3.2. Измеритель скорости кровотока непрерывного действия

Д

Рис. 3.3. Доплеровский прибор непрерывного излучения

оплеровский прибор непрерывного излучения был предложен Сатомурой в 1957 г. На рис. 3.3 изображена его структурная схема. Использованы следующие обозначения: 1, 2 – передающий и приемный преобразователи; 3 – генератор, работающий в диапазоне 220 мГц; 4 – усилитель высокой частоты; 5 – смеситель; 6 – усилитель низкой частоты и полосовой фильтр; 7 – частотомер; 8 – самописец; 9 – громкоговоритель или наушники; 10 – кровеносный сосуд; 11 – измерительный объем. Генератор 3, работающий в диапазоне 220 мГц, возбуждает передающий преобразователь 1, который в непрерывном режиме излучает ультразвуковой сигнал. Рассеянный и частично отраженный сигнал воспринимается прием­ным преобразователем 2, усиливается с помощью усилителя 4, после чего поступает в смеситель 5, где перемножается с сигналом от генератора 3. Пусть излученный сигнал имеет вид

.

Сигнал, который принят от единичного рассеивателя (с точностью до постоянного множителя), определяется по формуле

,

где , , а ₁ – величина фазы, которая зависит от расстояния до рассеивателя и от фазового сдвига в приемном тракте.

Сигнал на выходе перемножителя будет:

.

Второе слагаемое в данном выражении имеет удвоенную частоту. Оно отфильтровывается в усилителе низких частот.

Таким образом, остается лишь доплеровский сигнал, т. е. сигнал с частотой доплеровского сдвига:

.

После усиления и фильтрации в соответствующей полосе частот доплеровский сигнал поступает на наушники (громкоговоритель) и на частотомер.

Следует отметить, что на приемник поступают не только сигналы, которые рассеяны на форменных элементах крови. Кроме них туда попадают и сигналы, имеющие существенно большую амплитуду и являющиеся результатом отражения от других структур (например, границы жировой и мышечной ткани или стенки сосудов). Эти сигналы на 40–50 дБ превышают сигналы от кровотока. Иногда эта разница в сигналах может быть и еще больше (при локации глубоко залегающих сосудов). Кроме того, эти мощные сигналы и сами могут обладать низкочастотным (НЧ) доплеровским сдвигом, который может быть вызван движением окружающих структур (например, пульсацией артерий) или случайными смещениями зонда в руке оператора относительно неподвижных отражателей. Чтобы подавить эти мощные низкочастотные доплеровские сигналы, в НЧ-усилитель вводят фильтры верхних частот. Фильтрация необходима на входе усилителя или после небольшого предусиления, иначе сигналы в усилителе будут смешиваться. Неизбежный побочный эффект такой фильтрации – потеря низкочастотных доплеровских сигналов от медленного кровотока. Чтобы ограничить ширину полосы НЧ-усилителя и тем самым свести к минимуму мощность флуктуационного шума, в усилитель вводят НЧ-фильтры, верхняя частота среза которых устанавливается равной максимальной ожидаемой доплеровской частоте, поскольку излишнее увеличение частоты среза ведет лишь к росту уровня шума [3].

В рассматриваемом кровеносном сосуде рассеиватели могут двигаться с разными скоростями, т. е. внутри измерительного объема существует распределение скоростей кровотока в поперечном сечении сосуда. Следовательно, доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов, частота каждого из которых соответствует скорости конкретного рассеивателя. Суммарный доплеровский сигнал при этом имеет сплошной спектр, а частотомер будет показывать лишь среднюю из этих частот. Если известен угол , то с помощью уравнений (3.2) и (3.3) можно преобразовать измеренную среднюю частоту в скорость. Эта скорость есть средневзвешенное по линиям тока, проходящим через измерительный объем. Вклад каждой линии тока в среднюю скорость пропорционален мощности ультразвука, рассеянной элементами крови вдоль данной линии, т. е. интегралу по линии тока от чувствительности в пучке (зависимости величины сигнала, принятого от точечного рассеивателя, от координат этого рассеивателя). Если этот интеграл не изменяется по сечению сосуда, то измеренная скорость – средняя по пространству скорость кровотока.