1.3.2 Основні принципи побудови доплерівськой апаратури

Досдіниками послідовно були створені кілька поколінь ультразвукових доплерівських приладів: із постійним випромінюванням без виділення напрямку кровотоку (найпростіші індикаторні прилади); з виділенням напрямки - поділом прямого і зворотного кровотоку і отриманням графічного відображення кривої (обвідної) усередненої за обсягом швидкості кровотоку; з імпульсним випромінюванням для локалізації по глибині дослідження; зі спектральним аналізом інформації - для отримання частотного і часового розподілу швидкостей в досліджуваному об'єкті.

Для побудови приладів безперервного та імпульсного випромінювання використовується ряд відомих радіотехнічних електронних вузлів і блоків, розроблених із урахуванням специфіки взаємодії з електроакустичним елементом доплерівського приладу - ультразвуковим датчиком.

Блок-схема безперервно-хвильового доплерівського приладу зобрадена на Рис. 1.

Задавальний генератор 1 виробляє синусоїдальну хвилю, що надходить на підсилювач потужності 2 і далі на передавальний п'єзоелемент 3, який створює безперервну ультразвукову хвилю 4.

 

Рис. 1. Блок-схема безперервно-хвильового доплерівського приладу.

1 - задавальний генератор; 2 - підсилювач

потужності; 3 - передавальний п'єзоелемент; 4 - ультразвукова хвиля; 5 - кровоносна судина; 6 - еритроцити; 7 - прийомний п'єзоелемент; 8 - передпідсилювач; 9 - демодулятор.

Відбиваючись від рухомих в кровоносній судині 5 формених елементів крові 6, ультразвукова хвиля надходить на приймальний п'єзоелемент 7 і далі на вихід передпідсилювача 8 із низьким рівнем шуму, який посилює слабкі відбиті сигнали до рівня їх детектування демодулятором 9. На виході демодулятора сигнал має форму доплерівськоїрізничної хвилі з частотою .

Головним недоліком вимірювача потоку крові з безперебійним випромінюванням ультразвуку є відсутність дозволу по дальності. Будь-яка рухома ціль, яка потрапляє в зону діаграми направленості ультразвукового датчика, буде вносити вклад в остаточний вихідний доплерівский сигнал. У результаті цього, під час клінічного застосування таких приладів не завжди можливо виділити потоки крові в сусідніх судинах. А селективність по дальності іноді може бути головною вимогою в доплерівских дослідженнях

Найбільш простим методом кодування ультразвукової хвилі являється амплітудна модуляція безперебійних коливань. У приладі, відомому як імпульсний доплерівский аналізатор швидкості кровотоку, короткі імпульси ультразвуку передаються із регулярної інтервальністю на рухому ціль, а відбиті сигнали досліджуються для визначення доплерівских зрушень частоти.

Імпульсний доплеровский прилад об'єднує можливості дозволу по дальності і детектування доплерівскихехо-сигналів. Як і у буд-якій ехо-імпульсній системі, в основу роботи приладу покладено принцип передачі коротких імпульсів хвиль на ціль і подальшого очікування повернення відбитих сигналів. Так як звукові хвилі проходять через людську тканину з доволі постійною швидкістю, затримка часу між передачею імпульсу і прийомом відбитих сигналів залежить від дальності цілі. Коли відбиті сигнали обробляються для отримання доплерівських зрушень, результатируючийдоплерівський сигнал може виникати тільки від цілей, що рухаються всередині «обсягу вибірки», відповідно до обраної затримки часу. У будь-який момент після передачі імпульсу обсяг вибірки може бути визначений як частина перед перетворювачем, у якій повинні виникати всі відбиті сигнали, що повертаються. Розміри обсягу вибірки визначаються в осьовому напрямку тривалістю імпульсу, що вловлюється приймачем, а в поперечному - шириною пучка об'єднаної системи передавач-приймач. Використовуючи вибірку тих доплерівських компонентів, які після передачі повертаються з існуючою постійної затримкою, можливо визначити положення фіксованого обсягу вибірки і, таким чином, обробити тільки ті цілі, що рухаються на певній дальності від перетворювача.

На Рис. 2 представлені основні вузли ехо-імпульсної доплерівської системи.

 

Рис. 2. Блок-схема імпульсного доплерівського приладу. 1 - задавальний генератор; 2 - селектор передачі; 3 - підсилювач потужності; 4 - генератор імпульсів; 5 - передпідсилювач; 6 - селектор по дальності; 7 - когерентний демодулятор; 8 - селектор затримки; 9 - схема вибірки зберігання; 10 - смуговий фільтр; 11 - датчик; 12 - вибрана дальність; 13 - обсяг вибірки.

