Осипов Л.В. - Ультразвуковые диагностические приборы (1035679), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Об этом подробнее рассказывается ниже. 4.6. Измерение спектра допплеровских частот. Неоднозначность измерения спектра Особенности допплеровских измерений спектра скоростей движения биологических структур довольно трудны для понимания. Вот почему в этом разделе даются некоторые начальные сведения о характеристиках сигналов, использующихся для допплеровских измерений. Эти сведения известны инженеРам, участвующим в разработке, производстве и эксплуатации УЗ приборов, но врачи — пользователи аппаратуры с этой информацией знакомы, как правило, недостаточно хорошо. На рис.
23 (слева) представлены основные виды сигналов, используемых в УЗ диагностических системах. Эти сигналы излучаются датчиками, а получаемые в результате отражения в тканях эхо-сигналы принимаются теми же датчиками и далее усиливаются и преобразуются в системе. Каждый из сигналов может быть представлен в виде суммы синусоидальных (гармонических) колебаний с различными частотами, амплитудами и Фазами. Такое представление назы- Ультразвуковые сканеры со спектральным допплером Спектры Сигналы 1= 1/т„ О го Рис.
23. Вид сигналов, используемьи в ультразвуковойдиагностике(слева), и соответству- ющих им амплитудно-частотнык спектров(справа), а — В-режим, б — СЯ-.режим, в — РЯ ре- жим — одиночный импульс, г — РЯ-режим — пачка из И импульсов. ультразвуковыедиагностические приборы 151 вается спектром сигнала. Спектр характеризует распределение интенсивности сигнала по частотам, т.е. определяет, какие частотные составляющие представлены больше или меньше в сигнале (см, раздел 1.1).
Спектр — оченьважнаяхарактеристика сигнала и связана с временным видом сигнала взаимнооднозначной зависимостью. Если известен вид сигнала, то спектр сигнала может быть вычислен с помощью так называемого преобразования Фурье. И наоборот, зная амплитудно-Фазовый спектр, можно определить вид сигнала на оси времени путем вычисления обратного преобразования Фурье. Естественно, принимаемые эхосигналы также характеризуются спектром, который может быть вычислен с помощью преобразования Фурье. В допплеровских УЗ системах, предназначенных для оценки спектра скоростей кровотока, принятые эхо-сигналы подвергаются обработке в специальных процессорах, вычисляющих преобразование Фурье, те.
оценивающих спектр эхо-сигналов. Для ускорения вычислений применяется специальный алгоритм — быстрое преобразование Фурье (БПФ, или ЕЕà — 1аз) 1оопег (гапз1оггп). Рассмотрим импульсный сигнал, используемый для получения двухмерного серошкального изображения в В-режиме (рис. 23а). Длительность этого сигнала т. очень мала, что обусловлено стремлением получить хорошее продольное разрешение.
Амплитудныи спектр с (Г) этого сигнала, на- Глава 4 против, очень широкий. Вообще для сигналов простой формы существует четкая связь между длительностью сигнала т„и шириной его спектра Лб чем короче импульс, тем шире его спектр, и наоборот, чем длиннее сигнал, тем уже спектр. Ширина спектра приближенно равна М= 1/т,. В реально используемых датчиках сигналы в В-режиме имеют ширину спектра М не менее 40 — 50% от центральной частоты то. Например, при работе с датчиком 3,5 МГц (т, = 3,5 МГц) ширина спектра — не менее 1.4 МГц. Длительность сигнала т„при этом не более 0,7 мкс. В современных системах все чаще используются сигналы с еще более широким спектром частот, что обеспечивает высокую разрешающую способность. В допплеровских системах с СЧЧ- режимом используется очень длинный синусоидальный сигнал на одной частоте г,(рис.
23б). Спектр этого сигнала чрезвычайно узкий и сосредоточен в очень малой области частот около го. Например, если длительность сигнала 10 мс, то ширина спектра сигнала М = 100 Гц. Таким образом, в СЧЧ- режиме применяются сигналы с существенно меньшей шириной спектра, чем в В-режиме. Это имеет решающее значение для точности измерения допплеровского спектра частот. Основным недостатком режима непрерывноволнового допплера, как уже говорилось, является отсутствие разрешающей способности по глубине.
Поэтому в режиме РЧЧ вЂ” альтернативном методе оценки допплеровского спектра, применяются импульсные сигналы, длительность которых существенно меньше, чем в режиме СЧЧ, но несколько больше, чем в режиме В (рис. 23в). Ширина спектра такого одиночного импульса хоть и меньше, чем в режиме В, но слишком велика, чтобы обеспечить измерение спектра частот допплеровского сдвига с таким же качеством, как в режиме СЧЧ.
