Устройство для измерения скорости кровотока Советский патент 1989 года по МПК A61B8/06 

$ь

00

о

00

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для измерения скорости кровотока содержит датчик 1, генератор 2 сигналов, усилитель 3, фильтр 4, индикатор уровня. С целью повышения точности измерения при упрощении конструкции в него введены формирователь 6 управляющего сигнала, смеситель 7, частотомер 8, при этом датчик выполнен в виде двух цилиндрических пьезоэлементов 9, 10 переменного сечения. Принцип работы основан на том, что при подаче на пьезоэлемент переменного сечения ультразвукового сигнала фиксированной частоты работает только узкий участок пьезоэлемента, соответствующий по величине данной частоте. Если на пьезоэлемент с переменным сечением и радиусом R излучающей поверхности подавать частоты диапазона ΔF_макс, то при изменении частоты акустическая ось преобразователя будет перемещаться по дуге окружности радиусом R и при этом проходить через точку фокуса 0. 4 ил.

;/

5 w g

Фиг /

Изобретение откосится к медицин ской технике, а именно к устройствам для измерения диагностических параметров сердечно-сосудистой системы.

Целью изобретения является повышение точности измерения при упрощении конструкции.

На фиг. I приведена структурная схема устройства для измерения ско- рости кровотокаJ на фиг. 2 - особенности конструкции и функционирования пьезоэлемента, входящего в состав датчика устройства; на фиг.3 и 4 - схемы прохождения ультразву- ковых лучей при различных частотах сигнала, формируемого генератором устройства.

Устройство для измерения скорости кровотока содержит (фиг. 1) датчик 1, к входу которого подключен генера- тор 2 сигналов, а к выходу - усилитель 3, последовательно соединенные фильтр 4 и индикатор 5 уровня, формирователь 6 управляющего сигнала, со- единенный с управляющим входом генератора 2 сигналов, смеситель 7, первый вход которого подключен к выходу генератора 2 сигналов, а второй вход - к выходу усилителя 3, и частотомер 8, подключенный к выходу фильтра 4 , а датчик 1 выполнен в виде двух цилиндрических пьезоэлементов 9 и 1 О переменного сечения, причем первый пьезоэлемент 9 подключен к выходу ге- нерато ра 2 сигналов, а второй пьезоэлемент 10 - к входу усилителя 3.

В предпочтительном варианте выполнения устройства генератор 2 может быть выполнен в виде управляемого ге- нератора с электронной перестройкой частоты по сигналу, подаваемому на его управляющий вход. Частотомер 8 может быть выполнен в виде частотомера среднего значения. В качестве формирователя 6 может быть использован переключатель, подключающий к управляющему входу генератора 2 напряжение, соответствующее уровню логического нуля или уровню лог теской единицы. Фильтр 4 может быть выполнен в виде полосового фильтра, а индикатор 5 уровня - в виде последовательно соединенных усилителя звуковой частоты и звукового излучателя (динамика). Датчик 1 прикладывается через слой смачивающей жидкости 11 к поверхности 12 пациента в окрестности кровеносного сосуда 13, в котором перемещаются эритроциты 14 крови в направлении, указанном стрелкой на фиг. 1 .

Принцип работы устройства основан на том, что при подаче на пьезоэлемент переменного сечения ультразвукового сигнала фиксированной частоты работает только узкий участок пъезо- элемента, соответствующий по толщине данной частоте. При этом максимальный перепад собственных частот пьезоэлемента равен

bf

d 4 - d 2

(П

макс j Lo,

где d - средняя толщина пьезоэлемета;

d - максимальная толщина пьезоэлемента ,

d - минимальная толщина пьезоэлемента}

f0 - собственная частота пьезоэлемента толщиной d. Если на пьезоэлемент с переменны сечением, как показано на фиг. 2, и с радиусом R излучающей поверхности подавать частоты из диапазона то при изменении частоты акустическая ось лреобразователя перемещается по дуге окружности радиусом R и при этом проходит через точку фокуса О.

Устройство для измерения скорости кровотока работает следующим образом.

