流量测量方法、超声装置、超声数据处理方法及存储介质与流程

本发明涉及流体流量测量领域，尤其涉及一种流量测量方法、超声装置、超声数据处理方法及存储介质。

背景技术：

1、现有的流体流量测量方法包括：压差式、涡街式、电磁式、超声式、转子式、容积式、涡轮式、科力式等，以上方法均有各自的缺点，比如压差式流量计精度较低、有一定压力损失、有泄漏风险等缺点；涡街式流量计须安装在测量管道内，有压力损失、易被流体腐蚀、对管道振动敏感等缺点；电磁式流量计不能测量电导率低的液体介质，不能测量石油制品或有机溶剂介质等缺点；转子式流量计须置入流体内部，只适合于测量小流量流体，易发生堵塞且对流体清洁度有较高要求；容积式流量计虽然精度较高，但是压力损失大，破坏原有流体的流动状态；涡轮式流量计须置入流体内部，存在压力损失且易被腐蚀等缺点；科力式流量计虽然精度较高，但设备昂贵，有压力损失，对流体清洁度要求高，且对大口径管的测量受限制；对于高粘度流体，由于横截面流体速度差异大，所有通过流体流速来计算流量的方法均会导致误差较大，以上流量测量方法，除容积法外，无一种可适用。现有超声式流量计所采用的测量原理是横截面面积与流体流动速度的乘积，但有粘度的流体以层流的方式流动，流体流速从管道中心到管壁逐渐降低，对流速的测量和计算存在较大误差。

2、以上流体流量测量方法中，除容积式流量计外，均通过间接的方式对流量进行测量，所以对于被测流体有较高的要求，比如低粘度、高清洁度、高导电性能、须置入管道内部等。并且现有流量测量方法中，没有一种测量法可适用于弹性管道内的流体测量，尤其是弹性管道内脉冲式流体流量的测量，比如生物体血管内血液流量的测量方法，所以就需要一种适用于弹性管道内脉冲式流体流量的方法。

3、生物体血管血液流量的测量，是典型的适用于弹性管道内脉冲式流体流量测量方法的应用场景，除此之外，弹性管道内脉冲式流体流量测量方法也适用于工业领域。在医学领域，超声测量技术因其非侵入性、无辐射、操作简便等特点，成为流量测量最常用的技术。但现有超声装置，不具有测量血管内血流脉冲波数据的功能，因此就需要一种能测量血管内血流脉冲波数据的超声装置。上述超声设备，结合一种适用于弹性管道内脉冲式流体流量的方法，可使得对弹性管道内脉冲式流体流量测量，尤其是对血管内血液流量测量更加精确和便捷。精确的流量数据可对医学诊断、治疗、工业制造、工业控制等领域产生积极作用。

技术实现思路

1、为了解决现有流体流量测量方法不适用于弹性管道内脉冲式流体流量测量的缺点，本发明公开了一种流量测量方法、超声装置、超声数据处理方法即存储介质，具体为一种弹性管道内脉冲式流体流量测量方法，以提高弹性管道内脉冲式流体流量测量的精确度，本方法在使用时无需考虑流体的粘度、清洁度、导电性能等。本发明公开的一种流量测量方法，为一种全新的流量测量方法，为了行业规范和应用方便，可将本方法命名为“脉冲波容积法”。说明书将结合附图内容对本发明公开的流量测量方法、超声装置、超声数据处理方法及存储介质进行详细说明。

2、本发明提供的具体技术方案如下：

3、一种流量测量方法，包括：

4、1)一长度为l、原始半径为r的弹性管道包括流入端、流出端，所述弹性管道由弹性材质制成，在受外力作用时可发生形变，当外力消失后，弹性管道恢复至原来的形状。弹性管道内充满流体，流入端和流出端处的压强相等，此时弹性管道内的流体流速为0，此时弹性管道的形状为原始形状，此时弹性管道的容积为原始容积v0，所述流体速度为0，指管道内所有流体质点移动的速度为0，所述流体为不可压缩流体；

