Измеритель скорости кровотока

 

Измеритель скорости кровотока относится к медицинской технике. Измеритель содержит ультразвуковые преобразователи 1-3, усилители 4-6 высокой частоты, ключевые перемножители 7-9, сдвоенные фильтры 10-12, блок выборки-хранения, содержащий схемы выборки 13 и 14, мультиплексор 15, два полосовых фильтра, образованных последовательно соединенными фильтрами 16, 17 высокой частоты и фильтрами 18, 19 низкой частоты, фазовращатель 20, содержащий два канала 21 и 22, сумматор 23 и вычитатель 24, мажоритарный блок 25, преобразователи 26, 27 частота - напряжение, фильтры 28 и 29 высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь 30, генератор 31, усилители 32-34 мощности, блок 35 управления, блок 36 отображения, блок 37 сравнения, усилители 38, 39 низкой частоты, телефоны 40 и 41 и фазовый детектор 42. Схема включения преобразователя содержит в себе трансформатор, конденсатор переменной емкости и мостовую схему. 4 з.п.ф, 2 ил.

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано для определения скорости прямого и/или обратного кровотока неинвазивным путем по величине допплеровского сдвига. Данные о скорости кровотока используются при диагностике различных заболеваний и нарушений.

Наиболее близким по технической сущности является известный измеритель скорости кровотока, содержащий последовательно соединенные усилитель мощности, преобразователь и усилитель высокой частоты, а также полосовой фильтр, три перемножителя, два усилителя низкой частоты, выходы которых соединены со входами телефонов, мажоритарный блок, блок отображения, генератор, выход которого соединен со входом усилителя мощности, два частотных эквалайзера, анализатор частоты в виде двух преобразователей частота-напряжение, контур коррекции и два интегратора с соответствующими связями (см. патент США N 4966153, A 61 B 8/06, 1990).

Известный измеритель относится к импульсным приборам и обладает следующими недостатками. В частности, в нем плохо подавляется паразитный сигнал, обусловленный отражением ультразвуковой волны от костной ткани, помеха на частоте стробирования, он обладает узким динамическим диапазоном. При измерении кровотока в подкожных сосудах, особенно с медленным кровотоком, точность прибора недостаточна. Кроме того, нестабильность параметров преобразователя и фазовая погрешность приводят к дополнительному снижению достоверности выходной информации.

В связи с этим техническим результатом, ожидаемым от использования предлагаемого измерителя, является повышение точности и информативности выходной информации, расширение динамического диапазона измерителя.

На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя, на фиг. 2 схема включения преобразователя.

Измеритель содержит последовательно соединенные ультразвуковые преобразователи 1-3, усилители высокой частоты 4-6, ключевые перемножители 7-9 и сдвоенные фильтры 10-12. Блок выборки-хранения представлен на фиг. 1 схемами выборки 13 и 14. Измеритель содержит также мультиплексор 15, два полосовых фильтра, образованных последовательно соединенными фильтрами 16, 17 высокой частоты и фильтрами 18, 19 низкой частоты. Фазовращатель 20 также содержит два канала: 21 и 22. В состав измерителя входят сумматор 23 и вычитатель 24, мажоритарный блок 25, преобразователи 26, 27 частота-напряжение, фильтры 28 и 29 высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь 30, генератор 31, усилители 32-34 мощности, блок 35 управления, блок 36 отображения, блок 37 сравнения, усилители 38 и 39 низкой частоты, телефоны 40 и 41 и фазовый детектор 42 (фиг. 1).

На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 43 преобразователь, 44 - трансформатор, 45 конденсатор переменной емкости и 46 мостовая схема.

Преобразователи 1-3 (43) представляют собой совокупность передающей и приемной пьезопластин, установленных на акустической линзе или держателе. Преобразователи имеют различную рабочую частоту, соответственно 2,4 и 8 МГц.

Каждый из перемножителей 7-9 осуществляет умножение эхо-сигнала на два квадратурных сигнала соответствующей частоты и поэтому имеет два выхода. Перемножитель может быть выполнен в виде двух ключей, управляющие входы которых соединены с генератором 31. Выполнение перемножителей 7-9 ключевыми означает, что либо на выходе генератора, либо на соответствующем входе перемножителя установлен формирователь меандра. Возможно также использовать транзистор в ключевом режиме.

