4.10.2. Импульсноволновой допплер – pw

Используемые в этом методе импульсные, т.е. короткие по времени сигналы, дают возможность наблюдать отдельные участки по глубине, что невозможно в методе нерерывноволнового допплера. При этом, чем короче во времени импульсы, тем лучше разрешающая способность по глубине. Однако при использовании коротких импульсов получается более низкая точность измерения допплеровского сдвига частоты, чем при длинных сигналах. Поэтому для измерения допплеровских частот применяются периодические последовательности коротких импульсов (пачки импульсов). Пачка импульсов дает возможность сохранять основные достоинства длинного сигнала, позволяющего с достаточной точностью измерять допплеровский сдвиг частоты и возможность обеспечить ту же разрешающую способность по глубине, что и один короткий импульс.

Схема и основные устройства измерения и обработки сигналов в системе импульсно-волнового допплера показаны на рис. 50.

Рис. 50. Импульсноволновой допплер. Схема и основные устройства системы излучения и обработки сигналов

Пачка импульсов образуется из непрерывного сигнала генератора с частотой f₀ при помощи формирователя пачки и подается на пьезопреобразователь датчика. В отличие от непрерывно-волнового допплера здесь для приема и излучения используется один и то же пьезопреобразователь. Принятые и преобразованные пачки эхо-сигналов поступают на приемное устройство. Когда элементарных отражателей много и они расположены близко относительно друг друга, эхо-сигналаы от них образуют непрерывный шумоподобный сигнал. Для выделения импульсных эхо-сигналов, соответствующих одному элементу, прием осуществляется в определенных интервалах во времени – стробах. Интервалы устанавливаются со сдвигом во времени относительно каждого из излучаемых импульсов пачки на величину (рис. 51).

Рис. 51. Импульсноволновой допплер:

а – сигнал генератора с частотой t₀; б – сформированная пачка из N импульсов с периодом повторения Т; в – пачка эхо-импульсов, отраженных от движущихся структур; , _Т, _2Т, _3Т – стробы, в которых осуществляется прием эхо-сигналов с глубины L

Формирование приемных стробов осуществляется специальным устройством системы. После выделения эхо-сигнала его частота сравнивается с частотой f₀ генератора и если эхо-сигнал обязан своим происхождением движущимся структурам (кровотоку), то выделяются составляющие эхо-сигнала с частотами допплеровского сдвига Fд (положительными или отрицательными). Эхо-сигналы на частоте допплеровского сдвига поступают на два громкоговорителя, один для положительных, другой для отрицательных сдвигов частоты. Эти же эхо-сигналы подаются на анализатор спектра, вычисляющий спектр частот допплеровского сдвига G(Fд). Спектр запоминается в устройстве памяти и отображается на мониторе прибора.

4.10.3. Особенности измерения спектра допплеровских частот

Если движущиеся отражающие структуры (сосуды) находятся одновременно на различных глубинах L и L₁, то система будет не в состоянии определить их действительную глубину и будет измерять некий суммарный допплеровский спектр, т.е. давать заведомо неверный результат, выражающийся в неоднозначности измерения глубины, что в определенных случаях становится основным недостатком метода импульсно-волнового допплера.

Для того, чтобы не было неоднозначности определения глубины, необходимо выполнение следующего условия для величины периода повторения импульсов в пачке

, ( 16 )

где Lmax – максимальная глубина, в пределах которой следует обеспечить однозначность измерения.

Основные виды сигналов, используемых в УЗ диагностических системах, представлены на рис. 52. Каждый из сигналов характеризуется спектром в виде суммы синусоидальных колебаний с различными частотами, амплитудами и фазами. В допплеровских УЗ системах, предназначенных для оценки спектра скоростей кровотока, принятые эхо-сигналы подвергаются обработке в специальных процессорах, вычисляющих спектр эхо-сигнала с помощью преобразования Фурье.