Задавальний генератор випромінює синусоїдальну хвилю на резонансній частоті перетворювача. Один раз за кожен період повторення імпульсу кілька періодів задавального коливання проходять через селектор передачі і підсилювач задля перетворення. Селектор затримки створює тимчасову затримку, що дозволяє блоку переданих ультразвукових коливань проходити на задану дальність і повертатися назад. Потім відбиті сигнали, що повертаються, та потім дискретизуються за допомогою відкриття селектора по дальності і подачі на когерентний демодулятор, який скерований задавальним генератором. Кожен відселектований за часом відбитий сигнал викликає короткий вихідний імпульс демодулятора, який в свою чергу формує частину відрахованого вихідного сигналу доплерівського приладу. У разі необхідності, ці відліки можна зібрати(наприклад, у схемі вибірки-зберігання) до приходу наступного переданого імпульсу. Цей так званий метод «із запам'ятовуванням відліку» дозволяє отримувати вихідний сигнал більш згладженої форми, який потім може бути відфільтрований для усунення будь-яких компонентів, що відстають від частоти повторення імпульсів, а також для усунення низькочастотних ехо-сигналів, що заважають. До недоліків ехо-імпульснихдоплерівських приладів слід віднести:

- Дально-швидкісні обмеження;

- Велике відхилення максимальної випромінюваної потужності (інтенсивності) від середньої.

Оскільки середня інтенсивність строго визначає чутливість системи і є підтвердженням того, що ультразвук високої інтенсивності може чинити певний вплив на людську тканину, то характеристика сигналу / шуму, а отже, чутливості імпульсної доплерівської системи строго обмежується умовами безпеки пацієнта.

Відповідно до ефекту Доплера кожній швидкості руху елементів кровотоку відповідає доплерівський сигнал певної частоти, тому формування розподілу доплерівських швидкостей елементів кровотоку зводиться до виявлення набору частотних складових у сигналі, тобто до спектрального аналізу сигналу. В умовах виконання спектрального аналізу формується розподіл допплерівських швидкостей елементів кровотоку. Спектральний аналіз здійснюється шляхом використання набору фільтрів, що рівномірно розподіляють частотний діапазон сигналу.

При цьому кожен фільтр виділяє вузьку ділянку спектра сигналу, і чим вужча частотна характеристика фільтра, тим вужче розширення по частоті. Для отримання прийнятного спектрального розширення доплерівських сигналів число фільтрів має бути достатньо великим. Тому використання спектрального аналізу в доплерівських приладах стало можливим тільки з появою малогабаритних пристроїв цифрової обробки сигналів - цифрових спектроаналізаторів.

У цифровому спектроаналізаторі формування спектральних складових сигналу виконується цифровим способом на основі реалізації ефективного в обчислювальному відношенні алгоритму швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). Перед виконанням спектрального аналізу сигналу в цифровій формі здійснюється перетворення вихідного сигналу приймального тракту в послідовність цифрових кодів за допомогою аналого-цифрового перетворювача. Далі відрахунки сигналу накопичуються в буферній пам'яті.

Після накопичення послідовності відліків сигналу виконується обчислення спектру сигналу за допомогою алгоритму ШПФ.

Сучасна доплерівська система зі спектральним аналізом виконує такі основні функції:

- Формування зондуючих сигналів;

- Прийом ехо-сигналу і виділення доплерівських зсувів;

- Формування звукових сигналів прямого і зворотного кровотоку;

- Формування доплерограми і відображення її в реальному часі на екрані монітора;

- Обчислення параметрів та індексів кровотоку.

Реалізацію вищеперелічених функцій розглянемо на прикладі допплерівської системи «Сономед-300», блок-схема якої наведена на Рис. 3.

Доплерівська система включає в себе: ультразвуковий датчик імпульсного випромінювання 2МГц; ультразвукові датчики безперебійного випромінювання 4 і 8 МГц; передавач; приймач; цифровий спектроаналізатор; керуючий комп'ютер (сумісний з персональним РС).

  

Рис.3. Блок-схема доплерівського приладу зі спектральним аналізом

Передавач генерує електричний сигнал збудження датчиків. Електричний сигнал у датчику перетвориться на механічні коливання п'єзоелектричної пластини, які і передаються на тіло пацієнта.

Ехо-сигнали від внутрішніх структур тканин, що надходять на датчик, перетворюються за допомогою п'єзоелектричної пластини датчика в електричні коливання.

Шляхом зміщення сигналу збудження з ехо-сигналом і подальшої фільтрації приймач випромінює доплерівський сигнал кровотоку, який надходить потім на цифровий спектроаналізатор. Після додаткової обробки за допомогою фазорухомихланцюгів, що виконують поділ сигналів прямого і зворотного кровотоку, та посилення цей сигнал передається на гучномовці задля звукового відтворення.

У цифровому спектроаналізаторі виконується перетворення доплерівського сигналу в цифрову форму, після чого виконується обчислення спектра доплерівського сигналу.

Сформовані спектральні лінії накопичуються в відеопам'яті керуючого комп'ютера і відтворюються на екрані монітора. Окрім створення зображення, керуючий комп'ютер забезпечує інтерфейс з користувачем для створення режимів роботи приладу, виконує розрахунок параметрів кровотоку, накопичення результатів вимірювань на магнітних носіях, реєстрацію результатів за допомогою зовнішніх друкуючих пристроїв.