Диссертация (Методы и алгоритмы обработки, анализа и визуализации данных ультразвукового доплеровского измерителя скорости кровотока), страница 3

АлгоритмвизуализациисигналадоплеровскогодатчикаСКсвосстановлением двумерной картины поля СК в сечении сосуда поизмеренным профилям максимального кровотока в направлении УЗ сигнала,излучаемого прибором.4. Методикаэкспериментальногоисследованияпериферическогоикоронарного кровотока по данным только доплеровского измерителя,использующая кластерный алгоритм автоматизированного фазового анализакривых СК и автокорреляционный метод; программно-математическоеобеспечениесчеловеко-машинныминтерфейсом,реализующееразработанные и модифицированные алгоритмы цифровой обработкисигнала и обеспечивающее накопление базы данных и базы знаний,выявление направления формирования системы поддержки принятиярешений в диагностике состояния ССС и кардиохирургии.11Глава 1.

Современные методы и средства исследованиясердечно-сосудистой системыВ данной главе рассматривается конспективно история исследованийсердечно-сосудистой системы, как в России, так и в мире, обсуждаетсязначимость этих исследований и текущее состояние разработок в данной области.В частности, в разделе 1.1 обозреваются исторически сложившиеся методикиисследований кровотока, приводятся данные об уровне разработок наиболеевостребованных фирм (как зарубежных, так и отечественных), производящихпрограммно-аппаратное обеспечение для обработки таких сигналов. Центральноеместо в главе занимает обзор литературы по тематике исследования (раздел 1.2).Вобзореобсуждаютсяосновныенаправленияразработок,выделяютсяпреимущества и недостатки предлагаемых методов анализа данных и т.п. В концеглавы на основе обсуждения формулируются основные цели и задачи настоящегоисследования.1.1.

Ультразвуковая доплеровская флоуметрияВ 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 [13]. С 1960-х годов было начатоприменение ультразвуковых технологий для исследований в данной области:было представлено доплеровское ультразвуковое исследование (далее – УЗИ), апозжевэтомдесятилетии–импульсноедоплеровскоеультразвуковоеисследование.

Популярность этих методик выросла в 1970-х годах с введением12построения gray-scale (в серой шкале, или в полутоновом режиме) изображений врежиме реального времени и дуплексного сканирования, и еще больше возросла всередине 1980-х с введением color Doppler (построения цветных доплеровскихизображений, далее – CDI). Данные исследования велись и в СССР: суть методазаключалась в использовании ультразвукового датчика уникальной конструкциии электронного измерительного устройства, позволявшего регистрироватьдинамику сердечного выброса с оценкой рисунка формы волны кровотока закаждый цикл сердечной деятельности [13].

А именно, в 1970-х годах применениеультразвука в непрерывном и импульсном режимах позволило разработатьприборы для точного измерения линейной и объемной скоростей кровотока спомощьюимплантированныхдатчиков[22].Позже,ссозданиемвнутрисосудистого датчика, появилась возможность исследования гемодинамикибольных заболеваниями ССС при катетеризации в клинике, а дальнейшеесовершенствованиеоткрылоакустическихвозможностьметодоввизуализироватьисследованиякровеносноекровообращениярусло.Способностьультразвуковых колебаний отражаться от форменных элементов крови былаиспользована для регистрации скорости их перемещения частотным детектором споследующейрегулировкойяркостилучаэлектронно-лучевойтрубкиивыработкой сигнала управления разверткой луча по горизонтали и вертикали, врезультате чего на экране осциллографа можно было наблюдать изображениепросветакровеносногососуда.Приэтомяркостьлучауказываланаинтенсивность скорости кровотока на исследуемом участке сосуда [22].

В ходеисследований в те годы был решен целый ряд технических сложностей ивопросов, связанных, например, с тем, что при измерении скорости кровотокачерез кожный покров амплитуда ультразвукового сигнала, отраженного от стенкисосуда, значительно превышает сигнал, отраженный от форменных элементовкрови. Отличие спектра доплеровских частот сигнала скорости кровотока отспектра сигнала сосудистой стенки позволило их выделить при помощи фильтровверхних частот (далее – ФВЧ). Проблема, связанная с возможным нахождением взоне регистрации ультразвукового луча более чем одного сосуда (артерия и вена)13и одновременной регистрацией скорости кровотока в них, решалась путем учетаяркоговыраженногопульсирующегохарактераартериальногокровотока.Визуализация кровеносного русла осуществлялась с помощью датчика с узкимультразвуковымперемещениялучом:датчикапослевизуализацииперпендикулярнокровеносногоосисосуда,русла,былипутемполученыосциллограммы распределения амплитуды линейной скорости кровотока подиаметрусосуда.Полученныеданныесоответствовалитеоретическимположениям о параболичности профиля скорости для ламинарного кровотока, созначительным уплощением профиля при наличии внутрисосудистых образований[22].

