Допплеровский измеритель скорости кровотока

В начале дипломного проекта перед разработчиком ставится задача к определенному сроку выполнить все части задания и подготовиться к защите дипломного проекта перед комиссией. Передо мной была поставлена задача разработки современного датчика измерения скорости кровотока на базе существующих методов.

Скорость кровотока, наряду с давлением крови, является основной физической величиной, характеризующей состояние системы кровообращения. Возможность неинвазивной, объективной и динамической оценки кровотока по сосудам малого калибра остается одной из актуальных задач современной ангиологии и смежных специальностей. От ее решения зависит успех ранней диагностики таких заболеваний, как облитерирующий эндартериит, диабетическая микроангеопатия, синдром и болезнь Рейно, всевозможных окклюзий и стенозов артерий.

Перед решением задач проектирования новых устройств, как и при решении любой задачи повышенной сложности, необходимо разбить всю работу на определенное количество этапов, определить трудоемкость каждого из них, четко определить график выполнения каждого участка работ, для каждой части определить срок выполнения и перехода к следующему этапу. Определившись с планом работ нужно тщательно изучить историю развития техники, методов измерения скорости, предложений и решений в той области науки, в которую входит предмет проектирования. Все это было мной проделано и сделаны выводы о целесообразности применения определенных методов и конструкторских решений на разных этапах проектирования.

В аналитическом обзоре будет проведен анализ существующих аналогов, принципов их действия, конструкторского устройства и погрешностей. На основании обзора, в специальной части будет предложен выбранный метод, конструкция, необходимые расчеты и математические выкладки, функциональная и структурная схемы. В ней же будет произведен расчет надежности и анализ погрешностей для проектируемого устройства. В экономической части будет приведен расчет целесообразности внедрения проектируемого прибора в производство. В разделе "Безопасность жизнедеятельности" будет рассчитан и устранен один из факторов мешающий безопасной работе с прибором. В технологической части будут определены технические условия производства прибора, технологические карты его наладки и начерчены чертежи конструкции прибора или испытательного стенда для проверки изделия на соответствие техническим условиям. В заключении будут сделаны выводы о проделанной работе.

1. Аналитический обзор

1.1 Методы измерения скорости кровотока

Используемые датчики: 4 или 8 МГц в постоянно волновом режиме.

Исследуемый находится в положении лежа на спине. Голова откинута несколько назад так, чтобы были легко доступны для пальпации общие сонные артерии. Дистальный конец датчика устанавливается в медиальный угол глазницы так, чтобы ультразвуковой пучок был направлен в проекцию перекреста зрительных нервов. Легкими движениями проксимального конца датчика достигается максимальный устойчивый сигнал.

В норме кровоток в надблоковой артерии направлен к покровам черепа (антеградный кровоток), то есть навстречу вектору ультразвукового пучка с регистрацией допплерограммы выше изолинии (Рис 1.6).

Рис 1.6 Допплерограмма надблоковой артерии.

В то же время, антеградный кровоток может иметь место и при коллатеральном перетоке через передние отделы виллизиева круга (например, при окклюзии ВСА). Поэтому, в дополнении к фоновому исследованию, проводятся компрессионные пробы в следующем порядке:

гомолатеральная общая сонная артерия,

контралатеральная общая сонная артерия,

ветви наружной сонной артерии со стороны исследования,

ветви наружной сонной артерии с контралатеральной стороны.

В норме компрессия соименной общей сонной артерии приводит к редукции кровотока в надблоковой артерии, что указывает на проходимость внутренней сонной артерии (Рис 1.7).

Компрессия ветвей наружной сонной артерии (поверхностной височной артерии - у козелка ушной раковины, лицевой - у угла нижней челюсти, верхнечелюстной - в "собачьей ямке" у нижнего края орбиты) в норме приводит к увеличению кровотока в надблоковой артерии или реакция на компрессию отсутствует.

Рис 1.7 Допплерограмма надблоковой артерии с компрессией гомолатеральной ОСА.

Нормальные показатели:

Приводя в этом разделе нормальные показатели периорбитальной допплерографии, следует отметить, что они разработаны на основании изучения больших групп клинически здоровых пациентов.

