一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法及其設備的制造方法

一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法及其設備的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法及其設備，屬于非侵入性醫療檢測儀器技術領域，本發明根據動脈血管搏動產生的多普勒超聲信號強度與動脈血管直徑成正比的關系，測量動脈血流阻斷前和血流恢復后的管徑變化，計算血管內皮功能FMD指數值。本發明方法是一種直接的無創傷的測量方法，方法靈敏度高，計算精度高，能夠有效屏蔽受檢動脈之外其他動脈搏動帶來的干擾，并且靜脈及其充血狀況對檢測結果沒有干擾，操作相對于FMD方法要簡單得多，不需要專門培訓。本發明的設備體積小，操作方便，結果直觀，便于推廣。
【專利說明】
一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法及其設備
技術領域
[0001]本發明涉及非侵入性醫療檢測儀器技術領域，尤其涉及一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法及其設備。
【背景技術】
[0002]血管內皮細胞是一層連續覆蓋在血管腔表面的扁平鱗狀細胞，它不僅是人體最大的內分泌和旁分泌器官，能分泌幾十種血管活性物質，而且還是許多活性物質的靶器官。血管內皮細胞在調節血管舒張狀態、維持凝血和纖溶系統的平衡、抑制血小板聚集、抑制炎癥細胞與內皮細胞間的黏附，以及調控血管平滑肌生長等方面有重要的生理功能。內皮功能的改變在動脈粥樣硬化形態學改變和發展之前，就參與了損傷的進展及隨后的臨床并發癥，與心血管疾病關系密切，是多種心血管疾病的共同病理基礎。因此，血管內皮功能的檢測，尤其是早期高危人群篩選的無創檢測具有重要意義。
[0003]通過超聲測量肱動脈血流介導的血管擴張功能(FMD)是評價內皮功能最常用的無創檢測方法。其原理是用充氣袖帶阻斷肱動脈或股動脈血流5min后，釋放袖帶內空氣，引起動脈內反應性血流增加。血流增加帶來的切應力作用于血管壁，促進NO的釋放，導致血管舒張，再采用超聲測量血管管徑的變化來衡量血管內皮功能。研究表明，血流介導的肱動脈擴張能力與冠狀動脈狀況高度相關，可間接反映冠狀動脈的內皮功能。因此，該方法可作為冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(冠心病)的篩選試驗之一，也是評價內皮組織局部NO生物利用度的標志。該方法重復性好，安全性高，可以用于包括兒童在內的年輕人群，易于進行大規模的臨床篩查，還可用于未出現臨床癥狀的早期患者，測定其生活方式或藥物干預對內皮生理的影響，以促使臨床進程的逆轉。目前FMD已在全世界得到廣泛應用，是衡量內皮功能的“金指標” AMD指數值通常表示為袖帶壓力釋放后血管直徑相對于正常化基準直徑的大變化與基線直徑之間的百分比。
[0004]但傳統意義上的肱動脈FMD測定仍存在以下不足:
(I)需要訓練有素的操作者。因為袖帶位置、切面選取以及超聲探頭按壓力度都會對結果產生影響。
[0005](2)很難完全消除外界環境及自身因素(如活動、攝取咖啡因、情緒波動及體溫變化)帶來的影響。
[0006](3)血管的搏動對管徑的準確測量會帶來困難。
[0007](4)設備成本高，操作復雜，不適合家庭使用。
[0008]離子電滲透激光多普勒血流測定是另一項新的技術。其原理是:離子電滲透將內皮依賴性血管擴張劑乙酰膽堿和內皮非依賴性血管擴張劑硝普鈉導入前臂皮膚，采用標準的激光多普勒探頭測定藥物導入部位皮膚微血管灌注變化。藥物導入前，記錄下基礎圖像，導入后記錄峰值血流灌注量，比較前后血流灌注量以反映血管內皮功能。該方法是評價活體血管內皮動能的可靠有效手段，安全性較高，兒童也可應用。但操作較為復雜，且缺乏統一的實驗室標準。
[0009]另一種方法稱為靜脈閉塞體積描記術。其原理是:在阻斷了遠端靜脈回流的情況下，前臂膨脹度與動脈血流量有關，通過測量反應性充血或應用血管活性藥物前后，前臂膨脹度的變化而不是肱動脈內徑的變化，可反映動脈血流量的變化，進而反映血管內皮功能。該指標與心血管疾病有一定關聯性，但仍需大樣本實驗證實，且各研究中心缺乏統一的標準。此外，前臂膨脹的幾何尺寸測量也較復雜，材料精度受多種因素干擾。