Поскольку на выходе каждого из перемножителей 7-9 присутствуют два сигнала, фильтры 10-12, предназначенные для подавления второй гармоники низкочастотной составляющей сигнала, выполнены сдвоенными. В свою очередь фильтры 16 и 17 предназначены для подавления шумов, а фильтры 19 и 20 - инфранизкой частоты пульсации стенки кровеносного сосуда.

Фазовращатель 20 является прецизионным блоком. В нем производится либо сдвиг одного из сигналов (квадратичного) на 90^o и прямого и обратного сигналов с одновременной трансляцией на выход обоих "несдвинутых" сигналов (см. ниже).

Блок 25 предназначен для передачи на один из выходов наибольшего из своих входных сигналов, но может работать и в режиме трансляции входных сигналов на выходы. Выполнить блок 25 можно в виде компаратора и коммутатора, на входы которых поступают входные сигналы блока, причем их выходы соединены соответственно с управляющим входом коммутатора и выходом блока 25, а второй управляющий вход коммутатора соединен с выходом блока 35 с целью управления режимом работы (трансляция или мажоритарная обработка). Разумеется, возможны и иные реализации.

В качестве преобразователей 26, 27 могут использоваться последовательно соединенные формирователи импульсов и интеграторы.

Фильтры 28 и 29 предназначены для подавления высокочастотных шумов.

Для реализации блока 35 могут быть использованы аппаратные средства (пульт управления с дешифраторами для выработки сигналов управления режимом работы блоков 25, 15, а в ряде случаев и 37, формирователи строба для схем 13, 14, интерфейс для приема и передачи в блок 36 кода и т. п.), однако проще воспользоваться микропроцессором, алгоритм работы которого однозначно определяется назначением входов и выходов блока 35: на тактовый вход поступает импульс, по которому производится стробирование схем 13, 14, от преобразователя 30 производится прием информации, которая затем транслируется в блоки 36, 37 (последний может являться частью блока 35, а формирователи строба, наоборот, могут быть выделены из него), на блоки 15, 25 выдаются сигналы, задающие режим работы.

Можно добавить также, что при построении блоков предлагаемого измерителя могут быть использованы средства, приемы и узлы, хорошо известные специалистам в данной области и описанные в соответствующей литературе, в том числе в вышеприведенных источниках информации.

Измеритель работает следующим образом. В общем случае, сигнал, отраженный от движущейся частицы крови имеет вид: где без индекса приведены величины амплитуды, частоты и сдвига фаз, относящиеся к несущей частоте, т.е. основной гармонике, одним штрихом обозначены величины, относящиеся к движению вперед, а два штриха соответствуют движению назад.

После усиления одним из усилителей 4-6 этот сигнал умножается в соответствующем перемножителе 7-9 на cosωt в прямом канале и sinωt в квадратурном, так что после сдвоенного фильтра 10-12 имеем в прямом канале: D(t)=1/2·{A·cos u + Bʹ·cos(ωʹt + uʹ) + Bʺ·cos(ωʺ-uʺ)} и в квадратурном канале: Q(t)=-1/2·{A·sin u + sin (ωʹt + uʹ)-Bʺ·sin(ωʺt - uʺ)} После преобразования получим: где: n=3,14.

Для случая, когда в фазовращателе 20 производится сдвиг на n/2 обоих сигналов, обозначения их соответственно Dn(t) и Qn(t), будем иметь:
На входы сумматора 23 поступают сигналы D(t) и Qn(t), так что в результате суммирования имеем переменный сигнал Bʹcos(ωʹt+uʹ), зависящий только от величины допплеровского сдвига "вперед". На входы вычислителя 24 могут поступать сигналы D(t) и Qn(t). Возможно также производить в данном блоке сложение сигналов Dn(t) и Q(t). В обоих случаях будет получен сигнал Bʺcos(ωʺt-uʺ), зависящий от допплеровского сдвига "назад".

На вход преобразователя 1 поступает импульсный сигнал, на входы преобразователей 2, 3 непрерывный. Частоты повторения импульсов около 7,5 кГц, в то время как допплеровские частоты ωʹ, ωʺ не превышают 3 кГц. Частота стробов, поступающих на схемы 13 и 14, равна частоте импульсного сигнала, а величина их задержки относительно последнего и их длительность выбираются так, чтобы обеспечить прохождение эхо-сигнала и отстройку от помех.

Импульсный канал используется для диагностики сосудов, удаленных от поверхности тела и экранированных костной тканью, в частности сосудов головного мозга. Преобразователь 2 на 4 МГц устанавливают на крупные артерии с быстрым кровотоком, а преобразователь 3 (8 МГц) на мелкие артерии.

