Импульсно волновой допплер что это
Импульсно волновой допплер что это
Благодаря импульсному режиму работы датчика, когда ультразвуковые волны испускаются импульсами или «пакетами волн», возможна точная пространственная «привязка» измеренных скоростей. В отличие от непрерывноволнового допплеровского исследования для импульсного режима достаточно од-ного-единственного кристалла. Измерение скоростей движущегося объекта происходит только в определенной области, отображаемой на двумерной картинке в виде контрольного объема («sample volume»).
а) Скорость Найквиста. Ограничением импульсно-волнового режима работы является невозможность надежного измерения скоростей движущегося объекта, превышающих определенный порог скорости («скорость Найквиста», или «скорость искажения»). Теоретически эта взаимосвязь формально описывается «теоремой сэмплирования» («sampling theorem»): частота ультразвуковой волны, генерируемой датчиком, должна быть минимум вдвое выше, чем у измеряемых колебаний движущегося объекта, чтобы возможно было однозначно идентифицировать частоту этих колебаний.
Так как пороговая скорость зависит от частоты повторения импульсов (PRF), которая во многом определяется глубиной проникновения сигнала, то порог адекватно определяемых скоростей снижается при увеличении глубины нахождения контрольного объема. Таким образом, физические особенности импульсно-волнового режима допплеровского исследования не позволяют при основной частоте в 2 МГц однозначно определять высокую скорость движущегося объекта (более 2 м/с) уже на глубине более 8 см. Наибольшая однозначно идентифицируемая скорость называется скоростью (порогом) Найквиста, которая определяется по формуле:
Импульсно-волновая допплерография.
При импульсном режиме, в противоположность непрерывноволновому допплерографическому исследованию, из-за ограниченной возможной частоты повторения импульсов снижается разрешающая способность метода, не позволяющего однозначно идентифицировать скорости потока крови выше определенного порогового значения (скорость Найквиста, или порог искажения, aliasing).
Этот схематический пример показывает, что невозможно дифференцировать эти две волны различной частоты, если определяются только отмеченные на рисунке точки.
Для однозначной идентификации частоты необходимо существенно более плотное распределение точек регистрации, т.е. более высокая частота повторения импульсов.
б) Феномен искажения (aliasing). При превышении скорости Найквиста числовые значения спектра скоростей отображаются на другом отрезке шкалы скоростей. Из-за этого феномена, например, невозможно при помощи импульсно-волнового допплеровского исследования измерить чрезвычайно высокую скорость трансаортального потока крови при аортальном стенозе, хотя это возможно в режиме непрерывной допплер-ЭхоКГ. С другой стороны, импульсноволновой режим позволяет измерить скорость движения крови в выносящем тракте левого желудочка даже в том случае, если имеется аортальный стеноз, тогда как при непрерывно-волновой допплерографии более низкие скорости в выносящем тракте будут перекрываться более высокими скоростями на уровне стеноза.
Чресклапанный поток в сердце у здорового человека, как правило, не превышает 1,5 м/с, т.е. его вполне можно измерять при помощи импульсноволновой допплер-ЭхоКГ.
в) Спектральный допплеровский сигнал. Спектральный допплеровский сигнал при импульсно-волновом режиме исследования воспроизводит распределение скоростей в контрольном объеме, причем чем шире допплеровский спектр, тем сильнее различаются скорости движущихся объектов (например, эритроцитов) в пределах этого контрольного объема. Амплитуда сигнала, т.е. яркость каждой точки спектра, приблизительно пропорциональна количеству отражающих объектов в пределах контрольного объема, движущихся с соответствующей скоростью. Наиболее яркая область спектрального сигнала при импульсной допплерографии обозначается как «модальная» скорость.
Поэтому при использовании этого метода для расчета ударных объемов следует курсором обводить сигнал в области модальной скорости, а не внешний контур сигнала, так как модальная скорость является более репрезентативной для реальной средней скорости потока крови в пределах контрольного объема, чем максимальная зарегистрированная допплеровским методом скорость.
Фундаментальная неточность импульсноволновой допплерографии возникает в результате того, что для достижения желаемой временной разрешающей способности значительно ограничивается время одного измерения (как правило, около 10 мс). Поэтому спектр, который рассчитывается с помощью преобразований Фурье, получается шире.