Приведенные в табл.1 показатели нормы верны для допплеровских систем типа "БИОМЕД" (Россия) и моделей фирмы EME/Nicolete (Германия-США).

При использовании других моделей необходима предварительная разработка нормальных показателей периорбитальной допплерографии для конкретного прибора.

Таблица 1

Каротидная допплерография.

Используемые датчики: 4 МГц в постоянноволновом или импульсном режимах.

Суть метода состоит в изучении спектральных характеристик допплеровского сигнала при непосредственной локации сонных артерий. Получаемая в реальном масштабе времени спектрограмма состоит из точек разного цвета, совокупность которых дает спектр скоростей в поперечном сечении артерии за время сердечного цикла. Положение данной точки по отношению к оси ординат (шкала частот) соответствует определенной линейной скорости кровотока (выражаемой в соответствии с принципом Допплера в КГц), а ее цвет - удельному весу данной частоты в спектре (при максимальной интенсивности точка окрашивается в красный, при минимальной - в синий цвета).

Спектрограммы ВСА и НСА различаются по форме: спектрограмма НСА имеет острый систолический пик и низкую диастолическую составляющую, а спектрограмма ВСА - широкий систолический пик и значительно более высокую диастолическую составляющую (Рис 1.8).

Рис 1.8 Допплерограммы ВСА и НСА.

В сомнительных случаях спектрограммы ВСА и НСА дифференцируются с помощью пробы D.russel. Суть ее состоит в том, что во время локации артерий в области бифуркации ОСА проводятся очень кратковременная повторная компрессия поверхностной височной артерии (ПВА) перед козелком уха (фактически, исследователь наносит короткие удары указательным пальцем свободной руки в область проекции ПВА, сила которых должна быть достаточной, чтобы вызвать компрессию ПВА). Если лоцируется НСА, то на спектрограмме появляются небольшие дополнительные систолические "пички", поскольку компрессия ПВА в систолу выключает часть кровотока из НСА, которая возвращается в нее во время диастолы (Рис 1.9).

Рис 1.9 Допплерограмма НСА с пробой Russel.

Проведение этой пробы при локации ВСА не приводит к появлению дополнительных систолических "пичков", что является дифференциальным признаком.

Метод оценки степени стеноза при каротидной допплерографии основан на том, что при условии неразрывности потока (кровеносная система человека отвечает этому условию) масса крови, протекающей через поперечное сечение сосуда (ОСА или ВСА), является величиной постоянной. Следовательно, сужение ВСА в определенном сегменте должно вызывать увеличение скорости кровотока в этом сегменте, причем очевидно, что чем больше сужение, тем большая скорость кровотока будет регистрироваться.

В постстенотическом сегменте скорость кровотока резко замедляется, то есть упорядоченный ламинарный тип кровотока становится нерегулярным (турбулентным) (Рис 1.10).

Рис 1.10 Соотношение типов потока и скоростей при локальном сужении сонной артерии.

Диагностические критерии каротидной допплерографии основаны на этих гемодинамических особенностях.

Математическая обработка спектрограммы дает целый ряд дополнительных диагностических критериев, ценность которых различна. К ним относятся:

Smax - максимальная систолическая амплитуда, отражающая наибольшую систолическую скорость кровотока в точке локации.

Smax является основным критерием при каротидной допплерографии. Ее увеличение больше нормальных значений свидетельствует о наличии стеноза в зоне локации артерии.

Dmax - максимальный диастолический пик, отражающий максимальную диастолическую скорость в данной точке.

Увеличение этого показателя больше нормальных величин свидетельствует о наличии стеноза, а снижение - об увеличении циркуляторного сопротивления в бассейне лоцируемой артерии.

SB (spectrum broadening) или индекс спектрального расширения характеризует степень турбулентности кровотока в месте локации.

Этот индекс рассчитывается по формуле:

SB = (Smax-A) /Smax,

где A - скорость максимальной интенсивности потока.

При преобладании низких скоростей кровотока, что характерно для турбулентного потока, индекс SB увеличивается выше нормальных величин.