[0010]外周動脈張力測定(PAT)是近年來出現的，通過測量阻斷肱動脈血流前后指尖脈搏波振幅來評價內皮功能的分析方法。其應用適應癥及具體方法均與FMD相似。裝置的指尖探測器與一個環形氣囊相連，后者可在第三節指骨施加均勻的壓力，這可避免因指尖靜脈擴張及血液淤積導致的小動靜脈血管收縮反應。采用左右兩手的指尖同時對比測定，以減少系統誤差及神經系統(自律神經和中樞神經)和受檢者自身因素的影響。Kuvin等在一項89名受試者的研究中發現PAT與FMD有顯著的相關性，并首次將PAT作為評價外周動脈內皮功能的指標。Bonetti等對已進行了冠狀動脈造影及有創冠脈內皮功能測量的受試者進行PAT測定，發現該方法檢測冠狀動脈內皮功能不全的敏感性和特異性分別為80%及85%。同FMD —樣，PAT同樣有較好的可重復性，其操作更簡單。不足之處在于周圍環境及自主神經的影響仍不能完全消除;脈搏波振幅的測量受傳感器靈敏度和與皮膚的接觸壓力大小以及指尖脂肪比例的影響較大。為克服這些不足，新的PAT技術改用檢測指尖體積變化的光體積描述法。
[0011]傳統意義上的指尖光體積描述法(DVP)是通過檢測指尖脈搏波，用混沌技術和非線性解析技術分析末梢循環信息從而評價血管內皮細胞功能狀態的一種技術。該方法是利用動脈血管的充血灌流性反應原理，觀察末梢指尖緊張性的復雜性變化，用非加壓的另一指尖對比以消除系統誤差，減少神經系統和自發變化的影響。該方法且易受環境因素影響，應用不多，但更為方便快捷、操作也更為簡單。
[0012]指尖熱檢測指尖熱檢測方法(DTM)是通過連續測量阻斷肱動脈血流前后指尖溫度變化來評價內皮功能的分析方法。原理同PAT相似，血流量改變引起的指尖溫度改變可以反映血管擴張程度，進而評價血管內皮功能，同樣采用兩個指尖對比測定以消除系統誤差及自身影響。通過與多排CT及核素心肌顯像的比較，DTM與冠心病有一定的關系而且可以評價治療的效果，但仍需要更大樣本的研究來評估對心血管疾病風險的作用。環境因素和溫度測量誤差的影響仍然很大。
[0013]日本松下電器提出一種(CN200480041565)診斷驅血法后血管內皮反應的超聲波方法。以較高的精度測量血管內膜和中膜的彈性模量的變化，從而高靈敏度地診斷血管內皮功能。該診斷設備設置有用來確定血管壁彈性模量的運算單元，計算數據存儲單元和顯示單元。所述存儲單元存儲動脈被驅血和隨后停止驅血時，動脈血管壁彈性模量隨時間的變化。
[0014]中國發明專利(申請號:CN201210021379)公開了一種內皮細胞功能篩查診斷儀。設備包括末梢循環血容積脈搏波數字化探測裝置、自動肱動脈加壓裝置、可擴展診斷功能的嵌入式系統、算法模塊、觸摸屏、打印和擴展口等，以實現在血流介導情況下的末梢循環血容積脈搏波的頻譜分析。
[0015]美國加州大學的一項專利(申請號:CN201280020509)公開了一種用于評價哺乳動物內皮功能的方法和裝置。所述方法包括:向動脈施加基本上恒定的外部壓力，是通過鄰近哺乳動物身體的部位的和/或圍繞哺乳動物身體的部位的袖帶提供所述壓力;在一個或多個心動周期過程中測定由哺乳動物的心臟活動引起的袖帶內的壓力變化，以建立與哺乳動物的內皮功能相關的參數的基線值；向哺乳動物施加刺激;在一個或多個心動周期過程中測定由哺乳動物的心臟活動引起的袖帶內的壓力變化，以建立與哺乳動物的內皮功能相關的參數的刺激影響值;其中基線值與刺激影響值的差異提供了哺乳動物的內皮功能的度量。
[0016]中國專利(申請號:CN201310526257)公開了一種基于指尖溫度變化的血管內皮功能檢測裝置，包括設有主控電路板的設備主機和由設備主機引出且與主控電路板接通的功能模塊。功能模塊包括控制肱動脈血流導通的阻血模塊、測量指尖溫度變化的溫度測量模塊和測量指尖血氧含量的血氧飽和度測量模塊。該發明利用指尖溫度變化來推導血管直徑變化率的復雜算法內置于主控電路板上，并將測試方法的繁瑣流程實現自動化和智能化。
[0017]中國實用新型專利(申請號:CN201220252118)涉及一種血管內皮功能檢測儀，包括信息采集模塊和信息處理模塊，信息處理模塊與信息顯示模塊和信息打印模塊信號連接，所述的信息采集模塊包括探頭和袖帶。本實用新型是用超聲方法測量肱動脈的內徑變化來表達血管內皮功能。與現有的FMD技術相比，沒有任何新穎性。
[0018]現有的各種血管內皮功能無創檢測技術的原理基本相同，都是采用充氣袖帶阻斷動脈血流，5min后釋放袖帶空氣減小壓力，引起動脈內反應性血流增加。血流增加帶來的切應力作用于血管壁，促進NO的釋放，導致血管舒張，隨后測量血管相對于阻斷狀態的擴張程度來衡量其內皮功能。擴張越大，內皮功能越好。各種技術之間的主要差別在于測量血管擴張程度的方法不同。除了FMD是直接測量血管管徑的變化外，其他方法都是采用間接方式。比如測量前臂體積變化的靜脈閉塞體積描記術，測量指尖脈搏波振幅的PAT技術，測量指尖體積變化的DVP技術和測量指尖溫度變化的DTM技術。直接測量血管管徑變化是金標準，但操作復雜，人為影響因素多。間接測量的精度受傳感器影響，且易受環境和自身因素干擾。

【發明內容】

[0019]本發明提供了一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法及其設備，，采用多普勒超聲的方法直接測量血管受阻前和血流恢復后直徑的變化。該方法與間接測量血管擴張度的PAT，DVP或DTM等技術不同，與采用普通超聲的FMD方法也有本質區別。其原理如下:
