Допплеровский измеритель скорости кровотока

• MedicReferat
• Допплеровский измеритель скорости кровотока

Страница: 6/27

Рис.1.25 Выделение сигналов прямого и обратного кровотока в частотной области.

Здесь Z – линия задержки на половину длины ФГ. Таким образом, структурная схема непрерывно‑волнового УЗ допплеровского прибора
со звуковой индикацией и выделением информации о направлении кровотока выглядит как показано на рис. 1.26.

Отличие от ранее рассмотренной схемы – в блоках 5 и 7. Блок синхронного детектора 5 включает в себя схему формирования квадратурного сигнала, которая будет рассмотрена позднее и рассмотренную ранее схему квадратурного демодулятора рис. 1.24. Блок 7 содержит два полосовых фильтра и схему выделения информации о направлении кровотока – рис. 2.4. или 2.5., сигналы с выходов которых усиливаются посредством УНЧ и подаются на громкоговорители или головные телефоны 9.

Рис.1.26 Блок схема непрерывно-волнового допплеровского прибора с выделением информации о направлении скорости кровотока

1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 – синхронный детектор и схема формирования квадратурных сигналов, 6 – кварцевый резонатор, 7 – полосовой фильтр и схема выделения сигналов прямого и обратного кровотока, 8 – УНЧ, 9 – громкоговорители.

Формирователь квадратурного сигнала.

Как было показано в п.1.1.6., для разделения каналов прямого и обратного кровотоков, необходимо сформировать два сигнала, сдвинутые один относительно другого на . На практике вместо того, чтобы умножать сигнал на и , этот сигнал умножают на сигнал прямоугольной формы (меандр) с частотой, кратной . Аналитическое представление такого сигнала []:

(7)

Как видно из приведенного выражения, синхронная демодуляция в этом случае сводится к синхронному детектированию посредством набора синхронных демодуляторов с коэффициентами усиления и несущими частотами . Входным избирательным усилителем, нивелирующим пролезание в низкочастотную область спектра выходного сигнала компонент с частотами является сам ультразвуковой датчик, работающий в области своего резонанса.

Таким образом, задача демодуляции входного сигнала сводится к задаче детектирования этого сигнала с помощью простейшего аналогового ключа, управляемого сигналам, имеющим форму меандра, и описываемого (7).

Эта задача наиболее просто решается в цифровом виде при помощи трех D триггеров (рис.1.27).

Рис. 1.27 Блок схема формирователя квадратурного сигнала.

Преимуществом данной схемы по сравнению с аналоговой является отсутствие дискретных компонентов и, как следствие, гораздо меньшие частотные, временные и температурные погрешности сдвига фаз.

Временная диаграмма для данной схемы приведена на рис. 1.28.

Рис. 1.28 Временная диаграмма работы формирователя квадратурного сигнала

Как видно из данной диаграммы, частота опорного сигнала должна быть выше частоты результирующих сигналов в четыре раза. Таким образом, для работы допплеровского прибора в диапазоне 2 МГц частота на выходе опорного генератора должна составлять 8 МГц, для 4 МГц – 16 МГц, и для 8 МГц – 32 МГц.

При построении приборов, работающих на частотах свыше 20 МГц, частота опорного генератора становится выше 80 МГц. При проектировании блоков генератора, формирователя квадратурного сигнала и смесителя, работающих на таких частотах, предъявляются повышенные требования к разводке печатной платы, ее экранировке, которые трудно обеспечить. Поэтому возникает отклонение разности фаз сигналов, подаваемых на квадратурный детектор от , что приводит к проникновению этого отклонения в выходной сигнал, и, как следствие, к искажениям результатов обработки допплеровского сигнала.

