Эффект Доплера для измерения скорости кровотока

Задающий генератор вырабатывает синусоидальную волну на резонансной частоте преобразователя. Один раз за каждый период повторения импульса несколько периодов задающего колебания проходят через селектор передачи и усилитель для преобразования. Селектор задержки вырабатывает временную задержку, которая позволяет пачке переданных ультразвуковых колебаний проходить на заданную дальность и возвращаться обратно. Затем возвращающиеся отраженные сигналы дискретизируются посредством открытия селектора по дальности и подачи на когерентный демодулятор, который управляется задающим генератором. Каждый отселектированный по времени отраженный сигнал вызывает короткий выходной импульс демодулятора, который формирует часть отсчитанного выходного сигнала доплеровского прибора. В случае необходимости эти отсчеты могут собираться (например, в схеме выборки-хранения) до прихода следующего переданного импульса. Это так называемый метод «с запоминанием отсчета» позволяет получать выходной сигнал более сглаженной формы, который затем может быть отфильтрован для устранения каких-либо компонентов, отстающих от частоты повторения импульсов, а также для устранения мешающих низкочастотных эхо-сигналов. К недостаткам эхо-импульсных доплеровских приборов следует отнести:

— дально-скоростные ограничения;

— большое отклонение максимальной от средней излучаемой мощности (интенсивности).

Поскольку средняя интенсивность строго определяет чувствительность системы и есть подтверждения того, что ультразвук высокой интенсивности может оказывать определенное воздействие на человеческую ткань, то характеристика сигнал/шум, а следовательно, чувствительность импульсной доплеровской системы строго ограничивается условиями безопасности пациента.

В соответствии с эффектом Доплера каждой скорости движения элементов кровотока соответствует доплеровский сигнал определенной частоты, поэтому формирование распределения доплеровских скоростей элементов кровотока сводится к выявлению набора частотных составляющих в сигнале, т.е. к спектральному анализу сигнала. При выполнении спектрального анализа формируется распределение доплеровских скоростей элементов кровотока. Спектральный анализ осуществляется путем использования набора фильтров, равномерно делящих частотный диапазон сигнала. При этом каждый фильтр выделяет узкий участок спектра сигнала, и чем уже частотная характеристика фильтра, тем уже разрешение по частоте. Для получения приемлемого спектрального разрешения доплеровских сигналов число фильтров должно быть достаточно велико. Поэтому использование спектрального анализа в доплеровских приборах стало возможно только с появлением малогабаритных устройств цифровой обработки сигналов — цифровых спектроанализаторов.

 

В цифровом спектроанализаторе формирование спектральных составляющих сигнала выполняется цифровым способом на основе реализации эффективного в вычислительном отношении алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ). Перед выполнением спектрального анализа сигнала в цифровой форме осуществляется преобразование выходного сигнала приемного тракта в последовательность цифровых кодов с помощью аналого-цифрового преобразователя. Далее отсчеты сигнала накапливаются в буферной памяти.

После накопления последовательности отсчетов сигнала выполняется вычисление спектра сигнала с помощью алгоритма БПФ.

Современная доплеровская система со спектральным анализом выполняет следующие основные функции:

— формирование зондирующих сигналов;

— прием эхо-сигнала и выделение доплеровских смещений;

— формирование звуковых сигналов прямого и обратного кровотока;

— формирование доплерограммы и отображение ее в реально масштабе времени на экране монитора;

— вычисление параметров и индексов кровотока.

Реализацию вышеперечисленных функций рассмотрим на примере доплеровской системы «Сономед-300»

Доплеровская система включает в себя: ультразвуковой датчик импульсного излучения 2МГц; ультразвуковые датчики непрерывного излучения 4 и 8 МГц; передатчик; приемник; цифровой спектроанализатор; управляющий компьютер (совместимый с персональным РС).

 

Передатчик генерирует электрический сигнал возбуждения датчиков. В датчике электрический сигнал преобразуется в механические колебания пьезоэлектрической пластины, которые и передаются на тело пациента.

Эхо-сигналы от внутренних структур тканей, поступающие на датчик, преобразуются с помощью пьезоэлектрической пластины датчика в электрические колебания.

Приемник путем смешения сигнала возбуждения с эхо-сигналом и последующей фильтрации выделяет доплеровский сигнал кровотока, который поступает затем на цифровой спектроанализатор. После дополнительной обработки с помощью фазосдвигающих цепей, выполняющих разделение сигналов прямого и обратного кровотока, и усиления этот сигнал выдается на громкоговорители для звукового воспроизведения.

В цифровом спектроанализаторе выполняется преобразование доплеровского сигнала в цифровую форму, после чего производится вычисление спектра доплеровского сигнала.

Сформированные спектральные линии накапливаются в видеопамяти управляющего компьютера и выдаются на экран монитора. Кроме формирования изображения управляющий компьютер обеспечивает интерфейс с пользователем для создания режимов работы прибора, выполняет расчет параметров кровотока, накопление результатов измерений на магнитных носителях, регистрацию результатов с помощью внешних печатающих устройств.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1 Безопасность  при работе с приборами, использующими  ультразвук

Применение ультразвука для диагностических целей имеет более чем тридцатилетнюю историю, и в течение всего этого периода одним из наиболее дискутируемых и неоднозначных оставался вопрос о безопасности применения энергии ультразвуковых волн для пациента.