當進入人體的超聲波達到血管表面時，如果超聲波的頻率足夠高，以至于血管直徑可以等于或大于超聲波波長，則在血管表面上會產生反射。如果表面靜止不動，則反射波的頻率與發射波相同。根據接受到的上下血管表面反射的波時間差以及超聲波在人體組織中的傳播速度，可以計算出血管直徑。這就是FMD方法的技術原理。但即便在阻斷的情況下，人體動脈仍然會產生周期性的搏動，這就要求FMD的檢測應選擇在兩次搏動之間的靜息時間間隔進行血管尺寸的測量，以避免動脈搏動的干擾，但這個靜息時間間隔很短，而較大尺寸的靜脈也會產生同樣強度的反射。這一切都增加了測量的難度。
[0020]本發明卻正好要利用動脈的搏動來達到檢測血管擴張度的目的。當頻率足夠高的超聲波達到動脈表面時，由于動脈的搏動，導致反射回波的頻率與發射波的頻率不一致，二者之間的差稱為多普勒頻移。搏動速度(即管壁在某一時刻向上彈起或向下回縮的速度)越大，頻移越大。如果管壁在某一時刻運動的方向和發射超聲方向相反，反射回波的頻率大于發射波頻率，多普勒頻移值為正，反之為負。由于血管搏動速度一般不太高，將多普勒頻移信號直接放大后就能被人耳聽到。頻移值越大，聽到的聲音音調就越高。頻移值越小，聲音就越低沉。必須指出，多普勒超聲儀在某一時刻接受到的反射回波頻移信號的幅值或強度，并不是該時刻頻移值的大小或音調的高低，而是在該時刻接受到的所有頻移信號強度的總和，是聲波強度概念。
[0021]不論是采取連續發射還是脈沖發射的超聲波模式，某一時刻接受到的頻移信號總量均與反射超聲波的血管表面積成正比。如圖1所示:從超聲發射探頭發送的超聲波束接觸到動脈血管，在其向上搏動的某一時刻t，血管表面反射超聲的面積近似等于AB弧的長度與血管軸向長度段L的乘積。由于血管的長度遠大于直徑，可以假定，盡管因為搏動，不同時刻的血管直徑也不同，但反射超聲的那部分軸向長度L都一樣。所以反射超聲的血管表面積就只與t時刻AB弧的長度成正比，而該弧長與此時刻的血管直徑d成正比。所以時刻t產生的反射回波被接受探頭接受后，其中的多普勒信號強度總量就近似與該時刻動脈血管的直徑d成正比。換言之，只要檢測出動脈搏動過程中某一時刻的多普勒信號強度，就能換算出該時刻的動脈直徑。這樣一來，通過比較動脈血流受阻前血管的直徑和袖帶壓力解除后血流恢復導致血管舒張狀態下的血管直徑，就能得到與作為金標準的FMD方法完全相同的指數值，可以此評價受檢者的血管內皮功能。
[0022]本發明采用如下技術方案:
本發明的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法是根據動脈血管搏動產生的多普勒超聲信號強度與動脈血管直徑成正比的關系，測量動脈血流阻斷前和血流恢復后的管徑變化，計算血管內皮功能FMD指數值。
[0023]本發明的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法的步驟包括:選擇接近體表的某一動脈作為受檢對象;在受檢動脈的近心端部位戴上可充氣加壓袖帶;將涂有超聲波耦合劑(如水溶性的，PH值為中性的硅基凝膠)的超聲探頭固定在靠近受檢動脈的皮膚表面；向皮下發射一定頻率的超聲波，接受并記錄袖帶未充氣加壓的基準狀態下，受檢動脈因搏動產生的多普勒信號強度;通過對袖帶充氣加壓，使受檢動脈的血流在近心端受阻并持續實時記錄受檢動脈搏動產生的多普勒信號；受檢動脈血流近心端受阻一定時間后，通過釋放袖帶中的空氣減壓，恢復動脈血流一段時間后，停止多普勒信號記錄，完成檢測;通過比較基準狀態下和恢復血流后的多普勒信號強度，計算出血管內皮功能FMD指數;在一側肢體通過袖帶加壓-解除壓力實時檢測動脈多普勒信號的同時，檢測另一側肢體相同部位不加壓的動脈多普勒信號，比較二者的差異，以扣除受檢者自身生理因素的干擾。
[0024]所述的向皮下發射一定頻率的超聲波，是指連續式發射或脈沖式發射，超聲波的頻率不低于3MHz。為有效屏蔽直徑小于受檢動脈的其他動脈搏動的干擾，應根據受檢動脈距離皮膚表面的距離以及受檢動脈直徑來確定所需超聲的頻率，一般來講，超聲頻率越高，分辨率越好，但組織穿透距離越小。反之，低頻超聲的穿透距離較長，但分辨率很低。根據超聲醫學常規，2.5-5.0MHz的超聲用于心臟，腹部和軟組織的成像，穿透組織的距離可達15-20cm;5.0-10.0MHz的超聲可用于體積較小的器官，如甲狀腺，腮腺，頸動脈及眼球的顯像，一般只需4-5cm的穿透深度;10.0-30.0MHz的超聲可用于皮膚和血管內的檢測，穿透深度在l-2cm以下。所以對于測試橈動脈的情況，手腕周長不超過25cm的受試者，超聲波頻率不應低于8MHz，手腕周長在20-30cm范圍的受試者，選用6-8MHz的超聲頻率較為合適。手腕周長大于30 cm的受試者，選用3-6MHz的超聲頻率較為合適。