В противоположность непрерывной допплерографии хорошие импульсно-волновые допплеровские спектры обычно не «заполнены» целиком, так как в области контрольного объема регистрируются сходные значения скорости. При этом соотношение сигнал-шум тем лучше, чем больше размер контрольного объема. В результате интегрирования скорости по времени, например интегрирования трансаортальной скорости за время систолы, получают интеграл линейной скорости потока крови (VTI ), который измеряется в сантиметрах или метрах. Умножение этой величины на площадь поперечного сечения аорты позволяет рассчитать ударный объем левого желудочка.
Режимы допплеровского исследования:
а. Непрерывноволновая допплерограмма при локализации контрольного объема в области выносящего тракта и аортального отверстия, зарегистрированная из верхушечного доступа (норма). Максимальная систолическая скорость составляет 130 см/с.
б. Импульсно-волновая допплерограмма области выносящего тракта левого желудочка и аортального клапана, зарегистрированная из верхушечного доступа (норма). Максимальная систолическая скорость составляет 80 см/с. Вверху: смещение нулевой линии с целью отображения всего систолического сигнала. Внизу: при центрально расположенной нулевой линии скорость искажения, или скорость Найквиста, составляет ±50 см/с. В нижней части картинки систолический сигнал обрезан (искажение, aliasing), и пики допплеровского сигнала отображаются в верхней половине картинки и поэтому с ложным знаком.
в. Цветовая допплерограмма левого предсердия, зарегистрированная из апикальной четырехкамерной позиции. Слева: диастолическое ламинарное течение из легочных вен через левое предсердие в левый желудочек (норма). Красно-желтые оттенки обозначают скорости потока, направленного к датчику, причем максимальная скорость (желтый цвет) определяется в области диастолического трансмитрального потока, входящего в левый желудочек. Справа: изображение митральной недостаточности (в систолу). Зеленый цвет кодирует турбулентный высокоскоростной поток регургитации из левого желудочка в левое предсердие.
В начале струи регургитации в области митрального клапана со стороны желудочка можно увидеть проксимальную зону конвергенции (стрелки). Синий цвет ее внешней оболочки указывает на ламинарный поток крови по направлению к митральному клапану.
Видео урок основы допплер-ЭхоКГ (допплерографии при эхокардиографии)
Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 15.12.2019
Возможности современной эхокардиографии
Эхокардиография на протяжении последних 15 – 20 лет является одним из основных методов визуализации сердца. Как любой диагностический метод, эхокардиография имеет свои достоинства и недостатки. Широкое внедрение метода в практику обусловлено высоким уровнем современной аппаратуры, отсутствием вредного влияния на пациента и врача, относительной дешевизной метода по сравнению с остальными. Наличие большого количества вариантов исследования позволяет получить точную анатомическую и гемодинамическую информацию о больном и избежать инвазивных вмешательств.
Недостатком эхокардиографии является выраженная зависимость от квалификации исследователя. Специалист, занимающийся ультразвуковой диагностикой сердца должен быть кардиологом, в совершенстве знать топографическую анатомию грудной клетки, гемодинамику сердца, иметь пространственное мышление. При отсутствии одного из данных качеств у исследователя резко возрастает процент ошибок диагностики.
Варианты эхокардиографического исследования
На графике М-разверстки по вертикали откладывается расстояние, по горизонтали – время. В зависимости от положения курсора на экране, можно получить график колебания серии точек, расположенных вдоль курсора, вытянутый во времени, т.е. проследить за их колебанием в систолу и в диастолу.
Проведение допплеровского исследования подразумевает высокий технический навык в проведении двухмерного исследования, знание топографической анатомии и гемодинамики сердца.
В эхокардиографии используют следующие варианты допплера:
Таким образом, допплеровские методики позволяют получить большой объем информации без применения инвазивных методов исследования.
Чреспищеводная эхокардиография (моно-, би-, и мультиплановая). Исследование сердца через пищевод с использованием специальных датчиков. Информативность метода очень высокая. Противопоказанием служит наличие стриктуры пищевода.
Современные эхокардиографические приборы
В настоящий момент на рынке представлены ультразвуковые приборы от самых простых до сверхсложных с возможностью с возможностью трех– и четырехмерного моделирования.
