1.5 Частота излучаемого сигнала

Из выражения для допплеровского сдвига частоты (8) видно, что при неизменной скорости Допплеровский сдвиг пропорционален частоте излучаемого датчиком сигнала: чем больше эта частота, тем больше сдвиг. По этой причине целесообразно выбирать как можно большую величину частоты сигнала, так как при этом увеличивается точность измерения допплеровского сдвига Р_д и, следовательно, точность оценки скорости v в каждый момент времени.

Стремление увеличить частоту излучения, к сожалению, в существенной мере сдерживается физическими ограничениями, связанными с затуханием ультразвуковых колебаний в биологических тканях. Как известно, эти затухания имеют частотно­зависимый характер, т.е. с увеличением частоты повышается степень затухания и, следовательно, уменьшается максимальная глубина, на которой еще можно получить эхо-сигнал приемлемого уровня, достаточного для измерения допплеровского сдвига частоты.

В так называемых дуплексных датчиках, используемых для получения одновременно двухмерного В-изображения и допплеровских измерений, частота для допплеровских измерений ниже, чем частота для В-режима. Например, датчик с частотой 3,5 МГц в В-режиме в допплеровском режиме излучает частоту 3 МГц, в датчике с частотой 5 МГц (в В-режиме) в допплеровском режиме применяется частота 4 МГц.

Вернемся опять к формуле (8) для допплеровского сдвига частоты, исключив из нее для простоты зависимость от угла α (7):

Fд = 2f0v/C

Если подставить в нее значение скорости v = 2 м/с, то для частоты излучения f₀ = 8 МГц можно получить (имея в виду, что С ≈ 1540 м/с) сдвиг частоты Р_д = 16 кГц. Для других, меньших значений скорости Допплеровский сдвиг частоты будет соответственно меньше. Полученный результат интересен тем, что имеет важное практическое значение. Вспомним, что диапазон частот, слышимых человеческим ухом, составляет от 20 Гц до 20 кГц. Поэтому с помощью специальных усилителей и акустических систем Допплеровский сдвиг частоты можно сделать слышимым, что делается практически во всех современных приборах с допплеровскими режимами работы. Возможность слышать допплеровские частоты помимо их наблюдения на экране прибора является очень полезной функцией, так как человеческое ухо — чувствительный и тонкий анализатор частот.

1.6 Непрерывноволновой допплер

Непрерывноволновой допплер (continuous wave Doppler — CW-Doppler) был первым и (на ранней стадии развития ультразвуковых допплеровских систем) единственным использовавшимся методом допплеровской эхографии. В режиме CW излучаются и принимаются синусоидальные сигналы большой длительности, которые поэтому называются непрерывными. На самом деле длительность эхо-сигналов, обрабатываемых в системе, ограничена во времени, что связано, в частности, с необходимостью измерения допплеровского сдвига частоты на конечных интервалах, не превышающих 5÷10 мс. В противном случае не реализуется принцип измерения "в реальном времени".

Для режима CW используются специальные датчики, в которых излучение и прием обеспечивается отдельными ультразвуковыми преобразователями. На рис. 11а изображен двухэлементный CW-датчик так называемого карандашного типа (pencil probe). Излучатель и приемник датчика имеют вид пьезокерамических полудисков, акустически и электрически отделенных друг от друга. Излучатель формирует передающий луч, приемный преобразователь воспринимает приемный луч. Оси лучей ориентированы таким образом, чтобы они пересекались на некоторой глубине, в районе которой датчик должен исследовать сосуды.

Рис. 11. Датчики для непрерывноволнового допплера. Заштрихована рабочая зона датчика — контрольный объем, а — карандашный датчик, б — дуплексный датчик.

На излучатель поступает непрерывный синусоидальный электрический сигнал с частотой f₀ (рис. 12). В пьезокерамическом излучателе электрический сигнал преобразуется в синусоидальный ультразвуковой сигнал с той же частотой f₀. Излучаемые ультразвуковые колебания, распространяющиеся вглубь биологических тканей, в основном сконцентрированы в границах передающего луча (рис. 11 а). По мере распространения ультразвуковые колебания претерпевают отражения от акустических неоднородностей [1], и часть этих отражений в виде эхо-сигналов возвращается к датчику и может быть принята его приемным преобразователем. Наилучшим образом прием эхо-сигналов осуществляется в границах приемного луча. Очевидно, что наиболее благоприятные условия исследования имеют место в зоне пересечения передающего и приемного лучей (на рис. 11 эта зона заштрихована).

Рис. 12. Непрерывноволновой допплер. Схема и основные устройства систем излучения и обработки сигналов.

Рис. 13. Вид сигналов CW на временной оси и соответствующей вид спектра частот этих сигналов, а — излучаемый сигнал, б — спектр излучаемого сигнала, в — принимаемый эхо-сигнал, г— спектр принимаемого эхо-сигнала.

Рис. 14. Примеры спектров частот допплеровского сдвига, а — спектр частот излучаемого непрерывного сигнала (с ним по форме совпадает спектр эхо-сигналов от неподвижных отражателей), б — спектр частот эхо-сигналов от отражателей, двигающихся с одной и той же скоростью, в — спектр частот эхо-сигналов прямого кровотока, г — спектр частот эхо-сигналов обратного кровотока, д — спектр частот эхо-сигналов при турбулентном кровотоке.