不同狭窄程度血管中血流最大速度及对应频率提取研究

发布时间：2017-09-17 10:21

  本文关键词：不同狭窄程度血管中血流最大速度及对应频率提取研究

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【摘要】：近年来,随着生活水平的提高和医疗技术的快速发展,心脑血管疾病的发病率和发现率大大提高,而动脉血管病变,颈动脉血管狭窄,动脉血管粥样硬化是导致心脑血管疾病的重要发病因素。临床上,对动脉血管的检测主要用于超声检测技术,但很难准确提取出狭窄血管中的血流速度和血管病变程度,因此研究颈动脉在不同狭窄程度情况下提取血管中血流最大速度及其对应最大频率规律有重要意义。血流最大速度,也即超声多普勒最大频率。通过从血流多普勒功率谱确定最大频率,进而计算血流最大速度是临床及研究广泛应用的方法。常用的包括简单阈值法、百分比法、阈值交叉法、混合法、改进的百分比法、几何法等。这些方法虽简单易行,但由于存在固有频谱展宽及谱估计窗口展宽,确定最大频率存在困难。另一方面,血流信号容易被噪声干扰。在实际检测中,不同噪声水平会污染血流频谱,从中提取的最大频率存在不同程度的失真,会降低最大速度估计的可靠性和准确性。为了克服传统方法的不足,David等人提出从多普勒功率谱中确定正常血管血流最大速度的新方法。结果表明,在正常血管中,血流最大速度对应的最大频率位于多普勒频谱下降沿的中间位置。由于频谱下降沿的位置是通过功率最大值与最小值之差确定,在计算过程中噪声会相互抵消。因此,该方法有效避免了噪声干扰,其准确性和可靠性较传统方法高。然而,该研究针对正常血管,血流流态呈抛物线分布的稳流情况。在临床实践中,硬化斑块会造成血管狭窄,血流流态变得复杂,对应的多普勒频谱会加宽。上述的频谱下降沿中位法不再适用。因此,研究不同程度狭窄血管的血流最大速度提取对血管疾病的检测和诊断更具临床意义。本文研究了狭窄血管中血流速度与多普勒功率谱的对应关系,确定了不同狭窄程度血流最大速度与功率谱中对应频率的变化规律,获得了狭窄血管中血流最大速度提取的新方法。首先建立双边轴对称狭窄血管几何模型,通过求解纳维一斯托克斯方程(Navier-Stokes equations,NSEs)得到不同狭窄程度的血流流速分布,并据此移动在声场中血管内的每个粒子；在观测时间窗口内,每个粒子的加窗信号在频域中的功率谱为对应线谱与sinc函数卷积的平方,将它们叠加起来可获得血管段的血流多普勒频谱。与速度分布中的最大值比较,根据二者交叉点确定其在功率谱中对应的最大频率位置。在理论计算中,分别提取了正常(0%)、及5%、10%、20%、30%、40%狭窄血管最大频率在频谱中的位置,确定了不同狭窄程度血流最大速度与功率谱中对应频率的变化规律,获得了根据血管狭窄程度或血流最大速度范围从血流功率谱中提取血流最大速度的新方法。理论计算表明,不同狭窄程度血流最大速度对应最大频率在功率谱下降沿的位置不同；正常血管对应于功率谱下降沿的中位,并随狭窄程度增加下移,其下移量与狭窄程度近似成直线趋势变化。狭窄程度增大至40%时,最大频率位于下降沿0.32倍位置。为验证该方法的有效性,本文还进行了计算机仿真实验。对不同狭窄程度的血管模型用Field Ⅱ仿真超声多普勒血流信号,应用短时傅里叶变换计算对应的功率谱,确定最大频率位置,并与理论计算的结果相比较。结果表明,本文方法的仿真实验结果与理论计算有较好的一致性,证明了方法的有效性和正确性。研究结果有助于准确提取狭窄血管血流的最大速度。
【关键词】：超声多普勒 血流最大速度 狭窄血管 多普勒频谱 最大频率 血流检测
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R543
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 研究目的和意义9-10
• 1.2 研究背景10-14
• 1.2.1 心脑血管疾病及其危害10-11
• 1.2.2 血管狭窄与动脉粥样硬化11-13
• 1.2.3 超声多普勒在狭窄血管血液动力学检测上的应用13-14
• 1.3 国内外研究状况14-16
• 1.4 论文的主要工作16-18
• 第二章 狭窄血管超声多普勒血流功率谱的新方法和原理18-34
• 2.1 超声多普勒血流检测原理18-21
• 2.1.1 多普勒效应18-19
• 2.1.2 超声多普勒检测血流原理19-20
• 2.1.3 多普勒检测血流方法20-21
• 2.1.4 多普勒频移信号的解调方法21
• 2.2 狭窄血管模型21-23
• 2.2.1 动脉局部狭窄21-22
• 2.2.2 双边轴对称狭窄血管模型22-23
• 2.3 血流的流速分布23-30
• 2.3.1 纳维-斯托克斯方程简介(NSEs,Navier-Stokes equations)23-24
• 2.3.2 血流的流速分布24-30
• 2.4 多普勒血流的功率谱计算30-33
• 2.5 血流最大速度的确定方法33-34
• 第三章 实验和结果34-56
• 3.1 理论计算及结果34-41
• 3.2 仿真实验41-45
• 3.2.1 Field Ⅱ简介41-42
• 3.2.2 仿真实验的基本思路42
• 3.2.3 主要的数学方法42-45
• 3.3 仿真实验结果45-53
• 3.4 定量对比分析53-56
• 第四章 总结及进一步工作56-59
• 4.1 全文结论56-57
• 4.2 下一步的研究规划57-59
• 参考文献59-62
• 附录 硕士就读期间科研成果62-63
• 致谢63-64

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