Объем получаемой информации зависит от возможности датчика. Внутрисосудистые датчики применяются параллельно с ангиографическим исследованием, используются кардиохирургами. Чреспищеводные датчики могут быть моноплановыми, биплановыми и мультиплановыми.
За рубежом широко развиваются программы работ с эхоконтрастами, однако, в нашей стране это направление в ультразвуке представлено недостаточно.
Заключение
Современная эхокардиография располагает широким спектром диагностических методик. Эхокардиографические ультразвуковые приборы включают приборы от недорогого до высокого класса. Правильно ориентироваться на рынке ультразвука нам позволяют выставки аппаратуры, конгрессы и конференции, а также, журналы и книги по ультразвуковой диагностике.
Список литературы
Запись к специалистам по телефону единого колл-центра: +7(495)636-29-46 (м. «Щукинская» и «Улица 1905 года»). Вы можете также записаться к врачу на нашем сайте, мы Вам перезвоним!
Эхокардиография (ЭхоКГ) с допплерографией и цветным картированием
Эходопплеркардиография — это инструментальный метод исследования сердца и кровеносных сосудов, при котором применяются ультразвуковые технологии.
Эходопплеркардиография — это инструментальный метод исследования сердца и кровеносных сосудов, при котором применяются ультразвуковые технологии. Как и при «рутинных» (М-режимной и двухмерной) эхокардиографиях (ЭхоКГ), данная методика использует высокочастотные звуковые волны, чтобы создать изображение сердца. Но помимо этого, чтобы определить скорость и направление кровотока, она дополняется эффектом Допплера.
Эхокардиография с допплерометрией, допплеровская эхокардиография — другие названия этой процедуры.
Основные режимы визуализации, применяемые при УЗИ сердца
Ультразвуковое исследование сердца в основном используется для получения двухмерного изображения этого органа и близлежащих магистральных сосудов. А также с помощью этой методики можно оценить скорость и направление кровотока, что требует применение эффекта Допплера. В зависимости от того, как обрабатывается и отображается на мониторе эхо-сигнал, различают следующие режимы ЭхоКГ:
Для облегчения выявления турбулентного движения (завихрений) существует порог скорости, выше которого происходит изменение цвета (во многих аппаратах это зелены). «Мозаичный» узор на участке турбулентного потока позволяет легко установить регургитацию (смену направления движения), что помогает определить степень недостаточности клапанов.
Наличие режимов визуализации сердца не означают, что для каждого из них необходим отдельный УЗИ аппарат. Все современные ультразвуковые приборы для эхокардиографии способны воспроизвести данные режимы. Для этого врачу необходимо только «переключить тумблер» или поменять датчик.
Для получения “полной картины заболевания” обычно используется сочетание нескольких методов визуализации следующих структур:
Так, например, эхокардиография с допплерометрией и цветным допплеровским картированием (ЦДК), которая является сочетанием 2D и М-режимов с допплерометрией, очень полезна при оценке митрального стеноза. Первые два способа визуализации позволяют заподозрить кальцификацию клапана (аномальное движение его створок).
Допплерометрия демонстрирует при этой патологии повышенную скорость кровотока (признак сужения) и может быть использована для оценки «эффективной площади отверстия» (степени выраженности стеноза).
Эхокардиография наиболее полезна при диагностики следующих патологий:
Информация, которая предоставляется с помощью ЭхоКГ, чрезвычайно полезна для врачей при диагностике различных состояний, связанных с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Тем не менее, очень важно, чтобы «клиент» понимал, что существует множество «нюансов», которые влияют на правильную постановку диагноза, связанных с эхокардиографией.
Опыт врача, проводящего исследование, вид используемого оборудования — факторы, влияющие на точность диагностики. Неправильно проведенное ультразвуковое исследование, как правило, приводит к избыточному назначению ненужных тестов или даже хирургических вмешательств.
Преимущества и недостатки допплерометрии сердца
ЭхоКГ способна определить направление кровотока, измерить скорость движения крови и сердечной стенки, если она дополняется эффектом Доплера. Одним из недостатков эхокардиографии с допплеровским анализом является то, что для получения точных результатов ультразвуковой луч и поток крови должны быть максимально параллельны, что ограничивает возможность исследовать некоторые отделы сердца.
