眼部超声Doppler血流计的研制

    眼球作为中枢神经系统的一个外延部分是身体中血供最为丰富的组织之一,它在血管构造上有明显特点。在人类和许多其他动物中,眼底的血液循环系统是由两套血管系统组成,视网膜中央动脉系统供应视网膜的内层,睫状动脉系统供应视网膜的外层和葡萄膜组织。这种血管结构对维持眼部的血液供应,发挥眼部正常的生理功能有着非常重要的作用。

    研究发现,眼底循环功能异常是许多眼部疾病的重要病理生理基础。如糖尿病视网膜病变与视网膜血流动力学异常存在明显关系[1];年龄相关性黄斑变性与脉络膜灌注异常有关。特别是青光眼,在发达国家是第二大致盲因素,在我国也是重要的致盲病因。一般认为青光眼是由眼内压升高引起的(正常人眼内压1 599.864~2 799.762 Pa),因此,在治疗该病时主要使用降眼压药物。近年来临床发现眼压并不是导致青光眼神经病变的唯一原因,许多眼压正常的人或眼压偏低的人也患青光眼。研究表明眼底血液循环功能的改变在青光眼视神经病变中有着重要作用,特别是视乳头血管系统的自身调节机能失调,眼血流速度减慢均会加速青光眼视野损害^[2],因此,检测眼部血流速度相对变化和眼部血流状况,对眼部疾病的诊断和治疗具有非常重要的意义。

    1　工作原理

    血液由血浆和血细胞(主要是红细胞)组成。当高频超声波信号射入血流时,入射声波的一部分被流动的血细胞散射而导致散射信号的频率发生变化,即多普勒频移[3]。图1为超声Doppler血流测量原理图。设发射探头T产生的超声波的频率为f_T,血细胞的流动速度为v_B,超声波在血液中的传播速度为v_s。a为某特定细胞的反射超声波途径,设其总长为L,则超声波从T传播到接收探头R的时间为t₁=L/v_s,b为该细胞反射下一个超声脉冲途径,此时细胞移动的距离为vB/fT,故从T到R的反射途径缩短为

    事实上,超声波在逆流中传播速度慢,在顺流中传播速度快,但在整个传播途径中可认为两种作用可相互抵消,所以可以近似认为vs为常数。造成频移的主要因素是血细胞的运动。

   经途径b到达R的信号周期为

根据测得的Δf可求出vB,即血流速度。

    由于血液是由大量的血细胞(主要是红细胞)组成,而Doppler信号是大量血细胞散射声波的效应总和,且各个血细胞运动速度各异,因此,Doppler频移不是单一频率而是具有一定的带宽,在时域技术中测得的实际是均频率。此外,假设血管截面积变化不大,在一个心动周期内对平均血流速度积分,可得单个心博内血容量的相对变化,再乘以心率,可得每分钟眼部血容量的相对变化量。