PI - индекс пульсации, характеризующий циркуляторное сопротивление в бассейне лоцируемой артерии и рассчитываемый по формуле:

PI = (Smax - Dmax) /M,

где M - средняя скорость кровотока в точке локации.

Уменьшение максимальной диастолической скорости или средней скорости кровотока приводит к увеличению этого показателя, указывая на повышение циркуляторного сопротивления.

IR (индекс Пурселло) - индекс циркуляторного сопротивления.

Рассчитывается по формуле:

IR = (Smax - Dmax) /Smax.

Увеличение этого индекса также указывает на повышение циркуляторного сопротивления, а его снижение на снижение периферического сопротивления в бассейне лоцируемой артерии.

Обследование больных проводится лежа на спине, так, чтобы голова была слегка повернута в сторону, противоположную лоцируемым артериям. На каждой стороне проводится локация по крайней мере в трех точках: у нижнего края кивательной мышцы (ОСА), у верхнего края щитовидного хряща (проксимальный сегмент ВСА) и у угла нижней челюсти (дистальный сегмент ВСА).

Нормальные показатели:

Таблица 2

Вертебральная допплерография.

Исследование позвоночных артерий в постоянноволновом допплеровском режиме проводится при использовании аппаратов, не имеющих в комплекте импульсных датчиков (типа VASOFLO-3). При использовании многофункциональных допплеровских приборов (типа БИОМЕД) предпочтительнее работа с датчиком 2 МГц, причем методика исследования одинакова.

Исследуемый находится в положении лежа на спине. Голова откинута несколько назад и повернута в сторону, противоположную обследуемой артерии, так, чтобы общие сонные артерии были легко доступны для пальпации. Датчик устанавливается в область, ограниченную сверху сосцевидным отростком, спереди - грудиноключичнососцевидной мышцей так, чтобы ось ультразвукового пучка была направлена к противоположной орбите глаза. Перемещением дистального конца датчика достигается максимальный сигнал, после чего проводится его идентификация, поскольку в указанной области помимо позвоночной артерии могут лоцироваться ветви наружной сонной артерии. Проводится кратковременная компрессия общей сонной артерии со стороны исследования. При локации ветвей наружной сонной артерии происходит редукция кровотока, а при локации позвоночной артерии сигнал усиливается или не изменяется (Рис 1.11).

Рис 1.11 Допплерограмма ПА.

Истинное направление кровотока в позвоночной артерии при фоновом исследовании определить не представляется возможным, поскольку здесь она совершает петлю, огибая атлант и давая двунаправленный спектр. В восходящем колене этого изгиба кровоток направлен от датчика (совпадение векторов движения крови и ультразвукового пучка), а в нисходящем колене - к датчику (противоположное направление векторов движения крови и ультразвукового пучка). На практике чаще регистрируются обе составляющие суммарного кровотока в ПА (Рис 1.12). Таким образом, при фоновой локации III сегмента ПА, определяется только скорость кровотока.

Рис 1.12 Зависимость направления кровотока в ПА от положения ультразвукового датчика: 1 - ПКА, 2 - III сегмент ПА, 3 - ультразвуковой датчик, a - направление кровотока в ПА на датчик, b - направление кровотока от датчика.

Исследование направления кровотока в позвоночной артерии актуально при поражении подключичной артерии в I сегменте, что определяется с помощью пробы "реактивной гиперемии". Проба основана на том, что при окклюзии ПКА через ПА ретроградно заполняется плечевая артерия. При компрессии плечевой артерии (например, обычной пневматической манжетой, применяемой для измерения артериального давления) в течение 2-3 минут и последующей быстрой декомпрессии, в позвоночной артерии возникает эффект "экспресс - сброса", то есть кратковременное резкое усиление кровотока с последующей его нормализацией. Если усиления скорости кровотока в позвоночной артерии в момент "экспресс-сброса" не происходит то, следовательно, ПКА не поражена, а проба реактивной гиперемии отрицательна, если происходит усиление кровотока, то это свидетельствует о наличии поражения ПКА в I сегменте и ретроградном направлении кровотока в ПА.