Измерение скоростных характеристик позволяет оценить:
Допплерэхокардиография позволяет измерить все вышеперечисленные параметры, которые очень важны при оценке детской сердечной патологии (врожденные пороки) без использования инвазивной процедуры — катетеризации сердца. Помимо этого, назначение эхокардиографии с допплеровским анализом ребенку не несет никакой угрозы по сравнению с компьютерной томографией, где используется рентгеновское излучение.
Как ЭхоКГ выполняется (совместно с допплерометрией)
Эхокардиография считается довольно простой медицинской процедурой, не требующей серьезной подготовки. Во время исследования пациента размещают на кушетке. Оператор держит в руке датчик (устройство, напоминающее компьютерную мышь), медленно его перемещает по коже грудной стенки исследуемого. Предварительно врач наносит на кожу специальный гель, чтобы облегчить передвижение датчика. В процессе исследования доктор может попросить перевернуться на тот или иной бок, задержать дыхание на несколько секунд. Процедура обычно длится от 30 до 60 минут.
Эхокардиографию иногда сочетают со стресс-тестом. Сначала выполняют ЭхоКГ в состоянии покоя, а затем повторяют ее во время физических упражнений. Это помогает определить функциональные изменения в сердечной мышце в период перенапряжения. Отклонения могут косвенно указывать на заболевания коронарных артерий.
Трансэзофагеальная ЭхоКГ — методика ультразвукового исследования, которая позволяет более детально просмотреть некоторые отделы сердца (которые плохо визуализируются при обычной, трансторакальной), а также часто используется для получения изображения во время операции на этом органе. Как правило, оно проводится под действием внутривенного наркоза. Тонкий зонд проводится по пищеводу до уровня расположения сердца.
На сегодняшний день эхокардиография с допплеровским анализом — это неотъемлемая составляющая полного ультразвукового исследования сердца, позволяющая поставить правильный диагноз.
Допплеровские методы, основы
Допплеровские методы, основы
Ультразвуковые допплеровские методы являются эффективным средством неинвазивного исследования характеристик движения тканей в организме человека и широко применяются в кардиологии и сосудистой диагностике. Рассматриваемые методы бурно развиваются, поэтому терминология в этой области еще не устоялась. Кроме того, конкуренция между фирмами-производителями приводит к тому, что близкие или по сути одинаковые технологии (методики) в разных фирменных руководствах, рекламных проспектах: и даже в научных публикациях имеют разные названия. Для русскоязычного читателя проблема усугубляется тем, что в этой области сформировался определенный англо-американский жаргон, который де-факто приобрел «права гражданства». Например, вместо термина «допплеровская эхография», или «допплерография», обычно употребляется просто «допплер» (‘Doppler’). К сожалению, такой жаргон получил настолько широкое распространение, что сейчас не представляется возможным кардинально улучшить ситуацию. Поэтому и в предыдущих томах данного руководства мы были вынуждены, например, согласиться с использованием термина «энергетический допплер»; по этой же причине мы в дальнейшем будем пользоваться терминами «спектральный допплер» и т.п. При этом читатель, разумеется, должен отдавать себе отчет в том, что «допплер» это не ошибочное написание фамилии Допплер, а сокращенное, точнее жаргонное, обозначение термина «допплеровская эхография».
Можно ввести следующую классификацию допплеровских методов в зависимости от способов получения и отображения информации.
В качестве разновидностей цветовой допплеровской эхографии используются следующие методы:
Приборы, оценивающие скорость кровотока, являются наиболее простыми из допплеровских приборов. В настоящее время они практически не применяются, а метод оценки скорости (средней или максимальной) используется как один из режимов в более совершенных приборах спектральной допплерографии.
Метод допплеровской оценки ЧСС в силу простоты и эффективности находит широкое применение при исследовании ЧСС плода в фетальных мониторах.
Чаще всего в настоящее время применяются методы спектрального допплера и цветового допплеровского картирования.
В ультразвуковых сканерах перечисленные методы, как правило, используются вместе с другими известными методами представления информации, такими как:
Ультразвуковые приборы, в которых используется только режим спектрального допплера и отсутствует В-режим, иногда называют приборами «слепого» допплера.
