Ультразвуковые доплеровские приборы

Ультразвуковые эхоскопы

УЗ- акустические колебания с частотой свыше 20кГц. УЗ колебания поглощаются и отражаются от границы раздела сред, с углом равным углом падения (если зондирующий луч расположен нормально к отражающей границе (перпендикулярно), от отраженный луч будет возвращаться по тому же пути). Зная время между посылкой луча и приходом отраженного можно судить о глубине расположения отражающей структуры (чем больше время тем глубже граница раздела). Диапазон диагностических УЗ-систем лежит в пределах от 1 до 15 МГц.

Для возбуждения и приема УЗ колебаний используются пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП). Существует прямой (появление зарядов на поверхности пьезоэлеткрика при деформации) и обратный пьезоэффект (пластина подвергается деформации при внесении в переменное электрическое поле). В медицинских приборах в основном используют деформацию растяжения-сжатия по толщине, причем обратный пьезоэффект используется для возбуждения продольных УЗ волн, а прямой - для приёма этих же волн. В качестве основного материала применяют керамические пьезоматериалы.

Схема точечного совмещенного нормального преобразователя (а) и раздельно-совмещенного (б)

Преобразователь контактирует с биообъектом 5 через контактную среду 4. Пьезопластина 1 обычно имеет толщину, равную половине длины волны УЗ в данном пьезоматериале на рабочей частоте. Противоположные грани пластины покрываются металлом (обычно серебром) методом вакуумного электронного осаждения. Выводы от электродов 7 припаиваются с помощью тонкой серебряной фольги. Демпфер 2 служит для гашения свободных колебаний пьезопластины (короткие УЗ импульсы). Материалом для демпфера чаще всего служат искусственные смолы (компаунды) с добавками порошка-наполнителя из твердых материалов. Рабочую поверхность пьезопластины защищает от механических повреждений и истирания протектор 3, выполняемый чаще всего из полиуретана. Толщина протектора, как правило, выбирается равной четверти длины волны ультразвуковых колебаний (УЗ) в материале протектора на рабочей частоте. Для экранирования преобразователя его корпус 6 выполняют из металла или металлизированной пластмассы. Приём УЗ колебаний осуществляется во время паузы между генерируемыми импульсами. Переключение датчика от генератора к усилителю производится электронными коммутаторами.

При малых углах падения и небольшой толщине объекта используются раздельно-совмещенные преобразователи (рис. б): два наклонных УЗ-преобразователя с небольшими углами падения. Один используется для возбуждения акустических колебаний, другой - для приема отраженных волн. Между ними расположен акустический экран 9, имеющий с обеих сторон воздушную прослойку.

Временная задержка эхо-сигналов от импульсов зондирования пропорциональна глубине, а амплитуда отраженного сигнала зависит от отражательных способностей тканей, глубины залегания и других факторов. Амплитуда уменьшается экспоненциально в зависимости от времени задержки, поэтому для усиления эхо-сигналов применяют усилителя с коэффициентом, увеличивающемся экспоненциально от времени получения сигнала.

Приборы, регистрирующие одномерные эхограммы, так называемый А-режим. Одномерная эхограмма - классическая осциллограмма отраженных от различных структур УЗ сигналов. Эти сигналы усиливаются и подаются на вход усилителя вертикального отклонения луча (вход Y осциллографа). Горизонтальная развертка осуществляется генератором пилообразного напряжения. Начало развертки синхронизируется излучаемым УЗ -импульсом. Расстояние (по горизонтали) от начала развертки определяется глубиной залегания искомой неоднородности от поверхности объекта, а амплитуда - отражающей способностью соответствующей поверхности раздела (рисунок).

Для запуска развертки обычно используют импульс, отраженный от передней стенки объекта (избавляются от мешающей информации контактной среды). В современных эхоскопах можн от развернуть интересующий участок эхограммы на весь экран ЭЛТ (увеличивая частоту генератора и сдвигая начало развертки). Визуализация в А-режиме не позволяет изображать структуры объектов, а показывает лишь глубину залегания объектов в определенной точке.

Структурная схема импульсного эхоофтальмоскопа ЭОС-22(УЗ исследование глаза и орбиты)

Состоит из электронного блока и ряда ультразвуковых зондов. Зонд прикладывается к глазу пациента. Импульсном режим. В паузах между излучениями ПЭП принимает отраженные от неоднородностей тела УЗ сигналы и преобразует их в электрические импульсы. В электронном блоке импульсы усиливаются, преобразуются и подаются на электронно-лучевой индикатор, вызывая отклонение светового пятна по вертикали.