[0025]所述的基準狀態是同一側受檢動脈在血流未被阻斷之前的狀態，或是在一側肢體通過袖帶加壓-減壓實時檢測動脈搏動多普勒信號變化的同時，另一側肢體相同部位不加壓時的檢測狀態。
[0026]所述的受檢動脈血流近心端受阻時間為4-7分鐘，優選是5分鐘;所述的恢復動脈血流一段時間后，停止多普勒信號記錄，對于年齡低于60歲的受檢者，是45-60S，對于年齡大于和等于60歲的受檢者，是120s。
[0027]本發明采用下面的幾種方法計算血管內皮功能的FMD指數值。FMD指數值為袖帶壓力解除后血管直徑相對于正常化基準直徑的最大變化，即(最大直徑-基準直徑)/基線直徑的百分比。血管內皮功能FMD指數的計算公式包括:
(Q1-PD/P1(I)
其中:Ql是袖帶壓力解除后一定時間內，多普勒超聲信號的總強度;Pl是基準狀態下，同樣長時間內多普勒超聲信號的總強度；
或
(Q2-P2)/P2(2)
其中:Q2是袖帶壓力解除后一定時間內，扣除所有脈搏波上升支強度后的多普勒超聲信號總強度;P2是基準狀態下，同樣長時間內，扣除所有脈搏波上升支強度后的多普勒超聲信號總強度；
或
(Q3-P3)/P3(3)
其中:Q3是袖帶壓力解除后一定時間內，扣除所有脈搏波超過一定門檻值的上升支強度后的多普勒超聲信號總強度;P3是基準狀態下，同樣長時間內，扣除所有脈搏波超過一定門檻值的上升支強度后的多普勒超聲信號總強度；
或
(XQ1- ΣΡΟ/ΣΡ?(4)
其中:Σ Q1是袖帶壓力解除后一定時間內，若干個脈搏波的最高多普勒信號強度之和；Σ P1是基準狀態下，同樣長時間內，同樣多個脈搏波的最高多普勒信號強度之和。
[0028]在一側肢體通過袖帶加壓-減壓實時檢測動脈多普勒信號變化的同時，檢測另一側肢體相同部位不加壓時的動脈多普勒信號，比較二者的差異，以扣除干擾的影響，該扣除干擾影響的方法是:直接用同一時刻另一側肢體相同部位不加壓時的動脈多普勒信號強度，作為基準狀態下的多普勒超聲信號強度計算FMD指數。
[0029]超聲頻率選擇原則
理論上講，當動脈的尺寸小于1/2波長時，超聲波就不會在其表面產生有效的反射，而是產生散射和繞過其邊緣并改變傳播方向的所謂衍射。因波長與波頻率成反比，所以頻率越高，表面能夠產生反射的動脈直徑就可越小，對同樣粗細的動脈而言，靈敏度和分辨率就越高。而且因波長短，能量集中，聲束指向性好，定位就越準確。但是頻率越高，近場區長度越大，衰減急劇增加，探測的穿透能力就受到限制。所以對于較深的動脈，應選用較低的頻率。
[0030]以生物組織中平均超聲波波速為1500m/s計算，頻率1MHz的超聲波波長約150微米。在直徑接近或大于100微米的動脈血管表面能產生有效的反射。對于小于100微米的動脈血管，多產生散射和衍射。衍射波不能被超聲接收器接收。散射波中，僅有與發射方向相反的那部分才能被接收器接收，稱為背向散射波。背向散射波的強度遠低于反射波強度，在顯示屏上的回波峰值不明顯。在小尺度動脈血管較集中的情況下，接受到的散射回波信號在顯示屏上往往呈現連續分布的噪音帶。難以分開單獨計算某一動脈血管的直徑。
[0031]所以，最佳的頻率選擇方法是:根據受檢動脈距離皮膚表面的距離以及其直徑來確定所需頻率。恰當的超聲波頻率不僅能夠產生清晰的受檢動脈搏動多普勒信號，還能有效屏蔽直徑小于受檢動脈的其他動脈搏動造成的干擾。
[0032]超聲發射-接收模式
本技術可采用兩種超聲發射-接收模式:
I)連續式超聲模式
它由探頭中的一個換能器發射出頻率在1.0MHz以上的連續超聲波信號，當聲波遇到動脈表面時，產生反射或散射，探頭內另一換能器將反射波和/或散射波檢測出來，轉成電信號后送入主機，經放大后與原來的發射電信號進行混頻、解調，取出多普勒頻移信號。然后根據處理和顯示方式的不同，轉換成音頻信號或可視圖形以供血管內皮功能的計算。該超聲模式對動脈的搏動速度有較強分辨能力，不受尼奎斯特頻率的影響。但對動脈的距離選擇性能差(距離分辨力較差)。這是因為聲束所經的途徑各點信息重疊，會被探頭同時接收，使得輸出信號無法定位。由于本發明不需對動脈血管定位，所以不存在這方面問題。
[0033]2)脈沖式超聲模式
以斷續方式發射超聲波，采用門控制電路來控制發射信號的產生和選通回聲信號的接收與放大。由于發射和接收的信號為脈沖式，可由探頭內的一個換能器來完成發射和接收雙重任務，這對于簡化探頭結構，避免收、發信號之間的不良藕合，提高檢測質量都有幫助。但該模式易受尼奎斯特頻率的影響，即當動脈的振動頻率超過最大顯示頻率時，會出現頻譜混疊現象，由于動脈搏動頻率很低，不存在這方面問題。
[0034]防干擾措施
檢測結果的干擾因素包括晝夜變化、飲食、吸煙、身體活動、姿勢、一天中的不同時間和使用血管活性藥物，都可以影響流量介導的血管擴張的幅度和數據的可重復性。因此，應統一測量條件來控制這些因素。
[0035]1.測量應該在光線較暗、安靜、溫度控制在23_26°C的室內進行。
[0036]2.檢測最好選擇在休息12小時以上的早餐前空腹時段進行。如果測量一定要在下午進行，受試者應該只是吃易消化食物，并應至少在進行測量的4小時前進食。