5、2)一次体积为vin的脉冲式流体从流入端流入弹性管道，且未从流出端流出，任一瞬间，脉冲式流体在弹性管道中形成的超出弹性管道原始形状的形变部分为一类脉冲波，一类脉冲波是由弹性管道的管壁发生朝向外侧的、连续的、渐进的凸起所形成的波，是一种绕管道一周的立体的机械波，一类脉冲波的波长为λ，所述波长λ为任一瞬间，一类脉冲波与弹性管道原始形状在流入端的交点b到流出端交点a的距离，其中λ≤l，此时所述弹性管道发生形变后的容积为v1；一类脉冲波整体从流入端的一侧向流出端的一侧移动的速度，为波速c，通常采用同一个脉冲波的同一特征部位的移动速度来代表波速c，比如波峰p′到p的移动速度。所述脉冲式流体，是相对于连续流体而言的，指以脉冲的形式，每次以一定的体积以及初始动能流入弹性管道的流体，本次脉冲式流体流入后，接着有一段时间的间隙期，间隙期无流体流入管道。

6、3)一类脉冲波与弹性管道原始形状之间围成的容积，为脉冲波容积vw，可求出：

7、vw＝v1-v0；…………①

8、4)最后，体积为vout的流体从弹性管道的流出端流出，弹性管道的形变消失，恢复至原始形状且弹性管道内的流体流速变回到0，此时弹性管道的容积为v2；

9、当弹性管道在一次脉冲式流体从流入端流入前的容积与此次脉冲式流体从流出端流出之后的容积相等，即v2＝v0，根据质量守恒定律，则可求得所述一次脉冲式流体从流入端流入的体积vin等于此次脉冲式流体从流出端流出的体积vout，且等于此次脉冲式流体从流入端流入之后、从流出端流出之前的弹性管道的容积v1与弹性管道的原始容积v0之差，即

10、vin＝vout＝v1-v0；…………②

11、且vin＝vout＝v1-v2；…………③

12、5)由公式①②③可得出：

13、vw＝vin＝vout；…………④

14、6)获取单位时间内每一次脉冲式流体的体积vw，对每一次脉冲式流体的体积vw求和，则可得出单位时间内脉冲式流体经过弹性管道的容积流量q；

15、进一步地：

16、当λ>l时，一类脉冲波的整体轮廓不会整体显示在弹性管道上，不能直观地测量或者获取，如果弹性管道由弹性均匀的材质制成，具有均匀的弹性，且弹性管道横截面在流体流经过程中始终为圆形，采用以下步骤：

17、1)截取弹性管道的一个横截面，所述横截面为一个与弹性管道轴心垂直的平面，一类脉冲波经过横截面时引起横截面上弹性管道管壁的每一个质点向外的运动，弹性管道横截面上的每一个管壁质点向管道外的运动幅度△r以及运动节律一致，记录其中一个管壁质点在横截面上的运动幅度△r在时间轴上形成的曲线，为二类脉冲波，二类脉冲波的横轴为时间t，纵轴为横截面上的管壁质点运动幅度△r，其中二类脉冲波的周期为t，波长为λ′，λ′为二类脉冲波在记录图像或记录图纸上的长度；所述周期t为横截面上的管壁质点开始从原始位置向管道外侧运动到回到原始位置的时间，为一次脉冲波所消耗的时间，二类脉冲波的周期t与波长λ′在记录图像上长度相等；

18、2)将二类脉冲波转换为三类脉冲波，即将二类脉冲波的横轴转换为三类脉冲波的长度，具体为将t或者λ′转换为λ，其中λ＝ct，c为一类脉冲波的波速，转换方式为：保持图像在纵轴方向上不变，将图像在横轴方向上进行等比例拉伸或者压缩，其中拉伸或者压缩的比例为λ/λ′，当λ>λ′时，图像为拉伸，当λ<λ′时，图像为压缩，经上述处理后得到的以管道质点运动幅度△r为纵轴，以实际长度或者λ为横轴的曲线，为三类脉冲波在弹性管道纵切面的投影，该曲线绕弹性管道轴心一周所形成的立体机械波即为三类脉冲波；

19、3)三类脉冲波与一类脉冲波互为镜像，以横截面为镜面，三类脉冲波与弹性管道原始形状的管壁所围成的容积vw′等于一类脉冲波与弹性管道原始形状的管壁所围成的容积vw，vw′为时间t内流经弹性管道横截面的流量，即

20、vw′＝vw；…………⑤

21、4)获取单位时间内每一次脉冲式流体流经横截面(105)的流量vw′，对每一个vw′求和，则可得出单位时间内脉冲式流体经过弹性管道(101)的横截面(105)的容积流量q。