Блок развертки (отклонение луча ЭЛТ по горизонтали) запускается синхронизатора (Сх), который тактируется кварцевым измерительным генератором (ИзГ). Импульс синхронизации "С" управляет первым генератором задержки (Г31), который вырабатывает импульс «ЗР» регулируемой длительности (потенциометр, передняя панель регул.). Далее запускается генератор развертки (ГР), вырабатывающий импульс пилообразного напряжения «ИР» (см. рис. 4.63,в). В усилителе развертки (УР) напряжение усиливается до величины, обеспечивающей полное отклонение луча ЭЛТ. Блок маркеров (формирование на эхограмме отметок, между которыми требуется проводить измерение): второй генератор задержки (Г32) запускается от синхроимпульса "С" и вырабатывает импульс с регулируемой длительностью «ЗМ» Генератор маркеров (ГМ) вырабатывает два коротких импульса - «М1» и «М2». Ручки регулирования положения маркеров выведены на переднюю панель прибора. С выхода ГМ импульсы «М1» и «М2» поступают на смеситель (См), на второй вход которого поступает прямоугольный сигнал с выхода генератора импульса фиксации уровня видеосигнала (ГИФВ). С выхода смесителя сигналы передаются на один из входов усилителя видеосигналов (УВс), где смешиваются с остальными видеосигналами. Сигнал от ГИФВ на экране не наблюдается (не попадает на интервал развертки). Импульсом «М1» включается пропускатель (Пр) измерителя, который начинает пропускать импульсы с измерительного генератора (ИзГ) на счетчик (Сч). Импульсом «М2» пропускатель выключается и импульсы в счетчик не поступают. Таким образом, в счетчике будет сформирован двоичный код, определяющий длительность интервала между маркерами, который индицируется цифровым индикатором (ЦИ) измерителя. Делитель частоты (ДЧ) следования сигнала маркера «М2». Генератор: на преобразователь длительности импульса (ПДИ) поступает импульс синхронизации «С», с выхода ПДИ снимаются два импульса, один запускает генератор зондирующих импульсов (ГЗИ), второй подается в видеоусилитель. ГЗИ вырабатывает мощный импульса, возбуждающий пьезоизлучатель зонда. Аттенюатор (А) ступенчато ослабляет сигнал с ультразвукового зонда (УЗЗ) на вход усилителя высокой частоты (УсВЧ). В УсВЧ происходит усиление поступающих с зонда сигналов до величины, достаточной для обеспечения линейного детектирования в детекторе. В видеоусилителе сигналы детектируются детектором (Дт) и усиливаются УВс до величины, обеспечивающей полное отклонение луча ЭЛТ. Здесь же происходит смешивание видеосигнала с маркерными импульсами и импульсом фиксации уровня видеосигнала. Транзисторный ключ (ТК) замыкает выходы каскада усилителя на время прохождения согласующего слоя зонда. Преобразователь записи (приводит ВЧ эхоофтальмограмма, к виду, позволяющему записать его с помощью чернильного самописца (ограниченная полоса пропускания). замедление регистрируемого периодического процесса во времени, с помощью узкого стробимпульса "берутся пробы" из каждого периода, момент стробирования медленно продвигается вдоль оси времени): Генератор медленной развертки (ГМР) - автоколебательный режим - выдает импульсы ( τ=1 с f= 1,5 с). Генератор стробимпульса (ГСт) - компаратор, "сравнивает" 2 сигнала: импульса от ГМР и от ГР. Из фронта полученного сигнала формируется короткий строб-импульс ГСт(плавно двигается от периода к периоду). Строб-импульс подается на линейный пропускатель (ЛПр), на другой вход которого подается видеосигнал «ВС» На выход ЛПр видеосигнал проходит только во время действия строб-импульса. Этот сигнал подаются на интегратор (Инт), где происходит выделение огибающей (длительность строб-импульса, а по амплитуда - видеосигнал «ЛПр»). Для записи эхоофтальмограммы к выходу интегратора подключается самописец, а для визуального наблюдения используется ЭЛТ. На временные пластины ЭЛТ подается линейно изменяющееся во времени напряжение развертки с выхода блока развертки, на сигнальные пластины - сигналы с выхода видеоусилителя.

