本文關鍵詞：頸動脈血管壁面剪切率超聲檢測關鍵技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：動脈粥樣硬化是一種常發(fā)慢性血管疾病,表現(xiàn)為脂質(zhì)沉積、炎癥反應,細胞和瘢痕組織堆積在動脈內(nèi)壁,造成動脈管腔狹窄。臨床研究表明,易損頸動脈粥樣硬化斑塊是導致缺血性腦血管疾病的高危因素,也是大多數(shù)腦中風發(fā)生的根本原因,對預測腦血管疾病的發(fā)生有較高的敏感性和特異性。因此積極主動對易損頸動脈粥樣硬化斑塊進行檢測,采取措施促使其轉變?yōu)榉€(wěn)定斑塊甚至消退,對降低腦血管事件導致的致殘率和致死率有重要意義。病理學研究結果表明,作為一種管壁內(nèi)皮細胞基因表達調(diào)節(jié)機制,低剪切率或周期性持續(xù)變化剪切率是一種重要的動脈粥樣硬化病變誘因。超聲診斷技術是目前一種臨床廣泛應用的獲取血管系統(tǒng)血流動力學信息的無損檢測方法。應用超聲設備檢測動脈壁面剪切率,獲得動脈粥樣硬化病變的敏感預測參數(shù)是目前國內(nèi)外研究的熱點。但目前使用超聲直接檢測動脈壁面剪切率存在以下兩個難點：一是如何有效抑制血管壁及周圍緩慢運動組織的低頻高強度超聲反射雜波信號,準確提取靠近血管內(nèi)壁周圍的低速血流信號；另一方面是為提高動脈壁面剪切率檢測的準確性,需改善血流速度剖面估計的精確性,特別是靠近管腔內(nèi)壁周圍慢速血流速度的估計準確性。 針對上述頸動脈血管壁面剪切率超聲檢測存在的兩個關鍵問題,本文提出了相應的解決方案。首先,為提高血管壁及周圍緩慢運動組織的低頻高強度超聲反射雜波信號抑制的性能,并較完整地保留靠近管腔內(nèi)壁周圍的緩慢血流信號,提出了基于多維經(jīng)驗模態(tài)分解(Multivariate empirical mode decomposition, MEMD)的頸動脈超聲多普勒信號管壁雜波抑制方法。MEMD算法是一系列擴展經(jīng)驗模態(tài)分解(Empirical mode decomposition, EMD)算法的總稱,其能同時將信號采集系統(tǒng)多通道獲得的多維信號自適應分解為一系列稱作多維內(nèi)模函數(shù)(Multivariate intrinsic mode functions, MIMFs)的零均值旋轉成分,其中MMFs中各維信號的頻率按提取先后順序是遞減的。本文將分別利用MEMD算法中常用的二維經(jīng)驗模態(tài)分解法(Bivariate Empirical Mode Decomposition, BEMD)、非均勻采樣二維經(jīng)驗模態(tài)分解算法(BEMD with a nonuniform sampling scheme, NS_BEMD)及噪聲輔助三維經(jīng)驗模態(tài)分解算法(Tri-variate empirical mode decomposition with noise assistance,NA_TEMD);分別將含血管壁及周圍組織超聲反射雜波成分的頸動脈超聲多普勒混合信號分解為一系列復內(nèi)模函數(shù)(Complex intrinsic mode functions, CIMFs);然后,根據(jù)管壁與血流超聲反射能量的顯著區(qū)別,借助正交管壁雜波與血流功率比變化曲線拐點,自動提取血流信號對應的CIMFs;最后,將血流信號對應的CMFs疊加重構正交血流信號。仿真實驗結果表明：與理論血流信號相比,使用本文提出的MEMD方法提取頸動脈分叉部多普勒血流信號的歸一化均方根誤差的最大值低于50%,比基于相位濾波經(jīng)驗模態(tài)分解算法的超聲多普勒信號管壁雜波抑制方法(Phasing filter and EMD algorithms, PH_EMD)至少改善了4倍。