Следует отметить, что вопрос безопасности врача, проводящего обследование, обсуждался с не меньшим энтузиазмом, особенно на первом этапе появления сканирующих приборов. Тогда использовали несовершенные средства отображения информации, конструкция датчиков была неудобной, тяжелой, с выраженными механическими вибрациями. Безусловно, все эти факторы воздействовали на оператора, работавшего с прибором, и практика широкого клинического применения требовала разработки и утверждения соответствующих санитарно-гигиенических норм. При этом следует понимать, что среди рассматриваемых факторов отсутствовали эффекты ультразвуковой энергии, так как конструкция всех ультразвуковых датчиков, используемых в диагностической аппаратуре, исключает распространение ультразвуковых волн в направлении оператора. Отраженная энергия, распространяемая в тканях организма, воспринимается только лицевой поверхностью датчика, которая находится в контакте с телом пациента благодаря применению специализированных акустически согласованных (прозрачных) гелей. Таким образом, можно сделать вывод, что вопросы безопасности работы оператора с ультразвуковым оборудованием не имеют особой «лучевой» специфики, присущей другим методам лучевой диагностики; соответствующие нормативы содержатся в специализированных изданиях.

Остановимся на вопросе безопасности для пациента при проведении обследований на различных видах доплеровского оборудования в различных режимах.

Вопросами биологического воздействия ультразвука и его безопасного применения занимались в течение последних двадцати лет многие авторитетные международные организации: Всемирная организация здравоохранения, Всемирная федерация по применению ультразвука в медицине и биологии, Международная электротехническая комиссия (Технический комитет ТК-87 – «Ультразвук»), ряд национальных сообществ.

Все эти организации пришли к заключению в своих отчетных документах, что к настоящему времени не обнаружены эффекты, которые могли бы препятствовать широкому применению ультразвуковых волн для диагностических целей. При этом наиболее значимым и определенным как для разработчиков, так и для пользователей считается заключение, сделанное в декабре 1987 г. организацией AIUM (Американский институт по применению ультразвука в медицине):

«В диапазоне ультразвуковых частот, используемых для диагностических целей, до настоящего времени не было подтверждений значимых биологических эффектов при воздействии на ткани in vivo нефокусированным ультразвуком с интенсивностями ниже 100мВт/см2.

 

Далее, для времени экспозиции более 1 с и менее 500 с (для нефокусированного ультразвука) или 50 с (для фокусированного) такие эффекты не были зарегистрированы и при более высоких интенсивностях, когда произведение интенсивности и времени экспозиции не превышало 50 Дж/см2».

Данное заключение подтверждалось несколько раз и в последующие годы. Таким образом, в течение последнего десятилетия было общепризнанным считать ультразвуковое воздействие полностью безопасным при условии интенсивности излучения менее 100 мВт/см2. При этом в целом ряде публикаций отмечалось, что данный порог является условным и принят для определенности как временный ориентир. В дальнейшем по мере проведения дополнительных экспериментов и исследований его значение может быть пересмотрено.

Следует отметить, что большинство ультразвуковых полей, генерируемых в доплеровских режимах, относятся к категории нефокусированных. Приведенное заключение AIUM можно представить в виде графика

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Энергетическая допплерография  — новая диагностическая технология  визуализации кровотока. // В сб.: Новые диагностические технологии. Организация службы функциональной  диагностики. — Москва. — 1996. — С.32 (соавт. В.П. Куликов).

2. Дуплексное сканирование  сосудов с цветным картированием  кровотока. // Методические рекомендации  для врачей и студентов медицинских  ВУЗов. Тип. АОЗТ “Диалог-Сибирь". — г. Барнаул. — 1996. — С.84 (соавт. В.П. Куликов, А.В. Могозов, А.Н. Панов, С.О. Ромашин, Н.В. Устьянцева-Бородихина, Р.В. Янаков).

3. Сравнительная информативность  ЦДК и ЭДК. // Новые методы функциональной  диагностики (сборник научных трудов) — Барнаул. — 1997. — С.8 (соавт. Е.В. Граф, А.В. Могозов).

4. Диагностика патологии  позвоночных артерий при помощи  цветного допплеровского картирования  и энергетической допплерографии. // В сб.: Новые методы функциональной  диагностики. — Барнаул, 1997. — С.13-14 (соавт. А.В. Могозов, Н.Г. Хорев).

5. Шарапов А.А. Построение  аппаратуры обработки данных  на основе ЦПОС для доплеровского  индикатора скорости кровотока. Микроэлектроника и информатика  — 97: Часть 1. М.: МГИЭТ (ТУ). 1997. — с.127.

6. Шарапов А.А. Применение  «высокочастотных» датчиков в УЗ допплерографии. // «Электроника и информатика — 97». В 2ч. Тезисы докладов.4.1 — М.: МГИЭТ (ТУ), 1997. — с.217, информатизации — 99. Доклады международной конференции Информационные средства и технологии, 19-21 октября 1999г. В 3-х т. т. т.1, с.45 — 49.

7. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники, т 2., Москва, «Мир» 1986. (RS232)

8. Р. Кофлин, Ф. Дрискол. Оперционные усилители и линейные интегральные схемы. Москва, «Мир», 1979.

9. Киясбейли А.Ш. «Частотно временные ультразвуковые расходомеры и счетчики» Москва, «Машиностроение», 1984.

10. Макс Ж., «Методы и  техника обработки сигналов при  физических измерениях» В 2-х томах. Пер. с франц. — М.: Мир, 1983.

11. Сотсков Б.С. «Расчет надежности» Москва, «Машиностроение», 1984.

13. Ультразвуковая допплеровская  диагностика в клинике/ Под. Ред. Никитина Ю.М., Труханова А.И. – Иваново: Издательство МИК, 2004. 496 с.

14. Методическое пособие  № 3077 «В помощь дипломнику» на  тему: «Безопасность и экологичность». Бакаева Т.Н. Непомнящий, Ткачев И.И., ТРТУ, 2001 г.