颈动脉血管壁面剪切率超声检测关键技术研究

发布时间：2017-04-07 17:01

  本文关键词：颈动脉血管壁面剪切率超声检测关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：动脉粥样硬化是一种常发慢性血管疾病,表现为脂质沉积、炎症反应,细胞和瘢痕组织堆积在动脉内壁,造成动脉管腔狭窄。临床研究表明,易损颈动脉粥样硬化斑块是导致缺血性脑血管疾病的高危因素,也是大多数脑中风发生的根本原因,对预测脑血管疾病的发生有较高的敏感性和特异性。因此积极主动对易损颈动脉粥样硬化斑块进行检测,采取措施促使其转变为稳定斑块甚至消退,对降低脑血管事件导致的致残率和致死率有重要意义。病理学研究结果表明,作为一种管壁内皮细胞基因表达调节机制,低剪切率或周期性持续变化剪切率是一种重要的动脉粥样硬化病变诱因。超声诊断技术是目前一种临床广泛应用的获取血管系统血流动力学信息的无损检测方法。应用超声设备检测动脉壁面剪切率,获得动脉粥样硬化病变的敏感预测参数是目前国内外研究的热点。但目前使用超声直接检测动脉壁面剪切率存在以下两个难点：一是如何有效抑制血管壁及周围缓慢运动组织的低频高强度超声反射杂波信号,准确提取靠近血管内壁周围的低速血流信号；另一方面是为提高动脉壁面剪切率检测的准确性,需改善血流速度剖面估计的精确性,特别是靠近管腔内壁周围慢速血流速度的估计准确性。 针对上述颈动脉血管壁面剪切率超声检测存在的两个关键问题,本文提出了相应的解决方案。首先,为提高血管壁及周围缓慢运动组织的低频高强度超声反射杂波信号抑制的性能,并较完整地保留靠近管腔内壁周围的缓慢血流信号,提出了基于多维经验模态分解(Multivariate empirical mode decomposition, MEMD)的颈动脉超声多普勒信号管壁杂波抑制方法。MEMD算法是一系列扩展经验模态分解(Empirical mode decomposition, EMD)算法的总称,其能同时将信号采集系统多通道获得的多维信号自适应分解为一系列称作多维内模函数(Multivariate intrinsic mode functions, MIMFs)的零均值旋转成分,其中MMFs中各维信号的频率按提取先后顺序是递减的。本文将分别利用MEMD算法中常用的二维经验模态分解法(Bivariate Empirical Mode Decomposition, BEMD)、非均匀采样二维经验模态分解算法(BEMD with a nonuniform sampling scheme, NS_BEMD)及噪声辅助三维经验模态分解算法(Tri-variate empirical mode decomposition with noise assistance,NA_TEMD);分别将含血管壁及周围组织超声反射杂波成分的颈动脉超声多普勒混合信号分解为一系列复内模函数(Complex intrinsic mode functions, CIMFs);然后,根据管壁与血流超声反射能量的显著区别,借助正交管壁杂波与血流功率比变化曲线拐点,自动提取血流信号对应的CIMFs;最后,将血流信号对应的CMFs叠加重构正交血流信号。仿真实验结果表明：与理论血流信号相比,使用本文提出的MEMD方法提取颈动脉分叉部多普勒血流信号的归一化均方根误差的最大值低于50%,比基于相位滤波经验模态分解算法的超声多普勒信号管壁杂波抑制方法(Phasing filter and EMD algorithms, PH_EMD)至少改善了4倍。在临床试验中,采集12例健康男性(18到43岁)含管壁搏动成分颈动脉分叉部和桡动脉超声多普勒血流混合信号做杂波抑制试验,结果表明：本文提出的基于MEMD的超声多普勒信号管壁杂波抑制方法能有效滤除临床采集混合信号中的管壁杂波成分并从中提取靠近管腔内壁周围的慢速血流信号,证明了本文提出管壁杂波抑制方法的有效性和可行性。 为改善血流速度剖面估计的精确性,特别是靠近管腔内壁周围慢速血流速度的估计准确性,本文提出了一种可变或自适应发射间隔射频线估计血流速度剖面的方法——自适应自相关血流速度剖面估计法。借助本文提出的基于Field Ⅱ颈动脉超声射频血流信号仿真模型,本文首先分析得到了固定发射间隔(Fixed shooting-interval, FSI)射频线的颈动脉血流速度剖面估计误差大,尤其是无法估计出靠近管腔内壁周围慢速血流速度的原因。由于颈动脉血管中血流Poiseuille流动特性,导致FSI射频解调多普勒信号的振荡频率会随径向检测位置与轴心距离的增加而减少,从而使得靠近管壁周围的解调多普勒信号周期性不完整。随后,在可变发射间隔射频线的血流速度剖面估计实验中,为保证颈动脉各径向位置射频解调多普勒信号具有足够振荡频率及完整周期性,各检测位置的超声发射间隔反比于该点理论血流速度,既颈动脉管腔中心采用较短的超声发射间隔,而较长的超声发射间隔将用于获得靠近管腔内壁检测点的血流射频线。实验结果表明,可变发射间隔射频线估计的血流速度剖面与理论速度剖面具有较好的一致性,靠近管腔内壁周围的低速血流速度估计准确性得到明显改善。为解决用于确定各径向位置超声发射间隔的实际血流速度未知的问题,本文提出根据射频解调多普勒信号中出现的过零点个数来自适应确定管腔内各检测位置的超声发射间隔。通过统计分析可知,平均5过零点可保证靠近管壁和管腔中心各径向检测位置的射频解调多普勒信号具有一致的振荡频率和完整周期性。因此,5过零点将用于自适应确定颈动脉管腔内各检测位置的超声发射间隔。实验结果表明,5过零点自适应确定的各检测点超声发射间隔围绕由理论血流速度确定的发射间隔上下随机波动,反映了5过零点自适应确定各检测点超声发射间隔的有效性。使得自适应发射间隔射频线的血流速度剖面估计结果与可变发射间隔射频线的血流速度剖面估计结果及理论速度剖面具有较好的一致性。 最后,本文通过求固定及自适应发射间隔射频线估计血流速度剖面剪切率获得相应的颈动脉壁面剪切率估计。结果表明,基于自适应发射间隔射频线估计的颈动脉壁面剪切率与理论分析结果具有较好一致性,可为预防及早期诊断颈动脉狭窄疾病提供有用的特异性参数。 综上所述,本文提出的基于MEMD的颈动脉超声多普勒信号管壁杂波抑制方法,可有效提高管壁杂波抑制的性能,使得血管壁及周围缓慢运动组织的低频高强度超声反射杂波信号得到有效抑制的同时能相对完整地提取靠近血管内壁周围的低速血流信号；而自适应自相关血流速度剖面估计法能有效改善血流速度剖面估计的精确性,特别是靠近管腔内壁周围慢速血流速度的估计准确性。这有助于改善超声检测动脉壁面剪切率的可靠性和有效性,为进一步分析粥样硬化斑块病变可能性及其稳定性提供可靠参数,对预测脑血管疾病的发生具有重要意义。
【关键词】：壁面剪切率 颈动脉 管壁杂波抑制 速度剖面检测 自适应信号处理
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R543.5;TP274.53
【目录】：

