Диссертация (Методы и алгоритмы обработки, анализа и визуализации данных ультразвукового доплеровского измерителя скорости кровотока), страница 11

Разработка алгоритмов визуализации кривой СК и поля скоростей внутрисосуда по данным одноэлементных ультразвуковых датчиков скоростикровотока с узким лучом.4. Полунатурное моделирование и реализация разработанных алгоритмов дляустановления возможности их использования в процессе работы прибора врежимереальноговремени.Разработкапрограммно-математическогообеспечения для расчета диагностических показателей и параметровкровотока.Выводы к первой главеВ данной главе обсуждалась актуальность темы настоящего исследования.

Вчастности, было изложено описание исторического развития ультразвуковыхметодик, приведен обзор существующих техник исследования сердечнососудистой системы. Существенное внимание было уделено анализу литературыи различных научных публикаций, освещающих соответствующую областьисследований. Были рассмотрены предложенные зарубежными и российскимиисследователями методы обработки данных сигналов кровотока, выделенысильные стороны техник и их недостатки. На основе представленных данных осостоянии разработок в области исследования кровотока, как в части аппаратногообеспечения, так и методов обработки сигналов, а также стоящих передспециалистами задач по анализу данных о кровотоке, были сформулированыосновные цели и задачи настоящей работы.54Глава 2.

Исследуемые данные и существующие методыих анализаВ данной главе будет приведено описание исследуемых в работе данных, ихособенностей, влияющих на выбор методов их обработки и анализа, а такжеподробно рассмотрена методика исследования, в частности – приведена схемапроведения эксперимента по снятию, расшифровке, оцифровке и последующейобработке исходных данных.

Среди характерных особенностей исследуемыхсигналов особое внимание уделяется отличительным особенностям коронарногокровотока.Существенноесуществующихместовтехник исследованияглавезанимаеткривыхподробныйразборкровотока, а также обзортрадиционно используемых показателей и параметров.В исследовании центральной и регионарной гемодинамики, а также вдиагностике болезней ССС человека важно знать такие параметры работы сердца,как скорость выталкивания крови в магистральные артерии и скорость движениякрови по кровеносным сосудам. Косвенные методы исследования данныхпараметров (а именно – скорости кровотока в определенном сосуде или участкеССС) не давали удовлетворительного результата. С 1960-х годов было начатоприменение ультразвуковых технологий для исследований в данной области.Суть метода заключалась в использовании ультразвукового датчика уникальнойконструкциииэлектронногоизмерительногоустройства,позволявшегорегистрировать динамику сердечного выброса с оценкой рисунка формы волныкровотока за каждый цикл сердечной деятельности [13].

За прошедшее времяоборудование совершенствовалось, было проведено множество исследований, какна лабораторных животных, так и на ССС человека, с использованием различныхтиповдатчиков:каквводимыхприпомощикатетераподконтролемрентгеновского оборудования в магистральные сосуды и полости сердца черезпериферические вены и артерии, так и контактных и бандажных при операциях на55открытом сердце.

Однако принцип устройства всех датчиков одинаков: ихдействие основано на эффекте Доплера (см. Рис. 1.2). При проведении данногоисследованиядлярешенияперечисленныхвышезадачтребовалосьсформулировать методику экспериментального исследования, включающую всебя вопросы снятия и записи показаний при помощи доплеровских датчиковкровотока, их оцифровку и подготовку к обработке, а также цифровую обработкуполученных сигналов.

Ниже описывается предлагаемая методика, используемоеоборудование и программно-математическое обеспечение.2.1. Методика экспериментального исследованияПрименение технологии доплеровского ультразвукового исследования длярегистрации данных кровотока очень широко: во-первых, существуют какнеинвазивные техники обследования, так и инвазивные (причем как при помощикатетеров, так и при помощи прямого доступа к лоцируемому сосуду); во-вторых,исследования осуществляются при помощи самых разных типов датчиков(контактных и бандажных; одноэлементных и двухэлементных, и т.п.). Поэтому вданном разделе рассмотрим описание методики в части снятия и регистрациипоказаний на примере инвазивного обследования при помощи контактногодвухэлементного доплеровского ультразвукового датчика.Общую схему проведения эксперимента по снятию показаний скоростикровотока можно видеть на Рис. 2.1.

