CN102670252B - 颅内压无创测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颅内压无创测量方法，包括以下步骤：步骤一：采用至少两个同规格的超声波传感器，得到正常超声波幅值与相位基准信号；步骤二：将超声波传感器分别设置于待测量头颅的两侧太阳穴位置，采用与步骤一相同的激励的超声波信号参数，再次将超声波传感器所采集的信号经过处理后传入计算机，通过差值解调方法就可以检测出附加压力的值，即颅内压；另外，本发明还公开了一种用于颅内压无创测量的系统，采用本发明，传感器无需深入到测量对象（头颅）的内部，其超声波对人体是无害的，从而实现了测量对象（头颅）得无损超声波检测，克服现有检测装置不能对测量对象（头颅）进行无创检测的缺点。

Description

颅内压无创测量方法及系统

技术领域

 本发明涉及信号测量分析技术领域，特别涉及一种颅内压无创测量方法，同时还涉及一种测量系统。

背景技术

超声波技术作为一种无损检测手段，广泛应用于生命医疗，食品分析，质量控制，材料科学领域和地球物理领域等。物体受力会发生形变，又因物体的质量是一定的，所以物体的密度会发生相应的改变。超声波在物体内传播特性都与物体的材料、密度、硬度、温度等参数都有关系，在只考虑物体密度的情况下，就可以得到物体受力与超声波的波长与相位的关系，利用此理论就可以得到颅内压与超声波波长的关系。由于其激励和检测均是在物体外部进行，因此超声波检测是一种无创检测技术。本发明提出一种全新检测颅内压的方法与装置，具有广阔的应用前景。

超声波传感器和超声波信号采集卡是颅内压无创检测的核心装置。超声波传感器是利用压电效应而做成的，其按波型可分为横波传感器和纵波传感器，因为其应用领域广泛，所以超声波传感器的频率从几万赫兹到几兆赫兹不等，且其形状也会根据需要而改变。信号采集卡可以直观将超声波波形及参数显示到计算机上，其频率一般是对应传感器频率的20倍以上，这样才能更精确的采集到信号。为了更好地利用计算机分析数据，信号采集卡又必须和计算机相兼容。这对信号采集卡的参数都有一定的要求。

传统的颅内压检测都需要在头颅上打孔，在临床应用中会给患者带来一定的痛苦，且这样既对头颅有损伤又不能反复进行，其后期的头颅伤口感染可以直接导致病人死亡，。因此目前的颅内压检测急需一种无创且可以长时间反复进行的检测方法与装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种颅内压无创测量方法，其传感器无需深入到测量对象（头颅）的内部，其超声波对人体是无害的，从而实现了测量对象（头颅）得无损超声波检测；本发明的目的之二是提供一种用于颅内压无损测量系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 

颅内压无创测量方法，包括以下步骤：

步骤一：采用至少两个同规格的超声波传感器，将其分别设置于颅内压正常的头颅的两侧太阳穴位置，然后设定好激励的超声波信号参数，发出在头颅中传播的激励的超声波信号，超声波传感器所采集的信号经处理后传入计算机，得到正常超声波幅值与相位基准信号；

步骤二：将超声波传感器分别设置于待测量头颅的两侧太阳穴位置，采用与步骤一相同的激励的超声波信号参数，再次将超声波传感器所采集的信号经过处理后传入计算机，当颅内压的改变时，在颅内传播的超声波幅值与相位也会相应地变化，通过差值解调方法得出超声波幅值与相位的变化，就可以检测出附加压力的值，即颅内压；

步骤一测得的结果作为基准记录在计算机中，在以后的颅内压测量中，只需要重复步骤二即可。

进一步，所述步骤一至少重复三次，根据多次测量的结果，通过误差分析技术，得到最终的正常超声波幅值与相位基准信号。

本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：

颅内压无创测量系统，包括

超声波发生器，用于提供在头颅中传播的激励的超声波信号；

超声波传感器，数量至少为两个，设置在待测量头颅的两侧太阳穴，用于接收在头颅中传播的超声波信号；

信号采集卡，用于接收超声波传感器输出的采集信号，并进行处理；

分析主机，用于对信号采集卡处理后的信号进行分析处理，根据正常超声波幅值与相位信号，通过差值解调方法得出超声波幅值与相位的变化，检测出附加压力的值，即颅内压。

进一步，超声波发生器与超声波传感器制成一体，即超声波传感器具有发射超声波信号和接收超声波信号的功能。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种应颅内压无创测量方法与装置，该装置所激励的超声波可以在检测对象（头颅）的内部传播，其传感器无需深入到测量对象（头颅）的内部，其超声波对人体是无害的，从而实现了测量对象（头颅）得无损超声波检测，克服现有检测装置不能对测量对象（头颅）进行无创检测的缺点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的颅内压无创测量的装置示意图；