在臨床試驗中,采集12例健康男性(18到43歲)含管壁搏動成分頸動脈分叉部和橈動脈超聲多普勒血流混合信號做雜波抑制試驗,結果表明：本文提出的基于MEMD的超聲多普勒信號管壁雜波抑制方法能有效濾除臨床采集混合信號中的管壁雜波成分并從中提取靠近管腔內(nèi)壁周圍的慢速血流信號,證明了本文提出管壁雜波抑制方法的有效性和可行性。 為改善血流速度剖面估計的精確性,特別是靠近管腔內(nèi)壁周圍慢速血流速度的估計準確性,本文提出了一種可變或自適應發(fā)射間隔射頻線估計血流速度剖面的方法——自適應自相關血流速度剖面估計法。借助本文提出的基于Field Ⅱ頸動脈超聲射頻血流信號仿真模型,本文首先分析得到了固定發(fā)射間隔(Fixed shooting-interval, FSI)射頻線的頸動脈血流速度剖面估計誤差大,尤其是無法估計出靠近管腔內(nèi)壁周圍慢速血流速度的原因。由于頸動脈血管中血流Poiseuille流動特性,導致FSI射頻解調(diào)多普勒信號的振蕩頻率會隨徑向檢測位置與軸心距離的增加而減少,從而使得靠近管壁周圍的解調(diào)多普勒信號周期性不完整。隨后,在可變發(fā)射間隔射頻線的血流速度剖面估計實驗中,為保證頸動脈各徑向位置射頻解調(diào)多普勒信號具有足夠振蕩頻率及完整周期性,各檢測位置的超聲發(fā)射間隔反比于該點理論血流速度,既頸動脈管腔中心采用較短的超聲發(fā)射間隔,而較長的超聲發(fā)射間隔將用于獲得靠近管腔內(nèi)壁檢測點的血流射頻線。實驗結果表明,可變發(fā)射間隔射頻線估計的血流速度剖面與理論速度剖面具有較好的一致性,靠近管腔內(nèi)壁周圍的低速血流速度估計準確性得到明顯改善。為解決用于確定各徑向位置超聲發(fā)射間隔的實際血流速度未知的問題,本文提出根據(jù)射頻解調(diào)多普勒信號中出現(xiàn)的過零點個數(shù)來自適應確定管腔內(nèi)各檢測位置的超聲發(fā)射間隔。通過統(tǒng)計分析可知,平均5過零點可保證靠近管壁和管腔中心各徑向檢測位置的射頻解調(diào)多普勒信號具有一致的振蕩頻率和完整周期性。因此,5過零點將用于自適應確定頸動脈管腔內(nèi)各檢測位置的超聲發(fā)射間隔。實驗結果表明,5過零點自適應確定的各檢測點超聲發(fā)射間隔圍繞由理論血流速度確定的發(fā)射間隔上下隨機波動,反映了5過零點自適應確定各檢測點超聲發(fā)射間隔的有效性。使得自適應發(fā)射間隔射頻線的血流速度剖面估計結果與可變發(fā)射間隔射頻線的血流速度剖面估計結果及理論速度剖面具有較好的一致性。 最后,本文通過求固定及自適應發(fā)射間隔射頻線估計血流速度剖面剪切率獲得相應的頸動脈壁面剪切率估計。結果表明,基于自適應發(fā)射間隔射頻線估計的頸動脈壁面剪切率與理論分析結果具有較好一致性,可為預防及早期診斷頸動脈狹窄疾病提供有用的特異性參數(shù)。 綜上所述,本文提出的基于MEMD的頸動脈超聲多普勒信號管壁雜波抑制方法,可有效提高管壁雜波抑制的性能,使得血管壁及周圍緩慢運動組織的低頻高強度超聲反射雜波信號得到有效抑制的同時能相對完整地提取靠近血管內(nèi)壁周圍的低速血流信號；而自適應自相關血流速度剖面估計法能有效改善血流速度剖面估計的精確性,特別是靠近管腔內(nèi)壁周圍慢速血流速度的估計準確性。這有助于改善超聲檢測動脈壁面剪切率的可靠性和有效性,為進一步分析粥樣硬化斑塊病變可能性及其穩(wěn)定性提供可靠參數(shù),對預測腦血管疾病的發(fā)生具有重要意義。
【關鍵詞】：壁面剪切率 頸動脈 管壁雜波抑制 速度剖面檢測 自適應信號處理
【學位授予單位】：云南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R543.5;TP274.53
【目錄】：

