Тенденции развития современных ультразвукових сканеров (стр. 1 из 2)

Тенденции развития современных ультразвукових сканеров

Ультразвуковая аппаратура для диагностики является одной из самых «благодарных» отраслей медицинской интроскопии – даже на относительно небольшие усовершенствования, не требующие капитальных вложений, она отвечает улучшением качества изображения и других информационных сигналов. Однако технический уровень УЗ сканеров приближается к такому пределу, когда идет борьба за десятые доли процента воспроизведения акустического контраста, продольной и поперечной разрешающей способности. Для покорения этих десятых долей требуются новые идеи, новая элементная база.

В части аналоговых средств наблюдается тенденция выпуска и внедрения специальных аналоговых микросхем, объединяющих в себе несколько функций, причем удельный вес аналоговых узлов постоянно сокращается. Функции, которые раньше выполнялись аналоговыми средствами, все больше перекладываются на цифровые устройства – задержка эхосигналов для динамической фокусировки, детектирование, фильтрация, логарифмическое сжатие динамического диапазона и многое другое. При этом сводятся к минимуму такие стохастические явления, как шум и дрейф. Электронная база становится несколько дороже, но зато отпадает необходимость в изготовлении аналоговых линий задержки.

В арсенале режимов УЗ сканеров высокого уровня обязательно присутствует доплеровский режим, который является эффективным средством для исследования сердечно-сосудистой системы, что гарантирует УЗ сканерам первенство в этой области. Кратко напомним сущность эффекта Доплера, который наблюдается при отражении УЗ колебаний от движущегося объекта. Если объект, движущийся со скоростью v, облучать УЗ колебаниями, распространяющимися со скоростью с (рис.1), то частота отраженного сигнала будет отличаться от частоты f0 зондирующих колебаний на величину доплеровского смещения

. (1)

Формула (1) получена в предположении v << c. Знак «минус» в ней соответствует удалению объекта от зонда, т.е. при удалении объекта частота принимаемых колебаний уменьшается.

Рисунок 1. УЗ локация движущегося объекта

Рассмотрим простой пример. Пусть объектом локации является сердце, а отраженный сигнал принимается от стенки миокарда. Примем частоту излучаемых колебаний f0 = 3 МГц, скорость движения миокарда v равной 5 см/c, а угол q равным нулю. По формуле (1) находим fсм = 200 Гц. Могут быть приняты также УЗ колебания, отраженные от клапанов, которые движутся быстрее, чем миокард, поэтому и частота смещения для них будет больше. Подвижными объектами в организме являются также стенки сосудов и сама кровь. УЗ колебания отражаются от движущихся скоплений (аггломераций) эритроцитов, объем которых составляет 25% объема крови. Доплеровское смещение частоты будет при этом пропорционально скорости кровотока. Зная ее величину и геометрические размеры сечения сосуда, можно определить ударный объем крови и другие важные параметры гемодинамики.

Структурная схема выделения сигнала доплеровского смещения приведена на рис.2. Такая схема носит название квадратурного синхронного детектора. Она будет нам встречаться еще не раз. Генератор УЗ колебаний, который здесь играет также и роль гетеродина, возбуждает источник излучения ИИ и вырабатывает квадратурные, т.е. сдвинутые по фазе на 90о, опорные сигналы, условно обозначенные как cosf0 и sinf0. Приемник излучения ПИ выдает сигнал со смещенной частотой f0 + fсм. В принципе, источник и приемник могут представлять собой один и тот же преобразователь.

Рисунок 2. Квадратурный детектор сигналов доплеровского смещения

Перемножающие устройства производят перемножение квадратурных опорных сигналов с усиленным сигналом приемника. Известные тригонометрические преобразования дают следующие соотношения

cos(f0+fсм) ´ сosf0 =

[cos(2f0+fсм) + cosfсм],

сos(f0+fсм) ´ sinf0 =

[sin(2f0+fсм) - sinfсм]. (2)

Первые слагаемые в правых частях выражений (2) представляют собой высокочастотные составляющие, которые отфильтровываются фильтрами НЧ. При изменении направления движения объекта меняется знак (фаза) у синусной составляющей сигнала смещения. По этому признаку можно определять направление движения различных органов сердца и кровотока. Скорость объекта рассчитывается по частоте смещения fсм.

