Elektronizna aparatura medyzna SEMESTR V Człowiek- najlepsza inwestyja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramah Europejskiego Funduszu Społeznego Elektronizna aparatura medyzna III Pomiary prędkośi przepływu krwi 1
- ultradźwiękowe (nieinwazyjne, inwazyjne) - pomiar zasu przelotu - z emisją iągłą (CW) - z emisją impulsową - z pojedynzą bramką - z wielokrotną bramką - laserowa optyzna (perfuzja), ew. pomiar inwazyjny w nazyniu - elektromagnetyzna (inwazyjna) - NMR Metody ultradźwiękowe Pomiar zasu przelotu v średnia prędkość przepływu ząstek prędkość propagaji fali D -średnia t = D /( + )osϕ t2 = D /( v)osϕ 1 v D 1 1 2vD t 2 t1 = 2 osϕ = ( v) ( v) + osϕ 2 ( t t1) os v = 2D 2 ϕ 2
Metody ultradźwiękowe wykorzystująe rozpraszanie fal ultradźwiękowyh przez krew Rozpraszanie ultradźwięków przez krew Propagaja fal ultradźwię-kowyh w tkankah krew jest także tkanką!!! Elementy/niejednorodnośi o wymiarah mniejszyh od długośi fali - rozpraszanie Metody ultradźwiękowe wykorzystująe rozpraszanie fal przez krew Rozpraszanie ultradźwięków przez krew Właśiwośi krwi Gęstość ρ (g/m 3 ) wsp.śiśliwośi β [m 2 N]10-10 Erytroyty 1.092 3.41 Plazma 1.021 4.09 Powietrze 0.0012 2.3*10-7 Poprzeznik rozproszenia miara skuteznośi elementu rozpraszająego - stosunek strumienia energii fal rozproszonyh do natężenia fali padająej na przeszkodę (ma wymiar powierzhni) 3
Metody ultradźwiękowe wykorzystująe rozpraszanie fal przez krew Właśiwośi krwi Gęstość ρ (g/m 3 ) wsp.śiśliwośi β [m 2 N]10-10 Erytroyty 1.092 3.41 Plazma 1.021 4.09 Powietrze 0.0012 2.3*10-7 4 6 4πk r βe βo 2 1 3ρe ρo 2 Poprzeznik rozproszenia dla erytroytu : σ s = [( ) + ( ) ] 9 βo 3 2ρe + ρo r średni promień erytroytu (kilka µm) 2 π 2πf k lizba falowa k = = λ β, ρ - śiśliwość i gęstość, indeks e erytroytu, indeks o osoza długośi fali λ w zakresie kilku MHz, przy prędkośi propagaji =1500m/s wynoszą ułamek mm (np. 0.5mm dla f=3mhz) Poprzeznik rozproszenia rośnie z 4 potęgą zęstotliwośi emitowanej! Metody ultradźwiękowe wykorzystująe rozpraszanie fal ultradźwiękowyh przez krew Porównanie poziomu eh pohodząyh od śian nazynia i od krwinek 4
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Zjawisko Dopplera Fala emitowana: Fala propagująa: e( t) = exp( jωt) e( t) = exp( j( ωt kz)) Fala emitowana w hwili odbiia od elu, z=z o +vt (przybliżaniu się elu odpowiada ujemna prędkość i dodatnia zmiana zęstotliwośi fali tzw. zęstotliwość dopplerowska): e( t) = exp( j( ωt kz)) = exp( j2π ( ft z / λ)) = exp( j2πf ( t z / )) = exp( j2πf ( t ( z0 vt) / )) Faza sygnału w hwili odbiia od elu: ω = 2πf θ ( t ) = 2πf ( t ( z0 + vt) / ) λ = / f 2π k = λ Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Zjawisko Dopplera Częstotliwość fali w hwili odbiia od elu pohodna fazy sygnału: f r 1 = dθ / dt = f (1 v / ) 2π Fala odbita powraa do układu nadajnik/odbiornik, doznają takiej samej zmiany fazy, ale zęstotliwość emitowana przez el wynosi f r : 1 2 fo = dθo / dt = fr (1 v / ) = f (1 v / ) 2π Jeśli v<<: f f ( 1 2 o v / ) 5