Так, если сигнал, подаваемый на детектор прямого канала, имеет вид , а сигнал, подаваемый на детектор квадратурного - , т.е. имеется ошибка сдвига опорного сигнала от величины , то в этом случае выражение для отфильтрованного квадратурного сигнала приобретает вид:

Как нетрудно заметить, полученное выражение легко преобразуется в следующее:

Т.е. квадратурный сигнал в этом случае содержит часть прямого сигнала. Это – случай так называемого "пролезания" или отсутствия разделения каналов. Сдвиг этого сигнала на аналоговым или цифровым способом и проведение над полученным результатом суммарно-разностной операции уже не приведет к полному разделению сигналов прямого и обратного кровотока, и результаты расчетов спектрограммы и индексов будут искажены.

На рис. 1.29 приведена смоделированная спектрограмма для случая . Для примера на рис. 1.30 приведена таже самая спектрограмма для .

Рис. 1.29 Спектрограмма сигнала при наличии отклонения сдвига фаз опорного сигнала квадратурного детектора от величины

Рис. 1.30 Спектрограмма сигнала при отсутствии отклонения сдвига фаз опорного сигнала квадратурного детектора от величины

Ультразвуковой спектроанализатор

Для количественной оценки параметров исследуемого кровотока применяются алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) и, в частности, БПФ с последующим построением спектрограммы на экране монитора. Сигналы с выходов полосовых фильтров квадратурного детектора рис 1.23 дискретизируются посредством двухканального АЦП и подаются на вход блока ЦОС. Спектрограмма исследуемого кровотока представляет собой спектральную плотность мощности его компонентов. Эта плотность мощности вычисляется обычно с помощью метода периодограмм, т.е. взвешиванием непрерывного потока данных с помощью той или иной временной функции, вычисления БПФ (т.н. кратковременного БПФ), вычисления модуля комплексного результата БПФ и отображения полученного результата с помощью функции гамма коррекции.

По результатам полученной спектрограммы, а точнее, ее огибающей, рассчитываются так называемые индексы, являющиеся количественной оценкой исследуемого кровотока. Строго говоря, для вычисления индексов расчет и построение спектрограммы не обязательны, так как для получения огибающей вполне пригодны другие методы, не требующие таких вычислительных затрат, как БПФ. Необходимо отметить, что выделение огибающей может быть произведено в аналоговой форме. Такой подход характерен для некоторых портативных УЗ приборов, а также устаревших аппаратов, т.е. для тех приборов, где расчет БПФ либо затруднен, либо является излишним из-за отсутствия средства отображения спектрограммы. Такие приборы могут быть классифицированы как детекторы огибающей.

Алгоритмы ЦОС могут быть реализованы как аппаратно с применением цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС), так и программным образом, благодаря достаточной для этих целей производительности современных процессоров персональных компьютеров.

Аппаратная реализация ЦОС оправдана там, где производительности универсального процессора не хватает на одновременную обработку принимаемых данных, расчет параметров и вывод информации на экран. Это характерно для дешевых или портативных специализированных решений УЗ допплеровской аппаратуры.

Например, для отображения на экране Nг = 400 линий по горизонтали для двух каналов за время Тэ = 2 с, максимально допустимое время вычисления одной спектральной составляющей равно Т1 = Тэ / (Nг * 2) = 2,5 мс. Учитывая, что для вычисления БПФ (без учета предшествующей фильтрации и последующих взятия модуля и другой обработки) необходимо выполнить [9] комплексных арифметических операций (типа умножения со сложением), где N - количество точек БПФ (обычно N = 256), максимально допустимое время на выполнение одной такой операции равно Т0 = Т1 / М = 1,25 мкс.

Широко представленные в настоящее время специализированные цифровые процессоры обработки сигналов специально разработаны для данной цели. По сравнению с микропроцессором 486DX2-66, производящего расчет 1024 точечного БПФ за 20 мс, ЦПОС ADSP2101 с циклом в 60 нс решает ту же задачу за 2,23 мс, т. е. на порядок быстрее.

Одно из возможных аппаратных решений допплеровского спектрального индикатора скорости кровотока представлено на рис. 1.31.