Нормальные показатели:

Таблица 3

Транскраниальная допплерография.

Первым этапом исследования определяется местоположение акустического "окна", через которое ультразвуковой луч может проникнуть с минимальной потерей энергии. Основным условием является выбор удачного угла зондирования и положения датчика для получения оптимального сигнала.

Следующим этапом проводится идентификация сегментов артериальной сети у основания черепа. Она основана, во-первых, на знаниях анатомии и, во - вторых, на учете особенностей кровотока в различных артериальных сегментах и его реакции на компрессию ОСА.

Локализация и поиск акустических ультразвуковых окон для исследования внутричерепных артерий

Описаны три основных пути локации внутричерепных артерий (Рис 1.13):

Темпоральное окно (исследование СМА, ПМА и артерий виллизиева круга).

Орбитальное окно (глазничная артерия, сифон внутренней сонной артерии).

Субокципитальное окно (основная артерия, внутричерепные сегменты позвоночных артерий).

Рис 1.13 Акустические окна для транскраниального исследования: 1 - темпоральное, 2 - орбитальное, 3 - субокципитальное.

Полноценное исследование проводится через все три акустических окна, и позволяет, таким образом, исследовать большую часть внутричерепных артерий.

1. Темпоральное окно

Исследование через темпоральное окно является основным, открывая доступ к ПМА, СМА, ЗМА и ВСА, а также позволяет определить функцию передней соединительной и задней соединительной артерий.

Локация в височной области проводится через чешую височной кости. У молодых пациентов, как правило, можно получить достоверные сигналы в относительно большой области. У пациентов старшего возраста толщина костей или их плотность меняется настолько, что нередко едва возможно получить достоверные сигналы из-за уменьшения акустической проницаемости. Во всех случаях следует передвигать зонд медленно, мелкими шагами, обращая внимание на обеспечение хорошего ультразвукового контакта между датчиком и кожей, что обеспечивается нанесением достаточного количества ультразвукового геля не только на датчики, но и волосы и кожу пациента.

В этом случае для получения хорошего ультразвукового контакта понадобится только умеренное давление на зонд, поскольку избыточное давление приводит к нарушению ультразвукового контакта.

Темпоральные окна расположены над скуловой дугой. Приблизительное расположение дуги можно определить пальпацией. Часто оказывается необходимым поместить зонд нижним ободом на выпуклость над скуловой дугой, чтобы пропустить ультразвуковой пучок точно над верхним краем дуги. В очень редких случаях окна располагаются над скуловой дугой на расстоянии больше 3 см.

Различают три положения темпорального окна:

Переднее окно (AW) расположено над проксимальной частью скуловой дуги.

Заднее окно (PW) расположено впереди уха. В некоторых случаях это окно лежит выше остальных.

Среднее окно (MW) расположено между AW и PW.

Обычно, в случае AW зонд направлен наклонно и слегка кзади. В случае PW зонд расположен кпереди, чтобы ультразвуковой пучок достиг артерий виллизиева круга. При MW датчик располагается так, чтобы ультразвуковой пучок проходил перпендикулярно поверхности кожи.

В некоторых случаях для исследования используют все три, но типичным является использование только одного темпорального окна. Зондирование через PW является лучшим для пациентов старшего возраста. Необходимо исследовать все три области, чтобы выбрать лучшее из возможных окон.

Локация базальных артерий через темпоральное окно представляет значительные трудности для начинающего исследователя. Следует проявить должное терпение, настойчивость и элементы творчества для овладения этим методом диагностики.

Так, здесь описаны общепринятые способы локации через темпоральное окно. На практике оказывается, что "акустический ход" ультразвукового луча подвержен индивидуальным особенностям. Поскольку основная цель исследования - получение достоверной информации от искомой артерии, не суть важно, под каким углом и в какой части акустического окна она получена.

Поиск акустического окна.

Поиск акустического окна рекомендуется начинать на глубине 55 - 60 мм. На этом уровне можно получить ультразвуковой сигнал от сифона сонной артерии, СМА, ПМА и ЗМА. Во время процедуры поиска следует мысленно представлять приблизительное расположение базальных мозговых артерий и соответственно направлять ось датчика (рис.1.3).