Ультразвуковые сканеры, в которых наряду с В-режимом применяется спектральный допплер (D-режим), называются дуплексными приборами. Режим отображения на экране сканера одновременно В- и D-эхограмм называется дуплексным режимом В+D.
Если в приборе одновременно применяются режимы В, CFM и D, то такой режим В+CFM+D называется триплексным.
Эффект Допплера
Основой допплеровских методов является эффект Допплера, который состоит в том, что частота колебаний звуковых волн, излучаемых источником (передатчиком) звука, и частота этих же звуковых волн, принимаемых некоторым приемником звука, отличаются если приемник и передатчик движутся друг относительно друга (сближаются или удаляются). Тот же эффект наблюдается, если в приемник поступают сигналы источника звука после отражения движущимся отражателем. Зтот последний случай имеет место при отражении ультразвуковых сигналов от движущихся биологических структур (например, клеточных элементов крови).
Поясним эффект Допплера на примерах, в которых для простоты будем считать, что источник звука излучает колебания одного тона (одной частоты).
Движущийся приемник звука
Рис. 1. Эффект Допплера при движении приемника,
a — приемник 1 движется к источнику со скоростью vnp, приемник 2 движется от источника со скоростью vпр.
б — колебания, излучаемые источником с частотой f0.
в — колебания в приемнике 1— частота f0+F.
г — колебания в приемнике 2 — частота f0–F.
При движении приемника по направлению к источнику со скоростью vпр (приемник 1 на рис. 1.а) взаимная скорость сближения пиков волн и приемника увеличивается по сравнению со скоростью звука и становится равной С + vпр. Очевидно, что и частота колебаний на входе приемника увеличивается пропорционально росту скорости и становится равной: f = f0(C + vnp)/C=f0 + F
На рис. 1.в показан вид колебания с этой частотой, большей частоты источника на величину дополнительного сдвига частоты
При движении приемника по направлению от источника со скоростью (–vnp) (приемник 2 на рис. 1.а) скорость пиков волн относительно приемника уменьшается по сравнению со скоростью звука и становится равной С–vnp. Частота колебаний на входе приемника в этом случае равна
f = f0(C – vnp)/C = f0 – F
На рис. 1.г показан вид колебания с этой частотой, которая отличается от частоты источника на величину того же частотного сдвига, но с отрицательным знаком.
Движущийся источник звука
Рис. 2. Эффект Допплера при движении источника,
На рис. 2.в показан вид колебания на входе приемника с частотой, большей, чем частота источника, на величину частотного сдвига
Если источник движется в противоположном направлении от приемника, тс частота на входе приемника уменьшается:
f = f0C/(C + vист) = f0 – F
где частота сдвига
Движущийся отражатель ультразвука
В медицинских ультразвуковых приборах источник и приемник сигналов объединены в датчике прибора, т.е. излучение и прием сигналов происходит в одном месте. При излучении ультразвука внутрь биологических структур ультразвук отражается и рассеивается на их неоднородностях. Эхо-сигналы, отражаемые в сторону датчика, принимаются находящимся в датчике ультразвуковым преобразователем, который является приемником эхо-сигналов. 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 ультразвукового сигнала.
На рис. 3 схематически изображены совмещенные источник и приемник ультразвука и отражатель, движущийся в сторону источника и приемника со скоростью v. 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
Рис. 3. Эффект Допплера при движении отражателя,
а — источник и приемник совмещены и неподвижны, отражатель движется к ним со скоростью v.
б — колебания источника с частотой f0.
в — колебания, приходящее на отражатель,
г — колебания в приемнике.
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 втором случае «движущийся источник звука».
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:
Допплеровский сдвиг частоты. Допплеровский угол
В ультразвуковых диагностических приборах определяется не сама частота колебания, поступающего в приемник, а разность этой частоты f и частоты f0 — колебания, излучаемого источником. Эта разность называется допплеровским сдвигом частоты Fд. Для случая движения отражателя в сторону датчика его можно вычислить следующим образом:
Кстати, это требование всегда выполняется в режиме В, где тоже в процессе сканирования периодически излучаются короткие импульсы, правда, в отличие от режима импульсноволнового допплера — в разных направлениях (лучах).
Стремление выполнить требование однозначного измерения глубины в системах импульсноволнового допплера приходит в противоречие с требованием однозначного определения допплеровского сдвига частоты. Об этом подробнее рассказывается ниже.