[0037]3.檢測前，受試者不應攝取可能會影響檢測結果的物質，如咖啡因、高脂肪食品、維C。
[0038]4.檢測前，至少6小時以上沒有吸煙。
[0039]5.檢測前，各種血管活性藥物至少有4-5半衰期的時間未再服用。
[0040]6.對于絕經前婦女，檢測時，所處月經周期的階段應給予記錄。
[0041]7受試者在測量前至少仰臥位平躺休息10分鐘。
[0042]8.應測量記錄受試者的血壓和心率，并確認無低血壓或心動過緩癥狀。
[0043]9.在一側肢體通過袖帶加壓-減壓過程實時檢測動脈多普勒信號的同時，檢測另一側肢體相同部位不加壓的動脈多普勒信號，比較二者的差異，可以扣除受檢者自身生理因素的干擾。
[0044]本發明的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的設備包括中央控制單元、袖帶及袖帶充氣栗、超聲波發射/接受模塊、超聲時差計量模塊、多普勒信號生產模塊、動脈直徑換算模塊和輸出模塊;袖帶及袖帶充氣栗、超聲波發射/接受模塊、超聲時差計量模塊、多普勒信號生產模塊和動脈直徑換算模塊分別與中央控制單元連接;超聲波發射/接受模塊同時連接超聲時差計量模塊、多普勒信號生產模塊和袖帶及袖帶充氣栗;超聲時差計量模塊與多普勒信號生產模塊連接;動脈直徑換算模塊連接輸出模塊。
[0045]所述的超聲波發射/接受模塊包括超聲波振蕩器、壓電陶瓷晶片和超聲探頭;所述的多普勒信號生產模塊包括選頻放大器、調制器和帶通濾波器;所述的輸出模塊包括聲音播放設備、顯示設備和與PC機連接的USB連線。
[0046]袖帶及袖帶充氣栗，用于在中央控制單元的指令下自動充氣加壓和定時自動放氣減壓。
[0047]超聲波發射/接受模塊，用于在所述中央控制單元控制下對準發聲目標發送一定頻率的超聲波信號，接收從所述發聲目標返回的，包含多普勒頻移的反射和/或散射回波信號。該模塊包括:
(1)超聲波振蕩器，用于對準所述發聲目標發送超聲波信號；
(2)壓電陶瓷晶片，用于接收所述反射和/或散射回波信號。
[0048](3)超聲探頭。
[0049]超聲時差計量模塊，用以測量從超聲開始發送，到接受到的反射或散射回波多普勒信號之間的時間差，根據該時間差和超聲傳播速度，送入中央控制單元計算出相關動脈的深度；
多普勒頻移信號生成模塊，在所述中央控制單元控制下，此模塊將反射和/或散射回波多普勒信號放大后與發送的超聲波信號進行比較，得到含有動脈搏動特征的多普勒頻移信號。該模塊包括:
(1)選頻放大器，用于將所述壓電陶瓷晶片接收的回波信號進行選頻放大后輸出；
(2)調制器，用于將所述選頻放大器放大后的信號與所述超聲波振蕩器發射的超聲波信號進行對比，調制成穩定的高頻射頻振蕩信號；
(3)帶通濾波器，用于去除所述高頻射頻振蕩信號中的雜音與分解混合頻率，提取出可用的多普勒頻移信號。
[0050]動脈直徑換算模塊，通過實時的多普勒頻移信號強度，按照預先設置的計算公式計算受檢動脈的直徑隨檢測時間的實時變化。
[0051]輸出模塊，用于對所有處理后得到信號分多路輸出，輸出信息包括:
(1)動脈位置(深度)顯示圖
(2)動脈多普勒頻移信號強度-檢測時間圖 (3 )動脈直徑-檢測時間動態圖
(4)受檢者血管內皮功能的FMD值(％)。
[0052]所述輸出模塊包括下列硬件:
(1)聲音播放設備，用于播放人耳可聽的動脈搏動多普勒頻移信號；
(2)顯示設備:用于顯示動脈深度多普勒信號強度-時間圖，動脈直徑-時間動態圖以及血管內皮功能FMD值(％)
(3)連接PC機的USB連線:用于將主機信息，數據或動態圖實時傳輸到PC機上顯示，存儲或做進一步分析。
[0053]利用本發明的設備檢測血管內皮功能的方法包括以下步驟:在中央控制單元的指令下，超聲波發射/接受模塊通過超聲探頭向皮膚表面發送一定頻率的超聲波，同時接受來自動脈搏動的回波信號；回波信號分兩路分別進入超聲時差計量模塊和多普勒信號生產模塊;通過該兩個模塊處理得到的信號再分別進入中央處理單元和動脈直徑換算模塊進行計算，從而獲得正常狀況下動脈的深度和基準直徑;在中央控制單元的指令下，束縛在動脈近心端的袖帶及袖帶充氣栗開始充氣加壓，阻斷動脈血流并保持恒定壓力，超聲波發射/接受模塊持續工作，直至血流阻斷5分鐘后，袖帶自動放氣減壓，超聲波發射/接受模塊持續工作到壓力解除后60s(或120s)后才停止;獲得的動態信息進入中央控制模塊和動脈直徑換算模塊后進入輸出模塊，由該模塊再分別發送給顯示屏和音頻播放器進行輸出;USB連線可以將主機信息，數據或動態圖實時輸送到PC機，整個設備采用可充電電池或室內民用交流電供電。
[0054]本發明的積極效果如下:
I)通過動脈血管搏動產生的多普勒超聲回波強度與動脈血管直徑成正比的關系，測量血流阻斷前和恢復后的管徑變化，計算出與FMD方法相同的血管內皮功能指數值。是一種直接的無創傷的測量方法。