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Zjawisko Dopplera Częstotliwość fali odbita i powraająej do układu nadajnik/odbiornik, wynosi f o : f f ( 1 2 v / ) o Różnia między zęstotliwośią emitowaną a powraająą do odbiornika: f 2 vf / W pomiarah przepływu krwi zazwyzaj występują następująe warunki: f~=10 6 Hz, v~=10-100m/s, f~= 10 3 Hz, f/f~=10-3. Różnia między zęstotliwośią emitowaną i odbieraną jest znikoma, stosowanie filtraji nie pozwoli na odseparowanie tak blisko położonyh siebie widm. Wymagane jest zastosowanie spejalnej tehniki pomiaru tej różniy i zarazem wydobywania informaji o prędkośi przepływu jest to tzw. demodulaja koherentna, polegająa na pomnożeniu sygnału odbieranego i sygnału emitowanego. Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Wzmaniaz odbiornika wzmania sygnał we, z raji dużej dynamiki sygnałów i tzw. przeieku wzmonienie ogranizone (~10x). Dalsze wzmonienie za demodulatorami. Generator główny dostarza sygnał do nadajnika, sygnały odniesienia do demodulaji, ew. inne sygnały sterująe. 6
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Separaja sygnałów dopplerowskih pohodząyh od przeiwnyh kierunków przepływu krwi wymaga demodulaji kwadraturowej dwóh demodulatorów (koherentnyh, ilozynowyh). Na jeden z nih podawany jest sygnał wyjśiowy wzmaniaza oraz sygnał odniesienia, na drugi zaś sygnał wyjśiowy wzmaniaza oraz sygnał odniesienia przesunięty w fazie o pi/2 (zyli w kwadraturze). Informaja o kierunku przepływu zakodowana jest w relaji fazowej między składowymi sygnałów wyjśiowyh obu demodulatorów. Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Shemat blokowy i sygnały w przepływomierzu CW 7
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Shemat blokowy i widma sygnałów w przepływomierzu CW Sygnał emitowany (A) odebrany (B) e( t) = os( Ωt) R( t) = os( Ωt) + os[( Ω + ω ) t] + os[( Ω ω ) t] + Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Shemat blokowy i widma sygnałów w przepływomierzu CW Sygnały po demodulaji kwadraturowej (C, D) D( t) = R( t)os( Ωt) = 0.5[1 + os(2ωt) + os(2ω + ω ) t + os( ω t) + os(2ω ω ) t os( ω t)] + + + Q( t) = R( t)sin( Ωt) = 0.5[sin(2Ωt ) + sin(2ω ω ) t sin( ω t) + sin(2ω ω ) t sin( ω t)] + + Sygnały po filtraji pasmowej (E,F) D( t) = 0.5[os( ω t) os( ω t)] + + Q( t) = 0.5[ sin( ω t) sin( ω t)] + + 8
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Shemat blokowy i widma sygnałów w przepływomierzu CW Sygnały za przesuwnikami fazy D t) = 0.5[ sin( ω t) sin( ω )] ( π / 2 + t Q t) = 0.5[ os( ω t) os( ω )] ( π / 2 + + t Sygnały za sumatorami (H,G) D + Q t) = os( ω ) ( π / 2 t Q ( π / 2 + t + D t) = sin( ω ) Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Podstawowe parametry sygnału dopplerowskiego prędkośi przepływu krwi (s.d.p.p.k.) Widmowa gęstość moy (widmo) s.d.p.p.k. 9
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Shemat blokowy przepływomierza dopplerowskiego CW i widmowa gęstość moy sdppk Składowe sygnału i ih widma. Implikaje dla toru sygnałowego. Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Widmo sygnału dopplerowskiego uzyskanego w okoliy bifurkaji tętniy szyjnej niejednoznazność potrzeba ogranizenia obszaru rozpraszania zęstotliwość Czas 10
Metoda ultradźwiękowa z emisją iągłą CW (Continuous Wave) Widmo sygnału dopplerowskiego uzyskanego w okoliy bifurkaji tętniy szyjnej niejednoznazność potrzeba ogranizenia obszaru rozpraszania Rozwiązanie ogranizenie zasu trwania emisji i odbioru sygnału metoda impulsowa Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Zasada pomiaru prędkośi przepływu krwi metodą impulsową T E zas emisji (określa lizbę wyemitowanyh okresów fali) T D zas głębokośi (określa położenie obszaru pomiaru) T G zas otwaria bramki (wraz z TE określa rozmiar obszaru, w którym prowadzony jest pomiar) T zas powtarzania impulsu 11