Одновременно с этим датчик медленно перемещают для получения качественного сигнала.

После получения сигнала оптимальной силы и чистоты следует мысленно зафиксировать удачное положение датчика во избежание повторных манипуляций поиска оптимального окна.

Идентификация артерий

Критерии идентификации:

Глубина и угол зондирования.

Направление кровотока (к датчику или от него).

Реакция кровотока на компрессию ОСА.

Компрессию общей сонной артерии следует проводить как можно ниже на шее для исключения раздражающего воздействия на каротидный клубочек (брадикардия, аритмия), а также сдавливания атеросклеротической бляшки (риск развития артерио-артериальной эмболии).

Обычная продолжительность компрессии ОСА - 2-3 сек.

Рис 1.14. Примерное направление оси ультразвукового датчика при исследовании базальных артерий через темпоральное окно: 1 - IV сегмент левой ПА, 2 - ОА, 3 - ЗМА, 4 - ЗСА, 5 - ПСА, 6 - СМА, 7 - ПМА.

Внутренняя сонная артерия.

После того, как найдено оптимальное положение датчика, можно приступать к локации терминального отдела ВСА (точно дифференцировать уровни терминального отдела ВСА или ее сифона весьма затруднительно и, по сути, не столь важно). Идентификацию проводят по следующим критериям:

1. Кровоток (по направлению к датчику) обнаруживается на глубине 65 - 75 мм (зависит от размеров черепа). Ориентировочно ось датчика направляется на нижний край противоположной орбиты глаза, поскольку получаемый сигнал формируется приблизительно на уровне виллизиева круга. Скорость кровотока в дистальном сегменте ВСА ниже, чем в СМА и ПМА (локация под тупым углом).

2. Двунаправленный кровоток (в обоих направлениях) наблюдается примерно на той же глубине (при разделении потока крови) в области сифона или бифуркации ВСА (Рис 1.15).

Рис 1.15 Допплерограмма кровотока в сифоне ВСА.

3. Компрессия гомолатеральной ОСА приводит к ослаблению или редукции по-лученного сигнала.

4. Компрессия гомолатеральной ОСА приводит к изменению направления потока крови (инверсии сигнала).

5. Компрессия гомолатеральной ОСА приводит к редукции кровотока и вызывает компенсаторный кровоток из контралатеральной ВСА через ПСА.

Средняя мозговая артерия

СМА расположена латерально и немного cпереди, как продолжение внутри-черепного отдела ВСА. Локация через темпоральное окно достаточно точно соответствует абсолютному значению скорости кровотока в СМА (угол между вектором потока крови и направлением УЗ датчика приближается к нулю) (Рис 1.16, поз. A). Критериями для идентификации СМА являются:

1. Кровоток в МI сегменте СМА лоцируется на глубине 55-65 мм.

2. Направление кровотока к датчику (рис.1.1.6).

Рис.1.16. Допплерограмма кровотока в МI сегменте СМА.

3. Сигнал отвечает редукцией или ослаблением при компрессии гомолатеральной ОСА (рис.1.17).

Рис.1.17 Допплерограмма кровотока в СМА с компрессией гомолатеральной ОСА.

Сравнительный анализ ультразвуковых допплеровских датчиков

Одним из принципов работы УЗ допплеровского прибора является пьезоэлектрический эффект. Именно благодаря этому эффекту возможно преобразование акустической в электрическую энергию и наоборот, и, таким образом, электрическая регистрация неэлектрических величин, таких как скорость кровотока.

Пьезоэлектрический эффект представляет собой явление, которое наблюдается в образцах некоторых анизотропных материалов и заключается в нарушении равновесного распределения электрических зарядов под действием механической деформации образца. Возможен и обратный пьезоэффект, состоящий в механической деформации среды под действием электрического поля. В настоящее время известно довольно много моно - и поликристаллических материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Наиболее широкое применение находят монокристаллические, керамические и полупроводниковые пьезоэлектрики.