[0055]2)由于動脈脈搏波周期明顯，容易捕捉，其多普勒信號的靈敏度很高，計算精度能得到保障。
[0056]3)通過選擇合適的超聲波頻率，能夠有效屏蔽受檢動脈之外其他動脈搏動帶來的干擾。
[0057]4)由于外周靜脈通常沒有脈搏波動，不產生多普勒頻移信號，所以靜脈及其充血狀況對檢測結果沒有干擾。
[0058]5)由于采用主動向皮下發射超聲進行檢測，而不是用壓電傳感器在皮膚表面被動感受皮膚起伏導致的壓力的變化，因此皮膚彈性，皮下脂肪厚度和組織結構的影響可以忽略。
[0059]6)由于上述特點，超聲探頭的位置選擇和接觸皮膚的力度對檢測結果均無太大影響，所以操作相對于FMD方法要簡單得多，不需要專門培訓。
[0060]7 )設備體積小，操作方便，結果直觀，便于推廣。
【附圖說明】
[0061]圖1是多普勒信號強度與血管直徑關系的說明圖；
圖中，12-超聲發射探頭、13-超聲波束、14-動脈血管、15-反射回波、16-接受探頭。
[0062]圖2是實測出的多普勒信號強度與檢測時間動態關系的截圖。
[0063]圖3將圖2中時間橫軸放大后的截圖。
[0064]圖4是本發明的多普勒超聲血管內皮功能檢測設備的組成示意圖；
圖中，1-超聲探頭、2-超聲波發射/接受模塊、3-超聲時差計量模塊、4-多普勒信號生產模塊、5-中央控制單元、6-動脈直徑換算模塊、7-輸出模塊、8-顯示設備、9-聲音播放設備、10-與PC機連接的USB連線、11袖帶及袖帶充氣栗。
[0065]圖5是在橈動脈處實測血管內皮功能的示意圖；
圖中，17-多普勒超聲血管內皮功能檢測設備主機、18-超聲探頭腕帶、19-輕微按壓在手腕皮膚表面處的超聲探頭、20-自動充放氣袖帶、21-USB連線、22-PC機。
【具體實施方式】
[0066]下面的實施例是對本發明的進一步詳細描述。
[0067]如附圖4所示，本發明的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的設備包括中央控制單元5、袖帶及袖帶充氣栗11、超聲波發射/接受模塊2、超聲時差計量模塊3、多普勒信號生產模塊4、動脈直徑換算模塊6和輸出模塊7;袖帶及袖帶充氣栗11、超聲波發射/接受模塊2、超聲時差計量模塊3、多普勒信號生產模塊4和動脈直徑換算模塊6分別與中央控制單元5連接;超聲波發射/接受模塊2同時連接超聲時差計量模塊3、多普勒信號生產模塊4和袖帶及袖帶充氣栗11;超聲時差計量模塊3與多普勒信號生產模塊4連接;動脈直徑換算模塊6連接輸出模塊7 ο超聲波發射/接受模塊2包括超聲波振蕩器、壓電陶瓷晶片和超聲探頭I;多普勒信號生產模塊4包括選頻放大器、調制器和帶通濾波器;輸出模塊7包括聲音播放設備9、顯示設備8和與PC機連接的USB連線10。
[0068]本發明的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法的步驟如下:
I.選擇接近體表的某一動脈(如橈動脈，頸動脈，肱動脈或股動脈)作為受檢對象；
2.在受檢動脈的近心端部位戴上可充氣加壓袖帶(如檢測橈動脈，S卩在上臂戴上袖帶)；
3.將涂有耦合劑的超聲探頭固定在接近受檢動脈的皮膚表面；
4.開啟多普勒超聲檢測設備，首先記錄袖帶未充氣加壓狀態(基準狀態)下，受檢動脈搏動產生的多普勒信號；
5.通過對袖帶充氣加壓，使受檢動脈的血流在近心端受阻，袖帶壓力不低于30mmHg;
6.持續實時記錄受檢動脈搏動產生的多普勒信號，直到整個檢測全部完成；
7.受檢動脈血流近心端受阻一定時間后，通過釋放袖帶中的空氣減壓，恢復動脈血流；
8.動脈血流恢復一段時間(視受檢者年齡而定)后，檢測完成，停止記錄動脈搏動多普勒信號；
9.撤除袖帶；
10.關機。
[0069]為了消除受檢者自身生理因素的干擾，可以取消上述第4個步驟，而在進行上述第5至第8個步驟的同時，檢測另一側肢體相同部位不加壓情況下的動脈多普勒信號。
[0070]實施例1
以橈動脈檢測為例，實驗示意圖如圖5所示:圖中，17是多普勒超聲血管內皮功能檢測儀主機；18是超聲探頭腕帶，19是輕微按壓在手腕皮膚表面處的超聲探頭;20是束縛在同側上臂(接近肱動脈處)的自動充放氣袖帶;21是USB連線；22是通過USB連線與檢測儀主機連接的PC機。
[0071]整個檢測過程的步驟如下:
1.受檢者保持空腹12小時，靜躺15分鐘后，左上臂戴上袖帶；
2.在左手腕處的皮膚涂抹耦合劑；
3.將超聲探頭通過腕帶固定在涂有耦合劑的皮膚表面；
4.主機和PC機通過USB連線連接后分別開機；
5.探頭向皮膚表面發送頻率為8MHz的超聲波；
6.接受，記錄并存儲袖帶未充氣加壓狀態下，受檢橈動脈搏動產生的多普勒信號；
7.袖帶充氣加壓，燒動脈的血流受阻，保持袖帶壓力恒定(上下波動不超過3mmHg)；
8.持續實時記錄橈動脈搏動產生的多普勒信號，直到整個檢測全部完成；
9.燒動脈血流受阻5分鐘后，袖帶自動放氣減壓，恢復動脈血流；