Поэтому в режиме РЧЧ применяется пачка импульсов, спектр которой имеет специфический вид, называемый «гребенчатой функцией» (рис. 23г). Вместо одного явно выраженного максимума спектр пачечного сигнала имеет много пиков. Ширина каждого из узких пиков одна и та же и определяется длительнос|ью пачки из И импульсов: Расстояние Е между отдельными пиками на оси частот равно частоте повторения импульсов (РВЕ).
Уровень отдельных пиков различен и определяется огибающей (пунктирная линия на рис. 23г), которая в точности повторяет форму спектра одиночного импульса пачки (рис. 23в). Рассмотрев вид сигналов и их спектров, мы можем теперь пояснить, как влияет вид сигнала (или его спектра) на качество измерения спектра частот допплеровского сдвига. Предположим, что нам известен спектр скоростей кровотока в сечении сосуда 6(ч) и известна ориентация сосуда относительно датчика, те.
угол а. Мы можем вычислить теперь спектр частот допплеровского сдвига О(т), используя уже известные нам соотношения: 20(и)сова О,(Х)=à — — —— и. О Вычисленный таким образом спектр частот допплеровского сдвига назовем истинным спектром, так как предполагается, что он измерен без всяких ошибок.
Ультразвуковые сканеры со спектральным допплером '(а 6.,(Л 6,.„(Л Г 1в) О„,(Л 6 я(Л 163 Рис. 24. Измерение спектра частотдопплеровского сдвига в режиме Сук. а — истинный сгектр. б — спектр излучаемого непрерывного сигнала.в — вид спектра частот, получаемого на выходе приемного тракта (измеряемый спектр) — форма спектра практически повторяет вид истинного спектра частот допплеровского сдвига.
На рис. 24а дан пример спектра 6,(Л для прямого кровотока. В режиме СУУ спектр излучаемого сигнала 6(Л, как уже говорилось, очень узкий (рис. 246), т.е. излучается практически одна частота т,. Поэтому спектр частот эхо-сигналов кровотока на выходе датчика 6гя(Л очень близок к истинному спектру частот допплеровского сдвига 6 ,(Л и практически повторит по форме истинный спектр (рис. 24в). Попытка использовать для измерения спектра частот допплеровского сдвига одиночный короткий импульс обречена на неудачу, так как такому импульсу соответствует широкий спектр частот, существенно превышающий по ширине истинный спектр частот доп плеровского сдвига (сравним рис. 25а и 256).
Спектр частот на выходе приемного тракта в основном повторяет форму спектра излучаемого сигнала (см. рис. 25в). Рис. 25. Измерение спектра частот допплеровского сдвига с помощью одиночного коро ткого импульса. а — истинный спектр, б — спектр излучаемого сигнала. в — спектр частот на выходе приемного тракта — форма спектра почти повторяет форму спектра сигнала и не имеет ничего общего с истинным спектром. Физический смысл результата понятен: каждой из частотных составляющих сигнала, а не только частоте ~,, соответствует спектр частот допплеровского сдвига, и если просуммировать все эти спектры, то и получим широкий спектр частот, не имеющий почти ничего общего с оцениваемым истинным спектром. Можно пояснить полученный результат с помощью простой образной аналогии, полагая, что мы желаем нарисовать известный нам истинный спектр частот допплеровского сдвига с помощью фломастеров различной толщины.
В режиме СУУ мы для этого имеем тонкий фломастер с шириной линии, равной ширине спектра непрерывного сигнала на рис. 246. Поэтому рисунок спектра на рис. 246 очень похож на истинный спектр. В случае одиночного импульса фломастер слишком толст (ширина Глава 4 '(а ) 1о 1ь+ Ек, е Г О Интервал измерения Рис. 26. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме ЯЯ при малой ширине истинного спектРа.
в — истинный спектр частот допплеровского сдвига с положительными и отрицательными составляющими. б — спектр излучаемой пачки импульсов с малой частотой повторения Е в— полученный спектр нз выходе приемника— форма спектра оценивается однозначно в интервале измерения. его равна ширине спектра сигнала на рис. 25б) для того, чтобы изобразить тонкий рисунок истинного спектра.
В режиме РЧЧ, когда излучается пачечный сигнал, спектр излученного сигнала имеет многопиковый характер, и ширина каждого пика очень узкая. Если истинный спектр частот допплеровского сдвига имеет относительно малую ширину (рис. 2ба), так что ширина его не превышает частоты повторения импульсов Е(рис. 2бб), то измерение спектра частот допплеровского сдвига возможно. Измеренный спектр при этом также получается многопиковым (рис. 26в), хотя соответствует истинному спектру только та часть полученного в результате спектра, которая ограничена определенным интервалом измерения, в пределах от (1с — Е/2) до (1, + + Е/2), где Š— частота повторения им- пульсов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
