RS-232C 8Т16

1488 RS-232C 8Т16

ТТЛ ТТЛ

330 пФ

рис. 2.2.

Надо отметить, что при конденсаторе нагрузки емкостью 330 пФ обеспечиваются времена нарастания и спада на уровне менее 1 мкс. Стандарт RS-232C широко используется при передаче данных между терминальным оборудованием и ЭВМ со стандартизованными скоростями в диапазоне от 110 до 19200 бит/с. Полный стандарт определяет даже распайку контактных выводов сверхминиатюрного 25-контактного разъема типа D и обычно используется при передаче данных в стандарте IEEE422/

Применение ПК в медицинской диагностической аппаратуре не только имеет своей целью универсализацию используемого врачами оборудования, но и снижение его стоимости, что особенно актуально дан российской медицины. Главная проблема, которую решает применение ПК в разрабатываемом приборе - это возможность построения аппаратуры обработки данных с минимальными затратами. Возможности современных процессоров позволяют производить сложные вычисления в реальном масштабе времени, что раньше было под силу только специализированным цифровым процессорам обработки сигналов (ЦПОС).

2.2.   Разработка принципиальной схемы измерителя

f₀  1

3

V a

Da

2

4 5 6 7 8

f₂

f_g

f₀

 

 

 

рис 2.3 Структурная схема УЗ измерителя скорости кровотока с использованием эффекта Допплера.

Измерительный участок этих устройств содержит два установленных на теле пьезоэлектрических преобразователя 1 и 2 с диаграммами направленности, пересекающимися на оси кровотока или в точках сечения, где скорость равна средней скорости потока. Для получения максимальной чувствительности углы между осями главных лепестков диаграмм направленности преобразователей и направлением потока устанавливаются дополнительными до 180⁰. Излучающий преобразователь 1 возбуждается генератором 4 синусоидальных колебаний. Непрерывные УЗ колебания с частотой f₀ рассеиваются на неоднородностях потока, которыми могут служить эритроциты в крови. Перемещающиеся вместе с потоком рассеиватели можно рассматривать как вторичные источники УЗ колебаний с частотой

f₁=f_0 ,

где v – скорость перемещения рассеивателя; с – скорость звука в контролируемой среде; a - угол ввода УЗ колебаний в поток.

Вторичные УЗ звуковые колебания, возникающие в области 3, достигают приемный преобразователь 2 и воспринимается как колебания с частотой:

f₂=,

 Центральная частота доплеровского спектра определяются как разность

f_д=f₀ – f₂=.

Непрерывные УЗ колебания, воспринятые преобразователем 2, преобразуются в электрические и через усилитель 5 поступают на вход смесителя 6 частоты, на второй вход которого подается частота возбуждения f₀. Фильтр нижних частот 7 используется для выделения допплеровской частоты f_д, которая регистрируется частотомером 8.

Если учесть, что объемный расход Q через измерительный участок круглого сечения диаметром D связан со скоростью потока в озвучиваемой области соотношением:

,

где m – коэффициент, учитывающий несовпадение средней скорости потока со скоростью рассеивателя, то статическая характеристика допплеровского УЗ измерителя скорости кровотока может быть представлена в виде

Практические схемы допплеровских УЗ измерителей несколько сложнее изображенной на рис 2.3. В них производится учет «размытия» допплеровского спектра из-за конечности угловой ширины Da характеристик направленности преобразователей. Благодаря различию проекций скоростей вторичных источников УЗ колебаний на границы озвученных областей отраженный от области 3 сигнал будет содержать спектр частот от  до .

Ширина допплеровского спектра равна:

,

После несложных тригонометрических преобразований:

=,

откуда следует, что ширина спектра пропорциональна угловой ширине диаграммы направленности. Увеличение диапазона выходной частоты УЗ расходомера за счет «размытия» спектра, что в свою очередь, приводит к ухудшению помехоустойчивости устройства. Для ослабления помех, сопутствующих отраженному сигналу, в ряде практических реализаций используют автоматические системы фазовой или частотной подстройки частоты.

К методическим погрешностям допплеровских устройств в первую очередь относится сильная зависимость измерительной информации от изменений скорости звука в контролируемой среде. Неравномерность распределения рассеивателей в озвучиваемом объеме, а также нарушение условия их гидродинамической пассивности относительно потока приводят к существенной случайной погрешности. Малый КПД преобразования (отношение энергии отраженных УЗ колебаний к возбуждению) требует больших мощностей возбуждения. Для допплеровских измерителей скорости кровотока характерна сильная зависимость показаний от профиля скоростей в вене или артерии, так как они не являются датчиками интегрирующего типа.