10.動脈血流恢復60s后，檢測完成，停止記錄，自動存儲全部信息。
[0072]11.撤除袖帶；
12.關機。
[0073]實施例2
圖2是按照實施例1的方法測定得到的某男性(56歲)橈動脈搏動的多普勒信號-時間圖。橫坐標是時間，縱坐標是多普勒信號強度。在第2分18秒時，袖帶減壓，恢復動脈血流。圖中每一條縱向長線代表一次動脈搏動，在強度值為O的水平線之上的縱向線代表的是血管上表面的搏動，因為搏動方向與超聲波發射方向相反，其多普勒信號強度為正值。在強度O值線之下的縱向線代表的是血管下表面的搏動，因為搏動方向與超聲波發射方向相同，其多普勒信號強度為負值。相鄰正負縱向線的長度之和，即代表了血管擴張過程中此時刻的瞬間直徑。將時間尺度放大后可得到圖3。圖2中的每一根細長縱向線在圖3中被展開成多根更細的縱向線。每一根細線代表一次接受到的反射回波，是血管表面瞬間擴張產生的多普勒信號。正由于瞬間的血管擴張，使得超聲波反射面驟然增大，反射回波的多普勒信號強度也就瞬間增大，形成多根縱向細線。從圖三還可以看出，在血流受阻期間，由于袖帶壓力不足，左心室射血產生的脈搏波仍然會在一瞬間(約0.05s)克服袖帶壓力傳遞到橈動脈處被儀器檢測出來。但由于動脈的可擴張性減小，彈性貯器作用減弱，動脈血壓的波動幅度增大，脈搏波上升支的斜率和幅度也都加大，并超過血流恢復后的斜率和幅度。在心室射血的后期，射血速度減慢，進入主動脈的血量少于由主動脈流向外周的血量，致使被擴張的大動脈開始回縮，動脈血壓逐漸降低，形成脈搏波下降支的前段。隨后，心室舒張，動脈血壓繼續下降，形成下降支的其余部分，包括降中峽。降中峽發生在主動脈瓣關閉的瞬間。在血流不受阻的情況下，心室舒張時室內壓下降，主動脈內的血液向心室方向返流。這一返流使主動脈瓣很快關閉。返流的血液使主動脈根部的容積增大，并且受到閉合的主動脈瓣阻擋，發生一個返折波，因此在降中峽的后面形成一個短暫的向上的小波，稱為降中波。但因為袖帶壓力，降中波帶來的血管擴張受到抑制，從圖3可以看出，4分37秒之前，在短暫的高強度上升支回波之后，出現幅度很低的下降支多普勒反射回波，表明血管瞬間擴張后立即回縮，接下來的擴張受到袖帶壓迫，反射多普勒信號強度很小;4分37秒之后，由于袖帶壓力解除，血流恢復，動脈的擴張性由于NO的釋放而增大，彈性貯器作用增強，動脈血壓的波動幅度減小，脈搏波上升支的斜率和幅度也都小于血流受阻時，而下降支和降中峽后面的降中波都趨于正常，血管舒張度增大，導致反射回波中多普勒信號的強度或幅值顯著高于4分36秒之前血流受阻時的值，也高于基準狀態下的強度值。所以通過比較血流受阻前或不受阻的基準狀況下和恢復血流后的多普勒信號幅值(相鄰正負縱向線長度之和)，就能獲得血管內皮功能的受損程度。
[0074]4分36秒時袖帶放氣減壓。按公式(I)計算的FMD值=8.8%，該受試者到正規醫院采用大型血管內皮功能檢測儀得到的FMD值為9.0%。臨床研究表明:把FMD的臨界點定為4.5%時，其預測冠心病的敏感性和特異性最高。所以本受試者的血管內皮功能處于正常范圍。
[0075]盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同物限定。
【主權項】
1.一種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述的方法是根據動脈血管搏動產生的多普勒超聲信號強度與動脈血管直徑成正比的關系，測量動脈血流阻斷前和血流恢復后的管徑變化，計算血管內皮功能FMD指數值。2.如權利要求1所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述方法的步驟包括: 步驟一、選擇接近體表的某一動脈作為受檢對象； 步驟二、在受檢動脈的近心端部位戴上可充氣加壓袖帶； 步驟三、將涂有耦合劑的超聲探頭固定在靠近受檢動脈的皮膚表面； 步驟四、向皮下發射一定頻率的超聲波，接受并記錄袖帶未充氣加壓的基準狀態下，受檢動脈因搏動產生的多普勒信號強度； 步驟五、通過對袖帶充氣加壓，使受檢動脈的血流在近心端受阻并持續實時記錄受檢動脈搏動產生的多普勒信號強度； 步驟六、受檢動脈血流近心端受阻一定時間后，通過釋放袖帶中的空氣減壓，恢復動脈血流一段時間后，停止多普勒信號記錄，完成檢測； 步驟七、通過比較基準狀態下和恢復血流后的多普勒信號強度，計算出血管內皮功能FMD指數； 步驟八、在一側肢體通過袖帶加壓-解除壓力實時檢測動脈多普勒信號的同時，檢測另一側肢體相同部位不加壓的動脈多普勒信號，比較二者的差異，以扣除受檢者自身生理因素的干擾，至此檢測完成。3.如權利要求2所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述步驟四中，向皮下發射一定頻率的超聲波是指連續式發射或脈沖式發射，超聲波的頻率不低于3MHz。4.