Микропроцессорный эхоскоп (диагностика заболеваний печени по коэф. затухания)

Ультразвуковой сигнал обратного рассеивания попадает в блок предварительной обработки (БПО) - преобразование амплитуды в электрический аналоговый сигнал (от 0 до 1 В) и отфильтровывание (1...8 МГц). Полученный сигнал поступает в АЦП (разрешающую способность 6 бит и частота дискретизации 16 МГц). Цифровой код после преобразователя попадает в схему фиксации (СФк), где задерживается до того момента, когда устройство промежуточной памяти (ПП) будет готово его принять. При переполнении ПП данные поступают в постоянную память микропроцессора (МП), откуда их можно вывести на дисплей (Дс). Схема содержит также генератор тактовых импульсов (ГТИ), делитель (Дл) и декодер (Дк). Блок управления (БУ) - согласование работы системы и ультразвукового преобразователя, управления глубиной зондирования и т. д. Для 25 различных УЗ частот из интервала 1,5...4,4 МГц в память МП введены средние значения коэффициента затухания для здоровой ткани печени. Эти значения сравниваются с результатами измерения и выдается заключение. Привести примеры УЗ-эхоскопов: сфера применения, цена и основные ТХ

Ультразвуковые доплеровские приборы

Эффект Доплера - изменение частоты звуковой волны, отразившейся от движущегося объекта

f = f ₀ ( l ± 2υ c ^-1 cosα )

где f и f ₀- частоты падающей и отраженной волны; υ- скорость движения объекта; c-скорость УЗ в среде; α - угол между вектором скорости и направлением УЗ-луча; Ω= 2 f ₀ υ c ^-1 - доплеровская частота

При движении объекта от источника УЗ-сигнала частота отраженного сигнала уменьшается (волна догоняет объект), при движении объекта к источнику УЗ-сигнала частота увеличивается. Доплеровская аппаратура реализуется в непрерывном (излучатель и приемник разделены, хотя м.б. и в одном корпусе) и импульсном вариантах излучения (м.б. один и тот же зонд работающий поочередно на излучение и прием). Лучших результатов добиваются при использовании импульсных режимов работы УЗ-преобразователей. Локализация отраженных сигналов на глубине легко осуществляется путем стробирования отраженного сигнала по времени.

Обобщенная схема доплеровского измерителя скорости кровотока

Рабочая частота УЗ формируется генератором высокой частоты (ГВЧ) (непрерывный синусоидальный). С помощью делителя частоты (ДлЧ) она делится до частоты F1 и F2, определяющих частоту повторений УЗ импульсов. Эти импульсы используются для синхронизации формирователя модулирующих импульсов(ФИМ) и схемы формирования и задержки строба (СФЗС). Модулирующие импульсы управляют импульсным модулятором (ИМ), который на своем выходе формирует короткие (пачки на 3...10 периодов несущей частоты) импульсы. Эти импульсы усиливаются усилителем мощности (УМ) и подаются на одноэлементный УЗ-преобразователь (УЗП), который формирует пачки акустических волн с частотой f ₀ и частотой повторений F1. Частота выбирается исходя из компромисса между необходимостью обеспечить более высокое соотношение сигнал/шум и глубиной проникновения волн в ткани организма. Например, для исследования кровотока в сосудах, расположенных близко к поверхности тела (1-2 см), выбирают частоту 6... 12 МГц, а для более глубоко расположенных сосудов - 1...2 МГц. В паузах между зондирующими импульсами УЗП работает как приемник отраженных УЗ-сигналов. Важно учитывать, что по мощности сигналы, отраженные от неподвижных структур, значительно превышают полезный сигнал, однако они не меняют несущей частоты УЗ- импульсов, и их спектр не содержит боковых частот. Смешанный сигнал пропускают через полосовой фильтр (ПФ) (выделение полезной составляющей, обусловленной отражением от подвижных объектов). Для локализации отраженного сигнала по глубине используется временное стробирование, осуществляемое селектором сигнала (СС) и схемой формирования и задержки строба (СФЗС). Регулируя время задержки строба, меняют глубину локации, а меняя его длительность - задают объем контролируемого участка. Когда селектор сигналов открыт, на один из входов смесителя (Смс) поступает сигнал, усиленный малошумящим усилителем (МШУ), а на второй вход - сигнал от ГВЧ. На выходе смесителя формируется доплеровский сигнал с частотой f ₀ + Ω_max. Сигнал па выходе смесителя имеет форму видеоимпульса, длительность которого определяется длительностью строба, а форма и амплитуда зависят от качества и распределения скоростей эритроцитов в анализируемом объеме. Во время пауз на выход смесителя проходит сигнал с рабочей частотой, который полностью подавляется фильтром низких частот (ФНЧ1) с частотой среза Ω_max. Устройство выборки и хранения (УВХ) хранит амплитуду текущего видеоимпульса до поступления нового (на выходе формируется ступенчатый сигнал, отражающий изменение доплеровской частоты во времени). Сглаживание «ступенек» производится вторым фильтром низких частот (ФНЧ2). Полученный после ФНЧ2 сигнал называют доплеровским (ДС), который может отображаться на экране видеомонитора (ВМ). Если прибор снабжается устройством дополнительной обработки (УДО), то на экран ВМ также могут быть выведены дополнительные характеристики: мгновенное и максимальное значение средней скорости кровотока, диаграмма зависимости скорости кровотока от профиля сосуда и т. д.