Идеальным пьезоэлектрическим материалом для электроакустического преобразователя является такой материал, который обеспечивает низкий уровень шума, высокую эффективность преобразования и позволяет создать преобразователь с высокой добротностью. Обычно активный элемент ультразвукового датчика изготавливается из пьезокерамической керамики. Самым распространенным пьезокерамическим материалом является цирконат-титанат свинца (ЦТС).

Также находят свое применение датчики из пластических материалов, например поливинилиденфторида (ПВДФ), имеющих, по сравнению с керамикой, более близкие мягким тканям человеческого организма характеристики, что более эффективно с точки зрения передачи акустической энергии через границу активный элемент - исследуемая среда.

Также свое применение находят датчики, построенные на комбинации пластика и керамики, например, с керамическим передающим и пластиковым принимающим элементами.

Конструктивно разделяются датчики, работающие в непрерывно-волновом и импульсных режимах. Прием и излучение ультразвука для первого из них разнесены в пространстве, для второго - во времени.

Таким образом, первый состоит из двух активных элементов, расположенных вплотную и под некоторым углом друг к другу, а второй имеет в своем составе только один, поочередно работающий то на прием, то на передачу (рис.1.18).

Рис.1.18 Непрерывно-волновой (а) и импульсный (б) УЗ допплеровские датчики

На переднюю и заднюю поверхность активных элементов - пьезоэлектриков вжигаются проводящие электроды из серебра, после чего он поляризуется по толщине в электрическом поле. Скорость звука в ЦТС составляет приблизительно 4000 м/с; при этом толщина пьезоэлемента , соответствующая основному резонансу () на частоте , определяется соотношением

(2.5)

В следующей таблице приведены толщины пьезоэлементов УЗ датчиков для работы на частотах 2, 4, 8, 10, 16 и 20 МГц, изготовленных из ЦТС.

Таблица 2.1 Зависимость толщины пьезоэлемента от частоты излучаемого ультразвука.

Из данной таблицы видно, что на частотах свыше 10 МГц толщина активного элемента становится меньше 0.2 мм. Обработка материала такой толщины затруднена, из-за хрупкости образца. Электрические контакты, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины, из-за существования пор в объеме керамики могут образовывать электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы.

Исследование зависимости глубины проникновения от частоты излучаемого ультразвукового сигнала

Одним из основополагающих механизмов, ограничивающим область применения высокочастотной УЗ допплеровской аппаратуры, является быстрое (экспоненциальное) возрастание затухания ультразвука в тканях человеческого тела с ростом частоты колебаний.

Для повышения чувствительности и для увеличения глубины зондирования увеличивают интенсивность ультразвуковых колебаний. Однако это увеличение ограничено условиями безопасности обследования, т.к при существенном повышении интенсивности ультразвука возможен нагрев и даже разрушение биологической структуры. По ГОСТу 26831-86, предел полностью безопасной дозы интенсивности при воздействии УЗ на человеческий организм составляет 50 мВт/см².

С другой стороны, работа УЗ допплеровского прибора всецело обусловлена релеевским рассеянием, а одним из следствий механизма релеевского рассеяния, является четвертая степень зависимости энергии рассеянного сигнала от частоты излучаемого ультразвука.Т. е. красные кровяные тельца, являющиеся основными движущимися отражателями в исследуемом кровотоке, рассеивают УЗ высокой частоты лучше, чем УЗ низкой частоты. Этот эффект позволяет частично компенсировать повышенное затухание УЗ высокой частоты.

Совокупность двух указанных факторов приводит к тому, что существует оптимальное значение частоты, обеспечивающее максимальное соотношение сигнал/шум для каждого частного случая (т.е. коэффициента затухания и глубины залегания исследуемого сосуда). Данное значение можно получить математически. Как было отмечено, в случае релеевского рассеивания, интенсивность обратного рассеивания УЗ связана с частотой , на которой проводятся исследования, следующим соотношением:

где - коэффициент рассеивания. Ввиду затухания УЗ в ткани, его интенсивность уменьшается с глубиной по закону