如權利要求2所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述步驟七中，基準狀態是同一側受檢動脈在血流未被阻斷之前的狀態，或是在一側肢體通過袖帶加壓-減壓實時檢測動脈搏動多普勒信號變化的同時，另一側肢體相同部位不加壓時的檢測狀態。5.如權利要求2所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述步驟五中，受檢動脈血流近心端受阻時間為4-7分鐘;所述的恢復動脈血流一段時間后，停止多普勒信號記錄，對于年齡低于60歲的受檢者，是45-60s，對于年齡大于和等于60歲的受檢者，是120s ο6.如權利要求2所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述步驟七中，血管內皮功能FMD指數的計算公式包括: (Q1-PD/P1(I) 其中:Ql是袖帶壓力解除后一定時間內，多普勒超聲信號的總強度;Pl是基準狀態下，同樣長時間內多普勒超聲信號的總強度； 或 (Q2-P2)/P2(2) 其中:Q2是袖帶壓力解除后一定時間內，扣除所有脈搏波上升支強度后的多普勒超聲信號總強度;P2是基準狀態下，同樣長時間內，扣除所有脈搏波上升支強度后的多普勒超聲信號總強度； 或 (Q3-P3)/P3(3) 其中:Q3是袖帶壓力解除后一定時間內，扣除所有脈搏波超過一定門檻值的上升支強度后的多普勒超聲信號總強度;P3是基準狀態下，同樣長時間內，扣除所有脈搏波超過一定門檻值的上升支強度后的多普勒超聲信號總強度； 或 (XQ1- ΣΡΟ/ΣΡ?(4) 其中:SQ1是袖帶壓力解除后一定時間內，若干個脈搏波的最高多普勒信號強度之和；Σ P1是基準狀態下，同樣長時間內，同樣多個脈搏波的最高多普勒信號強度之和。7.如權利要求2所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述步驟八中，在一側肢體通過袖帶加壓-減壓實時檢測動脈多普勒信號變化的同時，檢測另一側肢體相同部位不加壓時的動脈多普勒信號，比較二者的差異，以扣除干擾的影響，該扣除干擾影響的方法是:直接用同一時刻另一側肢體相同部位不加壓時的動脈多普勒信號強度，作為基準狀態下的多普勒超聲信號強度計算FMD指數。8.—種通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的設備，其特征在于:所述的設備包括中央控制單元(5)、袖帶及袖帶充氣栗(11)、超聲波發射/接受模塊(2)、超聲時差計量模塊(3)、多普勒信號生產模塊(4)、動脈直徑換算模塊(6)和輸出模塊(7);所述袖帶及袖帶充氣栗(11)、超聲波發射/接受模塊(2)、超聲時差計量模塊(3)、多普勒信號生產模塊(4)和動脈直徑換算模塊(6 )分別與中央控制單元(5 )連接;所述超聲波發射/接受模塊(2 )同時連接超聲時差計量模塊(3)、多普勒信號生產模塊(4)和袖帶及袖帶充氣栗(11);所述超聲時差計量模塊(3)與多普勒信號生產模塊(4)連接;所述動脈直徑換算模塊(6)連接輸出模塊(7)。9.如權利要求8所述的通過多普勒超聲檢測血管內皮功能的設備，其特征在于:所述的超聲波發射/接受模塊(2)包括超聲波振蕩器、壓電陶瓷晶片和超聲探頭(I);所述的多普勒信號生產模塊(4)包括選頻放大器、調制器和帶通濾波器;所述的輸出模塊(7)包括聲音播放設備(9)、顯示設備(8)和與PC機連接的USB連線(10)。10.—種利用權利要求9所述的設備檢測血管內皮功能的方法，其特征在于:所述方法包括以下步驟: 步驟一、在中央控制單元(5)的指令下，超聲波發射/接受模塊(2)通過超聲探頭(I)向皮膚表面發送一定頻率的超聲波，同時接受來自動脈搏動的回波信號； 步驟二、回波信號分兩路分別進入超聲時差計量模塊(3)和多普勒信號生產模塊(4); 步驟三、通過該兩個模塊處理得到的信號再分別進入中央處理單元(5)和動脈直徑換算模塊(6)進行計算，從而獲得正常狀況下動脈的深度和基準直徑； 步驟四、在中央控制單元(5)的指令下，束縛在動脈近心端的袖帶及袖帶充氣栗(11)開始充氣加壓，阻斷動脈血流并保持恒定壓力，超聲波發射/接受模塊(2)持續工作，直至血流阻斷5分鐘后，袖帶(11)自動放氣減壓，超聲波發射/接受模塊(2)持續工作到壓力解除后60s(或120s)后才停止； 步驟五、獲得的動態信息進入中央控制模塊(5)和動脈直徑換算模塊(6)后進入輸出模塊(7)，由該模塊再分別發送給顯示屏(8)和音頻播放器(9)進行輸出； 步驟六、利用USB連線(10)將主機信息、數據或動態圖實時輸送到PC機，整個設備采用可充電電池或室內民用交流電供電。
【文檔編號】A61B8/08GK105852910SQ201610243207
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】何宗彥
【申請人】何宗彥