Выпускается два вида доплеровской аппаратуры: 1. Импульсные доплеровские измерители скорости кровотока без визуализации сигнала, обычно с цифровыми индикаторами. Частота порядка 5 МГц, глубина зондирования до 5-7 см. 2. Импульсно-доплеровские блоки и приставки к универсальным УЗ-сканерам с визуализацией кривых доплеровского сигнала (средняя, максимальная скорость, спектр сигнала, цветовое картирование сердца и сосудов по частоте, диаграммы объемного кровотока по времени и т.д.)

Структурная схема микропроцессорного доплеровского измерителя

Управляющий микропроцессор (МП) реализует: управление клавиатурой (Кв) и режимами работы прибора; вычисление количественных параметров кровотока; управление горизонтальными и вертикальными визирами. МП содержит ПЗУ программ, параллельный интерфейс и программный таймер (подсчет числа переходов сигналов кровотока через ноль в интервале 20 мс. За это время на экране телевизионного монитора (МТВ) строится одна вертикальная строка изображения (по одной строчке в каждой горизонтальной строке). Кадр изображения состоит из 256 строк и формируется за 5 с.) Адреса двух горизонтальных и двух вертикальных визиров хранятся в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) и измеряются программно при нажатии соответствующей клавиши на клавиатуре. По расстоянию между двумя вертикальными визирами вычисляется временной интервал, а по положению горизонтальных визиров определяется амплитуда средней скорости кровотока в выбранный момент времени. Результаты вычислений хранятся в ОЗУ и выводятся на экран телевизионного монитора (МТВ) через знакогенератор (ЗнГ). Управляющие сигналы для прибора вырабатываются телевизионным синхронизатором (СТВ) (на двух ПЗУ). Знакогенератор выводит восемь 32-хсимвольных знаковых (данные о пациенте, дата обследования, результаты измерений и т. д.) и строи вертикальную и горизонтальную шкалы (для масштабирования кривой скорости кровотока). Формирование изображений осуществляются с помощью блока динамического формирования адресов (БФА) (формирует адреса записи с частотой 50 МГц, а адреса чтения - 10 МГц). Спектроанализатор доплеровских сигналов (СДС) выполнен на основе однокристального спектроаналогового процессора, выполняющего спектральный анализ по методу скользящей фильтрации.

Схема спектроаналогового процессора обработки сигналов

Доплеровский сигнал поступает на вход фильтра низких частот (ВФНЧ), далее в автоматическом регуляторе усилителя (АРУ) усиливается путем умножения на масштабные коэффициенты. Сигналы с генератора пилообразного сигнала (ГПС - определяет частоту развертки спектра и время анализа) и управляемого (ГУ - генерирует переменную частоту пределов диапазона) проходят через преобразователь формы (ПФС) и перемножаются в смесителе (Смс) с входным сигналом. С помощью узкополосного фильтра (УПФ) из суммарных и разностных частот выделяется суммарная, ее амплитуда соответствует уровню частоты входного сигнала. Перед выводом на внешние устройства сигнал подвергается детектированию (ВДПП) и фильтрации (ВхФНЧ).

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 80; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!