• 摘要3-6
• Abstract6-10
• 目錄10-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 引言12-18
• 1.1.1 動脈粥樣硬化的危害及其壁面剪切率估計的重要性12-16
• 1.1.2 動脈血管壁面剪切率超聲檢測的關鍵問題16-18
• 1.2 血管壁及周圍組織超聲反射雜波信號抑制方法的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3 血流速度剖面超聲估計方法的研究現(xiàn)狀20-22
• 1.4 論文主要工作及安排22-26
• 1.4.1 論文的主要工作及創(chuàng)新點22-24
• 1.4.2 論文安排24-26
• 第二章 頸動脈超聲信號仿真26-47
• 2.1 輕度狹窄頸動脈超聲多普勒信號仿真26-40
• 2.1.1 輕度狹窄頸動脈結構模型27-28
• 2.1.2 軸、徑向血流速度剖面28-31
• 2.1.3 軸、徑向血流功率譜密度31-32
• 2.1.4 軸、徑向正交超聲多普勒血流信號仿真32-33
• 2.1.5 正交超聲多普勒管壁信號仿真33-34
• 2.1.6 輕度狹窄頸動脈超聲多普勒混合信號合成34
• 2.1.7 實驗及結果34-40
• 2.2 頸動脈超聲射頻血流信號仿真40-46
• 2.2.1 Field Ⅱ工具包41-42
• 2.2.2 頸動脈血流組織模型42-44
• 2.2.3 基于FieldⅡ的頸動脈超聲射頻血流信號仿真44-45
• 2.2.4 實驗結果45-46
• 2.3 本章小結46-47
• 第三章 基于多維經(jīng)驗模態(tài)分解的頸動脈超聲多普勒信號管壁雜波抑制47-77
• 3.1 基于相位濾波經(jīng)驗模態(tài)分解的超聲多普勒信號管壁雜波抑制47-50
• 3.1.1 經(jīng)驗模態(tài)分解算法47-48
• 3.1.2 基于相位濾波經(jīng)驗模態(tài)分解的超聲多普勒信號管壁雜波抑制48-50
• 3.2 基于多維經(jīng)驗模態(tài)分解的頸動脈超聲多普勒信號管壁雜波抑制50-55
• 3.2.1 多維經(jīng)驗模態(tài)分解算法50-53
• 3.2.2 頸動脈混合正交信號的多維經(jīng)驗模態(tài)分解53-54
• 3.2.3 雜波與血流信號的分離54-55
• 3.3 實驗及結果55-76
• 3.3.1 仿真實驗及結果55-70
• 3.3.2 臨床實驗及結果70-76
• 3.4 本章小結76-77
• 第四章 自適應自相關血流速度剖面估計77-94
• 4.1 自相關血流速度剖面估計方法78-80
• 4.2 固定發(fā)射間隔射頻線的血流速度剖面估計80-84
• 4.3 可變發(fā)射間隔射頻線的血流速度剖面估計84-87
• 4.4 自適應發(fā)射間隔射頻線的血流速度剖面估計87-92
• 4.5 本章小結92-94
• 第五章 頸動脈壁面剪切率估計94-101
• 5.1 動脈血管壁面剪切率估計94-96
• 5.2 固定發(fā)射間隔射頻線的頸動脈壁面剪切率估計96-97
• 5.3 自適應發(fā)射間隔射頻線的頸動脈壁面剪切率估計97-100
• 5.4 本章小結100-101
• 第六章 總結和展望101-106
• 6.1 全文總結101-104
• 6.2 展望104-106
• 參考文獻106-115
• 附錄：博士期間研究成果115-117
• 致謝11

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 陶倩,汪源源,Jose Cardoso,王威琪;含管壁搏動的超聲多普勒血流信號仿真[J];聲學學報;2004年03期

2 周彥婷;汪源源;;改進的經(jīng)驗模態(tài)分解法分離超聲多普勒血流與管壁信號[J];聲學學報;2010年05期

3 張榆鋒;高蓮;;超聲血流信號的計算機仿真模型研究綜述[J];云南大學學報(自然科學版);2013年03期

4 高蓮;張榆鋒;章克信;許雷;郭劍;施心陵;;病變血管內(nèi)血流分布模型的研究進展[J];系統(tǒng)仿真學報;2014年01期

5 張榆鋒,郭振宇,王威廉,周屹,施心陵;用TMS320V549數(shù)字信號處理器計算基于AR模型的多普勒超聲波的血流時頻分布[J];中國生物醫(yī)學工程學報;2004年05期

  本文關鍵詞：頸動脈血管壁面剪切率超聲檢測關鍵技術研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：290876