Практические схемы доплеровских измерителей, основанные на различных компенсационных методах, не одинаково реализуют приведенные выше достоинства.

В схеме показанной на рис.2.4, направления УЗ луча и потока составляют угол, близкий к прямому.

1 2 3 7 4 5 8 9

6

рис. 2.4 Типовая структурная схема измерения сноса УЗ колебаний

Генератор 1 непрерывных колебаний рабочей частоты возбуждает излучающий пьезопреобразователь 2. Приемный пьезопреобразователь 3 составлен из двух идентичных пьезоэлементов, сориентированных таким образом, что в неподвижной крови интенсивности УЗ колебания вблизи лицевых поверхностей одинаковы. С появлением движения скорость звука с и осредненная по длине луча скорость кровотока v геометрически суммируются, и направление распространения УЗ колебаний отклоняется от начального на угол q, величина которого определяется соотношением

q=arcsin v/c@v/c

Для увеличения чувствительности этих устройств УЗ колебания, прежде чем достичь приемного преобразователя, испытывают несколько отражений от внутренней поверхности артерии. В этом случае снос луча у лицевой поверхности приемного преобразователя выражается формулой:

Dd=DNq@DN(v/c),

где D – внутренний диаметр артерии, N – число отражений УЗ колебаний.

Отношение изменения интенсивностей УЗ колебаний на приемных пьезоэлементах DI к начальной интенсивности I₀ в неподвижной среде можно считать пропорциональным отношению сноса к средней ширине УЗ луча на приемном преобразователе, т.е.

,

где k – постоянный коэффициент.

При этом допущении оказывается, что изменение интенсивностей на приемных пьезоэлементах является мерой скорости потока в озвученной области среды.

Выражая скорость потока через расход, получаем упрощенную статическую характеристику метода:

,

где m – коэффициент, учитывающий несовпадение средней скорости кровотока со скоростью усредненной вдоль УЗ луча.

Сигналы с приемных пьезоэлементов поступают на дифференциальный усилитель 4, выходное напряжение которого выпрямляется с помощью детектора 5 и регистрируется индикатором 6.

Для исключения зависимости выходного напряжения от скорости звука схему обычно дополняют импульсно-циклическим измерителем скорости звука и арифметическим устройством для коррекции результатов измерений. импульсно-циклический скоростемер включает в себя дополнительный пьезопреобразователь 7, излучающий импульсы перпендикулярно оси артерии, и генератор 8 возбуждающих импульсов, образующих единую замкнутую цепь – «синхрокольцо». В системе «синхрокольца» каждый УЗ импульс, отразившись от стенки артерии, воспринимается преобразователем 7 и вновь запускает генератор. Частота следования импульсов в этом устройстве, пропорциональная скорости звука в контролируемой среде, вместе с выходной информацией измерителя сноса поступает на вход арифметического устройства 9, корректирующего результаты измерений. Однако, поскольку контролируемая среда – кровь – имеет вполне определенную скорость распространения звука, то данная схема не представляет собой актуальную разработку.

Фазовый метод измерения характеризуется использованием непрерывных УЗ колебаний. В основе фазовых схем лежит сопоставление сдвига фаз колебаний, прошедших через поток. Статическая характеристика фазовых УЗ измерителей имеет вид:

Dj=

Lj

t

Схемы фазового метода имеют много реализаций. Например:

a 6

1 2

3 4 5

7 8

рис.2.5 Схема электронной коррекции в фазовых УЗ скорости кровотока

Первичный преобразователь этого УЗ прибора имеет два измерительных участка 1 и 2, содержащие волноводы в виде призм. Излучающие преобразователи возбуждаются генератором 3 непрерывных УЗ колебаний через широтно-импульсный модулятор 4, на низкочастотный вход которого от управляющего генератора 5 поступают прямоугольные импульсы длительностью t₁. Прямоугольные пакеты колебаний, пройдя контролируемую среду, преобразуются приемными преобразователями в электрические сигналы и подаются на вход коммутатора 6. Управляющие входы коммутатора и фазометра 7 подключены к инвертирующему выходу управляющего генератора, который открывает их на время t₂=Т-t₁, где Т – период следования управляющих импульсов. Длительности пакетов приемных сигналов меньше излученных и составляют:

t_П1=Т – t₁ - t₂,

t_П2=T – t₂ - t₂,

где t₂ – задержка в волноводе.

