随着现代医学的发展，超声诊断类设备在医院应用中非常广泛，多普勒原理在超声诊断技术中的成功应用，是医学和仪器工程领域的重大进步之一。超声多普勒血流成像系统不仅能够直观、形象地展示组织、心脏、血管的解剖形态和声学质感，而且能够通过定量检测和计算，获得心脏搏动、心肌运动、血流速度、血管阻力等参数，从而使超声诊断实现了从静态到动态、从形态到功能的扩展。利用超声多普勒设备测量血管内血液流速是此类设备的重要用途，临床所用的设备多为在体外测量血液流速，此类设备具有无创、成像速度快、安全性好、测量稳定可靠等特点，在临床检测中具有重要作用。

由于临床对术中血管和浅表血管内血液流速的测量需求日益增加, 以超声多普勒为原理的术中和浅表血流监测设备应运而生。超声多普勒流量计，其原理是利用超声波在流动媒质中传播的多普勒效应，通过测定流动媒质中运动粒子（如微粒、气泡）散射声波所产生的多普勒频移，来测量流动媒质中超声传播速度的变化，从而测定媒质的流速流量^[1]。此类产品的特点是其超声发射信号较小，需声窗贴于血管表面进行测量，这些特点都与以前的超声多普勒血流测量产品有一定的差异，因此对于此功能验证方面，尚无相应的国行标要求，但审评部门要求该类设备的性能部分的试验参照YY 0767- 2009^[2]、YY 0593-2005^[3] 等已有行业标准的试验方法进行验证。因此，本实验室针对此要求进行超声多普勒术中及浅表血流模拟系统的研制。

根据超声传感器发射超声波的激励形式一般多普勒流量计分为两种：连续波多普勒法^[4] 和脉冲波多普勒法。

图1 为连续波多普勒流量计原理图，发射传感器在连续不断的激励信号的作用下，发出连续的超声波，超声波被流体中的杂质颗粒或气泡散射或反射后被接收传感器接收，该接收到的超声波的频率会随颗粒移动速度的不同而变化，根据频率变化的大小来获得颗粒的速度，颗粒或气泡的速度和其所在流体的流速可认为是相等的，这样也就间接地求出了流速，进而可以计算管道的流量^[5]。

图1  连续波多普勒流量计原理图

图2 为脉冲波多普勒流量测量原理图，脉冲波多普勒法^[6] 激励发射传感器的电信号是仅有几个周期长的短脉冲^[7]， 发射体发射脉冲后，切换信号，该传感器又开始接收反射回来的超声波，根据反射的短脉冲到达传感器的时间的不同来判断不同反射体距离管壁的位置，从而求出短脉冲相对于发射频率的便宜 ，于是求出整个管道的流速剖面，求出流量^[8]。

   图2  脉冲波多普勒流量测量原理图

目前，常见的超声多普勒血流模拟设备有仿血流多普勒体模^[9] 和弦线式多普勒体模两种。

仿血流多普勒体模的优点是真实模拟人体软组织及血液，能够直接检测出被测设备的探测深度和流速测量准确性。但也存在局限性：血管与声窗的最小距离固定，且软组织材料对超声信号的衰减无法避免，不利于较弱超声多普勒信号的反射接收和被接收，对某些声输出较小的被测设备无法实现测量。

弦线式多普勒体模的优点是模拟血管内血液的弦线与声窗的最小距离可调，因用水代替仿组织材料，故对超声信号的衰减很小，便于对声输出较小信号的测量。当然， 该系统也存在一定的局限性：因不是真实模拟血管内血流情况，只对血液最高流速进行模拟，不能满足某些对流量测量有要求的被检设备。

鉴于常见体模不能有效满足术中超声血管流量计和浅表血管超声多普勒测量仪的检测需求，需研制能满足浅表血管超声诊断设备（超声发射信号较小）和术中血管超声诊断设备（需声窗贴于血管表面进行测量）测量需求的血流模拟系统。该系统能实现模拟血管与声窗的最小距离可调，最大限度去除声窗与血管之间的超声信号的衰减，使之既能满足测量信号较小，同时可以测量流量与流速。

本项目设计的超声多普勒血流模拟系统，通过模拟输出校准过的血液流速、流量、脉率信息，对基于超声多普勒技术的、用于手术中血管血流参数测量的设备进行流速、流量、脉率等测量功能的检验和校准（图3）。

该系统具有以下优点：（1）通过液晶触摸屏进行人机交互，可直接输入流速，无需观察流量计反复调节，操作方便；（2）仿血管浸泡在液体中，便于直接接触使用；（3） 具有恒流模式和校准功能，可进行流速校准、流量校准；（4） 具有脉冲模式，可对脉率参数进行模拟；（5）提供了1、2、3、4 mm 4 种管径的模拟血管，可供不同部位血管流量测试选择，并可在相同流量的条件下形成流速梯度。

图3 超声多普勒血流模拟系统

超声多普勒血流模拟系统由控制系统和液路系统构成，控制系统包括液晶触摸屏、单片机控制板、驱动板和蠕动泵。液晶触摸屏实现人机交互，用于显示运行状态， 输入设定参数。单片机控制板和液晶触摸屏进行通信，接收液晶屏输入的各种参数通过驱动板控制蠕动泵的运行。液路系统由仿血管、仿血液、液路管、三通电磁阀、储液罐、缓冲罐和水槽组成。仿血管共有4 路，内径分别是1、2、3、4 mm。

液晶触摸屏有主界面、系统信息、定标界面和运行界面。在定标界面可进行流速定标或流量定标。1、2、3、4 号仿血管可以单独进行流速定标。在运行界面可选择恒流运行模式或脉冲运行模式，可选择1、2、3、4 号仿血管设置运行流速。

仿血液的本质是由液体连续相和固相散射体构成的悬浮系，用来模拟血液中的血清和血细胞。本装置采用的是美国ATS 公司研制的707 型多普勒仿血液，其声速、密度和黏度参数与真血相似度较高。

仿血管采用的是声学特征与真实血管较为近似，且耐老化性能较好的硅胶材质管材，经测试满足装置要求。同时， 为实现不同流速的梯度化模拟，以及满足被测设备的实际需求，选取了1、2、3、4 mm 四种内径的仿血管。
蠕动泵是本系统的动力源。用于驱动仿血液在液路系统中持续流动。其转速可由外部软件参数的输入直接控制。调节蠕动泵转速可使流量在一定范围内变化。蠕动泵选用卡川尔流体科技（上海）有限公司生产的型号为SA-24V 型步进电机。其流量范围满足装置需求。

该系统的研制，既帮助超声多普勒术中及浅表设备生产企业解决产品研发和质控阶段的实际问题，又满足技术监管部门对此类血流测量设备的检测需求。本项目后续还将对系统的准确性和可靠性进行进一步的验证。

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