Сигнал ультразвуковой частоты с генератора 2 поступает на первый пьезоэлемент 9, а также на первый вход смесителя 7. Ультразвуковой сигнал, пройдя через смачивающую жидкость 11 и поверхность тела 12, отражается эритроцитами 14 крови. Отраженный сигнал принимается вторым пьезоэлементом 10, усиливается усилителем 3 и поступает на второй вход смесителя 7. Сигнал допплеровской частоты, выделенный полосовым фильтром 4, поступает на входы индикатора 5 уровня и частотомера 8. После проведения измерений средней частоты за заданное время с помощью формирователя 6 частота генератора 2 изменяется и процес измерения повторяется.

С помощью индикатора 5 уровня осуществляется контроль амплитуды и частоты допплеровского сигнала на слух, добиваясь при этом максимума амплитуды допплоровского сигнала путем изменения наклона датчика I относительно поверхности 12 тела, что обеспечивает точное наведение точки фокуса датчика I на сосуд 13, в котором измеряется скорость кровотока .

Рассмотрим процесс измерения скорости кровотока более подробно. При подаче на управляющий вход генератора 2 от формирователя 6 сигнала логического нуля генератор 2 вырабатывает ультразвуковой сигнал с частотой

f f - - ( d di} f ° 2( d ; f°

который поступает на первый пьезо- элемент 9 переменного сечения. На данной частоте возбуждается только соответствующий ей по толщине узкий участок А (фиг. 3). Излученный вогнутой поверхностью ультразвуковой сигнал распространяется вдоль его акустической оси в виде узкого луча Отраженный движущимися эритроцитами 14 крови ультразвуковой сигнал принимается только участком А второго пьезоэлемента 10, соответствующим по толщине данной частоте. Электрический сигнал со второго пьезоэлемента 10 поступает через усилитель 3 на второй вход смесителя 7, на первый вход которого поступает сигнал с генератора 2. С выхода смесителя 7 сигнал поступает на вход фильтра 4, где выделяется сигнал допплеровской частоты.

fdi |vcos(A) ftf (3)

где v - скорость движения частиц

крови; с - скорость ультразвука в

среде ,

/}, - угол падения ультразвукового луча;

oi.t - угол отражения ультразвукового луча;

f( - частота излучаемого ультразвукового сигнала (фиг. 3) При подаче на управляющий вход генератора 2 сигнала логической единицы генератор 2 вырабатывает ультрзвуковой сигнал с частотой

fZ

сЬ

(4)

который поступает на первый пьезоэле

мент 9. При этом возбуждается только соответствующий по толщине данной частоте узкий участок Б (фиг.4). Излученный вогнутой поверхностью ультразвуковой сигнал распространяется вдоль его акустической оси в виде узкого луча. Отраженный эритроцитами 14 сигнал принимается соответстJQ вующим по толщине данной частоте

.участком В второго пьезоэлемента 10.

Далее электрический сигнал проходит

по цепям устройства так же, как и в

случае измерения частоты fd,, . Фштьт15 ром 4 выделяется допплеровская частота

и,.|.со.(.е)(1

(5)

где $г угол падения ультразвукового луча;

2 - угол отражения ультразвукового луча (фиг. 4). Уравнения (3) и (5) составляют систему двух уравнений с двумя неизвестными

30

fd| L C08(4-)ff.

fd - Х-сов(, ,

(6)

Учитывая, что 35 ..b. (7)

где г - заданный конструктивом датчика 1 параметр, зависящий от угла между осями пьезо- элементов 9 и 10,

а также используя выражения (2) и (4) можно решить систему (6) уравнений относительно скорости кровотока

45

v fd.

2fc

(8)

Ч

Проведя измерения величин fd и fdЈ частотомером 8 за заданное время, затем по формуле (8) находится (с помощью предварительно подготовленных номограмм или таблиц, или используя вычислительную технику) средняя линейная скорость кровотока.

Устройство обладает повышенной точностью измерения скорости кровоdt

Фиг. г

Фие.З