22、进一步地：

23、连续的脉冲式流体流经弹性管道，当后一次脉冲式流体的一类脉冲波与前一次脉冲式流体的一类脉冲波叠加时，若管道原始形状以及原始半径未知，则弹性管道的原始形状和原始半径不能被直接测量，如果弹性管道由弹性均匀的材质制成，具有均匀的弹性，且弹性管道横截面在流体流经过程中始终为圆形，采用以下步骤：

24、1)通过超声装置或者其他可测流速的装置，选取横截面内固定的一点为测速点，通常选择靠近管道轴心的点，记录管道内测速点处流体沿管道方向的流速v随时间t变化的流速-时间曲线，同时记录二类脉冲波，即运动幅度△r随时间的变化曲线，所述流速v，指流体质点在管道方向上的流动速度；

25、2)在同一次脉冲式流体的流速-时间曲线与二类脉冲波中，0-t中的任意时刻，一个流速v值对应唯一一个△r，也对应唯一一个r+△r值，通过数学工具，可求出流速v值与r+△r值的函数关系，通过函数关系可求出当测速点流体流速v为0或者无限接近于0时，对应的r+△r的值即为r或者无限接近于r，即可求出弹性管道的原始半径r；

26、3)此时，一类脉冲波的靠近流出端一部分与靠近流入端一部分分别加入到前一个脉冲波与后一个脉冲波中，同时本次一类脉冲波也在前后两侧融合前一次以及后一次脉冲波的一部分，形成一个新的脉冲波，为四类脉冲波，四类脉冲波与一类脉冲波属性一致，均为绕管道一周的立体的机械波，四类脉冲波的波长为λ″，可将四类脉冲波作为一个单独的脉冲波来计算其容积，四类脉冲波的波线绕管道轴心一周所围成的体积与πr2·λ″的差即可视为此次脉冲式流体的流量vw，将单位时间内每个四类脉冲波的流量vw求和，则可得出单位时间内脉冲式流体经过弹性管道的横截面的容积流量q。

27、本发明还提供了一种流量测量的超声装置，用于所述的流体流量测量方法，包括探头、信号传输装置、信号转换装置、数据处理装置、显示存储装置，所述探头具有实时获取目标管道横截面图像和实时监测一类脉冲波的波速c的功能，然后根据所述的流量测量方法，可求出单位时间内流经弹性管道和/或其横截面的容积流量q；所述信号转换装置用于将探头接收到的超声波信号转换为电信号，所述信号传输装置用于将信号转换装置所转换而得到的电信号传输至数据处理装置，所述数据处理装置用于将接收到的电信号经过a型、b型或m型超声成像原理进行成像并且执行相关的运算，显示存储装置用于将数据处理装置的运算结果进行存储并且以所需的方式进行显示。

28、进一步地：

29、所述探头可以采用以下方式进行设置，所述探头设置有第一阵列、第一脉冲波感应器、第二脉冲波感应器，第一阵列，用于发射和接收超声波信号，实时获取目标管道横截面图像；第一脉冲波感应器、第二脉冲波感应器，用于获取一类脉冲波的波速c，所述第一脉冲波感应器与第二脉冲波感应器分别放置在第一阵列的两侧，可以第一阵列为中点放置，间距为s，第一脉冲波感应器与第二脉冲波感应器监测到同一次脉冲波的同一特征部位所间隔的时间为△t，则一类脉冲波的波速c＝s/△t；根据所述的流量测量方法，可求出第一阵列放置处单位时间内的容积流量q。所述同一次脉冲波的同一特征部位，指同一次脉冲波被两个脉冲波感应器所探测到的波形具有相同特征的部位，通常选择波峰作为同一特征部位，其中所述第一脉冲波感应器与第二脉冲波感应器可以是但不限于：压力感应器、容量感应器、超声波感应器，其中所述一类脉冲波的信息，可以是压力信息、压强信息、容量信息、超声回波信息中的一种。