Сигналы и их спектры
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 ультразвуковых приборов, но врачи — пользователи аппаратуры с этой информацией знакомы, как правило, недостаточно хорошо.
На рис. 23 (слева) представлены основные виды сигналов, используемых в ультразвуковых диагностических системах.
Рис. 23. Вид сигналов, используемых в ультразвуковой диагностике (слева), и соответствующих им амплитудно-частотных спектров (справа).
Сигналы и их спектры связаны между собой преобразованием Фурье,
а — В-режим,
б — CW-режим,
в — PW-режим — одиночный импульс,
г — PW-режим — пачка из N импульсов.
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 называется спектром сигнала. Спектр характеризует распределение интенсивности сигнала по частотам, т.е. определяет, какие частотные составляющие представлены больше или меньше в сигнале. Спектр — очень важная характеристика сигнала и связана с временным видом сигнала взаимно-однозначной 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 эхо-сигналы также характеризуются спектром, который может быть вычислен с помощью преобразования Фурье. В допплеровских ультразвуковых системах, предназначенных для оценки спектра скоростей кровотока, принятые эхо-сигналы подвергаются обработке в специальных процессорах, вычисляющих преобразование Фурье, т.е. оценивающих спектр эхо-сигналов. Для ускорения вычислений применяется специальный алгоритм — быстрое преобразование Фурье (БПФ, или FFT — fast fourier transform).
Если длительность пачки равна длительности сигнала в режиме CW, то ширина каждого пика спектра пачечного сигнала в этом случае равна ширине единственного пика спектра сигнала CW. Расстояние F между отдельными пиками на оси частот равно частоте повторения импульсов (PRF).
Уровень отдельных пиков различен и определяется огибающей (пунктирная линия на рис. 23.г), которая в точности повторяет форму спектра одиночного импульса пачки (рис. 23.в).
Измерение спектра частот допплеровского сдвига. Однозначность измерения
Рассмотрев вид сигналов и их спектров, мы можем теперь пояснить, как влияет вид сигнала (или его спектра) на качество измерения спектра частот допплеровского сдвига.
Вычисленный таким образом спектр частот допплеровского сдвига назовем истинным спектром, так как предполагается, что он измерен без всяких ошибок, которые всегда имеются в реальных условиях измерения.
На рис. 24.а дан пример спектра Gист(f) для прямого кровотока.
Рис. 24. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме CW.
а — истинный спектр,
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.
В режиме CW спектр излучаемого сигнала, как уже говорилось, очень узкий (рис. 24.б), т.е. излучается практически одна частота f0. Поэтому спектр частот эхо-сигналов кровотока на выходе датчика очень близок к истинному спектру частот допплеровского сдвига Gист(f). Некоторые отличия могут быть связаны с тем, что приемно-передающий ультразвуковой луч датчика не бесконечно узкий, поэтому принимаются сигналы в некотором объеме сосуда, а не в одном сечении — что может приводить к расширению спектра по сравнению с истинным. Если это расширение незначительно и уровень эхо-сигналов достаточен, чтобы уверенно наблюдать их на фоне мешающих шумов и помех, то измеренный спектр частот допплеровского сдвига практически повторит по форме истинный спектр (рис. 24.в).
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 допплеровского сдвига (сравним рис. 25.а и 24.а). Спектр частот на выходе приемного тракта в основном повторяет форму спектра излучаемого сигнала (см. рис. 25.б).
Рис. 25. Измерение спектра частот допплеровского сдвига с помощью одиночного короткого импульса (истинный спектр показан на рис. 24а).
а — спектр излучаемого сигнала,
б — спектр частот на выходе приемного тракта — форма спектра почти повторяет форму спектра сигнала и не имеет ничего общего с истинным спектром кровотока.
Физический смысл результата понятен: каждой из частотных составляющих сигнала, а не только частоте f0, 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 на рис. 24.а с помощью фломастеров различной толщины.
В случае непрерывноволнового допплера мы для этого имеем тонкий фломастер с шириной линии, равной ширине спектра непрерывного сигнала на рис. 24.б. Поэтому рисунок спектра на рис. 24.б очень похож на истинный спектр.
