Допплеровский измеритель скорости кровотока (стр. 5 из 22)
Рис. 1.16. Допплерограмма кровотока в МI сегменте СМА.
3. Сигнал отвечает редукцией или ослаблением при компрессии гомолатеральной ОСА (рис. 1.17).
Рис. 1.17 Допплерограмма кровотока в СМА с компрессией гомолатеральной ОСА.
1.1.5. Сравнительный анализ ультразвуковых допплеровских датчиков
Одним из принципов работы УЗ допплеровского прибора является пьезоэлектрический эффект. Именно благодаря этому эффекту возможно преобразование акустической в электрическую энергию и наоборот, и, таким образом, электрическая регистрация неэлектрических величин, таких как скорость кровотока.
Пьезоэлектрический эффект представляет собой явление, которое наблюдается в образцах некоторых анизотропных материалов и заключается в нарушении равновесного распределения электрических зарядов под действием механической деформации образца. Возможен и обратный пьезоэффект, состоящий в механической деформации среды под действием электрического поля. В настоящее время известно довольно много моно- и поликристаллических материалов, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Наиболее широкое применение находят монокристаллические, керамические и полупроводниковые пьезоэлектрики. Идеальным пьезоэлектрическим материалом для электроакустического преобразователя является такой материал, который обеспечивает низкий уровень шума, высокую эффективность преобразования и позволяет создать преобразователь с высокой добротностью. Обычно активный элемент ультразвукового датчика изготавливается из пьезокерамической керамики. Самым распространенным пьезокерамическим материалом является цирконат-титанат свинца (ЦТС). Также находят свое применение датчики из пластических материалов, например поливинилиденфторида (ПВДФ), имеющих, по сравнению с керамикой, более близкие мягким тканям человеческого организма характеристики, что более эффективно с точки зрения передачи акустической энергии через границу активный элемент – исследуемая среда. Также свое применение находят датчики, построенные на комбинации пластика и керамики, например, с керамическим передающим и пластиковым принимающим элементами.
Конструктивно разделяются датчики, работающие в непрерывно-волновом и импульсных режимах. Прием и излучение ультразвука для первого из них разнесены в пространстве, для второго – во времени. Таким образом, первый состоит из двух активных элементов, расположенных вплотную и под некоторым углом друг к другу, а второй имеет в своем составе только один, поочередно работающий то на прием, то на передачу (рис. 1.18).
Рис. 1.18 Непрерывно-волновой (а) и импульсный (б) УЗ допплеровские датчики
На переднюю и заднюю поверхность активных элементов – пьезоэлектриков вжигаются проводящие электроды из серебра, после чего он поляризуется по толщине в электрическом поле. Скорость звука в ЦТС составляет приблизительно 4000 м/с; при этом толщина пьезоэлемента
, соответствующая основному резонансу ( 
) на частоте 
, определяется соотношением 
(2.5)В следующей таблице приведены толщины пьезоэлементов УЗ датчиков для работы на частотах 2, 4, 8, 10, 16 и 20 МГц, изготовленных из ЦТС.
Таблица 2.1. Зависимость толщины пьезоэлемента от частоты излучаемого ультразвука.
| Частота, МГц | 2 | 4 | 8 | 10 | 16 | 20 |
| Толщина, мм | 1 | 0,5 | 0,25 | 0,2 | 0,125 | 0,1 |
Из данной таблицы видно, что на частотах свыше 10 МГц толщина активного элемента становится меньше 0.2 мм. Обработка материала такой толщины затруднена, из-за хрупкости образца. Электрические контакты, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины, из-за существования пор в объеме керамики могут образовывать электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы.
1.1.6. Исследование зависимости глубины проникновения от частоты излучаемого ультразвукового сигнала
Одним из основополагающих механизмов, ограничивающим область применения высокочастотной УЗ допплеровской аппаратуры, является быстрое (экспоненциальное) возрастание затухания ультразвука в тканях человеческого тела с ростом частоты колебаний.
Для повышения чувствительности и для увеличения глубины зондирования увеличивают интенсивность ультразвуковых колебаний. Однако это увеличение ограничено условиями безопасности обследования, т.к. при существенном повышении интенсивности ультразвука возможен нагрев и даже разрушение биологической структуры. По ГОСТу 26831-86, предел полностью безопасной дозы интенсивности при воздействии УЗ на человеческий организм составляет 50 мВт/см2.
С другой стороны, работа УЗ допплеровского прибора всецело обусловлена релеевским рассеянием, а одним из следствий механизма релеевского рассеяния, является четвертая степень зависимости энергии рассеянного сигнала от частоты излучаемого ультразвука. Т.е. красные кровяные тельца, являющиеся основными движущимися отражателями в исследуемом кровотоке, рассеивают УЗ высокой частоты лучше, чем УЗ низкой частоты. Этот эффект позволяет частично компенсировать повышенное затухание УЗ высокой частоты.
Совокупность двух указанных факторов приводит к тому, что существует оптимальное значение частоты, обеспечивающее максимальное соотношение сигнал/шум для каждого частного случая (т.е. коэффициента затухания и глубины залегания исследуемого сосуда). Данное значение можно получить математически. Как было отмечено, в случае релеевского рассеивания, интенсивность обратного рассеивания УЗ связана с частотой
, на которой проводятся исследования, следующим соотношением:
где
- коэффициент рассеивания. Ввиду затухания УЗ в ткани, его интенсивность уменьшается с глубиной по закону
где
- интенсивность падающего УЗ, знак “-“ указывает на затухающий характер данной функции, коэффициент 2 определяет двойное расстояние (до сосуда и обратно), 
- коэффициент затухания, зависящий от типа ткани, 
- глубина исследуемого сосуда. Очевидно, что интенсивность отраженного от кровотока в исследуемом сосуде сигнала будет определяться произведением этих функций: 
(1)График этого выражения, представленного в виде функции
, для нескольких глубин исследуемых сосудов изображен на рис. 1.19 
Рис. 1.19. Зависимость интенсивности отраженного сигнала от частоты излучаемого УЗ
Как видно из графика, для каждой глубины расположения исследуемого сосуда существует определенная частота УЗ сигнала, при которой на приемник возвращается максимум излученной энергии. Эту частоту можно найти, продифференцировав (1) по
, и приравняв полученное выражение нулю. Ненулевой корень последнего уравнения имеет вид: 
(2)Коэффициент a, может изменяться для мягких тканей от 0.2 дБ/МГц·см до более чем 2 дБ/МГц·см (в зависимости от вида ткани).
График на рис. 1.20 иллюстрирует зависимость расчетного диапазона частот как функции глубины зондирования мышечной ткани. Эта зависимость соответствует максимальному отношению сигнал/шум при регистрации УЗ‑сигналов, рассеянных на элементах крови. Заштрихованная область на графике соответствует различным величинам коэффициента затухания a.
Рис. 1.20 Оптимальная частота УЗ сигнала для исследования на заданной глубине
Как видно из данного графика, для существующих в настоящее время ультразвуковых допплеровских приборов, работающих на частотах до 20 МГц, предпочтительными являются глубины более 0,5 см. В то же время, оптимальной для высокочастотных приборов, с точки зрения соотношения сигнал/шум и получения максимальной мощности отраженного сигнала, является глубина расположения исследуемых сосудов, меньшая, чем 0,5 см.
1.1.7. Анализ структурных схем существующих ультразвуковых допплеровских приборов
Рассмотрим схемотехнику наиболее распространенных вариантов УЗ допплеровских приборов.
Непрерывно‑волновой ультразвуковой допплеровский прибор
со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока