Допплеровский измеритель скорости кровотока (стр. 1 из 22)
1. Введение.. 2
1.1. Аналитический обзор... 3
2. Специальная часть.. 43
2.1. Разработка функциональной схемы измерителя.. 43
2.2. Разработка принципиальной схемы измерителя.. 48
2.3. Анализ метрологических характеристик.. 54
2.4. Расчет надежности.. 57
3. Технологическая часть.. 62
4. Экономическая часть.. 68
5. Охрана труда и окружающей среды.... 74
6. Заключение.. 82
7. Литература:. 83
8. Приложение.. 84
В началом дипломного проекта перед разработчиком ставится задача к определенному сроку выполнить все части задания и подготовиться к защите дипломного проекта перед комиссией. Передо мной была поставлена задача разработки современного датчика измерения скорости кровотока на базе существующих методов.
Скорость кровотока, наряду с давлением крови, является основной физической величиной, характеризующей состояние системы кровообращения. Возможность неинвазивной, объективной и динамической оценки кровотока по сосудам малого калибра остается одной из актуальных задач современной ангиологии и смежных специальностей. От ее решения зависит успех ранней диагностики таких заболеваний, как облитерирующий эндартериит, диабетическая микроангеопатия, синдром и болезнь Рейно, всевозможных окклюзий и стенозов артерий.
Перед решением задач проектирования новых устройств, как и при решении любой задачи повышенной сложности, необходимо разбить всю работу на определенное количество этапов, определить трудоемкость каждого из них, четко определить график выполнения каждого участка работ, для каждой части определить срок выполнения и перехода к следующему этапу. Определившись с планом работ нужно тщательно изучить историю развития техники, методов измерения скорости, предложений и решений в той области науки, в которую входит предмет проектирования. Все это было мной проделано и сделаны выводы о целесообразности применения определенных методов и конструкторских решений на разных этапах проектирования.
В аналитическом обзоре будет проведен анализ существующих аналогов, принципов их действия, конструкторского устройства и погрешностей. На основании обзора, в специальной части будет предложен выбранный метод, конструкция, необходимые расчеты и математические выкладки, функциональная и структурная схемы. В ней же будет произведен расчет надежности и анализ погрешностей для проектируемого устройства. В экономической части будет приведен расчет целесообразности внедрения проектируемого прибора в производство. В разделе «Безопасность жизнедеятельности» будет рассчитан и устранен один из факторов мешающий безопасной работе с прибором. В технологической части будут определены технические условия производства прибора, технологические карты его наладки и начерчены чертежи конструкции прибора или испытательного стенда для проверки изделия на соответствие техническим условиям. В заключении будут сделаны выводы о проделанной работе.
1.1.1. Методы измерения скорости кровотока.
В восьмидесятые годы значительное развитие получила клиническая диагностика заболеваний человека с помощью введения в его организм радиоизотопов в индикаторных количествах. Визуализация с помощью радиоизотопов включает в себя ряд методов получения изображения, отражающих распределение в организме меченных радионуклидами веществ. Эти вещества называются радиофармпрепаратами (РФП) и предназначены для наблюдения и оценки физиологических функций отдельных внутренних органов. Характер распределений РФП в организме определяется способами его введения, а также такими факторами, как величина кровотока объема циркулирующей крови и наличием того или иного метаболического процесса.
Первое применение радиоизотопа для диагностики заболеваний щитовидной железы относится к концу 1930-хх гг. Ранние разработки устройств визуализации в 1950-х гг. представляли собой сканеры с двухкоординатным сканированием и сцинтилляционные камеры. В клинической практике оба этих типа устройств стали широко использоваться к середине 1960-х гг. Именно с этого периода камера Энгера становится одним из основных технических средств визуализации с помощью изотопов.
Радиоизотопные изображения позволяют получать ценную диагностическую информацию. В ядерной медицине в те годы наиболее распространенным методом клинической диагностики являлась статическая изотопная визуализация в плоскости, называемая планарной сцинтиграфией. Планарные сцинтиграммы представляют собой двумерные распределения, а именно проекции трехмерного распределения активности изотопов, находящихся в поле зрения детектора. В отличие от рентгенографии, в которой точно известно начальное и конечное положение каждого рентгеновского луча, при визуализации радиоизотопного источника можно определить положение лишь регистрируемого g-излучения.
Одним из возможных перспективных применений ультразвука в медицинской диагностике является допплерография, т. е. измерение скорости крови в кровеносном сосуде с помощью эффекта Доплера. Современная аппаратура обработки данных позволяет определить не только среднеквадратическую скорость в сосуде, но и относительные амплитуды сигналов, соответствующие различным скоростям составляющих кровотока. Это достигается посредством вычисления спектра принимаемого доплеровского сигнала в реальном масштабе времени.