Idea pomiaru prędkośi przepływu krwi metodą impulsową T e zas emisji (określa lizbę wyemitowanyh okresów fali US) T d zas głębokośi (określa położenie obszaru pomiaru) T g zas otwaria bramki (wraz z TE określa rozmiar obszaru, w którym prowadzony jest pomiar) T prf zas powtarzania impulsu Idea pomiaru prędkośi przepływu krwi metodą impulsową 12
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Shemat blokowy prostego przepływomierza impulsowego Przepływomierz z demodulatorem i filtrem dolnoprzepustowym i próbkowaniem tzw. baseband u T przetwornik N nadajnik A wzmaniaz M mieszaz (demodulator) FDP filtr dolnoprzepustowy US układ sterująy S&H układ próbkująy z pamięia Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Sygnał po demodulaji eha po kolejnyh emisjah Obserwujemy przesunięie zasowe między kolejnymi ehami. Jest ono zerowe, jeśli stała jest prędkość elu, tj. położenie kolejnyh eh nie ulega zmianie, wartośi w momentah pomiaru (próbkowania) są takie same. eha w przypadku zerowej prędkośi elu 13
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Sygnał po demodulaji eha po kolejnyh emisjah Obserwujemy przesunięie zasowe między kolejnymi ehami. Jeśli el porusza się, położenie kolejnyh eh ulega zmianie - są przesunięte względem siebie w fazie!!!! Wartośi w momentah pomiaru (próbkowania) są różne. Jeśli el porusza sie ze stałą prędkośią, przesunięia fazowe między kolejnymi ehami są jednakowe. eha w przypadku prędkośi elu różnej od 0 Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW Obserwujemy przesunięie zasowe między kolejnymi ehami. Jeśli el porusza się, położenie kolejnyh eh ulega zmianie - są przesunięte względem siebie w fazie!!!! Wartośi w momentah pomiaru (próbkowania) są różne. Jeśli el porusza sie ze stałą prędkośią, przesunięia fazowe między kolejnymi ehami są jednakowe. eha w przypadku zerowej prędkośi elu eha w przypadku prędkośi elu różnej od 0 14
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Obserwujemy przesunięie zasowe między kolejnymi ehami. Jeśli el porusza się, położenie kolejnyh eh ulega zmianie - są przesunięte względem siebie w fazie!!!! Wartośi w momentah pomiaru (próbkowania) są różne. Jeśli el porusza sie ze stałą prędkośią, przesunięia fazowe (zasowe) między kolejnymi ehami są jednakowe. Przesunięie to jest równe: t s v = 2 T eha w przypadku prędkośi elu różnej od 0 Interakja fali impulsowej z elem Położenie elu Położenie fali (impulsu) p ( t) = d + vt s p ( t) = ( t t ) p o e W hwili interakji el-fala: pp ( ti ) = ps ( ti ) d + vt = ( t t ) o i i e do t v v t i = + e ti = ti te Dotarie fali do N/O po kolejnym t: t = t + 2 t = t + 2( t t ) = 2t t r e e i e i e 2do t v v t t 2do + v v v t r = + 2 e e = + e v t v t do v v v t do e = ( r 2 ) = r 2 + + + v 15
Interakja fali impulsowej z elem Dotarie fali do N/O po kolejnym t: t r 2do v v t t 2do + v = + 2 v v t e e = + v t v t do v v v t do e = ( r 2 ) = r 2 + + + v Ae(t) sygnał emitowany, r(t) - sygnał powraająy do źródła r t Ae t t Ae t Ae v v t d0 ( r ) = ( r 2 ) = ( e) = ( r 2 ) + + v e Oznaza to, że sygnał powraająy r(t) jest opóźnioną wersją sygnału e(t) ze skompresowaną/roziągniętą osią zasu (zależnie od zwrotu prędkośi v). v v t d0 2d0 2 ( 1 2v / )( t ( 1+ v / )) + + v (1/(1+x) ~=1-x) współzynnik zmiany skali osi zasu v α = ( 1 2v / ) + v przesunięie (zas między emisją a odbiorem) 2d0 2d0 t0 = ( 1+ v / ) v Interakja fali impulsowej z elem (d) Nieh sygnał emitowany ma postać przy zym g(t) = 1 dla t z (0,M/f) i 0 poza tym przedziałem. Sygnał odebrany ma postać r( t) = Ae( α( t t )) = Ag( α( t t )) sin( 2πfα( t t )) 0 0 0 e( t) = g( t) sin( 2πft) zyli zęstotliwość odbieranego sygnału wynosi fo=αf, a różnia między zęstotliwośią sygnału wyemitowanego i odebranego wynosi f = α f f = vf D v f f = 2 osθ ( 1 2 / ) Ale jakie jest widmo sygnału emitowanego w porównaniu z CW!??? 16