Рис. 52. Вид сигналов, используемых в ультразвуковой диагностике (слева), и соответствующих им амплитудно-частотных спектров (справа): а – В-режим, б – СW-режим, в – PW-режим – одиночный импульс; г – PW-режим – пачка из N импульсов

При работе в В-режиме длительность сигнала очень мала (не более 0,7 мкс при f₀ =3,5 МГц), что обеспечивает хорошее продольное разрешение. Амплитудный спектр этого сигнала G(f) очень широкий и ширина спектра равна

. (17)

При этом, чем короче импульс, тем шире его спектр и наоборот, чем длиннее сигнал, тем уже спектр.

В СW-режиме используется очень длинный синусоидальный сигнал на одной частоте f₀ с очень узким спектром, например f = 100 Гц при _и = 10 мс, что обеспечивает высокую точность измерения допплеровского спектра частот.

С целью повышения разрешающей способности по глубине, в PW-режиме применяются импульсные сигналы, длительность которых существенно меньше, чем в режиме СW, но несколько больше, чем в режиме В. Ширина спектра в этом случае не обеспечивает измерение спектра частот допплеровского сдвига с таким же качеством, как в режиме СW.

Поэтому в режиме РW применяется пачка импульсов, спектр которого имеет вид «гребенчатой функции» с несколькими пиками, ширина каждого из которых одна и та же и определяется длительностью пачки из N импульсов

. (18)

Расстояние F между отдельными пиками на оси частот равно частоте повторения импульсов. Уровень отдельных пиков различен и определяется огибающей, форма которой аналогична форме спектра одиночного импульса пачки.

При известном спектре скоростей кровотока в сечении сосуда G(V) и известной ориентации сосуда относительно датчика (угол ), можно вычислить спектр частот по формуле

. (19)

Вычисленный спектр допплеровского сдвига называется истинным спектром.

В режиме CW (рис. 53) спектр излучаемого сигнала очень узкий, т.е. излучается практически одна частота f₀. Поэтому спектр частот эхо-сигналов кровотока на выходе датчика Gпр(f) очень близок к истинному спектру частот допплеровского сдвига Gист(f) и практически повторяет по форме истинный спектр.

Рис. 53. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме CW: а – истинный спектр; б – спектр излучаемого непрерывного сигнала; в – вид спектра частот, получаемого на выходе приемного тракта (измеряемый спектр) – форма спектра практически повторяет вид истинного спектра частот допплеровского сдвига

В режиме PW, когда излучается пачечный сигнал, спектр излучаемого сигнала имеет многопиковый характер и ширина каждого пика очень узкая. Если истинный спектр частот допплеровского сдвига имеет относительно малую ширину (рис. 54), так что ширина его не превышает частоты повторения импульсов F, то измерение спектра частот допплеровского сдвига возможно. Измеренный спектр при этом так же получается многопиковым, хотя соответствует истинному спектру только та часть полученного спектра, которая ограничена интервалом измерения в пределах от (f₀ – F/2) до (f₀ + F/2), где F – частота повторения импульсов.

Рис. 54. Измерение спектра частот допплероского сдвига в режиме PW при малой ширине истинного спектра: а – истинный спектр частот допплеровского сдвига с положительными и отрицательными составляющими; б – спектр излучаемой пачки импульсов с малой частотой повторения F; в – полученный спектр на выходе приемника – форма спектра оценивается однозначно в интервале измерения

Интервал однозначного измерения истинного спектра частот допплеровского сдвига ограничен диапазоном (– F/2; + F/2) относительно несущей частоты f₀ излучаемого сигнала. Если же ширина истинного спектра выходит за указанные пределы интервала измерения, можно получить неправильную оценку истинного спектра.

Для обеспечения однозначной оценки истинного спектра следует увеличить частоту F повторения импульсов. Условие однозначного измерения спектра частот допплеровского сдвига описывается критерием Найквиста

Fдmax  F/2 . ( 20 )

Но выполнение этого условия может привести к невыполнению условия (16). Учитывая, что T = 1/F получаем условие одновременного измерения допплеровского спектра и глубины

Fдmax < C/4Lmax . ( 21 )

Условием однозначного измерения скорости кровотока и глубины является

. ( 22 )