Допплеровский измеритель скорости кровотока

• MedicReferat
• Допплеровский измеритель скорости кровотока

Страница: 10/27

Если же сосуд изогнут, задача измерения угла наклона датчика осложняется. Также нельзя гарантировать, что кровяные тельца в таком сосуде движутся параллельно стенкам сосуда.

Сечение датчика

В таблице погрешности измерения площади поперечного сечения сосуда из-за ошибки в измерении диаметра. Из этой таблицы видно, что указанные ошибки достаточно высоки особенно для малых сосудов.

Таблица 2. Погрешность измерения площади поперечного сечения сосуда для сосудов различного диаметра.

Дополнительным источником погрешности является изменение площади поперечного сечения пульсирующей артерии. Изменение в 10% характерно для крупных сосудов.

Высокочастотный фильтр

Для того, чтобы уменьшить влияние на результаты измерения очень сильного эхо-сигнала отраженного от стенок сосуда, этот сигнал обычно отфильтровывается высокочастотным фильтром. Этим же фильтром убираются низкочастотные составляющие от медленно движущейся крови. Обычно применяется фильтр с перестраиваемой частотой среза.

Движение сосуда

Изменение или даже потеря допплеровского сигнала может быть обусловлена движением исследуемого сосуда при дыхании.

Турбулентность

Это явление присуще даже нормальным сосудам и становиться сильно выраженным для сосудов с патологией из-за изменения структуры сосуда. Наличие турбулентности на сонограмме затрудняет нахождение средней скорости в сосуде вплоть до невозможности решения этой задачи. Любой признак наличия турбулентности в сосуде ставит под сомнение правильность измерения средней скорости.

Расширение спектра

Как показали эксперименты, проводимые на имитаторах потока, эффект спектрального расширения в довольно слабой степени влияет на результаты измерения.

Ошибки измерения индексов

Довольно трудно или вообще невозможно добиться равномерного облучения исследуемого сосуда (особенно крупного). Изменение чувствительности непрерывно-волнового датчика зависит и от приемного и от передающего элементов, а также, от их взаимного расположения и ориентации. Evans и Рarton (1981) и Douville с соавторами (1983) опубликовали результаты исследования диаграмм направленности таких датчиков, причем в обоих случаях отмечались существенные различия характеристик этих датчиков, выпущенных даже одним и тем же производителем.

Обычно исследования проводятся по «наилучшему» сигналу, наблюдаемому на мониторе. В этом случае, вероятность перекрытия УЗ лучом центра сосуда довольно велика. Если сечение сосуда достаточно мало, УЗ пучок полностью перекрывает его и спектр содержит информацию о всех составляющих кровотока. В противном случае, часть сосуда остается вне диаграммы направленности и допплеровский спектр, а также индексы, рассчитываемые на его основе, оказываются несостоятельными.

Главным выводом является то, что неравномерное облучение исследуемого сосуда серьезным образом влияет на форму допплеровского спектра, что, в свою очередь, приводит к неправильному расчету индексов.

Анализ огибающей допплеровского сигнала

Целью анализа допплеровского сигнала является выявление отклонений его формы от нормальной. Характер этих отклонений может свидетельствовать о наличие тех или иных физиологических или патологических нарушений в состоянии исследуемого сосуда.

Задачу анализа допплеровского сигнала можно разбить на три этапа: прием и предварительная обработка этого сигнала, выделение параметров сигнала и классификация. Прием, в частности, заключается в выделении некоего вектора, например, огибающей скорости кровотока, или спектра мощности допплеровского сигнала, описывающего кровоток в исследуемой артерии. Второй этап состоит в выделении характерных параметров исходного вектора и вычислении на их основе нового вектора, компонентами которого являются, например, индекс пульсации и индекс спектрального расширения. И, наконец, классификация заключается в принятии решения о нормальном или патологическом состоянии исследуемого сосуда.

Необходимо отметить, что каждый последующий этап зависит от предыдущего, поэтому различные методы исследования сосудов, различные метолы цифровой обработки и различные алгоритмы расчета огибающей в совокупности будут влиять на результаты и на качество обработки последующих этапов.

Опытный специалист может много сказать о состоянии исследуемого сосуда только по аудио сигналу допплеровского сдвига или по виду спектрограммы. В этом случае довольно затруднительно бывает определить точную причину того или иного заключения.