С увеличением скорости звука пакеты импульсов, поступающие на фазометр, расширяются, а длительности импульсов в них, определяемые разностью фаз колебаний, уменьшаются. Фазометр нормирует амплитуды импульсов в пакетах на уровне U_ф и усредняет их, поэтому напряжение, регистрируемое вольтметром 8, остается неизменным при колебаниях скорости звука в среде.

Оптимальное значение периода управляющих импульсов Т, при котором происходит полная автоматическая компенсация показаний устройства, определяется зависимостью Т=2t₀+t₂, где t₀ – время распространения УЗ колебаний в неподвижной среде.

При использовании преобразователей без преломления на основе этого способа может быть произведена компенсация температурных нестабильностей скорости звука.

Малая чувствительность фазовых схем в совокупности с невысокой точностью измерений угла сдвига фаз (погрешность 0,5-1%),затрудняет создание на основе этого метода измерителей скорости кровотока, однако этот метод представляется наиболее удобным с точки зрения практической реализации и компенсации различных погрешнстей.

2.3.   Анализ метрологических характеристик

Погрешность расчета индексов складывается из погрешности проведения эксперимента, погрешности датчика, погрешности аналогового блока, погрешности АЦП и погрешности обработки цифрового сигнала.

Средняя скорость

Как было указано выше, измерение средней скорости возможно только при равномерном облучении сосуда. Проведенные на имитаторе опыты показали что, при условии достаточной ширины УЗ пучка, охватывающего сосуд и четкой локализации этого сосуда, средняя скорость может быть измерена с погрешностью менее 10% в непрерывном режиме. Эта погрешность для импульсного прибора немного выше и зависит от формы импульса. Четкая локализация сосуда означает отсутствие сильных возмущений УЗ пучка. На практике довольно трудно обеспечить равномерное облучение сосуда и результирующая погрешность может достигать величины 50%.

Метод вычисления средней скорости на основе данных о максимальной скорости, предполагает прохождение УЗ пучка через центр исследуемого сосуда. Этого можно достичь, наблюдая спектрограмму (сонограмму) и прослушивая высоту тона допплеровского сигнала Необходимо также иметь данные о форме распределения составляющих кровотока по сечению сосуда. Для некоторых случаев это распределение хорошо аппроксимируется параболой, данные для некоторых других сосудов можно взять из литературы. Максимальная скорость часто может быть измерена с погрешностью менее 5%. Эксперименты с имитатором потока показали, что средняя скорость также может быть измерена с погрешностью 5% для непрерывного излучения и 10% для импульсного.

Угол наклона датчика

Если кровеносный сосуд обладает достаточно прямой формой, угол между осью УЗ пучка и этим сосудом может быть измерен с погрешностью 2 - 3 градуса. В таблице показано, как погрешность в 3 градуса при задании угла отражается на вычислении средней скорости. Отсюда следует вывод о необходимости тщательного измерения и установки угла наклона датчика.

Таблица 1. Погрешность измерения скорости для различных углов наклона датчика.

Угол	0	10	20	30	40	50	60	70	80
Погрешность, %	0.1	1.1	2.0	3.1	4.6	6.4	9.2	14.3	29.9

Если же сосуд изогнут, задача измерения угла наклона датчика осложняется. Также нельзя гарантировать, что кровяные тельца в таком сосуде движутся параллельно стенкам сосуда.

Сечение датчика

В таблице погрешности измерения площади поперечного сечения сосуда из-за ошибки в измерении диаметра. Из этой таблицы видно, что указанные ошибки достаточно высоки особенно для малых сосудов.

Таблица 2. Погрешность измерения площади поперечного сечения сосуда для сосудов различного диаметра.

Диаметр, мм	2	5	10	15	20	25
Погрешность, %	75	36	19	13	10	10

Дополнительным источником погрешности является изменение площади поперечного сечения пульсирующей артерии. Изменение в 10% характерно для крупных сосудов.

Высокочастотный фильтр

Для того, чтобы уменьшить влияние на результаты измерения очень сильного эхо-сигнала отраженного от стенок сосуда, этот сигнал обычно отфильтровывается высокочастотным фильтром. Этим же фильтром убираются низкочастотные составляющие от медленно движущейся крови. Обычно применяется фильтр с перестраиваемой частотой среза.

Движение сосуда

Изменение или даже потеря допплеровского сигнала может быть обусловлена движением исследуемого сосуда при дыхании.