В случае одиночного импульса фломастер слишком толст (ширина его линии равна ширине спектра сигнала на рис. 25.а) для того, чтобы изобразить тонкий рисунок истинного спектра.
В режиме PW, 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. 26.а), так что ширина его не превышает частоты повторения импульсов F (рис. 26.б) — то измерение спектра частот допплеровского сдвига возможно. Измеренный спектр при этом также получается многопиковым (рис. 26.в), хотя соответствует истинному спектру только та часть полученного в результате спектра, которая ограничена определенным интервалом измерения, в пределах от (f0 – F/2) до (f0 + F/2), где F — частота повторения импульсов. На рис. 26.в правильно измеренный спектр показан сплошной линией, а ложные измерения — пунктиром.
Рис. 26. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме PW при малой ширине истинного спектра,
а — истинный спектр частот допплеровского сдвига с положительными и отрицательными составляющими,
б — спектр излучаемой пачки импульсов с малой частотой повторения F.
в — полученный спектр на выходе приемника — форма спектра оценивается однозначно в интервале измерения.
Опять поясним физический смысл полученного результата: в отличие от непрерывноволнового допплера, когда излучается практически одна частота f0, при импульсноволновом допплере излучаются, кроме нее, составляющие с частотами f0 + F, f0 – F, f0 + 2F, f0– 2F и т.д. Каждая из этих частот порождает свой спектр частот допплеровского сдвига в соответствии с вышеприведенными соотношениями.
Возвращаясь к аналогии с рисунком фломастером, можно сказать, что в режиме импульсно-волнового допплера мы имеем несколько тонких фломастеров, жестко связанных между собой (гребенку фломастеров). Рисуя центральным из них истинный спектр, мы вынужденно повторяем другими фломастерами ту же картину, но со сдвигом по оси частот вправо и влево.
Появление в этом случае ложных изображений спектра (aliasing-эффект), т.е. возможная неоднозначность измерения спектра частот допплеровского сдвига, является серьезным недостатком, присущим импульсноволновому допплеру.
Интервал однозначного измерения истинного спектра частот допплеровского сдвига ограничен диапазоном (–F/2, +F/2) относительно несущей частоты f0 излучаемого сигнала. Поэтому в режиме PW очень важен правильный выбор F — частоты повторения импульсов излучаемой пачки.
Действительно в примере, приведенном на рис. 26, при малой ширине измеряемого (истинного) спектра, в интервале измерения (–F/2, +F/2) спектр измеряется правильно. Если же ширина истинного спектра выходит за пределы интервала измерения, можно получить совершенно неправильную оценку истинного спектра. На рис. 27 изображен такой случай. Видно, что при ширине спектра, большей, чем частота повторения F, спектр на выходе приемника сильно искажен, так как на истинный спектр накладываются сдвинутые ложные картины того же спектра, т.е. опять имеет место aliasing-эффект. В результате определить истинный спектр невозможно. Это происходит вследствие малой частоты повторения F по сравнению с шириной оцениваемого спектра частот допплеровского сдвига.
Рис. 27. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме PW.
a — истинный спектр с большой шириной полосы,
б — спектр излучаемой пачки импульсов с малой частотой повторения F.
в — спектр на выходе приемника — имеет место искажение формы истинного спектра и неопределенность направления кровотока.
Рис. 28. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме FW (истинный спектр показан на рис. 27.а).
а — спектр излучаемой пачки импульсов со средней частотой повторения F.
б — спектр на выходе приемника — форма спектра не искажена, имеет место неопределенность направления кровотока.
Для того чтобы решить задачу однозначной оценки истинного спектра в этом случае, надо еще более увеличить частоту F, т.е. перейти к высокой частоте повторения импульсов (режим HPRF — high pulse repetition frequency). В этом случае возможно практически однозначное измерение истинного спектра частот допплеровского сдвига (рис. 29).
Рис. 29. Измерение спектра частот допплеровского сдвига в режиме PW (истинный спектр показан на рис. 24.а).
а — спектр излучаемой пачки импульсов с высокой частотой повторения F.
б — спектр на выходе приемника — форма спектра не искажена, в интервале измерения спектр и направление кровотока оцениваются однозначно.
Имея в виду, что Т = 1/F, можно переписать последнее неравенство F