Moduł widma sygnału emitowanego CW Demodulaja koherentna da prążek dla zęstotliwośi dopplerowskiej kilka kilkanaśie khz f f ( 1 2v / ) o F{os( ω 0t)} = π[ δ ( ω ω0) + δ ( ω + ω0)] Moduł widma sygnału emitowanego PW Moduł widma sygnału emitowanego w postai pazki fali osinusoidalnej szerokość widma odwrotnie proporjonalna do zasu trwania pazki (splot widma osinus i widma okna prostokątnego). ωt F( ω ) = T sin ( ) 2 Moduł widma sygnału emitowanego PW Moduł widma sygnału emitowanego w postai pazki fali osinusoidalnej szerokość widma odwrotnie proporjonalna do zasu trwania pazki (splot widma osinus i widma okna prostokątnego). Demodulaja koherentna da widmo okna prostokątnego z przesunięiem zęstotliwośiowym równym zęstotliwośi dopplerowskiej Szerokość widma pazki fali sin odwrotnie proporjonalna do lizby wyemitowanyh okresów dla np. 5 okresów fali nośnej 3MHz będzie to 600kHz przesunięie dopplerowskie znika w tej szerokośi pasma! ωt F( ω ) = T sin ( ) 2 17
Sygnał w torze odbiorzym Analizujemy dwa kolejne sygnały powraająe po odbiiu od elu - w tym elu emitujemy dwa impulsy z przesunięiem zasowym Tprf v r1 ( t) = e( α ( t t0)) α = ( 1 2v / ) + v r ( t) = e( α( t t ) T ) = e( α( t t T / α)) = r ( t T / α) = 2 T r1 ( t ) r1 [ t T 1 2v / 0 0 (1 + 2v / )] = r ( t T 1 1 t ) s r t) r ( t T t ) 2( 1 s t s v = 2 T Ruh elu powoduje przesunięie o ts sygnału powraająego w stosunku do momentu emisji w porównaniu z przypadkiem, gdy prędkość elu jest zerowa. Oznaza to, że kolejne eha w momenie próbkowania mają różne fazy! Informaja o prędkośi zawarta jest w fazie (inazej - w opóźnieniu). Sygnał w torze odbiorzym - faza Sygnał emitowany g(t) okno prostokątne (bramkowanie emisji) e( t) = g( t) sin( 2πft) Sygnał odebrany po 1-ej emisji: r( t) = e( α( t t0 )) = g( α( t t0 ))sin(2πfα ( t t0 )) sygnał odebrany po i-tej emisji: 2v r t g t i t t f t i t t g t f t i T 2d i ( ) = ( α ( 1) s α o) sin[ 2π o( α ( 1) s α o)] = i ( ) sin[ 2π o( α ( 1) )] Faza tego sygnału: 2v 2πf o( αt ( i 1) T 2d ) Kolejna operaja demodulaja (może być kwadraturowa, zyli stanowić mieszanie z sygnałami o zęstotliwośi emitowanej w kwadraturze), ale na razie ogranizymy się do pojedynzej demodulaji, sygnałem ewentualnie przesuniętym w fazie o 2πf o 2d/: 2d 2πf o ( t ) 18
Sygnał w torze odbiorzym - faza Faza i-tego sygnału odebranego: 2v 2πf o( αt ( i 1) T 2d ) po zmieszaniu z sygnałem o zęstotliwośi emitowanej uzyskamy składową sumayjną i różniową o fazah: 2v 4d 2v 2πf o(( α + 1) t ( i 1) T ) 2πf o(( α 1) t ( i 1) T ) składowa sumayjna składowa różniowa 2d 2πf o ( t ) Kolejny krok filtraja dolnoprzepustowa, eliminuje składową sumayjną, Krok następny próbkowanie w momentah ustalonyh w stosunku do momentów emisji. Próbkowanie odbywa się o Tprf, w ustalonyh odinkah zasowyh względem momentu emisji T D - (T D + T G ), będąyh wielokrotnośią okresu fali emitowanej t=k/fo Sygnał w torze odbiorzym v α = ( 1 2v / ) + v Sygnał odebrany po demodulaji, filtraji dolnoprzepustowej i próbkowaniu w t=k/fo 2v s( t) = gi ( t)sin{2πf o[( α 1) t ( i 1) T 2v K 2v = gi ( t)sin{2πf o[( ) ( i 1) T f 2v = gi ( t)sin[ Φ 2πf o ( i 1) T 0 ] 2v K 2v ]} = gi ( t)sin{2πf o[(1 1) ( i 1) T f 2vK 2v ]} = gi ( t)sin[ 2π 2πf o ( i 1) T 0 ] = ]} = Składnik związany z zmianą opóźnienia dla kolejnyh emisji Informaja o prędkośi w zmianie fazy!!! 2v 2πf 1 i T o ( ) v t T s = 2 Stały zynnik fazowy (stały - ponieważ zas próbkowania (mierzony względem zasu emisji) jest wielokrotnośią (K) okresu f.emitowanej t=k/fo) 2vK Φ = 2πf = 2π 2 vk o f o 19