图2为本发明实施例提供的力作用于物体示意图；

图3为本发明实施例提供的检测对象（头颅）受附加力为F情况下超声波的传播波形分布示意图；

图4为本发明实施例提供的检测对象（头颅）受附加力(F+ΔF)作用下超声波传播波形分布示意图。

图5为本发明实施例提供的利用COMSOL模拟检测对象受附加力为F情况下超声波的声压分布示意图；

图6为本发明实施例提供的利用COMSOL模拟检测对象受附加力为(F+ΔF)作用下超声波传播的声压分布图示意图。

图7为本发明实施例提供的实测检测到超声波的幅值与物体受力的关系图。

图8为本发明实施例提供的实测检测到超声波的位相与物体受力的关系图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的颅内压无创测量的装置示意图；图2为本发明实施例提供的力作用于物体示意图；图3为本发明实施例提供的检测对象（头颅）受附加力为F情况下超声波在传播波形分布图；图4为本发明实施例提供的检测对象（头颅）受附加力(F+ΔF)作用下超声波传播波形分布图。图5为本发明实施例提供的利用COMSOL模拟检测对象受附加力为F情况下超声波的声压分布示意图；图6为本发明实施例提供的利用COMSOL模拟检测对象受附加力为(F+ΔF)作用下超声波传播的声压分布图示意图。

本发明提供的一种颅内压无创测量方法，具体实施包括以下步骤：

步骤一：采用两个同规格的超声波传感器，将其分别设置于颅内压正常的头颅的两侧太阳穴位置，然后设定好激励的超声波信号参数，发出在头颅中传播的激励的超声波信号，超声波传感器所采集的信号经处理后传入计算机，得到正常超声波幅值与相位基准信号；

步骤二：将超声波传感器分别设置于待测量头颅的两侧太阳穴位置，采用与步骤一相同的激励的超声波信号参数，再次将超声波传感器所采集的信号经过处理后传入计算机，当颅内压的改变时，在颅内传播的超声波幅值与相位也会相应地变化，通过差值解调方法得出超声波幅值与相位的变化，就可以检测出附加压力的值，即颅内压；

步骤一测得的结果作为基准记录在计算机中，在以后的颅内压测量中，只需要重复步骤二即可。

本方法中，将传感器放在对象（头颅的太阳穴位置），更有利于超声波信号的传播。

将接收超声波传感器所检测到的正常测量对象（头颅）的内压记录下来作为基准，再将检测到的异常测量对象（头颅）的内压与其正常测量对象（头颅）的内压进行差值解调对比得出差值超声波信号，从而反映出测量对象（头颅）的内压，将采集到的多组超声波信号进行差值解调，就可以得出测量对象（头颅）的某一内压值所对应的唯一超声波信号，反过来此超声波信号也唯一反映此测量对象（头颅）的内压值。 

根据上述方法的设计思想，本发明的颅内压无创测量系统，包括

（1）超声波发生器，用于提供在头颅中传播的激励的超声波信号；

（2）超声波传感器，数量至少为两个，设置在待测量头颅的两侧太阳穴，用于接收在头颅中传播的超声波信号；

（3）信号采集卡，用于接收超声波传感器输出的采集信号，并进行处理；

（4）分析主机，用于对信号采集卡处理后的信号进行分析处理，根据正常超声波幅值与相位信号，通过差值解调方法得出超声波幅值与相位的变化，检测出附加压力的值，即颅内压。

本实施例中，超声波发生器与超声波传感器制成一体，即超声波传感器具有发射超声波信号和接收超声波信号的功能。

    本发明具体实施方式是在超声波传播理论基础上而搭建起来的装置，其理论为测量对象（头颅）受附加力时物体会发生形变，从而改变物体的密度，那么超声波传播特性也会相应地改变，利用差值解调法可以得到附加力（即颅内压），其装置是由两个同型号的超声波传感器（即可接收又可发射）和信号采集卡为主体而构成的，其传感器分别在测量对象（头颅）相对的两侧，其激励的超声波信号参数将其固定不变，其附加压力在测量对象（头颅）的正上方。信号采集卡的频率一般是对应传感器频率的20倍以上，这样才能更精确的采集到信号。为了更好地利用计算机分析数据，信号采集卡必须和计算机相兼容。

