Биологические науки/11.Биоинженерия и биоинформатика

Михайлова П. А.

магистр ФБМИ, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»

Частотомер как дополнительный блок для портативных доплеровских приборов

Резюме. В статье обосновывается необходимость разработки частотомеров как дополнительных блоков для портативных доплеровских приборов.

Ключевые слова: частотомер, допплеровский прибор, ультразвуковая диагностика кровотока.

Введение. Современная комплексная диагностика сосудистых заболеваний широко применяет методы ультразвуковой диагностики. Ультразвуковая допплеровская оценка кровотока в артериях – это не инвазивный, эффективный метод динамического мониторинга кровоснабжения у пациентов. Методы интерпретации результатом исследования основаны на нахождении допплеровского спектра и его огибающей. [1, 2]

Частотомер, как блок допплеровского прибора, дает возможность строить огибающую максимальной частоты спектра скорости в реальном времени, чего вполне достаточно для диагностики и вывода основных индексов кровотока. Поэтому отдельный дополнительный блок частотомера может значительно расширить возможности портативных доплеровских приборов и упростить их структуру.

Цель. Обоснование преимуществ дополнения блоком частотомера уже существующих портативных доплеровских приборов, что обеспечивает расширение диагностических возможностей данного медицинского оборудования.

Материалы и методы. Согласно выбранной тематике проработали материалы по направлениям: ультразвуковые исследования, диагностика состояния кровотока, допплеровские приборы. Также было проведено моделирование работы частотомера, как отдельного блока доплеровских приборов, в среде схемотехнического моделирования Micro-Cap9.

Результаты исследований и их обсуждение. Диагностику кровотока проводят по качественным и количественным характеристикам. В ультразвуковых диагностических приборах определяется не сама частота колебания, которая поступает на приемник, а разница этой частоты и частоты колебания, излучаемой источником. Эта разница называется доплеровским сдвигом частоты. Кровоток в норме вызывает допплеровское смещение в диапазоне от 0.5 до 5 кГц, при нарушениях кровотока возникает смещение в диапазоне 5 - 20 кГц, а скорость движения стенок сосудов могут давать доплеровский смещение – от 0 до 1200 Гц. [3]

Качественными показателями состояния кровотока считают характер звукового допплеровского сигнала, направление кровотока, распределение частот в допплерограмме, форму допплерограмм. Вид допплерограммы дает возможность с большей точностью оценивать состояние кровотока, так как при нарушении кровотока форма спектра существенно меняется. Как пример, при возникновении стеноза меняется форма потока волны крови и при этом на допплерограмме наблюдается увеличение максимальной скорости.

Все диагностические индексы, с помощью которых пациенту ставится диагноз, в сильной степени зависят от частотных параметров полученного допплеровского сигнала.[4] Изменение допплеровского сигнала не имеет количественного значения без последующей интерпретации. Большинство методов толкования допплеровских сигналов основано на нахождении огибающих спектрограммы и разработке частотных индексов. Огибающая – кривая, показывающая, как изменяется максимальная мгновенная допплеровская частота кровотока человека. Огибающая позволяют найти максимальную частоту, которая пропорциональна максимальной скорости эритроцитов, и среднюю частоту, которая пропорциональна среднему потока скорости. Это находит важное применение в количественной диагностике сосудистых заболеваний.

При работе непрерывно-волнового допплеровского портативного прибора высокоточный генератор непрерывно излучает ультразвуковой пучок, сигнал подается на вход усилителя мощности, с выхода которого излучается в виде акустической волны. Волны фокусируются УЗ-преобразователем по направлению исследуемых сосудов. Отраженный сигнал, несущий информацию о движении эритроцитов в данной сосуде, фиксируется УЗ-датчиком, усиливается и детектируется синхронным детектором, управляемым задающим генератором, тем самым перемножившись с сигналом генератора. Далее сигнал фильтруется и попадает на громкоговоритель. Поскольку ухо человека способно хорошо различать вышеуказанный диапазон доплеровских частот даже в присутствии широкополосных шумов. С помощью таких приборов можно дать только определенную качественную оценку кровотока, которая субъективна и зависит от опыта врача.

Функционал работы описанного выше прибора значительно расширяет блок – частотомер, который проводит преобразования выделенной доплеровской частоты в значение напряжения. После которого эти значения передаются на АЦП и строится огибающая доплеровского спектра. Использование квадратурной демодуляции сигналов позволяет выделить информацию о направлении кровотока.

Наиболее широко применяемый метод получения информации о направлении кровотока, который основан на квадратурном разделении фазы боковых спектральных полос сигнала с помощью двух идентичных демодуляторов, на которые подаются сигналы одной частоты, равной частоте излучаемой датчиком, но взаимно сдвинуты по фазе на 90°.[5] Сигнал на выходе устройства является комплексным и состоит из мнимой и действительной частей допплеровского сигнала. Информация о направлениях кровотока сохраняется в фазовых соотношениях между этими сигналами.

Следует обратить внимание, что при разработке квадратурных смесителей нужно уделять особое внимание идентичности каналов прямого и обратного кровотока. Любые амплитудные или фазовые отклонения приводят к ухудшению качества разделения каналов прямого и обратного кровотока. [5] Использование двух частотомеров на одной плате позволит отображать прямой и обратной кровоток на одном графике при совмещения нулевых линий огибающих.

Выводы. Дополнительный блок-частотомер к портативным доплеровским приборам позволяет расширить их возможности, не усложняя строения уже существующего медицинского оборудования, и удешевляет процесс модернизации оборудования, что уже было закуплено в медицинское учреждение.

Литература:

1. Павлов С. В. Оптико-електронні засоби діагностування патологій людини, пов’язаних із периферичним кровообігом: монографія / С. В. Павлов, Т. І. Козловська, В. Б. Василенко. – Вінниця: ВНТУ, 2014. – 140с.

2. Степанов Е. A. Приемник транскраниальной ультразвуковой доплеровской системы с расширенным диапазоном регистрируемых скоростных показателей церебрального кровотока / Е. A. Степанов, А. Д. Юхнев. // Научно-технические ведомости СПбГПУ. – 2012. – №4.

3. Куперберг Е. Б. Клиническая допплерография окклюзирующих поражений артерий мозга и конечностей/ Е. Б. Куперберг, А. Э. Гайдашев, А. В. Лаврентьев. – Москва, 1997

4. Атьков О. Ю. Ультразвуковое исследование сердца и сосудов. 2-е издание / О. Ю. Атьков, Т. В. Балахонова, С. Г. Горохова – 2015. – 456 с.

5. Пат.103563 Україна, МПК H03C 1/00, H04L 27/04 . Квадратурний модулятор з однією боковою смугою / Коханов О. Б.; Заявка 10.04.2013, Бюл. № 7; опубл. 25.10.2013, Бюл. № 20.