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Shematy blokowe przepływomierzy impulsowyh Przepływomierz z demodulatorem i filtrem dolnoprzepustowym i próbkowaniem sygnału w pasmie podstawowym tzw. baseband u Przepływomierz z filtrem pasmowoprzepustowym i próbkowaniem sygnału wysokiej zęstotliwośi tzw. RF (Radio Frequeny). Przepływomierz z demodulatorem i filtrem dolnoprzepustowym i próbkowaniem sygnału w pasmie podstawowym tzw. baseband Rozwiązanie jednokanałowe (nie uzyskujemy sygnałów w kwadraturze) t s v = 2 T Rozwiązanie dwukanałowe (daje sygnały w kwadraturze) 20
Próbkowanie sygnału RF - filtraja pasmowa pomiar prędkośi z próbkowaniem RF Spróbkowany sygnał RF: K 2v s t g K f f t f i T g K f v f i T rf ( ) = i ( / o)sin{ 2π o( α[( )] ( 1) prf ]) = i ( / o) sin( 2 2 0 π o( 1) prf + Φ rf } sin( 2 2 v π ( 1) ) f i T o prf + Φ rf 0 fazy sygnałów próbkowanego po demodulaji i bez demodulaji mają bardzo podobną postać: bez demodulaji Φ rf = 2 v d πk( 1 2 ) + 2π 2 f o z demodulają 2v sin( 2πf ( 1) ) i T o + Φ 2vK Φ = 2πf = 2π 2 vk o f Informaja o prędkośi w obu przypadkah w zmianie fazy dla kolejnyh próbkowań eh/ykli pray!! 2v 2v Θ( i) = 2πf o ( i 1) T 2πf o T = 2πf ot s o = Θ Przepływomierze impulsowe Z demodulają do basebandu Uwaga: próbkowanie odbywa się z zęstotliwośią f prf (zyli kilkakilkanaśie khz)!! Z próbkowaniem RF Uwaga: próbkowanie odbywa się z również z zęstotliwośią f prf (zyli kilkakilkanaśie khz), mimo że próbkowany jest sygnał RF - o zęstotliwośi kilku MHz!! 21
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Pomiar prędkośi z informają o kierunku przepływu Detekja kierunku ruhu poprzez analogię do demodulaji kwadraturowej jak w przypadku CW. Sygnał w kwadraturze uzyskać można przesuwają o π/2 spróbkowany sygnał RF (ponieważ sygnał stanowiąy zęść urojoną sygnału analityznego jest przesuniętą o 1/4 okresu fali emitowanej repliką zęśi rzezywistej) sin(2πf 0 t)= os(2πf 0 t-π/2)=os(2πf 0 (t- t)), 2πf 0 t=π/2, t=1/(4f 0 ) operaja przesunięia równoważna jest zastosowaniu w stosunku do sygnału RF drugiego układu S&H próbkująego z opóźnieniem o 1/4 okresu fali emitowanej, Metoda ultradźwiękowa z emisją emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Ogranizenia metody impulsowej Minimalny zas obserwaji (NT ) umożliwiająy wyznazenie pewnej minimalnej zęstotliwośi f min, związanej z minimalną prędkośią v min wynosi 1 okres f min, stąd minimalna mierzalna prędkość (f zęstotliwość emisji, f prf zęstotliwość powtarzania emisji): 1 1 NT = = f f f 2v min min vmin = 2 Nf W metodzie impulsowej dokonujemy próbkowania z okresem T. Maksymalna mierzalna zęstotliwość f max powinna spełniać warunek Nyquista. Maksymalna prędkość jest ogranizona przez warunek: f max = 2v f f 2 22