Измеритель может работать в нескольких режимах. В простейшем случае на блок 36 через блоки 25, 26 -28, 30 и 35 может выдаваться информация о прямом и обратном кровотоках (блок 25 в режиме трансляции) от одного из преобразователей 1-3. Это позволяет оценить состояние стенки кровеносного сосуда. Та же информация может поочередно поступать от всех трех преобразователей 1-3, что позволяет наиболее полно исследовать состояние сосудистой системы на различных глубинах, диагностировать сложные случаи, проводить сравнение сигналов между собой и с заданными константами в блоке 37 и индицировать результат на выход максимального из входных сигналов, что позволяет исключить погрешность от неправильной установки преобразователя при контроле прямого кровотока.

Детектор 42 служит для определения величины фазового сдвига между сигналами D(t) и Dn(t) или Q(t) и Qn(t). В случае, если по какой-либо причине этот сдвиг не равен 90^o, на выходе детектора 42 возникает сигнал, управляющий работой генератора 31 (например, путем задержки одного или другого из его выходных сигналов, поступающих на перемножители 7-9), так что указанное отклонение компенсируется. Выполнить детектор 42 можно, соединив последовательно фазовращатель и собственно фазовый детектор, а на их входы подать входные сигналы детектора 42.

Следует подчеркнуть, что для большинства практических применений измерителя полнота и достоверность получаемой информации являются определяющими. В то же время немалое значение имеет экспрессность контроля. Предлагаемый измеритель позволяет в режиме совместной обработки информации от трех преобразователей, особенно при использовании определенного алгоритма обработки данных о кровотоке в различных точках, обеспечить максимальную достоверность и полноту исследования при минимальных затратах времени. При этом использование ключевых перемножителей, мультиплексирования допплеровских частот, фильтрации в определенных точках прохождения сигнала, двойная выборка в импульсном канале, обратная связь по фазе и автоматическая коррекция нестабильности преобразователей обеспечивает высокую точность измерения, что было подтверждено проведенными исследованиями.

Формула изобретения

1. Измеритель скорости кровотока, содержащий последовательно соединенные первые усилитель мощности, преобразователь и усилитель высокой частоты, а также два полосовых фильтра, два преобразователя частота-напряжение, выходы которых соединены с входами телефонов, мажоритарный блок, блок отображения и генератор, первый выход которого соединен с входом усилителя мощности, отличающийся тем, что он снабжен вторыми и третьими преобразователями, усилителями высокой частоты и усилителями мощности, тремя сдвоенными фильтрами, блоком выборки-хранения, фазовращателем, сумматором, вычитателем, двумя фильтрами высокой частоты, аналого-цифровым преобразователем, блоком управления и мультиплексором, перемножители выполнены ключевыми, при этом второй и третий выходы генератора соединены с входами соответствующих усилителей мощности, выходы которых соединены с входами второго и третьего преобразователей, выходы которых соединены с входами соответствующих усилителей высокой частоты, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих перемножителей, вторые входы каждого из которых подключены к четвертому и пятому выходам генератора, шестой выход которого соединен с тактовым входом генератора, выходы перемножителей соединены с входами сдвоенных фильтров, выходы первого из которых подключены к первым информационным входам мультиплексора, вторые и третьи информационные входы которого соединены с выходами соответствующих сдвоенных фильтров, выходы мультиплексора соединены с входами полосового фильтра, выходы которого соединены с входами фазовращателя, выходы которого попарно соединены с входами сумматора и вычитателя, выходы которых соединены с соответствующими входами усилителей низкой частоты и мажоритарного блока, выходы которого соединены с входами преобразователей частота-напряжение, выходы которых соединены с входами фильтров высокой частоты, выходы которых соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока управления, информационный выход которого соединен с входом блока отображения, а управляющие выходы с соответствующими входами блока выборки-хранения, мультиплексора и мажоритарного блока.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен блоком сравнения, вход и выход которого соединены с информационным выходом блока управления и вторым входом блока отображения соответственно.

3. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен фазовым детектором, выход и входы которого соединены с управляющим входом генератора и выходами фазовращателя соответственно.

4. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что каждый из преобразователей включен в колебательный контур, индуктивно связанный с конденсатором переменной емкости, при этом колебательный контур включен в мостовую схему, диагональ питания которой образует вход преобразователя, выход которого образован выводами конденсатора переменной емкости, управляющий вход которого подключен к измерительной диагонали мостовой схемы.

5. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок выборки-хранения выполнен в виде двух последовательно соединенных схем выборки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2