Page 48 - IFM_201404 calość 300 dpi

vol. 3 4/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny 206
artykuł \ article ultrasonografia \ ultrasonography
publikacji wystąpienie błędu pomiarowego w wysokości 10% na
każde 10 stopni.
Zjawisko Dopplera
Fale ultradźwiękowe rozproszone na krwinkach znajdujących się
w naczyniach krwionośnych zmieniają swoją częstotliwość pro-
porcjonalnie do przepływu.
2 cos
d
n
cf
v
f θ
=
cos θ – kąt zawarty pomiędzy kierunkiem ruchu krwinki a wiąz-
ką ultradźwiękową,
f – częstotliwość,
f n – częstotliwość fali nadawczej,
f d – częstotliwość dopplerowska,
c – prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku.
Zależność ta znalazła zastosowanie w aparaturze dopplerow-
skiej USG i pomiarach przepływów krwi.
Częstotliwość dopplerowska będąca interesującym nośnikiem
informacji jest do uzyskania po delikatnym przekształceniu. Waż-
ne jest, aby zwrócić szczególną uwagę na kąt padania wiązki, po-
nieważ błąd i zwiększenie kąta padania wiązki mają duży wpływ
na błąd pomiaru. Dla przykładu 5% odchylenia od zadanego kąta
generuje błąd pomiaru częstotliwości dopplerowskiej o 15%.
W urządzeniach dopplerowskich częstotliwość fali to 2-20
MHz. Najczęściej wykorzystywane są one do badań naczyń
głębokich, mózgowych i w położnictwie do oceny serca płodu.
Częstotliwość 20 MHz wykorzystuje się w przypadku badań
śródoperacyjnych, natomiast do naczyń podskórnych używa się
częstotliwości około 8 MHz.
Fala ultradźwiękowa, wytworzona przez przetwornik, wnika
do ośrodka, gdzie ulega odbiciom, rozproszeniom oraz ugięciom
na cząsteczkach krwi i tkanek. Energia fali rozproszonej jest nie-
wielka. Ciśnienie fali wywołuje na przetworniku zmienne napię-
cie elektryczne o zmiennej amplitudzie. W pierwszej kolejności
sygnały te ulegają wzmocnieniu wymuszonemu, a dopiero póź-
niej są przetwarzane na napięcie proporcjonalne do przepływu
krwi. Aby ocenić przesunięcie dopplerowskie mierzone przez
detektor częstotliwości, należy ocenić wartości częstotliwość
ech f e oraz częstotliwość fali nadanej fn.
fe ma znak ujemny lub dodatni, w zależności od kierunku pły-
nięcia krwinek. Przesunięcie dopplerowskie jest zatem równe:
fd = f n ± fe
Niezależnie od kierunku przepływu, widmo sygnału musi
znajdować się na dodatniej osi częstotliwości. Nie jest możliwe
rozróżnianie znaku częstotliwości dopplerowskiej, a zatem kie-
runku przepływu na tym etapie technologicznym.
Istnieje możliwość wzmocnienia sygnału dopplerowskiego
we wzmacniaczu akustycznym. Ten schemat jest stosowany
w detektorach przepływu krwi oraz detektorach tętna płodu.
Istnieją mierniki przepływu krwi rozróżniające kierunek przepły-
wu. Oscylatory generują częstotliwości 2, 4 lub 8 MHz, a sygnały są
wzmacniane we wzmacniaczu mocy, który jest dołączony do prze-
twornika nadawczego głowicy ultradźwiękowej. Następnie sygnał
wysłany powraca w postaci energii w wyniku odbicia, rozprosze-
nia na granicy tkanek i zostaje ponownie przetworzony na sygnał
elektryczny. Sygnał ultradźwiękowy powracający charakteryzuje
się częstotliwością przesuniętą względem sygnału początkowe-
go proporcjonalnie do prędkości przepływu krwi. Bardzo mała
amplituda ech rozproszonych na krwinkach wymaga wzmocnie-
nia w odbiorniku. Następnie sygnał zostaje poddany demodulacji
kwadratowej, czyli pomnożeniu odebranego sygnału przez dwa
sygnały referencyjne o częstotliwościach nadanej fali różniącej się
fazą o 90⁰. Taki schemat odpowiada opóźnieniu jednego sygnału
referencyjnego względem drugiego o ¼ okresu fali.
Drugimmożliwym sposobemwyznaczenia prędkości przepły-
wu jest pomiar średniej częstotliwości dopplerowskiej w liczni-
ku. Licznik zlicza ilość przejść badanego sygnału przez poziom
zerowy. Aparatura fali ciągłej jest bardzo przydatna – szybkie
wykonanie pomiarów, prosta obsługa, lecz za jej pomocą reje-
struje się przepływ we wszystkich naczyniach objętych wiązką
ultradźwiękową, co powoduje, że jest nieprzydatna w przypad-
ku przestrzennego obrazowania.
Metody impulsowe
Aby wykonać pomiar na wybranej głębokości, należy zastosować
metody impulsowe. Przetworniki są pobudzane do drgań krótkimi
impulsami. Po odbiciu fali od krwinki powraca ona do przetwornika,
leczzewzględunato,żeodbicienastąpiłonaróżnychgłębokościach,
fale te powracają w różnym czasie. Metoda ta znalazła zastosowa-
nie w pomiarach profili prędkości przepływu krwi oraz pojemności
minutowej serca i ocenie przepływów śródczaszkowych.
Zasada działania
Przetwornik wysyła krótkie impulsy o częstotliwości f n. Czas
pomiędzy poszczególnymi impulsami wynosi TP. Odległość po-
między przetwornikiem a obiektem równa jest x, zatem droga,
jaką musi przebyć sygnał, jest równa 2x. Prędkość rozchodzenia
się ultradźwięków jest opisana jako c. Jeżeli obiekt porusza się
w kierunku przetwornika z prędkością v , to droga 2x oraz czas
przejścia impulsów t maleją, pokonując tę drogę.
t = 2x/c
Wraz ze zmianą czasu zmienia się faza odbieranego sygnału.
W czasie pomiędzy kolejnymi impulsami wartość przemieszcze-
nia się obiektu jest duża, co powoduje dużą zmianę odbieranego
echa. Częstotliwość dopplerowska przybiera zatem postać:
2
d n
v
f f c
=
Wytwarzany sinusoidalny sygnał elektryczny o częstotliwości f n
obniżany jest przez dzielnik częstotliwości kilkaset razy do przyda-
nej częstotliwości powtarzania f p, z jaką są wysyłane impulsy son-
dujące. Z tą też częstotliwością są formowane krótkie prostokątne
impulsy o czasie t modulujące sinusoidalny sygnał z generatora.