Турбулентность

Это явление присуще даже нормальным сосудам и становиться сильно выраженным для сосудов с патологией из-за изменения структуры сосуда. Наличие турбулентности на сонограмме затрудняет нахождение средней скорости в сосуде вплоть до невозможности решения этой задачи. Любой признак наличия турбулентности в сосуде ставит под сомнение правильность измерения средней скорости.

Расширение спектра

Как показали эксперименты, проводимые на имитаторах потока, эффект спектрального расширения в довольно слабой степени влияет на результаты измерения.

Ошибки измерения индексов

Довольно трудно или вообще невозможно добиться равномерного облучения исследуемого сосуда (особенно крупного). Изменение чувствительности непрерывно-волнового датчика зависит и от приемного и от передающего элементов, а также, от их взаимного расположения и ориентации. Evans и Рarton (1981) и Douville с соавторами (1983) опубликовали результаты исследования диаграмм направленности таких датчиков, причем в обоих случаях отмечались существенные различия характеристик этих датчиков, выпущенных даже одним и тем же производителем.

Обычно исследования проводятся по «наилучшему» сигналу, наблюдаемому на мониторе. В этом случае, вероятность перекрытия УЗ лучом центра сосуда довольно велика. Если сечение сосуда достаточно мало, УЗ пучок полностью перекрывает его и спектр содержит информацию о всех составляющих кровотока. В противном случае, часть сосуда остается вне диаграммы направленности и допплеровский спектр, а также индексы, рассчитываемые на его основе, оказываются несостоятельными.

Главным выводом является то, что неравномерное облучение исследуемого сосуда серьезным образом влияет на форму допплеровского спектра, что, в свою очередь, приводит к неправильному расчету индексов.

Анализ огибающей допплеровского сигнала

Целью анализа допплеровского сигнала является выявление отклонений его формы от нормальной. Характер этих отклонений может свидетельствовать о наличие тех или иных физиологических или патологических нарушений в состоянии исследуемого сосуда.

Задачу анализа допплеровского сигнала можно разбить на три этапа: прием и предварительная обработка этого сигнала, выделение параметров сигнала и классификация. Прием, в частности, заключается в выделении некоего вектора, например, огибающей скорости кровотока, или спектра мощности допплеровского сигнала, описывающего кровоток в исследуемой артерии. Второй этап состоит в выделении характерных параметров исходного вектора и вычислении на их основе нового вектора, компонентами которого являются, например, индекс пульсации и индекс спектрального расширения. И, наконец, классификация заключается в принятии решения о нормальном или патологическом состоянии исследуемого сосуда.

Необходимо отметить, что каждый последующий этап зависит от предыдущего, поэтому различные методы исследования сосудов, различные метолы цифровой обработки и различные алгоритмы расчета огибающей в совокупности будут влиять на результаты и на качество обработки последующих этапов.

Опытный специалист может много сказать о состоянии исследуемого сосуда только по аудио сигналу допплеровского сдвига или по виду спектрограммы. В этом случае довольно затруднительно бывает определить точную причину того или иного заключения.

С другой стороны, объективные методы не полагаются на оценку пользователя, они должны обеспечить свободный обмен медицинскими методиками между различными учреждениями, и могут выявить скрытые изменения сигнала. В настоящее время, однако, большинство объективных методов сосредоточено на одной стороне сонограммы (например, на огибающей) и могут игнорировать очевидные для человеческого взгляда вещи.

Вывод:

Исходя из вышеизложенного, ультразвуковой медицинский допплеровский прибор целесообразно рассматривать не как средство измерения скорости кровотока или его составляющих, а как средство индикации, позволяющее лишь качественно оценить состояние исследуемого сосуда в частности и сердечно-сосудистой системы в целом.

2.4.   Расчет надежности

Надежность является одной из основных инженерных проблем. Проблемой надежности занимались всегда с тех пор, как появилась техника. Ненадежные изделия никогда никому не были нужны. Давно уже было понятно, что надежность связана с избыточностью. В связи с этим в инженерных расчетах в различных областях тех­ники широко используются необходимые коэффициенты запаса.

Однако за последние 25—30 лет проблема надежности техниче­ских систем и входящих в нее элементов сильно обострилась. Это обусловлено главным образом следующими причинами:

*                     Ростом сложности современных технических систем, включающих до 10⁴-10⁶ отдельных элементов;

*                     Интенсивностью режимов работы системы или отдельных
ее частей: при высоких температурах, высоких давлениях, высоких скоростях;

*                     Сложностью условий, в которых эксплуатируется техническая система, например: низкие или высокие температуры, высокие влажность, вибрации, ускорения и радиация и т. п.;