Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы (1035679), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Расстояния между соседними дугами равны длине звуковой волны ) . Пики волн движутся по Глава 4 звука со скоростью С ~~ ),~ Источник о го Об Приемник Г> ло О Приемник 11 Об О 130 Ультразвуковые дивгноотичесяие приборы Направление распространения Рис. М. Щфект Допплера при движении приемника. в — приемник движется к источнику со скоростью р „б - колебвниц излучаемые источникам, — частота го. в — колебания в приемнике — частота Г> Гр Рис.
2. ЭффекгДопплера при движении источника. в — источник движется к приемнику со скоростью у . б — колебания источников частота го, в — колебания в приемнике — частота г > Гр направлению к приемнику со скоростью звука С. При движении приемника по направлению к источнику со скоростью у„р (рис. 1а) взаимная скорость сближения пиков волн и приемника увеличивается по сравнению со скоростью звука и становится равной С + у„р. Очевидно, что и частота колебаний на входе приемника увеличивается про- порционально росту скорости и ста- новится равной С+ у р у=го С На рис. 1в показан вид колебания с этой частотой, большей частоты источника.
При движении приемника по на- 1 правлению от источника со скоростью ( (-у ) скоростьпиковволнотноситель- ( но йриемника уменьшается по сравнению со скоростью звука и становится равной С вЂ” у . Частота колебаний на входе приемника в этом случае равна С-рлр Лр С Таким образом, частота принимае-,: мых колебаний отличается от частоты ( источника на ту же величину, но с от- ( рицательным знаком. Движущийся источник звука Рассмотрим теперь случай, когда приемник неподвижен и движется источник (рис. 2). Если источник движется по направлению к приемнику со скоростью у, расстояния межгвг соседними пиками волн уменьшаются, т.е. уменьшается в этом направлении длина волны Л в соответствии с выражением Л Л вЂ” ш С Используя известное соотношение Л = Сф можно написать выраже- ) ние для частоты колебаний на входе ' приемника, которая становится боль- ' ше, чем частота источника: 5-Го С С вЂ” у На рис.
2в показан вид колебания ( на входе приемника с частотой, большей, чем частота источника. Если источник движется в противоположном направлении от прием- Ультразвуковые сканеры со спектральным допплером го О С+у Дв С+у =о С-у' С-у С+к С 'С вЂ” у Ультразвуковые диагностические приборы 131 ника, то частота на входе приемника уменьшается: Движущийся отражатель ультразвука В медицинских УЗ приборах источник и приемник сигналов объединены в датчике прибора, те. излучение и прием сигналов происходит в одном месте. Эхо-сигналы, отражаемые в сторону датчика, принимаются им.
Если наблюдаемые биологические структуры неподвижны, эхо-сигналы от них не имеют частотного сдвига. В случае же движения биологических структур в эхо-сигналах появляется частотный сдвиг, изменяющий значение частоты эхо-сигнала по сравнению с частотой излучаемого УЗ сигнала. На рис. 3 схематически изображены совмещенные источник и приемник ультразвука и отражатель, движущийся в сторону источника и приемника со скоростью и Колебания, приходящие от источника на движущийся отражатель, имеют такой же вид, как и в первом рассмотренном нами случае «движущийся приемник звука». Частота колебаний на отражателе: С+к «Р « Отражая эти колебания в сторону приемника, отражатель выступает в роли источника„поэтому приходящие от него к приемнику колебания имеют частоту аналогично тому, как это было во вто- ром случае «движущийся источник звука .
сточни к С е ) +ч Приемник Отражатель ) ! Рис. 3. ЗФфектДспплерв при движении отражателя. е — источник и приемник совмещены и неподвижны, отражатель движется к ннм со скоростью к б — колебания нсгсчнн- К — ЧаСтОта Ге  — Капвбвпиа ПРНКОДЯЩНЕ не отражатель. г — колебания в приемнике. В результате частота эхо-сигналов на входе приемника определяется выражением Очевидно, если отражатель движется в сторону, противоположную от источника и приемника, выражение для частоты на входе приемника изменяется: 4.2.
Оценка скорости движения по допплеровскому сдвигучастоты. Допплеровский угол В УЗ диагностических приборах определяется не сама частота колебания, поступающего в приемник, а разность этой частоты г и частоты 1,— колебания, излучаемого источником. Глава 4 Это основное соотношение, позволяющее по измеренному в приборе допплеровскому сдвигу частоты го оценивать скорость движения и Допплеровский угол. Представим выражение (1) в виде где (г = 2/о/С вЂ” известная постоянная, зависящая от типа датчика. Действительно, частота то колебаний, излучаемых датчиком, известна.