Metoda ultradźwiękowa z emisją emisją impulsową z pojedynzą bramką PW (Pulsed Wave) Ogranizenia metody impulsowej Maksymalna prędkość jest ogranizona przez warunek: f max = 2v f f 2 f vmax 2 2 f f zęstotliwość emitowana, v - prędkość przepływu, prędkość propagaji fali, f prf zęśtotliwość powtarzania emisji. T określa maksymalną głębokość (odległość odźródła fali), na której możliwy jest jednoznazny pomiar ( prędkość propagaji fali): d T max / 2 Ilozyn maksymalnej ogranizony: prędkośi i głębokośi pomiaru jest wobe tego d v max max 8 f e Parametry diagnostyzne uzyskiwane z sygnałów dopplerowskih prędkośi przepływu krwi 23
Podstawowe parametry sygnału dopplerowskiego prędkośi przepływu krwi Widmowa gęstość moy (widmo) s.d.p.p.k. Częstotliwość średnia Fśr wydatek (np. w aorie wstępująej, wymaga znajomośi wartośiśredniy nazynia) Częstotliwość maksymalna Fmax oena zwężeń (np. tętniy szyjnej) Fmax i Fśr oena zwężeń, oena właśiwośi łoża nazyniowego poniżej punktu pomiaru (np. opór łożyska) Widmowa gęstość moy (widmo) sygnału dopplerowskiego prędkośi przepływu krwi, jej podstawowe parametry i ih wykorzystanie Spektrogram : Częstotliwośćśrednia widma: F sr = fg( f ) df G( f ) df Częstotliwość maksymalna (obwiednia) widma (CDF dystrybuanta znormalizowanego rozkładu widmowej gęstośi moy): Fmax = f ( CDF = 0. 9 0. 99) 24
Wyznazanie wydatku w aorie wstępująej (wymaga znajomośi średniy nazynia) Spektrogram sygnału dopplerowskiego poh. z aorty F sr = fg( f ) df ^ T 1 Fsr = Fśr dt G( f ) df T 0 ^ 2 Fsr π ( D / 2) Q = 2F e Fe f. emitowana prędkość propagaji fali ultradźwiękowej D średnia (pomiar USG) T - zas wyrzutu Oena zwężeń tętni szyjnyh znajomość Fmax i Fśr Spektrogram sygnału pohodząego z tętniy normalnej. W przypadku zwężenia w widmie sygnału zarejestrowanego powyżej zwężenia pojawić się mogą nastepujae zmiany: wzrost Fmax, spadek Fśr, ew. przepływ wstezny. W przypadku rejestraji w zwężeniu i powyżej zwężenia pojawi się różnia Fmax i zmiana właśiwośi widma iągłość przepływu prawo Bernoulliego. 25
Oena oporów łożyska na podstawie analizy przebiegu prędkośi (zęstotliwośi) maksymalnej przepływu krwi w tętniy pępowinowej Spektrogram sygnału dopplerowskiego w tętniy pępowinowej Obwiednia widma (Fmax) sygnału dopplerowskiego w tętniy pępowinowej Przebieg Fmax w tętniy pępowinowej i wskaźniki oporowe Indeks Pourelota Indeks Goslinga Indeks Basketta RI = 1 F max F max ps ld F max ps F max PI = F max mean ld B = F max F max ps ld 26
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z wielokrotną bramką CCA tętnia szyjna wspólna, ECA tętnia szyjna zewnętrzna, ICA tętnia szyjna wewnętrzna Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z wielokrotną bramką Przepływomierz z emisją impulsową z wielokrotną bramką shemat blokowy Master lok generator główny NAD nadajnik ODB wzmaniaz odbiornika, z regulają wzmonienia (położenia bramek bramek!) DEM kwadr. demodulator kwadraturowy S&H układ próbkująy z pamięią FPP filtr pasmowo-przepustowy D, Q sygnały akustyzne w kwadraturze WZM wzmaniaze, właśiwośi dostosowane do sygnału (RF, baseband, akustyzny) 27
Metoda ultradźwiękowa z emisją impulsową z wielokrotną bramką Wstęp do obrazowania rozkładu prędkośi (CFM Color Flow Mapping - kolorowa mapa przepływu) Obszar pomiaru z wielokrotną bramka pojedynza bramka mapa prędkośi wielokrotna bramka dla wielu linii Color Flow Mapping 28
Różne typy obrazowania 2D, kolorowa mapa prędkośi (CFM) i sonogram Kolorowa mapa prędkośi wynik pomiaru prędkośi przepływu krwi w w poszzególnyh punktah obszaru obejmująym ałe nazynie bądź komory sera, zakodowany przy pomoy skali barw. Długość obszaru dająego pojedynzy wynik jest rzędu 1mm, o odpowiada kilku okresom fali nadawanej. CFM (kolorowa mapa prędkośi) I Dwie metody analizy fazy sygnału (bliskie metodzie impulsowej) - analizy opóźnienia między kolejno odbieranymi liniami Analiza opóźnienia między kolejno odbieranymi liniami wyznazana jest funkja korelaji wzajemnej Rr 12 dla fragmentów kolejno odebranyh linii eh r 1 i r 2 i poszukiwane jej maksimum 29