图1为本发明实施例所提供颅内压无创测量的装置示意图，其解调方法为为本发明实施例所提的差值解调方法，其检测装置在物体外部固定即可。

图2为物体受力与超声波传播特性关系的示意图，利用差值解调方法检测出测量对象（头颅）所受的附加力，原理详细描述如下：

图2中，平面谐波的波函数： y(x,t)=Acos[ω(t-                                               )+]（1）

固体中的纵波速：    

                      （2），其中E为固体的杨氏模量，ρ为固体的密度。

固体杨氏模量：      E=

                       （3），其中F为面积S上所承

受的力，为在此力作用下物体的形变量。

如图2所示，附加力F作用在面S上，物体要发生ΔL压缩形变。此时立方体密度为：

                             （4）      

此时超声波在物体里的波速

则

得：

                  

L          （5）

由公式(3)得：                       （6）

其中,，代入（6）式得出：

                   

                   （7）

可以得到附加力与超声波波长的关系，当超声波入射到物体时会产生压强P，即为声压，而平面波（1）式对应的声压为：

（8）

其中会变化的相位

针对声压的幅值

,其中

为常量，则有：            

         （9）

将（9）式代入（6）式得：

   

       （10） 

当附加力增加到F+ΔF时，则由（10）式得：

                       （11）

由（10）式和（11）式得：

             

         （12）

由（12）式得出附加力ΔF与前后两次声压幅值及相位的关系。

    图3为理论上模拟检测对象（头颅）受附加力为F时超声波在物体里传播时的波形，图4为检测对象（头颅）受附加力为(F+ΔF)时超声波传播的波形变化，其波长变短，同一点的超声波相位也发生了变化。

图5是利用COMSOL模拟检测对象受附加力为F时情况下超声波在物体中传播时声压分布，图6为利用COMSOL模拟检测对象受附加力为(F+ΔF)时超声波的声压分布图，其超声波声压幅值分布图发生了改变，可以得出其受附加力与超声波声压幅值的关系，

图7为本发明实施例提供的实测检测到超声波的幅值与物体受力的关系图，可以看出附加力随超声波幅值的变化关系，附加力随着超声波幅值的增加而增加。图8为本发明实施例提供的实测检测到超声波的位相与物体受力的关系图可以看出附加力随超声波相位的变化关系，附加力随着超声波相位的增加而增加。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.颅内压无创测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：采用至少两个同规格的超声波传感器，将其分别设置于颅内压正常的头颅的两侧太阳穴位置，然后设定好激励的超声波信号参数，发出在头颅中传播的激励的超声波信号，超声波传感器所采集的信号经处理后传入计算机，得到正常超声波幅值与相位基准信号；

步骤二：将超声波传感器分别设置于待测量头颅的两侧太阳穴位置，采用与步骤一相同的激励的超声波信号参数，再次将超声波传感器所采集的信号经过处理后传入计算机，当颅内压的改变时，在颅内传播的超声波幅值与相位也会相应地变化，通过差值解调方法得出超声波幅值与相位的变化，就可以检测出附加压力的值，即颅内压；

步骤一测得的结果作为基准记录在计算机中，在以后的颅内压测量中，只需要重复步骤二即可。

2.根据权利要求1所述的颅内压无创测量方法，其特征在于：所述步骤一至少重复三次，根据多次测量的结果，通过误差分析技术，得到最终的正常超声波幅值与相位基准信号。

3.颅内压无创测量系统，其特征在于：所述系统包括

超声波发生器，用于提供在头颅中传播的激励的超声波信号；

超声波传感器，数量至少为两个，设置在待测量头颅的两侧太阳穴，用于接收在头颅中传播的超声波信号；

信号采集卡，用于接收超声波传感器输出的采集信号，并进行处理；

分析主机，用于对信号采集卡处理后的信号进行分析处理，根据正常超声波幅值与相位信号，通过差值解调方法得出超声波幅值与相位的变化，检测出附加压力的值，即颅内压。

4.如权利要求3所述的颅内压无创测量系统，其特征在于：所述超声波发生器与超声波传感器制成一体，即超声波传感器具有发射超声波信号和接收超声波信号的功能。

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