Уз доплерография
Медицинские основы метода
УЗ доплеровский прибор представляет собой локационное устройство, принцип работы которого заключается в излучении зондирующих сигналов в тело пациента, приеме и обработке эхосигналов, отраженных от движущихся элементов кровотока сосуда.
Возбуждение УЗ колебаний и прием эхосигналов при работе доплеровского прибора выполняется датчиком, в состав которого входит один или несколько УЗ преобразователей. Широкий спектр УЗ исследований сосудов современным доплеровским прибором обеспечивается за счет применения датчиков различного назначения, отличающихся между собой характеристиками излучаемого ультразвука (непрерывным или импульсным типом излучения, частотой излучения), а также конструктивными параметрами (обычные датчики, датчики со специальным креплением для мониторинга, плоские датчики для хирургического применения).
При работе доплеровского прибора излучается УЗ волна в мягкие ткани, после чего осуществляется прием и анализ отраженных эхосигналов от движущихся элементов крови в кровеносных сосудах (главным образом от красных кровяных телец).
V – скорость кровотока;
Q – угол излучения по отношению к скорости кровотока;
Fотр – частота отраженной волны от частиц кровотока;
F0 – излученная датчиком УЗ волна.
Принцип работы доплеровских приборов основан на использовании эффекта Доплера, суть которого состоит в изменении частоты принимаемой волны из-за взаимного движения источника и приемника волны. В данном случае в роли источника и приемника волны поочередно выступают датчик и элементы кровотока. Первоначально источником волны является датчик и, который обеспечивает излучение исходной звуковой волны в ткани. Затем элементы кровотока, рассеивающие излученную датчиком УЗ волну, выступают в качестве приемника исходной УЗ волны от датчика и источника обратной УЗ волны, принимающейся в свою очередь датчиком.
,
где с – скорость распространения УЗ в мягких тканях (с=1500 м/c).
Выражая из данной формулы скорость и зная остальные значения, мы можем рассчитать скорость кровотока отдельных частиц крови, движение стенок сосудов и сердца.
Экспериментально определено, что в норме разница между F0 и Fотр соответствует частотному диапазону 0 – 5 кГц. При нарушениях кровотока эта разница лежит в диапазоне 5 – 20 кГц.
Технические аспекты реализации метода
Обычно результат работы доплеровского прибора представляется в виде двух изображений.
Состояние кровотока оценивается как по качественным, так и по количественным показателям. К качественным характеристикам относятся: характер звукового доплеровского сигнала, форма доплерограммы, распределение частот. К количественным характеристикам относятся: максимальная систолическая скорость, конечная диастолическая скорость, средняя скорость за один сердечный цикл.
1. Режим непрерывного излучения
В режиме непрерывного излучения генерация УЗ волны осуществляется постоянно и одновременно выполняется прием эхосигналов. Для проведения доплеровских исследований в режиме непрерывного излучения используется датчик, состоящий их двух пьезоэлектрических пластин. Одна пластина обеспечивает непрерывное излучение доплеровского сигнала, другая – прием эхосигнала.
Режим непрерывного излучения прост в эксплуатации, однако имеет принципиальные ограничения, связанные с отсутствием разрешения объекта по глубине. В режиме непрерывного излучения нет возможности разделения сигналов от двух кровеносных сосудов, расположенных на разной глубине в пределах области чувствительности прибора. Максимальный размер зоны чувствительности прибора по глубине определяется степенью затухания УЗ в тканях. Затухание УЗ в свою очередь сильно зависит от частоты зондирующего сигнала. Чем выше частота, тем больше степень затухания, поэтому исследования сосудов близко расположенных к поверхности кожи может успешно проводиться с помощью непрерывных зондирующих сигналов большой частоты. Для исследования сосудов, находящихся на большой глубине, в частности сосудов головного мозга, используют импульсный режим излучения.
Достоинства режима непрерывного излучения:
качественное выделение сигналов с малым уровнем шумов;
небольшая мощность излучения;
нет ограничений по величине измеряемой скорости кровотока.
Недостатки:
невозможно разделить сигналы от разных сосудов, а также невозможно оценить диаметр сосуда;
при установленных нормах на безопасной для пациента мощности излучения кость является непреодолимым препятствием распространению доплеровских сигналов, что делает невозможным проведение исследований сосудов головного мозга.
2. Режим импульсного излучения (транскраниальная доплерография). В режиме импульсного излучения УЗ волна излучается не постоянно, а в короткие периодически повторяющиеся промежутки времени. После каждого импульса излучения с некоторой задержкой осуществляется прием эхосигналов. В данном случае зондирование и прием эхосигналов разделены во времени. Сначала формируется посылка УЗ волны определенной длительности, после чего через промежуток времени, определенный анализируемой глубиной, осуществляется прием эхосигналов.
Датчик импульсного излучения включает в себя одну пьезопластину, обеспечивающую излучение зондирующего сигнала, и прием эхосигнала с разделением во времени. Пластину часто делают немного выгнутой для улучшения фокусировки УЗ луча на определенной глубине. При импульсном излучении глубина определяется частотой посылки зондирующих импульсов, разрешение сигналов по глубине – длительностью импульса. Чем выше частота следования импульсов излучения, тем меньше измеряемая глубина, но выше максимальная анализируемая скорость кровотока, и наоборот.
Достоинства режима импульсного излучения:
позволяет разделять сигналы от разных сосудов, в частности сигналы от близко расположенных сосудов с разными направлениями кровотока;
более узкий УЗ луч по сравнению с режимом непрерывного излучения.
Недостатки:
максимальная измеряемая скорость кровотока определяется частотой повторения импульсов излучения. Если скорость движения элементов кровотока превышает некоторое граничное значение, определенное частотой повторения зондирующих импульсов, то за счет эффекта наложения соответствующее доплеровское смещение окажется в области низких частот, что соответствует малой скорости кровотока. Таким образом, возникает неопределенность при измерении скорости кровотока.
Аппаратура для проведения доплеровских исследований
Исходя из принципов УЗ доплерографии, аппаратура должна выполнять следующие основные функции:
формирование зондирующих сигналов;
прием эхосигналов и выделение доплеровских смещений;
формирование звукового сигнала прямого и обратного кровотока;
формирование доплерограммы и передача ее в ПК.
Передатчик приемо-передающего тракта генерирует электрический сигнал возбуждения датчиков. В датчике электрический сигнал преобразуется в механические колебания пьезоэлектрической пластины, которые передаются в тело пациента. Для импульсного датчика рабочая частота 2 МГц, для непрерывного – 4-8 МГц.
Эхосигналы от внутренних структур ткани, поступающие на датчик, преобразуются с помощью пьезоэлектрической пластины в электрические колебания. Приемник приемо-передающего тракта путем смещения сигнала возбуждения и эхосигнала и последующей фильтрацией выделяет доплеровский сигнал кровотока, который поступает в цифровой блок. После дополнительной обработки с помощью фазосдвигающих цепей, выполняющих разделение сигналов прямого и обратного кровотока и усиление, сигнал выдается на громкоговорителе для звукового воспроизведения. В цифровом блоке выполняется преобразование доплеровского сигнала в цифровую форму, после чего производится вычисление спектра доплеровского сигнала путем использования алгоритма быстрого преобразования Фурье. Сформированные спектры предоставляются в ПК.
ПО доплеровских систем
Особенностью ПО является визуализация принимающего из внешнего прибора спектра в удобном и привычном для врача виде. Также необходимо по отображенному спектру выполнять автоматизированный расчет параметров кровотока.