Эти результаты и наработки легли в основу исследований в рамках даннойработы.К настоящему моменту устоявшимися и широко применяющимися являютсяследующие методики ультразвукового исследования (примерный вид получаемыхпри их помощи данных можно увидеть на Рис. 1.1).абвгРис. 1.1.Иллюстрации методов: B-mode imaging (а), Spectral Doppler (б),Colour Doppler (в), М-mode imaging (г)B-mode imaging. Brightness- или B-mode image (изображение в B-режиме илив режиме яркости) является двумерным отображением («картой») ультразвуковойотражательной способности [101]. Поскольку различные ткани и границы разделамежду ними отражают разное количество излучаемого ультразвука, топоказываются на изображении при помощи различных яркостей.

Например, кровь14имеет существенно более низкий коэффициент отражения, чем мышцы и другиеткани, что позволяет легко различать их на изображении.Spectral Doppler. В спектральной доплеровской методике измеряетсяскорость движущихся объектов, в данном случае – форменных элементов крови.Скорость обычно измеряется в некоторой малой области, расположение которойопределяется оператором ультразвуковой измерительной системы, а спектрскорости кровотока отображается на графике «спектральная мощность отвремени», также показывается форма сигнала пульсирующего кровотока [101].Сама оценка скорости производится на основе эффекта Доплера, суть которого, вданном случае, проявляется в изменении частоты посланных ультразвуковыхволн при перемещении среды, от которой они отражаются.

Общий принципультразвуковой доплеровской флоуметрии можно видеть на Рис. 1.2.Рис. 1.2.Принцип ультразвуковой доплеровской флоуметрииColour Doppler (или Color Doppler, цветной Доплер), в отличие отспектральной доплеровской методики, где спектр скоростей измеряется в одномнебольшом, точно определенном образце объема крови, осуществляет оценкусредней скорости во многих схожих образцах двумерной области [101].15Соответственно, вместо спектрального отображения, «карта» скоростей (илидоплеровских сдвигов) представлена цветовым наложением на изображение, гдеоттенок цвета показывает направление вектора скорости, а интенсивность цвета –его величину.A-mode, М-mode, colour М-mode.

Двумерное изображение, полученное припомощи техники B-mode, построено из множества смежных линий, каждая изкоторых представляет собой «эхо» от одного переданного импульса. Зависимостьамплитуды этого «эха» от времени изображается, как было сказано выше, награфикеввидеяркости.Однакопервоначальноданнаязависимостьпредставлялась на экранах осциллографов как график амплитуды от времени, иназывалась данная форма представления A-mode.

M-mode (Motion-mode) являетсягибридом между режимами B-mode и A-mode, где одна линия изображенияповторно и быстро получается, при этом результирующее двумерное изображениеотображает глубину в зависимости от времени, а интенсивность «эха»демонстрируется при помощи яркости [101].

Colour M-mode (цветной режим Mmode) является дальнейшим расширением методики, где обработка оценкискорости, используемая в Colour Doppler imaging (CDI – построение цветныхдоплеровских изображений), применяется к данным техники M-mode.В следующем разделе приводится описание применения данных методикисследования, освещаемое в литературе по теме изучения кровообращения. Приэтом в настоящей работе особое внимание уделяется исследованию коронарногокровотока, в связи с важностью этого сегмента в функционировании сердечнососудистой системы.НачатыепатофизиологиивсерединекоронарногоХХвекафундаментальныекровообращенияпривелиисследованияксозданиюультразвуковой аппаратуры для регистрации кровотока в сосудах сердца, в т.ч. ивнутрисосудистым доступом, а также линейной и объемной скорости кровотокапо коронарным шунтам и триплексного сканирования поверхностных артерийсердца (фирмы Transonic, США; Medistim, Норвегия, и др., см.

Рис. 1.3).16Например, американской компанией Transonic большое внимание уделяетсяинтраоперационной оценке показателей кровотока [44], а норвежская компанияMedistim предлагает доплеровские измерители с бандажными двухэлементнымидатчиками [43].абвРис. 1.3.Датчики кровотока Transonic (а), Medistim (б), Минидоп-БИОСС (в)В РФ попытки создать аппаратуру такого уровня пока не привели к успеху,однако ведутся разработки фирмами Минимакс (Санкт-Петербург) и БИОСС(Москва, Зеленоград). Компания Минимакс выпускает аппараты МинимаксДопплер-К(моделивысокочастотнойЖКиНБ),подчеркиваетсяультразвуковойдоплеровскойважностьпримененияфлоуметриидляинтраоперационной оценки коронарного кровотока, демонстрирующей высокуюинформативность и наглядность методики [42].