3. Доплеровские методы в ультразвуковой медицинской аппаратуре

Эффект Доплера состоит в том, что частота принятого сигнала, который отражен от движущегося отражателя (или рассеивателя), отличается от частоты излученного сигнала. Величина изменения частоты называется доплеровским сдвигом. Она пропорциональна скорости движения отражателя (или рассеивателя). Если смешать излученный и принятый сигналы, то можно получить разностный сигнал, частота которого будет равна доплеровскому сдвигу.

Многие физиологические процессы, происходящие в организме человека, сопровождаются изменением положения одних структур относительно других, т. е. движением. При этом величина доплеровского сдвига для этих процессов расположена в звуковом диапазоне. Этот факт явился предпосылкой для создания простейших индикаторов скорости, основанных на регистрации доплеровского сигнала с помощью наушников или громкоговорителя. Используя такое устройство, оператор может на слух определять наличие или отсутствие движения какого-либо отражателя, который находится на пути ультразвукового пучка. При некоторой натренированности оператор может судить о характере движения. Областью применения таких устройств является определение внутриутробного сердцебиения плода и вибрации стенок сосудов при измерении артериального давления. В этих простейших случаях прибором регистрировались мощные ультразвуковые сигналы от отражающих структур, т. е. требования к аппаратуре не были жесткими.

Задача определения параметров кровотока, т. е. случай, когда приходится работать со слабыми рассеянными сигналами, требует более сложного аппаратурного решения, так как ультразвук рассеивается на форменных элементах крови. По результатам измерений можно судить о наличии ускоренного кровотока в сосуде, т. е. обнаружить сужение сосуда, можно определить также наличие турбулентности за сужением.

В настоящее время диагностические возможности ультразвуковых измерителей скорости кровотока стали весьма широкими (визуализация кровотока в сосудах; различение сосудов, находящихся на разных глубинах; измерение профиля скоростей в одном сосуде; одновременная визуализация сосуда и регистрация кровотока; вычисление объемного расхода потока крови и т. д.).

3.1. Эффект Доплера

Зависимость наблюдаемой частоты периодического колебания от любого изменения расстояния между источником колебаний и наблюдателем называется эффектом Доплера. Этот эффект проявляется, если наблюдатель или источник (или они оба) движутся или если излучение от неподвижного источника к неподвижному наблюдателю приходит, отражаясь или рассеиваясь от движущегося объекта.

Пусть источник и наблюдатель движутся вдоль одной прямой, причем – скорость источника, а – скорость наблюдателя. Тогда наблюдаемая частота определяется выражением

,

где – частота колебаний источника; с – скорость звука. Отсюда получаем выражение для доплеровского смещения:

. (3.1)

Обычно в ультразвуковой доплеровской локации имеются неподвижный источник (излучатель), неподвижный наблюдатель (приемный преобразователь) и движущийся отражатель (или рассеиватель) ультразвука. При измерении скорости кровотока ультразвук рассеивается на флуктуациях плотности и сжимаемости, и принятый сигнал можно вычислить как сумму сигналов от всех элементов крови на пути ультразвукового пучка. На рис. 3.1 показан рассеиватель, движущийся со скоростью v относительно неподвижных излучателя (излучающего преобразователя) и наблюдателя (приемного преобразователя), в результате чего возникает доплеровский сдвиг частоты. Здесь 1 – это излучающий преобразователь, 2 – приемный преобразователь, 3 – рассеиватель.

Д

Рис. 3.1. Конфигурация, в которой возникает доплеровский сдвиг частоты

оплеровский сдвиг от движущегося отражателя (или рассеивателя) можно вычислить, рассматривая его в системе наблюдателя, движущегося относительно источника (излучателя), а затем в системе источника, движущегося относительно наблюдателя (приемника). Кроме того, поскольку направления распространения падающей и рассеянной волн не совпадают с направлением движения элемента крови, уравнение (3.1) нельзя использовать непосредственно – необходимо заменить и составляющими этих скоростей вдоль направлений приема и излучения. Тогда получим:

,

где и – углы между вектором скорости и направлениями излучения и приема; – частота излучения.

Учтем, что с  1500 м/c; а v  1 м/с. Тогда можно считать, что v  c. Следовательно,

, (3.2)

где – угол между вектором скорости и биссектрисой угла между направлениями излучения и приема; – угол между самими этими направлениями.

Обычно в изображенном на рис. 3.2 ультразвуковом приемно-излучаю­щем устройстве (зонде) 1 совмещаются передающий 2 и приемный 3 преобразователи. Здесь также отмечены рассеиватель 4 и измерительный объем 5. При этом биссектриса угла  совпадает с осью измерительного объема, т. е. области перекрытия двух пучков. Часто /2 – малый угол, тогда cos(/2)  1, и следовательно, из (3.2) можно получить:

Рис. 3.2. Схема работы приемно-излучающего устройства

. (3.3)

Из выражений (3.2) и (3.3) следует:

1. Частота доплеровского сдвига пропорциональна частоте излучателя.

Увеличение затухания и возрастание мощности рассеянного сигнала с ростом частоты и ширины пучка делает оптимальным выбор диапазона 220 мГц. При этом частоты доплеровского сдвига находятся в звуковом диапазоне.

2. Частота пропорциональна скорости движения отражателя (рассеивателя).

3. Частота обратно пропорциональна скорости ультразвука в биологической ткани.

4. Частота зависит от углов, образуемых вектором скорости с направлениями излучения и приема. Частный случай: при  = 90 .