С другой стороны, объективные методы не полагаются на оценку пользователя, они должны обеспечить свободный обмен медицинскими методиками между различными учреждениями, и могут выявить скрытые изменения сигнала. В настоящее время, однако, большинство объективных методов сосредоточено на одной стороне сонограммы (например, на огибающей) и могут игнорировать очевидные для человеческого взгляда вещи.

Вывод:

Исходя из вышеизложенного, ультразвуковой медицинский допплеровский прибор целесообразно рассматривать не как средство измерения скорости кровотока или его составляющих, а как средство индикации, позволяющее лишь качественно оценить состояние исследуемого сосуда в частности и сердечно-сосудистой системы в целом.

Расчет надежности

Надежность является одной из основных инженерных проблем. Проблемой надежности занимались всегда с тех пор, как появилась техника. Ненадежные изделия никогда никому не были нужны. Давно уже было понятно, что надежность связана с избыточностью. В связи с этим в инженерных расчетах в различных областях тех­ники широко используются необходимые коэффициенты запаса.

Однако за последние 25—30 лет проблема надежности техниче­ских систем и входящих в нее элементов сильно обострилась. Это обусловлено главным образом следующими причинами:

Ростом сложности современных технических систем, включающих до 104-106 отдельных элементов;

Интенсивностью режимов работы системы или отдельных
ее частей: при высоких температурах, высоких давлениях, высоких скоростях;

Сложностью условий, в которых эксплуатируется техническая система, например: низкие или высокие температуры, высокие влажность, вибрации, ускорения и радиация и т. п.;

4. Требованиями к качеству работы системы: высокие точность, эффективность и т. п.;

Повышением ответственности функций, выполняемых систе­мой; высокой технической и экономической ценой отказа;

Полной или частичной автоматизацией и исключением не­посредственного участия человека при выполнении технической системой ее функции, исключением непрерывного наблюдения и контроля со стороны человека.

Одной из главных причин обострения внимания к проблеме надежности является рост сложности технических систем.

Сложность условий, в которых могут эксплуатироваться сов­ременные технические системы, характеризуется работой в широких диапазонах температур от -70 до +70, наличием вакуума, вы­сокой (98—100%) влажностью, вибрациями с большой амплиту­дой и широким спектром частот, наличием линейных ускорений до 10-300 (1000) и даже 20 000 g, наличием высокой солнечной и кос­мической радиации.

Это приводит к тому, что вероятности возникновения отказов могут возрасти в 25—100 или даже 500—1000 раз по сравнению с вероятностью отказов при работе технических систем в условиях лабораторий.

Сложность аппаратуры и тяжелые эксплуатационные условия контроль за исправностью аппаратуры, входящей в техническую систему, что не дает возможности,

своевременно обнаружить процессы, приводящие к отказу, и предупредить его появление.

Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчета и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля каче­ства исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления.

Надежность сохраняется применением правильных способов хранения изделий и поддерживается правильной эксплуатацией его, планомерным уходом, профилактическим контролем и ре­монтом.

I. При проектировании изделия должны быть учтены следую­щие факторы:

Качество применяемых компонентов и деталей. Выбор ком­плектующих компонентов и элементов должен быть проведен с уче­том условий работы изделия (климатических и производственных).Элементы должны удовлетворять требованиям по своим функцио­нальным свойствам и характеристикам, иметь необходимую меха­ническую, электрическую и тепловую прочности, требуемую точность и надежность и заданных условиях эксплуатации. Необхо­димо стремиться применять те компоненты и элементы, входящие в схему и конструкцию изделия, которые показали в случаях, ана­логичных конструируемому изделию, наилучшие результаты. Это особенно важно для изделий, выполняющих ответственные функции.

Разработка сложных изделий и систем показала, что при ис­пользовании унифицированных компонентов, деталей, узлов и эле­ментов резко повышается надежность изделия (системы). Это свя­зано с тем, что унифицированные элементы лучше отработаны в схемном и конструктивном отношении и имеют установившуюся и хорошо контролируемую технологию изготовления.

В настоящее время широко распространяется модульно-блочный (агрегатный) принцип построения схем и конструкций сложных изделий. Сложное изделие (система) составляется из функциональ­ных элементов, конструктивно оформленных в виде типовых, стан­дартных по конструкции модулей или блоков. Стандартизация входных и выходных сигналов, параметров источников питания, габаритных и присоединительных размеров обеспечивает совмест­ную согласованную работу их в изделии;

2) режимы работы компонентов и деталей. Это должно соответ­ствовать их физическим возможностям. Использование компонентов и деталей в режимах, не предусмотренных для их применения, является одним из основных источников отказов.