где - интенсивность падающего УЗ, знак “-“ указывает на затухающий характер данной функции, коэффициент 2 определяет двойное расстояние (до сосуда и обратно), - коэффициент затухания, зависящий от типа ткани, - глубина исследуемого сосуда. Очевидно, что интенсивность отраженного от кровотока в исследуемом сосуде сигнала будет определяться произведением этих функций:

(1)

График этого выражения, представленного в виде функции , для нескольких глубин исследуемых сосудов изображен на рис.1.19

Рис.1.19. Зависимость интенсивности отраженного сигнала от частоты излучаемого УЗ

Как видно из графика, для каждой глубины расположения исследуемого сосуда существует определенная частота УЗ сигнала, при которой на приемник возвращается максимум излученной энергии. Эту частоту можно найти, продифференцировав (1) по , и приравняв полученное выражение нулю. Ненулевой корень последнего уравнения имеет вид:

(2)

Коэффициент , может изменяться для мягких тканей от 0.2 дБ/МГц·см до более чем 2 дБ/МГц·см (в зависимости от вида ткани).

График на рис.1.20 иллюстрирует зависимость расчетного диапазона частот как функции глубины зондирования мышечной ткани. Эта зависимость соответствует максимальному отношению сигнал/шум при регистрации УЗ_сигналов, рассеянных на элементах крови. Заштрихованная область на графике соответствует различным величинам коэффициента затухания .

Рис.1.20 Оптимальная частота УЗ сигнала для исследования на заданной глубине

Как видно из данного графика, для существующих в настоящее время ультразвуковых допплеровских приборов, работающих на частотах до 20 МГц, предпочтительными являются глубины более 0,5 см. В то же время, оптимальной для высокочастотных приборов, с точки зрения соотношения сигнал/шум и получения максимальной мощности отраженного сигнала, является глубина расположения исследуемых сосудов, меньшая, чем 0,5 см.

Анализ структурных схем существующих ультразвуковых допплеровских приборов. Рассмотрим схемотехнику наиболее распространенных вариантов УЗ допплеровских приборов.

Непрерывно_волновой ультразвуковой допплеровский прибор со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока

Для построения допплеровских индикаторов скорости кровотока используются ряд известных радиотехнических узлов и блоков, применяющихся в коротковолновых приемо-передающих устройствах и доработанных с учетом специфики взаимодействия с электроакустическим элементом допплеровского прибора - ультразвуковым датчиком. Блок схема простейшего непрерывно-волнового УЗ прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока показана на рис.1.21.

Рис.1.21 Блок схема непрерывно-волнового допплеровского прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока: 1 - УЗ датчик, 2 - УМ, 3 - предварительный усилитель, 4 - задающий генератор, 5 - синхронный детектор, 6 - кварцевый резонатор, 7 - полосовой фильтр, 8 - УНЧ, 9 - громкоговоритель.

Рассмотрим работу данного индикатора. Вырабатываемый задающим генератором 4 (частота которого стабилизируется кварцевым резонатором 6) сигнал подается на вход усилителя мощности (УМ) 2, усиливается последним и излучается в виде акустической волны, сфокусированной УЗ преобразователем 1 по направлению исследуемого сосуда. Отраженный сигнал, несущий информацию о движении форменных элементов крови в данном сосуде, преобразуется приемным элементом УЗ датчика, усиливается предварительным усилителем с малым уровнем шумов 3 и детектируется синхронным детектором 5, управляемым задающим генератором 4.

Эхосигнал содержит спектр доплеровских частот, обусловленный движением отдельных элементов кровотока в анализируемом объеме. Этот сигнал можно представить в виде суперпозиции сигналов, привносимых всеми линиями тока, проходящими через измерительный объем. Вклад каждой компоненты в этот сигнал пропорционален мощности ультразвука, рассеянной элементами кровотока вдоль данной линии, т.е. интегралу по линии тока от чувствительности в пучке (зависимости величины сигнала, принятого от точечного рассеивателя, от координат этого рассеивателя).