• 摘要3-6
• Abstract6-10
• 目录10-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12-18
• 1.1.1 动脉粥样硬化的危害及其壁面剪切率估计的重要性12-16
• 1.1.2 动脉血管壁面剪切率超声检测的关键问题16-18
• 1.2 血管壁及周围组织超声反射杂波信号抑制方法的研究现状18-20
• 1.3 血流速度剖面超声估计方法的研究现状20-22
• 1.4 论文主要工作及安排22-26
• 1.4.1 论文的主要工作及创新点22-24
• 1.4.2 论文安排24-26
• 第二章 颈动脉超声信号仿真26-47
• 2.1 轻度狭窄颈动脉超声多普勒信号仿真26-40
• 2.1.1 轻度狭窄颈动脉结构模型27-28
• 2.1.2 轴、径向血流速度剖面28-31
• 2.1.3 轴、径向血流功率谱密度31-32
• 2.1.4 轴、径向正交超声多普勒血流信号仿真32-33
• 2.1.5 正交超声多普勒管壁信号仿真33-34
• 2.1.6 轻度狭窄颈动脉超声多普勒混合信号合成34
• 2.1.7 实验及结果34-40
• 2.2 颈动脉超声射频血流信号仿真40-46
• 2.2.1 Field Ⅱ工具包41-42
• 2.2.2 颈动脉血流组织模型42-44
• 2.2.3 基于FieldⅡ的颈动脉超声射频血流信号仿真44-45
• 2.2.4 实验结果45-46
• 2.3 本章小结46-47
• 第三章 基于多维经验模态分解的颈动脉超声多普勒信号管壁杂波抑制47-77
• 3.1 基于相位滤波经验模态分解的超声多普勒信号管壁杂波抑制47-50
• 3.1.1 经验模态分解算法47-48
• 3.1.2 基于相位滤波经验模态分解的超声多普勒信号管壁杂波抑制48-50
• 3.2 基于多维经验模态分解的颈动脉超声多普勒信号管壁杂波抑制50-55
• 3.2.1 多维经验模态分解算法50-53
• 3.2.2 颈动脉混合正交信号的多维经验模态分解53-54
• 3.2.3 杂波与血流信号的分离54-55
• 3.3 实验及结果55-76
• 3.3.1 仿真实验及结果55-70
• 3.3.2 临床实验及结果70-76
• 3.4 本章小结76-77
• 第四章 自适应自相关血流速度剖面估计77-94
• 4.1 自相关血流速度剖面估计方法78-80
• 4.2 固定发射间隔射频线的血流速度剖面估计80-84
• 4.3 可变发射间隔射频线的血流速度剖面估计84-87
• 4.4 自适应发射间隔射频线的血流速度剖面估计87-92
• 4.5 本章小结92-94
• 第五章 颈动脉壁面剪切率估计94-101
• 5.1 动脉血管壁面剪切率估计94-96
• 5.2 固定发射间隔射频线的颈动脉壁面剪切率估计96-97
• 5.3 自适应发射间隔射频线的颈动脉壁面剪切率估计97-100
• 5.4 本章小结100-101
• 第六章 总结和展望101-106
• 6.1 全文总结101-104
• 6.2 展望104-106
• 参考文献106-115
• 附录：博士期间研究成果115-117
• 致谢11

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 陶倩,汪源源,Jose Cardoso,王威琪;含管壁搏动的超声多普勒血流信号仿真[J];声学学报;2004年03期

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3 张榆锋;高莲;;超声血流信号的计算机仿真模型研究综述[J];云南大学学报(自然科学版);2013年03期

4 高莲;张榆锋;章克信;许雷;郭剑;施心陵;;病变血管内血流分布模型的研究进展[J];系统仿真学报;2014年01期

5 张榆锋,郭振宇,王威廉,周屹,施心陵;用TMS320V549数字信号处理器计算基于AR模型的多普勒超声波的血流时频分布[J];中国生物医学工程学报;2004年05期

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