Неправильный выбор рабочих режимов обычно происходит от незнания конструктором свойств элементов, их характеристик, влияния различных физических факторов и особенностей приме­нения.

Нельзя допускать режимы более тяжелые, чем те, которые ука­зываются в официальной технической документации на компонен­ты, детали или элементы и приборы, выбираемые при конструиро­вании данного изделия.

Существенным также является схемное решение и конструк­ция изделия в целом. Наличие переходных процессов в схеме в от­дельные моменты ее работы может вызывать появление дополни­тельных факторов, приводящих к отказам. Разным вариантам раз­мещения компонентов, деталей и элементов внутри изделия будет соответствовать различный микроклимат, различные по величине воздействия вибраций, радиации и т. д.

Таким образом, правильный выбор и применение компонентов и элементов схем и деталей конструкции, тщательная разработка схемы и ее компоновки, а также конструкции изделия являются важным условием в достижении его высокой надежности;

3)доступность всех частей изделия и входящих в них компо­нентов, деталей, узлов, блоков и элементов для осмотра, контроля и ремонта или замены. Это является важным условием в поддер­жании надежности в период эксплуатации. В настоящее время
широко распространенный модульно-блочный (агрегатный) прин­цип построения изделия позволяет легко заменять отдельные эле­менты при сохранении обшей работоспособности изделия (системы).
Легкий доступ к приборам, элементам, узлам, деталям конструкции и компонентам схем для осмотра облегчает эксплуатацию изделия(системы) в целом и обеспечивает быстрое восстановление его рабо­тоспособности после появления отказа.

В случае сложных изделий и систем находят применение уст­ройства для автоматического контроля исправности изделия (сис­темы). Такие устройства могут использоваться либо для проверки исправности изделия (системы) перед началом ее работы, либо для непрерывного автоматического контроля и индикации исправности аппаратуры изделия в процессе его работы. Наличие таких уст­ройств, позволяющих персоналу объективно судить о работоспособ­ности изделия, имеет большое значение для его эффективности ис­пользования;

защитные устройства. При проектировании изделии (систем) для автоматического регулирования и управления необходимо та­кое построение схем и конструкций, чтобы отказ в работе элемента, узла, прибора не приводил к аварийному состоянию всего объекта.
В случае, если этого не удается добиться при построении основной схемы или конструкции изделия, то необходимо введение специальных элементов или устройств защиты, позволяющих предотвра­тить развитие аварийной ситуации (например, путем перехода на работу в более грубом режиме, включения резервной системы управ­ления и т. п.)- Одним из путей защиты является применение резер­вирования элементов, приборов и устройств, несущих наиболее ответственные функции.

II. При эксплуатации изделий основными факторами, влияю­щими на их надежность, являются:

условия эксплуатации: климатические и производственные. Воздействие высоких или низких температур окружающей среды; большие сезонные и суточные колебания температуры и влажности; высокая влажность, туман, дождь, иней оказывают большое влия­ние на надежность аппаратуры, работающей вне помещений. Не меньшее влияние оказывают высокие температуры, резкое их изме­нение, наличие влаги и различных агрессивных примесей в воздухе при использовании в помещениях цехов металлургических и хими­ческих заводов Размещение аппаратуры около крупных агрегатов и силовых установок или около крупных машин связано с воздей­ствием на них механических, а часто и акустических колебаний. Это вызывает ускорение старения материалов и появление отказов. Если аппаратура устанавливается на подвижных объектах: кораб­лях, поездах, автомобилях, самолетах, ракетах, то к действию
климатических факторов прибавляется воздействие вибраций и ускорений;

тщательно продуманная система обслуживания имеет существенное значение для сохранения надежности изделий (аппара­туры). Налаженный уход за аппаратурой, периодический профи­лактический осмотр и контроль, установленная по регламенту чист­ка и подналадка, ремонт и замена износившихся деталей и элемен­тов, характеристики которых показали при очередном контроле отклонения от нормы, позволяют предотвратить отказы и продлить срок службы изделия.

Следует указать на то, что создание системы правильного об­служивания современных сложных технических систем часто требует больших предварительных исследований и приводит к появле­нию нового научного направления, связанного с разработкой тео­ретических основ и инженерных методов организации оптимального обслуживания;

3) квалификация и ответственность обслуживающего персонала имеют важнейшее значение для обеспечения надежности, долговеч­ности и эффективности работы изделия (аппаратуры). Надежность работы аппаратуры одного и того же типа будет существенно отли­чаться, если обслуживающий персонал имеет неодинаковую под­готовку, либо различную степень ответственности за исправность аппаратуры и выполнение ею заданных функций.