Первые сообщения о применении принципа Допплера для измерения скорости кровотока принадлежат Satomura (1960), Franclin е.a.(1961).
В последующие несколько лет ультразвуковые допплеровские приборы были значительно усовершенствованы. Применение детектора направления кровотока (McLeod,1968,Beker e.a.,1969) значительно расширило возможности диагностики.
В 70-х годах был предложен метод "спектрального анализа" допплеровского сигнала, позволивший количественно оценить степень стеноза сонных артерий. В эти же годы параллельно с развитием постоянно волновых допплеровских систем внедряются системы с импульсным излучением. Сочетание последних со спектральным анализом и эхоскопией в "B" - режиме привело к созданию дуплексных систем.
1982 год является точкой отсчета для транскраниальной допплерографии. Первые клинические результаты применения этого метода были опубликованы R.Aaslid именно в этом году. Транскраниальная допплерография, образно говоря, "замкнула последнюю брешь" в диагностике окклюзирующих поражений брахиоцефальных артерий, позволив диагностировать интракраниальные поражения, до этого времени считавшиеся недоступными для ультразвукового исследования.
В основе допплерографии лежит физический эффект Допплера, суть которого состоит в изменении частоты посланных ультразвуковых волн при перемещении среды, от которой они отражаются, или при перемещении источника ультразвука, или при одновременном перемещении среды и источника (Рис 1.1).
В нашем случае ультразвуковые волны отражаются от частиц крови, и это изменение напрямую зависит от скорости кровотока.
Рис 1.1.
Схема эффекта Допплера.
В современных ультразвуковых допплеровских системах используется один датчик и для излучения, и для улавливания отраженной волновой энергии. Принцип Допплера описывает компонент вектора скорости вдоль линии наблюдения. Этот компонент скорости (или наблюдаемая скорость) равна:
Vo = V x cos a,
где V - абсолютная скорость кровотока,
a - угол между вектором скорости кровотока и направлением ультразвукового пучка.
Поскольку наблюдаемая скорость Vo зависит от угла a, то Vo=V ( при a=0 ) и V > Vo во всех остальных случаях, когда 0 < a < 90 (Рис 1.1).
Иначе говоря, скорость, воспринимаемая по принципу Допплера, не тождественна абсолютной скорости кровотока. Равными величины абсолютной и воспринимаемой по принципу Допплера скоростей могут быть только при a=0.
В наиболее общем виде эффект Допплера описывается формулой:
Fd = 2 x Fo x Vo/c , (1)
где Fd - допплеровская частота,
Fo- посылаемая частота,
c - скорость распространения ультразвуковых волн в среде (в данном случае - крови).
Однако, с учетом зависимости наблюдаемой скорости от угла между датчиком и направлением движения крови, формула < 1 > приобретает окончательный вид:
Fd = 2 x Fo x V x cos a/c
Рис1.2.
Влияние угла a на значение допплеровской скорости.
1.1.2. Болезни, диагностируемые с помощью измерения скорости кровотока и варианты методик обследования.
Скорость кровотока, наряду с давлением крови, является основной физической величиной, характеризующей состояние системы кровообращения. Возможность неинвазивной, объективной и динамической оценки кровотока по сосудам малого калибра остается одной из актуальных задач современной ангиологии и смежных специальностей. От ее решения зависит успех ранней диагностики таких заболеваний, как облитерирующий эндартериит, диабетическая микроангеопатия, синдром и болезнь Рейно. Не менее важным аспектом проблемы эхолокации низкоскоростных потоков крови является мониторинг проходимости микрососудистых анастомозов при реимплантации сегментов конечностей, трансплантации тканевых лоскутов и органов. С помощью высокочастотной (ВЧ) ультразвуковой допплерографии (УЗДГ) открываются перспективы в определении жизнеспособности тканей при критической ишемии, обширных ожогах и обморожениях.
Нарушения мозгового кровообращения являются одной из основных причин смертности населения развитых стран. Ишемическая болезнь мозга по распространенности практически соответствует ишемической болезни сердца и составляет около 36% в структуре сердечно-сосудистых заболеваний. Особое место среди причин, приводящих к нарушениям мозгового кровообращения, занимает патологическая извитость сонных артерий. С одной стороны, это связано с ее высокой распространенностью в качестве причины недостаточности мозгового кровообращения, уступающей только распространенности атеросклеротического поражения каротидных артерий. С другой стороны, до сих пор нет единого мнения о гемодинамической значимости деформации сонных артерий и целесообразности ее хирургической коррекции.