Рис. 1.31 Структурная схема аппаратной реализации допплеровского спектрального индикатора скорости кровотока.

Здесь РК - блок радиоканала, обеспечивающий запитку УЗ датчика, съем с него информации, усиление сигналов высокой и низкой частоты, выделение допплеровских сигналов и перенос последних с несущей частоты в низкочастотную область. ЦПОС – блок сигнального процессора, выполняющий квантование аналоговых доплеровских сигналов по времени, дискретизацию по амплитуде и вычисляющий спектральные составляющие посредством БПФ. ПК решает задачу отображения вычисленных спектральных составляющих на экране, рассчитывает численные параметры кровотока и документирует результаты измерения.

Блок ЦПОС обычно выполняется в виде платы расширения, установленной внутри ПК, т.е. обмен между ЦПОС и ПК происходит по внутренней шине ПК, что обеспечивает необходимую скорость пересылки данных для отображения спектра в реальном масштабе времени. Например, для шины ISA пересылка слова данных по шине с тактовой частотой Fт = 4,33 МГц занимает как минимум четыре цикла шины, а пересылка всей спектрограммы (два канала) - Т3 = (4 * N * Nг * 2) / Fт = 200 мс. Все остальное время Т4 = Тэ - Т3 = 90 % Тэ процессор IBM PC тратит на отображение спектрограммы и расчет параметров кровотока.

Пример структурной схемы такой платы показана на рис. 1.32.

Рис. 1.32 Структурная схема платы ЦПОС.

Специальная часть

Разработка функциональной схемы измерителя

Особенность УЗДП состоит в использовании в качестве зондирующего сигнала механических вибраций, передаваемых в тело человека. В процессе работы прибора производятся механические колебания элементов тканей на поверхности тела. Распространение ультразвука зависит от плотности, структуры, однородности, вязкости и сжимаемости тканей. Интегративным отражением этих свойств является акустический импеданс(АИ) ткани. АИ характеризует степень сопротивления среды распространению УЗ. АИ= d*c, где d – плотность среды (кг\м3), с – скорость распространения УЗ в среде. Циклическое движение элементов тканей на поверхности, производимое пьезоэлектрической пластиной, вызывает свою очередь, силовые воздействия на элементы тканей с более глубоких слоев, и, соответственно, их циклическое перемещение и т.д. Таким образом, за счет передачи силовых воздействий сжатия-растяжения между соседними элементами тканей возникает передача механических вибраций в тело человека, называемое УЗ волной.

В настоящее время в УЗДГ применяется УЗ с частотами до 20 МГц, Так, например, при УЗ обследований головы используют самые низкие частоты порядка 0.5 - 2 МГц, при обследовании периферических сосудов - до 10 МГц, в офтальмологии - до 15 МГц. А чем выше частота, тем ниже минимальная регистрируемая скорость, поэтому ,применяемые в настоящее время УЗДП, имеют ограничения на минимальную регистрируемую скорость.

Указанное ограничение возникает по двум причинам:

из-за зависимости доплеровского сдвига от частоты излучения;

из-за необходимости фильтрации принимаемого сигнала.

Допплеровский сдвиг (разность частот излучаемого и принимаемого сигнала) прямо пропорционален частоте УЗ сигнала, на которой проводится исследование кровотока - т.е. чем ниже частота УЗ, тем меньше допплеровский сдвиг, получаемый при обследовании одного и того же кровотока на различных частотах.

Так, среднее значение минимальной регистрируемой скорости для УЗДП, работающего на частоте 8 МГц, составляет 2 см/с, что, но меньшей мере, вдвое больше величины, характерной для кровотока в малых венах, и более чем на порядок превышает скорость кровотока в капиллярах (табл.1).

Таблица 1. Средняя скорость движения крови в различных сосудах.

Реферат опубликован: 8/04/2005 (78043 прочтено)