Опыт показывает, что частая смена персонала снижает ответ­ственность и, с другой стороны, мешает ему полностью освоить ап­паратуру. Современные сложные изделия для глубокого изучения и освоения требуют значительного времени практической работы, в течение которого вырабатываются необходимые навыки в качествен­ном проведении профилактических работ, быстрой и правильной на­стройке и регулировке аппаратуры, в отыскании н устранении несложных отказов и неисправностей, замене быстро изнашиваемых частей и деталей.

Расчет надежности электрической схемы:

Задающий генератор 1шт l=0,35

Резисторы 32 шт l=0.68*32=21,76

Микросхемы 5 шт l=15*5=75

Транзисторы 4 шт l=0,84*4=3,36

Диоды 5 шт l=0,2*5=1

Конденсаторы 16 шт l=0,625*16=1

Так как при эксплуатации прибора интенсивность отказов является константой:

,

где l - интенсивность отказов (усредненная), Т – срок безотказной работы (по ТУ).

P=e-0.00001209388*8100=0,90668

Вывод: Надежность схемы удовлетворяют требуемым условиям.

Технологическая часть

ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

Настоящие технические условия (ТУ) распространяются на измеритель кровотока, предназначенного для измерения скорости кровотока. Специальное изделие (СИ) должно удовлетворять требованиям ГОСТ 27.001-81.

1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ.

Основные параметры и характеристики:

Диапазон измерений должен быть от 10-3 до 0,1 м/с.

Погрешность измерения линейных размеров по ГОСТу 26831-86 не должна быть более 0,8 мм.

Ток потребления (при напряжении питания 12 в) не должен превышать 0,03 А.

Частота следования импульсов должна быть в пределах 1,8-2.2 МГц

Время установления рабочего режима должно быть не более 10 с.

Напряжение питания прибора составляет +-12 В +- 5%; 5В +-1%;

Габаритные размеры прибора составляют 150х150х40

Масса прибора не более 350гр

2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ.

1. Материалы, полуфабрикаты, электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и сборочные единицы, применяемые для изготовления ультразвукового зонда, должны соответствовать государственным стандартам, техническим условиям на них и иметь паспорт (сертификат) о приемке их на предприятии-изготовителе. ЭРЭ, идущие на изготовление измерителя, должны быть приняты представителем заказчика на предприятии-изготовителе в соответствии с действующими перечнями. Основные сборочные единицы измерителя собственного изготовления должны испытываться на соответствие техническим условиям на них.

2. Качество сборки, монтажа и внешний вид ультразвукового зонда должны соответствовать следующим требованиям:

все детали, сборочные единицы должны быть прочно закреплены без перекосов, органы управления и регулировки должны действовать плавно и обеспечивать надежность фиксации;

все винты, болты и детали, имеющие резьбу, не должны иметь повреждений и должны быть прочно застопорены согласно чертежам;

основные сборочные единицы и детали должны маркироваться согласно чертежам;

все покрытия должны быть прочными, ровными, без царапин и трещин и обеспечивать защиту от коррозии.

3. ТРЕБОВАНИЯ ПО НАДЕЖНОСТИ.

1. Наработка на отказ должна быть не менее 5000 ч.

2. Средний технический ресурс должен быть не менее 8100 ч.

3. Средний срок службы не менее 5 лет.

4. Прибор должен быть устойчив к воздействию следующих климатических факторов:

- температура окружающей среды от 10 до 35 С;

- относительная влажность воздуха 80% при температуре 25 С;

5. Прибор в транспортной упаковке должен быть устойчив к воздействию климатических факторов:

- повышенной температуры окружающей среды до 50 С;

- пониженной температуры окружающей среды до - 40 С;

- циклическому изменению температуры и влажности в течении 2 суток;

- прибор в транспортной упаковке должен быть прочен к воздействию вибрационных нагрузок в диапазоне частот 10-55 Гц при амплитуде виброперемещения 0,35 мм, ударных нагрузок с пиковым ускорением 100 м/с (10g) с длительностью действия ударного ускорения 16 мс, направление воздействия указанных факторов – вдоль вертикальной оси прибора.

4. КОМПЛЕКТНОСТЬ ИЗДЕЛИЯ.

Изделие должно поставляться в комплекте, указанном в таблице 1.

Таблица 1.

Реферат опубликован: 8/04/2005 (77859 прочтено)