11.3. Доплеровский прибор непрерывного излучения

Блок-схема простейшего ультразвукового ДПНИ, предложенного Сатомурой [35] в 1957 г., представлена на рис. 11.3. Передающий преобразователь (излучатель) соединен с генератором, работающим в диапазоне 2—20 МГц, и непрерывно излучает ультразвуковой пучок. Ультразвук рассеивается и отражается, а затем улавливается приемным преобразователем, усиливается и перемножается с сигналом генератора.

Рис. 11.3. Доплеровский прибор непрерывного излучения.

Запишем излученный сигнал в виде

а сигнал, принятый от единичного рассеивателя, с точностью до постоянного множителя в виде

где величина фазы, зависящая от расстояния до рассеивателя и фазового сдвига в приемном тракте. Тогда сигнал на выходе перемножителя будет иметь вид

Второй член этого выражения имеет удвоенную частоту и отфильтровывается в усилителе низких частот, следующем за перемножителем. Остается лишь доплеровский сигнал, т. е. сигнал с частотой доплеровского сдвига:

После усиления и фильтрации в соответствующей полосе частот доплеровский сигнал поступает на наушники, громкоговоритель или на частотомер.

Ультразвуковой сигнал, воспринимаемый приемным преобразователем, содержит не только сигналы, рассеянные на форменных элементах крови, но и сигналы гораздо большей амплитуды, отраженные от других структур, таких как границы жировой и мышечной ткани или стенки сосудов. Такие сигналы обычно на 40—50 дБ превышают сигналы от кровотока, и это соотношение может быть еще большим при локации глубоко залегающих сосудов. Кроме того, эти мощные сигналы сами могут обладать низкочастотным доплеровским сдвигом, вызванным движением окружающих структур (например, движением пульсирующих артерий) или случайными смещениями зонда в руке оператора относительно неподвижных отражателей. Чтобы подавить эти мощные низкочастотные доплеровские сигналы, в НЧ-усилитель вводят фильтры верхних частот. Фильтрация необходима на входе усилителя или после небольшого предусиления, иначе сигналы будут смешиваться в усилителе. Неизбежный побочный эффект такой фильтрации — потеря низкочастотных доплеровских сигналов от медленного кровотока.

Чтобы ограничить ширину полосы НЧ-усилителя и тем самым свести к минимуму мощность флуктуационного шума, в усилитель

вводят НЧ-фильтры, верхняя частота среза которых устанавливается равной максимальной ожидаемой доплеровской частоте, поскольку излишнее увеличение частоты среза может привести лишь к росту уровня шума.

Так как внутри измерительного объема существует распределение скоростей кровотока в поперечном сечении сосуда, т. е. рассеиватели могут двигаться с разными скоростями, доплеровский сигнал представляет собой суперпозицию доплеровских сигналов, частота каждого из которых соответствует скорости конкретного рассеивателя. Суммарный доплеровский сигнал при этом имеет сплошной спектр, а частотомер будет показывать лишь среднюю из этих частот. Если угол в известен, то, используя уравнение (11.5) или (11.6), можно преобразовать измеренную среднюю частоту в скорость. Эта скорость есть средневзвешенное по линиям тока, проходящим через измерительный объем. Вклад каждой линии тока в среднюю скорость пропорционален мощности ультразвука, рассеянной элементами крови вдоль данной линии, т. е. интегралу по линии тока от чувствительности в пучке (зависимости величины сигнала, принятого от точечного рассеивателя, от координат этого рассеивателя). Более строго это будет показано в разд. 11.5.1.

Если этот интеграл не изменяется по сечению сосуда, то измеренная скорость — средняя по пространству скорость кровотока. Условие постоянства интеграла часто называют условием равномерности облучения, что подразумевает постоянство интенсивности излучения по сечению сосуда, хотя в действительности это условие является более строгим.

Описанный выше прибор не позволяет выделять направление кровотока. Из выражений (11.5) и (11.6) следует, что доплеровское смещение положительно, если составляющая вектора скорости направлена к зонду, и отрицательно, если от зонда. Однако этот простейший прибор не сохраняет информацию о направлении кровотока, а дает лишь величину сдвига частоты. Информация о направлении необходима, чтобы следить за изменением скорости кровотока в течение кардиоцикла в тех сосудах, где возникает обратный кровоток, или если направление кровотока несет диагностическую информацию, например при исследовании вен при недостаточности сердечных клапанов.

Информацию о направлении можно сохранить различными способами [12, 13, 14]. Соответствующие устройства представлены на рис. 11.4. В первом из них (рис. 11.4, а) принятый высокочастотный

Рис. 11.4. Методы выделения информации о направлении потока: фильтрация боковых полос (а); демодуляция со сдвигом несущей частоты (б); квадратурная демодуляция сигналов (в).

сигнал пропускается через два фильтра, один из которых отсекает частоты ниже частоты излучения и пропускает сигналы с положительным доплеровским сдвигом вплоть до максимальной угловой частоты сот, а другой пропускает сигналы с отрицательным доплеровским сдвигом. Как и ранее, сигналы с выхода каждого из фильтров поступают на перемножители и НЧ-усилители.

В устройстве, показанном на рис. 11.4,6, принятый сигнал перемножается с опорным сигналом, смещенным на относительно частоты излучения. Спектр доплеровских сигналов при этом оказывается смещенным относительно истинного на величину при этом сдвиг выглядит как ом, а сдвиг как Направление кровотока определяется взаимным расположением доплеровского сдвига и частоты смещения Очевидно, частота должна быть выбрана выше наибольшего отрицательного доплеровского сдвига, а фильтр, отсекающий мощные паразитные сигналы, преобразуется здесь в полосовой режекторный фильтр с центральной частотой

Третья возможность построения прибора представлена на рис. 11.4, в. В этом случае принятый сигнал поступает на два перемножителя, на одном из которых опорный сигнал сдвинут на 90° относительно другого. Для первого перемножителя опорный сигнал можно представить в виде для второго — в виде - При этом синфазный сигнал аналогичен (11.9):

а квадратурный сигнал описывается выражением

Знак доплеровского сдвига, а значит, и направление кровотока определяется по соотношению фаз Если сдвиг ом положителен. то квадратурный сигнал отстает на 90° от синфазного, а если сдвиг отрицателен, то опережает его.