30、进一步地：

31、所述探头还可以采用以下的方式设置，探头设置有两个间距为s的压电晶体阵列，分别为第一阵列、第二阵列，所述第一阵列、第二阵列用于发射和接收超声波信号，使用时所述第一阵列与第二阵列依次放置在目标管道的上下游，顺序不限，用于实时获取对应位置的目标管道的横截面图像，并分别实时获取脉冲式流体在对应位置的二类脉冲波以及二类脉冲波的同一特征部位，通常为波峰p，分别记为p1、p2，所述同一次脉冲波的同一特征部位，指同一次脉冲波被两个压电就晶体阵列所探测到的波形具有相同特征的部位，通常选择波峰作为同一特征部位，获取p1出现至p2出现间隔的时间△t，求出一类脉冲波的波速c＝s/△t；再根据所述的流量测量方法，求出第一阵列、第二阵列放置处测量得到的单位时间内的容积流量q1、q2，其中q1、q2分别代表单位时间内第一阵列、第二阵列放置处横截面的容积流量，(q1+q2)/2代表单位时间内第一阵列、第二阵列放置处的中点位置横截面的容积流量q。

32、进一步地，所述探头还包括一多普勒阵列，所述多普勒阵列通过超声多普勒原理，用于实时监测弹性管道内流体在管道方向上测速点处的流速v。

33、本发明还提供了一种流量测量方法的超声数据处理方法，包括以下步骤：

34、1)获取一类脉冲波的波速c，波长λ，获取弹性管道横截面的一次完整脉冲波的所有二维超声图像n帧；

35、2)将n帧横截面的二维超声图像进行三维重建，重建后的三维坐标系为oxyz，xoy平面为横截面的第1帧超声图像，z轴为弹性管道在横截面处的轴心，第n帧超声图像位于z＝λ处，所有二维超声图像沿z轴依次均匀排列；所述坐标系oxyz只用于描述n帧二维超声图像的相对位置以及用于计算相关数据，并不用于限定三维重建的方式。

36、3)将所有相邻的二维超声图像中管道横截面的边缘处进行圆滑连接；通过数据处理装置求出三维图像中长度为λ的弹性管道内一次完整脉冲波的容积v1；

37、4)通过数据处理装置求出同样长度为λ的一段弹性管道原始容积v0，当弹性管道为圆柱形时，v0＝πr2·λ；

38、5)通过v1、v0求出此次脉冲波流经弹性管道的容积流量vw，其中vw＝v1－v0；

39、6)对单位时间内每一次脉冲波流经横截面的vw求和，即可求出单位时间内流经横截面的容积流量q；

40、该方法经过适当地调整波长λ后，适用于管道弹性不均匀、流体不均匀、管道横截面形状不为圆形的情况，流量测量精度与超声图像帧率正相关。

41、本发明还提供了另一种流量测量方法的超声数据处理方法，如果弹性管道由弹性均匀的材质制成，具有均匀的弹性，且在脉冲式流体流经弹性管道过程中，弹性管道的横截面始终保持为圆形，包括以下步骤：

42、1)获取一类脉冲波的波速c，获取测量目标管道横截面的经过圆心的m型超声图像，m型超声的成像原理：获取目标截面的实时二维超声图像，固定探头，选取截面图像上的一条目标线条m线，选定m线后开始m型超声成像，形成m型超声图像，m型超声图像的含义为横截面上m线上的质点在y轴上的信息随时间变化而形成的图像，m型超声成像的横轴为时间，纵轴为m线上的质点的y轴信息，所述y轴指超声成像原理中的y轴，指被测组织质点到超声探头平面的垂直距离，y轴信息包括被测组织质点与探头平面的垂直距离信息以及质点处回声的强度信息，m线选取时需满足m线始终经过弹性管道轴心，若流体流动时管道轴心发生变化，但始终在m线上时，可经过计算机处理，将轴心纠正到中心的位置，以保证m超声图像中弹性管道的图像始终为轴对称，对称轴为弹性管道的轴心。

43、2)在m型超声图像中选取一个完整的脉冲波，为二类脉冲波，m型超声图像的本质为二类脉冲波；

44、3)二类脉冲波与弹性管道原始形状相交于a′点和b′点，从a′点到b′点的时间间距为二类脉冲波的周期t，在超声图像或记录图纸上，从a′点到b′点的图纸长度为λ′；

45、4)构建平面坐标系x′oy：以弹性管道的轴心为x轴，经过a′点作x轴的垂线，为y轴，x轴与y轴交点为原点o；

46、5)将整个平面坐标系x′oy的图像进行压缩/拉伸，拉伸/压缩方法：坐标系x′oy图像在y轴方向上保持不变，在x轴方向上进行等比例拉伸/压缩，拉伸或者压缩的比例为λ/λ′，λ＝ct，拉伸或者压缩后的图像为坐标系xoy，拉伸或者压缩后的二类脉冲波转换为三类脉冲波在弹性管道纵切面上的投影；在坐标系xoy中，a′b′之间的距离从λ′变为λ；