CFM (kolorowa mapa prędkośi) I Proedura: - kolejne linie dzielone są na segmenty - oblizane są estymaty funkji korelaji wzajemnej dla tyh samyh segmentów w kolejnyh liniah - poszukiwane są położenia maksimów funkji korelaji wzajemnej Estymator funkji korelaji wzajemnej dla dwóh segmentów z kolejnej pary linii (N s lizba próbek w segmenie, m opóźnienie dla którego oblizana jest funkja korelaji): 1 Ns m 1 12 ( m) = r1 ( k) r2 ( k + m) N s m k= 0 R CFM (kolorowa mapa prędkośi) II Analizy fazy sygnału prędkość jest proporjonalna do pohodnej fazy sygnału odebranego, będąego sygnałem analityznym (x+jy). Faza może być oblizona jako artg stosunku zęśi urojonej i rzezywistej sygnału odebranego (dotyzy to każdego sygnału analityznego). x( t) r ( t) = y( t) + jx( t) ϕ( t ) = artg( ) y( t) Dla przebiegu spróbkowanego faza ma postać: różnia skońzona (pohodna) ma postać 2v 2πf ( i 1) 2πf 2v T T + Φ rf Pohodna fazy może być oblizona zgodnie z definiją lub jako różnia skońzona między dwiema kolejnymi wartośiami fazy 30
Kardiotokografia Detekja rytmu sera płodu (kardiotokografia) oraz ruhów płodu ultrasonogram 2D/M brzuha iężarnej Klatka piersiowa/przepona Struktury sera 31
Kardiotokografia pomiar zęstośi skurzów sera płodu (na podstawie analizy korelayjnej sygnału dopplerowskiego powstająego w wyniku ruhów struktur sera płodu), wynik - parametr Fetal Heart Rate (FHR) - równozesna detekja skurzów maiy (zujnik przemieszzenia lub iśnienia) Detekja ruhów płodu i rytmu sera płodu (kardiotokografia) FHR a skurze maiy zapis KTG. Analizowany jest przebieg FHR i jego zmiany wywołane przez skurze maiy, ruhy płodu, ew. zynniki zewnętrzne (oksytoyna) 32
Detekja ruhów płodu i rytmu sera płodu (kardiotokografia) ultrasonogram M brzuha iężarnej Wymagania stawiane przetwornikom są ałkowiie odmienne od stawianyh w przypadku pomiaru prędkośi przepływu! Należy zapewnić rozbieżny rozkład iśnienia, by ogranizyć skutki ruhów płodu. Metoda opróz detekji ruhów struktur sera umożliwia również detekję innyh ruhów występująyh w obszarze rozpraszania, np. ruhów pseudooddehowyh płodu. Detekja ruhów płodu i rytmu sera płodu (kardiotokografia) Shemat blokowy układu zęśi FHR kardiotokografu Shemat jest identyzny ze shematem przepływomierza do pomiaru prędkośi przepływu krwi. Różnia leży w zastosowanyh zęstotliwośiah emitowanyh oraz pasmah filtrów. Ze względu na potrzebę uzyskania rozbieżnej wiązki (przeiwnie niż przy pomiarze prędkośi przepływu krwi) oraz niskiego tłumienia stosowane są niskie zęstotliwośi emitowane 1MHz do 2MHz. Prędkośi ruhów struktur sera leżą poniżej ok. 80mm/s, prędkośi ruhów powierzhni klatki piersiowej wynoszą średnio ok. 10mm/s). Przy f emitowanej 2MHz zęstotliwośi dopplerowskie leżą w przedziale kilkanaśie- kilkadziesiąt Hz, rzadko przekrazają 150Hz. 33
Metoda laserowa optyzna (LDA) Maniewski R., Liebert A. Metoda laserowo-dopplerowska w badaniah mikrokrążenia krwi, AOW EXIT 2003 Metoda laserowa optyzna Pomiar perfuzji, mikrokrążenia (ew. pomiar inwazyjny w nazyniu) 34