В УЗ сканерах может быть два вида доплеровского режима: цветной и спектральный – цветной «доплер» и спектральный «доплер». В цветном «доплере» на В-эхограмме сечения кровеносных сосудов выделяются цветом – обычно синим и красным. Цвет определяет направление кровотока, а его насыщенность – скорость. Сечения сосудов, в которых кровь движется по направлению к датчику, принято выделять красным цветом, а сосуды, в которых кровоток направлен от датчика, – синим. В спектральном «доплере» анализируют частотный спектр сигналов смещения, применяя обычно для этого быстрое преобразование Фурье (БПФ). При этом определяют количественные характеристики гемодинамики: скорость кровотока, ударный объем крови и др. Например, ударный объем крови определяют путем интегрирования объемной скорости (произведения площади сечения на скорость) за одно сокращение сердца. Для этого курсором выделяется сечение исследуемого сосуда и запускается соответствующий программный блок, который вычисляет площадь сечения и выполняет другие необходимые математические операции.

В некоторых УЗ аппаратах производят даже «озвучивание» частотного спектра. Это позволяет воспринимать его на слух. При этом движению разных органов сердца будут соответствовать звуки различной частоты. Получается своеобразный ультразвуковой фонендоскоп. Правда, серьезные разработчики считают это некими рудиментами, идущими еще от аналоговых доплеровских приборов.

Рассмотрим некоторые особенности аппаратных реализаций современных УЗ сканеров. Еще раз отметим, что объем аналоговых средств в них сокращен до минимума. По существу, из аналоговых устройств остались лишь те, без которых немыслимо обойтись при любом уровне развития техники: это генератор для возбуждения УЗ колебаний, малошумящий предварительный усилитель и в некоторых случаях аналоговые коммутаторы. Типичная схема универсального передатчика УЗ колебаний приведена на рис.3.

Рисунок 3. Универсальный передатчик УЗ колебаний

Здесь А1 – мощный быстродействующий преобразователь уровня ТТЛ – КМОП (например, МАХ 4427 фирмы Maxim, ТС4427 фирмы Telcom и др.), VT1, VT2 – комплементарная пара мощных полевых транзисторов. Короткие импульсы уровня ТТЛ (около 3 В) преобразуются в импульсы амплитудой до 15 В. Такой передатчик имеет более высокий КПД, чем схемы рис.1 и рис.2. Кроме того, в нем посредством RC-цепей и диодной пары на выходе удается получить любую желаемую форму импульса возбуждения. Напряжение питания выходного каскада зависит от типа датчика и имеет величину около 50 В для многоэлементных датчиков и 200 – 250 В для секторных механических. У многоэлементных датчиков каждый элемент апертуры возбуждается отдельным генератором такого типа, и их число может быть большим (16 – 48).

Для фокусировки луча при передаче на вход А1 передатчиков импульсы подают с требуемой задержкой от цифрового устройства. Однако в отличие от ранее рассмотренного способа, характеризуемого некоторой аппаратной громоздкостью, требуемые задержки записываются не в регистры, а в специальные ОЗУ (рис.3). В них заносятся эпюры запускающих сигналов в виде групп подряд идущих единиц. ОЗУ может быть выполнено из однобитовых микросхем памяти по числу элементов апертуры n. Запись данных в ОЗУ производится через мультиплексор D3 по сигналу WR.

Рисунок 3. Цифровая задержка с памятью для фокусировки при передаче

В рабочем режиме импульсом «Запуск» (начало УЗ луча) триггер D1 сбрасывается и разрешает работу счетчика D2, который тактируется импульсами тактовой частоты fТ. Выходной код счетчика служит адресом для считывания и поступает в ОЗУ через второй канал мультиплексора. Момент появления управляющих импульсов на выходах микросхем ОЗУ зависит от местонахождения группы единиц в памяти и тактовой частоты fТ. Эпюры запускающих сигналов показаны на рис.4.

Рисунок 4. Представление эпюр запускающих сигналов в ОЗУ

Как мы знаем, в ходе сканирования меняется положение элементов апертуры относительно ее оси симметрии, и в связи с этим должны меняться и задержки запускающих импульсов. Их новые эпюры могут быть занесены в ОЗУ по окончании последнего запускающего импульса в течение хода УЗ луча. Времени для этого вполне достаточно. Точность задержки зависит от тактовой частоты fТ. При fТ = 100 МГц она составит 10 нс.

Аналоговый тракт современного УЗ сканера имеет вид, показанный на рис.5. Эхо-сигнал усиливается малошумящим предусилителем А1, проходит через полосовой фильтр ПФ с регулируемой полосой пропускания и усиливается усилителем с регулируемым коэффициентом усиления А2, на который воздействуют управляющие сигналы ВАРУ. После этого сигнал преобразуется в цифровую форму. На этом аналоговый этап преобразований эхо-сигналов заканчивается, и далее над ним производятся только цифровые преобразования.

Рисунок 5. Аналоговый тракт современного УЗ сканера