47、6)在平面坐标系xoy内求出三类脉冲波在弹性管道纵切面上的投影的曲线函数y＝f(x)；

48、7)通过积分方式求出曲线y＝f(x)绕x轴一周所围成的容积vf(x)：

49、8)曲线y＝f(x)绕x轴一周所围成的容积vf(x)与长度为λ的弹性管道原始容积λ·πr2之差，即为三类脉冲波与弹性管道原始形状的管壁所围成的容积vw′，即

50、

51、9)当三类脉冲波在弹性管道纵切面的投影的曲线函数为多个分段函数时，分别对每一个函数曲线绕x轴一周所围成的容积求积分，再将每一个函数曲线所求得得容积求和，求得vf(x)；

52、10)对单位时间内每一次脉冲流体流经弹性管道横截面的vw′求和，即可求出单位时间内流经弹性管道横截面的容积流量q。

53、本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质可在电子设备中运行，所述存储介质存储有可执行的程序，所述程序用于执行所述流量测量方法，或用于执行所述的流量测量方法的超声数据处理方法。

54、本发明的优点：

55、1，本发明公开的一种流量测量方法，具体指弹性管道内脉冲式流体的流量测量方法，可命名为脉冲波容积法，所述脉冲波容积法，指脉冲式流体在弹性管道中流动时所产生的超出弹性管道原始形状的脉冲波的容积，为本次脉冲式流体的流量，为一种特殊的容积法，具有传统容积法流量测量的优点，所获得的流量数据精确度高，但相对于传统容积法，脉冲波容积法不需要在管道内部设置复杂的机械结构，而是将弹性管道受脉冲式流体冲击而发生的弹性形变部分视为暂时计量的容腔，该脉冲式流体在弹性管道内流动过程中，脉冲波的波速、形态、特征均可能发生变化，但脉冲波的容积始终不变。弹性管道被冲击形成的弹性形变部分随后可发生回弹，将弹性势能转化为动能，使得该方法对测量对象几乎不造成压力损失，尤其是对于原本就属于脉冲式流体的流量测量，比如生物体心脏-血管系统，脉冲波容积法能以非侵入性、无创的方式进行测量，并且不会扰乱原本的流体流动状态。

56、2，本发明公开的一种流量测量方法，无需获取流体质点的运动速度、运动状态等信息，所以本发明的测量方法不需要复杂的机械结构、不需要复杂的测速功能，原理简单，操作简便、精度高。

57、3，本发明公开的一种流量测量方法，适用范围广，可适用于包括高粘度流体、低电导率流体、低清洁度流体等，也可适用于固体颗粒与液体的混合体。

58、4，本发明公开的一种流量测量超声装置，可实时监测弹性管道的横截面图像以及脉冲波波速，并利用横截面图像信息与波速信息计算出流量，目前仍无类似的设备或方法。现有的用于测量流量的超声设备，大多采用多普勒原理测出流体流动的速度，最终采用速度与横截面面积的乘积来表示流量。但是对于弹性管道内脉冲式的流体流量测量，比如生物体心脏-血管系统的流量测量，单个血细胞的运动状态非常复杂且始终在变化，传统观点认为血流状态为层流，由此推测血管中心的速度最快，而血管壁流速最慢，所以血流横截面的速度不可能直接获得，而是采用求均值的方式获取大致的流动速度，然而由于脉搏使血管壁发生连续的扩张-回缩，带动靠近血管壁的血细胞发生向管道外侧-中心循环往复的偏移，使得血流状态不可能为规律的层流，另外，脉冲式流体使得流体的速度始终都在发生着变化；再者，血管在脉搏的作用下发生连续的扩张-回缩，使得血管横截面的面积始终在变化，使得对血管横截面面积精确测量变得困难。综上，传统超声测量流量的两个最重要参数横截面面积、流体速度均随着时间发生明显的且不规律的变化，使得最终的计算所得的数据误差很大。而本发明公开的流量测量方法以及超声装置，无需获取流体微观质点的移动速度，采用宏观的的几何学的方式获得流量数据，更加精确。

59、5，本发明公开的一种流量测量超声数据处理方法，是将获得的超声数据，利用本发明公开的流量测量方法，通过三维重建、m型超声的技术，将一类脉冲波的形态还原，从而从几何学的角度获得精确地流量数据。