Metoda laserowa optyzna Penetraja i rozpraszanieświatła w skórze Naskórek odbiie Skóra właśiwa - włókna kolagenu - rozpraszanie Erytroyt dysk ~10µm odbiie światła (ew. wielokrotne) Metoda laserowa optyzna Zjawiska zahodząe w skórze (mikrokrążeniu) Większość fotonów podlega rozproszeniu na strukturah skóry. Fotony odbite przez krwinki będą wykazywać przesunięie dopplerowskie (zmianę zęstotliwośi). Jeśli erytroytów jest dostateznie dużo może wystąpić wielokrotne odbiie, pojawi się rozmyie widma sygnału dopplerowskiego (skutek dodawania i odejmowania przesunięć dopplerowskih). 35
Metoda laserowa optyzna Przepływomierz LDA (LDF) zasada pomiaru Metoda laserowa optyzna Przepływomierz LDA (LDF) Jeśli lizba fotonów wykazująyh przesunięie dopplerowskie i nie wykazująyh tego przesunięia, padająyh na powierzhnię fotodetektora, jest duża nastąpi zdudnienie tyh sygnałów i w dalszej zęśi toru uzyskać będzie można sygnał o zęstotliwośi dopplerowskiej. Zastosowanie dwóh fotodetektorów i wzmaniaza różniowego poprawia stosunek sygnału do szumu. 36
Metoda laserowa optyzna Przepływomierz LDA (LDF) rozpraszanie i przesunięie dopplerowskie dla mikrokrążenia f = nv (osα osα ) / λ s i i λ = i nf i V prędkość erytoytu (kilka m) n współzynnik refrakji światła we krwi (1.33) f i zęstotliwość fali padająej (10 13 Hz) α i kąt padania fali względem wektora V α s kąt rozpraszania fali względem wektora V f i przesunięie dopplerowskie (kilkanaśie Hz) Metoda laserowa optyzna Shemat blokowy toru odbiorzego i przetwarzania sygnału Oznazenia FD - fotodetektor I/U przetwornik prąd/napięie > wzmaniaze FGP filtr dolnoprzepustowy FDP filtr górnoprzepustowy A/D przetwornik analogowo-yfrowy ACP 1-y moment zwykły widmowej gęstośi moy składowej zmiennej sygnału, proporjonalny do skuteznej wartośi prędkośi krwinek DC składowa stała sygnału dopplerowskiego 37
Metoda laserowa optyzna Shemat blokowy toru odbiorzego i przetwarzania sygnału Oblizanie sygnału perfuzji: LDP=(ACP-N)*CF/(DC) 2 gdzie N poziom szumu związany ze składową DC, szaowany na podstawie pomiaru składowej DC dla materiału wolnego od ruhomyh entrów rozpraszająyh dla kilku długośi fali; CF współzynnik kalibraji (wyznazany z wykorzystaniem fizyznyh modeli przepływu lub wyizolowanyh tkanek) Normalizaja sygnału ACP względem DC wynika z konieznośi eliminaji wpływu fluktuaji poziomu emisji laserowej. Metoda laserowa optyzna mieszanie optyzne w fotodetektorze prędkość kilka m/s dł. fali 632.8nm przesunięie dopplerowskie rzędu kilkunastu - kilkudziesięiu Hz miara perfuzji prędkość średnia - pierwszy moment zwykły widma 38
Metoda elektromagnetyzna Metoda elektromagnetyzna Krew stanowi poruszająy się przewodnik w polu indukji magnetyznej B. Powstaje siła elektromotoryzna E. Napięie między elektrodami woltomierza wynosi: 2BQ U = πa E = vxb gdzie: Q - wydatek objętośiowy (dla rozkładu paraboliznego prędkośi), Q = πva a - promień nazynia 2 2 39
Metoda elektromagnetyzna Przepływomierz elektromagnetyzny Shemat blokowy Ilustraja na podstawie Introdution to Biomedial Equipment Tehnology, J.Carr, J.M. Brown Metoda elektromagnetyzna Przepływomierz elektromagnetyzny Sygnały Zakłóająa SEM indukowana w transformatorze odbiorzym jest przesunieta w fazie o π/2 w stosunku do natężenia prądu generująego pole magnetyzne (sprzężenie między transfomatorami). Próbkowanie SEM od przepływu ma miejse wtedy, gdy SEM zakłóająa ma wartość 0. Dalsze operaje - wydłużanie impulsu i wygładzanie sygnału (filtraja). Ilustraja na podstawie Introdution to Biomedial Equipment Tehnology, J.Carr, J.M. Brown 40
Metoda elektromagnetyzna 41