Для упрощения последующих выкладок, рассмотрим сигнал на выходе блока 3, как состоящий из трех компонентов: несущей частоты и сигналов, отраженных от прямого и обратного кровотоков. Такой сигнал может быть представлен в виде:

(3)

где , и - соответственно амплитуда, угловая частота и фаза каждого сигнала, а индексы 0, f и r обозначают несущую, прямой и обратный кровоток. Этот сигнал поступает на детектор 5. С математической точки зрения детектор представляет собой перемножитель двух сигналов. Умножая данное выражение на - сигнал с выхода опорного генератора, получаем сигнал на выходе синхронного детектора 5:

(4)

Этот сигнал далее фильтруется полосовым фильтром 7 для устранения низкочастотных помех, возникающих вследствие отражения УЗ сигнала от медленно движущихся стенок сосуда (амплитуда сигнала от которых на несколько порядков выше амплитуды полезного допплеровского сигнала), постоянной составляющей и ВЧ шума (включая ,

и ).

Выражение для отфильтрованного сигнала имеет вид:

(5)

Данный сигнал подается затем на усилитель низкой частоты (УНЧ) 8 для воспроизведения посредством наушников (или громкоговорителей) 9.

Синхронное детектирование.

Для ультразвукового допплеровского диагностического прибора принимаемый сигнал, несущий информацию о распределении кровотока в исследуемом сосуде, сравним с шумом. Амплитуда сигнала, отраженного от медленно движущихся стенок сосудов на несколько порядков превосходит полезный сигнал. Кроме этого, на входе приемного усилителя присутствует так называемый сигнал пролезания, т.е. сигнал, проникающий в приемный тракт посредством акустической и электрической связи, существующей между передающей и приемной частями прибора. Не последнюю роль в этом процессе играет и недостаточная экранировка ультразвукового датчика.

Исходя из вышеизложенного, а также из того, что принимаемый полезный сигнал промодулирован по частоте, вследствии выбранного принципа регистрации кровотока, излучаемым сигналом, синхронное детектирование является естественным способом выделения полезного сигнала.

Импульсный ультразвуковой допплеровский прибор со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока.

Блок_схема импульсного УЗ допплеровского прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока показана на рис.1.22.

Рис.1.22 Блок-схема импульсного УЗ допплеровского прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока: 1 - УЗ датчик, 2 - УМ, 3 - предварительный усилитель, 4 - формирователь импульсов разрешения передачи, 5 - селектор передачи, 6 - селектор приема, 7 - формирователь импульсов разрешения приема (линия задержки), 8 - задающий генератор, 9 - синхронный детектор, 10 - УВХ, 11 - кварцевый резонатор, 12 - полосовой фильтр, 13 - УНЧ, 14 - громкоговоритель.

Как видно, импульсный прибор отличается от непрерывно-волнового наличием формирователя импульсов разрешения передачи и приема, а также селекторов передачи и приема, управляемых этими импульсами. Вырабатываемый опорным генератором 8 сигнал стробируется селектором передачи 5 в строго определенные промежутки времени, задаваемые формирователем импульсов разрешения передачи 4. Принятый сигнал также стробируется по времени селектором приема 6, а продетектированный синхронным детектором 9 сигнал запоминается в устройстве выборки и хранения (УВХ) 10 до прихода следующего импульса. Положение “объема выборки" на оси УЗ датчика или глубина расположения исследуемого сосуда определяется временной задержкой между импульсом излучения и стробом приема, открывающего селектор приема 6. Эта задержка задается формирователем импульсов разрешения приема 7.

Так как амплитуда принятого продетектированного сигнала определяется мощностью излученного ультразвука, а из-за импульсного характера излучения при одинаковой амплитуде излучаемых сигналов непрерывно-волнового и импульсного приборов средняя излучаемая мощность последнего будет меньше, то на УМ импульсного тракта подается большее напряжение питания, по сравнению с непрерывно-волновым режимом для обеспечения поддержания уровня средней интенсивности излучаемого сигнала в импульсном режиме. УЗ датчик импульсного прибора представляет собой один пьезоэлектрический элемент, совмещающий функции приема и передачи, разнесенные во времени. Приемный тракт должен обеспечивать защиту входного каскада от перегрузок во время излучения.