Она заключается в следующем: датчикустанавливается под определенным углом (например,) к сосуду, вкотором регистрируется кровоток. Для сохранения угла наклона датчика (чтонеобходимо, т.к. сосуд в ходе исследования может двигаться под воздействиемсокращений мышечных тканей и т.п.) используется специальная контактнаяплощадка, фиксирующая датчик под нужным углом и прилегающая кповерхности сосуда. В датчике имеется в общем случае два пьезоэлемента, одиниз которых «посылает» излучение, создаваемое генератором (16 МГц), внаправлении исследуемого объекта, а другой – принимает отраженное от56Рис. 2.1.Принципиальная схема проведения эксперимента57форменныхэлементовкровиизлучение.Затемпоэкранированномувысокочастотному кабелю сигнал поступает в ультразвуковой прибор (см.Рис. 2.1), где сначала проходит через усилитель, а затем поступает на входкомпаратора, куда также подается исходный сигнал от генератора, оба этисигнала сравниваются.

После чего обнаруженная разница этих сигналов(обеспечиваемая эффектом Доплера, при котором наблюдается изменениечастоты посланных ультразвуковых волн при перемещении среды, от которой ониотражаются, регистрируемое приемником) снова проходит через усилитель иподается на динамик. Озвучивание этого сигнала возможно потому, чтодоплеровская разница между исходным излучением и отраженным от форменныхэлементов крови попадает в звуковой спектр. Также сигнал поступает на входфильтров высоких (ВЧ) и низких частот (НЧ), после чего поступает в частотомер,из которого попадает на монитор (осциллограф) и на регистратор, где происходитзапись на информационный носитель.Рис.

2.2.Схема оцифровки сигналаДля цифровой обработки сигнала при помощи программного комплексапроизводится процедура оцифровки сигнала. Ее схему можно видеть на Рис. 2.2.Приэтомсигналпоступаетнааналогово-цифровойпреобразовательсиспользованием однополюсного подключения. Используется модель АЦП «LA 20USB» (ЗАО «Руднев - Шиляев», г. Москва).

После чего с АЦП уже оцифрованныйсигнал поступает на подключенный компьютер, где возможно сохранениеполученных кривых кровотока в удобной форме (как в виде графиков, так и в58виде числовых временных рядов). Далее можно использовать программныйкомплекс для цифровой обработки сигнала. При оцифровке сигнал записывается ввиде числового временного ряда в мВ. Тем не менее, проводя перед началомснятия показаний калибровку сигнала, и используя коэффициент перевода, можнополучить значения показаний в см/с. Однако в данной работе кроме абсолютныхзначений величин, большое значение имеют соотношения между показаниями:например,отношениеобъемакровизадиастолу(интегралЛСКзасоответствующую фазу СЦ) к объему крови за весь СЦ. Кроме того, не стольпринципиально для данного исследования и цифровой обработки данных,линейная скорость кровотока исследуется или же объемная.

При необходимости,значения линейной скорости кровотока в программном комплексе можноперевести в объемную (поскольку, благодаря ангиографическим исследованиям,известен диаметр исследуемого сосуда кровеносной системы). Вместе с тем,использование для этих целей стандартных флоуметров т.н. «бандажного» типа(Transonic Systems Inc., США; CardioMed A.S., Норвегия; PeriVascular, QuickFitMedistimНорвегияA.S.A.,потенциальнотравматичногоидр.)малопригодновыделенияизиз-занеобходимостиокружающихтканейискелетизирования исследуемого сегмента коронарной артерии [18].После оцифровки сигналов и записи временных рядов, представляющихсигнал, можно выполнять непосредственно цифровую обработку данных,являющуюся основной составляющей данного исследования. Используемые приобработке сигнала (как первичной, так и последующей) методы, реализованное врамкахработыпрограммно-математическоеобеспечениеиполученныерезультаты будут подробно рассмотрены в разделе 3.

В настоящей части далееприводится описание текущих применяемых методов исследования кровотока идругих особенностей изучаемых данных, которые влияют на выбор возможныхметодовобработкииявляютсяосновополагающимиприадаптацииимодификации описываемых далее алгоритмов. Важно отметить, что, несмотря науниверсальность программного комплекса, а также применяемых подходов кизучению кровотока (как для магистральных сосудов, так и в микроциркуляции),59особое внимание в данной работе уделяется исследованиям именно коронарногокровотока (см.

подробнее в разделе 2.2.2 об особенностях коронарногокровотока).2.2. Методы анализа кривых кровотокаВ исследованиях и обработке сигналов кровотока важную роль играетфазовый анализ, который, так или иначе, затрагивается во всех вопросах изученияподобных данных. В связи с этим кратко рассмотрим структуру сердечного цикла,которая отражается в изменениях кровотока во всех отделах ССС, особоевнимание уделив при этом коронарному кровотоку, а также методы регистрациисердечной деятельности и их применение к фазовому анализу.2.2.1.Анализ структуры сердечного циклаСокращение сердца сопровождается изменениями соотношения давления вего полостях и артериальных сосудах, возникновением тонов сердца, появлениемпульсовых волн и т.