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狭窄血管超声多普勒血流信息提取方法的研究

张羽  
【摘要】: 临床研究发现,在人体动脉的高度弯曲处、分岔口、汇合处是动脉硬化症的高发部位,动脉硬化将引起血管腔的改变,形成动脉狭窄,导致下游供血的减少,硬化斑块的破裂、脱落甚至可能形成血栓,引发脑中风。 不同程度的动脉狭窄可分别采取颈动脉内膜切除术、血管成形术和药物治疗的方法。常用的动脉狭窄诊断方法包括数字减影血管造影(DSA)、核磁共振血管造影(MRA)、螺旋CT血管造影(CTA)和超声检查等。其中DSA是动脉狭窄诊断的金标准。超声检查因其无创伤性、便利性和诊断成本方面具有明显的优势,常被用于动脉狭窄病例的筛选和患者的随诊。动脉狭窄的超声诊断可以分别从形态学和血液动力学的角度提出方法。其中超声成像技术虽然具有直观测量狭窄管直径的优点,但是测量精度和可重复性较差。利用超声多普勒技术检测狭窄出口处血流信号并分析其频谱特性,可以获得较高的测量精度和可重复性。 以往对利用超声多普勒技术研究血管狭窄的工作主要集中在基于多普勒血流信号频谱参数分析的物理实验和临床实验,但对血管狭窄引起血流状况的改变与多普勒血流信号特征间的关系缺乏客观和准确的研究。基于流体模型的多普勒血流信号仿真技术在正常血流信号的分析上取得很大的成功,但因为狭窄血管多普勒血流信号建模的复杂性,目前这方面的研究工作还没有系统化地开展。基于上述背景,本论文对利用超声多普勒技术检测动脉狭窄进行了深入的研究,选取了两种较简单的狭窄血管模型,结合流体力学和信号处理等的知识提出了一种基于流体物理模型的狭窄血管超声多普勒信号的计算机仿真方法,通过仿真研究使我们对狭窄管内血流流场有了直观的认识,并且对那些临床诊断参数有了更客观和准确的认识。 由于超声多普勒信号中可能存在的噪声将影响血流信号最大频率、平均频率和频谱宽度等曲线的估计,进而降低诊断参数的准确性。我们引入了一种基于小波框架的超声多普勒信号降噪新方法,取得了更好的超声多普勒血流信号的降噪效果。另外,为了消除血流信号中可能残留的高强度血管周围组织和血管壁的散射信号,本文分别提出了两种管壁信号消除的新方法:将FTC(Fixed TargetCanceller)技术引入到音频超声多普勒信号中的管壁信号消除;利用小波分解,在时间—尺度分布中实现管壁信号和血流信号的分离。 血流量和最大流速是动脉狭窄诊断的重要参数,为了提高它们的估计精度,本文分别对超声多普勒定量测流速技术和声谱图上最大频率估计技术进行了改 进:通过对流速精确计算后进一步再校正的方法使得在较大的角度范围内获得较 准确的流速测量;提出了一种基于小波分析的最大频率估计法,对信噪比和带宽 均显示了较好的鲁棒性。在此基础上,本文对颈动脉超声多普勒信号最大频率曲 线进行了进一步的分析,利用小波系数表征信号突变特性的方法提取了一些新的 特征参数,临床试用表明:它们对某些疾病的诊断比传统声谱图参数更具敏感性。 最后,本文综合了小波分析在超声多普勒信号降噪、血管壁信号消除、特征 提取等方面的应用,提出了一种新的超声多普勒信号频谱分析系统的设计框架。 新系统有望为临床超声诊断血管疾病带来更多的便利。


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