流量与流速的关系，流速与光声信号的关系，将狭窄前后得到的流速比值处理得到狭窄评估分数，评估狭窄程度。

流量与流速的关系如下式：q＝a*v，其中q表示流量，a表示截面面积，v表示流速；

管径狭窄程度表达式

其中qstenosis和qnormal分别代表管径狭窄后前的血流量，vd和sd分别代表管径狭窄后的流速和截面面积，va代表管径狭窄前的流速。

下面以一个具体应用案例来进一步说明本实施例基于管径内光声流速测量的管径狭窄分数评估方法，其具体步骤为：

步骤1：通过激光器输出激光光源并发出触发信号；

在步骤1中，激光器为opo激光器，激光光源为脉冲激光，输出波长范围为400-2400nm，需要输出的激光波长为532nm。

步骤2：通过光路调整将激光聚焦扩束然后通过光纤耦合器耦合进光纤；

步骤3：通过光纤将激光光源传输到光电滑环中，再通过一段光纤将激光传输到探头中，在狭窄前端由内窥探头中的c-lens将激光光源聚焦准直后通过反射镜反射到流动物体激发产生光声信号；

在步骤3中，内窥探头的直径为≤1.0mm，模拟液体为2％的碳粉溶液，碳粉直径为6微米-9微米，控制流速的装置为注射泵和50ml的注射器，流速控制在1mm/s-5mm/s，狭窄使用程度可变的夹持工具实现。

步骤4：通过超声换能器接收光声信号并转化为光声电信号，通过电缆将光声电信号传输到放大器进行放大后传输到数据采集系统进行光声信号采集；

在步骤4中，传输电缆为同轴电缆。

步骤5：在狭窄后端重复步骤1-4；

步骤6：通过计算机将管径狭窄前后采集到的信号进行处理，得到流速的比值来评估管径的狭窄程度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。