Скорость звука в большинстве мягких тканей изменяется в пределах +бо/о относительно среднего значения С = 1540 м/с, поэтому в расчетах может быть принято это значение. Таким образом, допплеровский сдвиг частоты го однозначно связан с величиной оцениваемой скорости движения у при данном значении угла а. Величина угла а, вообще говоря, неизвестна, но во многих случаях может быть определена. Например, с помощью обычного УЗ сканирования можно определить по В-эхограмме ориентацию сосуда и, следовательно, угол а между направлением кровотока и направлением на допплеровский датчик. Угол со обычно называют допплеравским утлом, или углом инсонации.
Иногда врачу не требуется точно определять скорость у и достаточно оценивать по допплеровскому сдвигу частоты проекцию скорости усова и изменение ее во времени. Однако за- Отражатель Рис. 4. Учет доппперовского угла а между направлением движения отражателя и на- правлением на источник-приемник. / 2усоаа о-"о С 134 Ультразвуковые диагностические приборы Эта разность называется допплвровским сдвигом частоты. Для случая движения отражателя в сторону датчика допплеровский сдвиг го можно вычислить следующим образом: ро =" Го — /о Го =ч С+у 2» 'С вЂ” у ' С— Скорость движения биологических структур (например, кровотока) не превышает нескольких метров в секунду. Скорость звука С в мягких биологических тканях в среднем равна 1540 м/с.
Поэтому у « С, т.е. скорость движения структур существенно меньше скорости звука. Тогда выражение для допплеровского сдвига р можно представить в виде: 2у г =г —. о ОС' Когда отражатель движется к датчику, допплеровский сдвиг положителен. Если отражатель движется в противоположную от датчика сторону со скоростью (-у), то допплеровский сдвиг отрицателен. В вышерассмотренных примерах предполагалось, что отражатель движется вдоль направления на датчик (по оси датчика, а точнее, вдоль оси УЗ луча).
В общем случае движение отражающих структур может происходить в произвольном направлении, т.е. вектор скорости движения может быть направлен под некоторым углом а относительно направления на датчик (рис. 4). Допплеровский сдвиг частоты определяется проекцией скорости у на линию, соединяющую отражатель с датчиком, т.е. величиной усова.
Следовательно, выражение для допплеровского сдвига частоты должно иметь вид Го = у(гсоз а, (2) ультразвуковые сканера~ со спектральным долплером =0 (г', Распространение падающей волны Отраженная волна, преломленной волны нет Распространение преломленной волны Рис. б. Влияние допплвровского угла а на измерение допплероеского сдвига частоты: а-в— зависимость допплероэского сдвига частоты Г от угла а между осью ультразвукового датчика и направлением кровотока.
г — преломление ультразвукового луча нэ границе сосуд — стенка сосуда д, е — невозможность гюлучения эко-сигналов от элементов крови при допплеразском угле, равном (д) и меньшем (е) критического угла. Ультразвуковые диагностические приборы $„В3 висимость величины допплеровского сдвига частоты р, от угла а существенным образом влияет на оценку скорости кровотока.
Праиллюстрируем сказанное с помощью рис. 5, на котором показаны различные случаи ориентации аси дапплеровского датчика относительно аси кровеносного сосуда. На рис. 5а дан случай, когда оси датчика и сосуда перпендикулярны друг другу: угол а= 90' и сова =О. В этом случаедапплеравский сдвиг Г„ = О, и оценить скорость кровотока невозможно.
Однако достаточно наклонить ось датчика относительно сосуда так, чтобы угол а между ними отличался от 90', и сразу появляется возможность оценки скорости кровотока, так как при этом Р, з О. На рис. 5б допплеровский сдвиг Г„положителен (сова > 0). Если наклонить ось датчика в другом на- правлении (рис. 5в), сдвиг Гк — отрицателен (сова < 0). При малых отклонениях ат положения а = 90' величина проекции скорости усова мала и, следовательно, относительно мала величинадопплеровского сдвига Рм При этом точность оценки скорости кровотока также мала. Для увеличения точности полезна ориентировать датчик так, чтобы уменьшить угол о.. Однако при этом следует иметь в виду чрезвычайно важное обстоятельство — при уменьшении угла а менее 25' или увеличении угла более 155' (так называемые критические углы) ультразвук может не проходить через границу между стенкой сосуда и кровью, а полностью отражаться от этой границы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
