Цифровое ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода

Настоящее техническое решение относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики. Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение качества диагностики задержки развития плода за счет повышения точности вычислений ЧССП путем автоматической установки положения и величины измерительного доплеровского объема в соответствии с положением сердца плода по глубине зондирования, при этом контроль параметров сигналов со всех глубин зондирования позволяет исключить ошибки обнаружения сигнала сердцебиений и последующего сопровождения ложного сигнала, например, сигнала, порождаемого кровотоком аорты матери, кроме того за счет использования цифрового процессора с элементной базой высокой степени интеграции возможно уменьшение габаритов устройства по сравнению с устройствами выделения ЧССП, использующими для построения приемного тракта аналоговые элементы. Ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода, содержит электрически связанные между собой блок управления передачей-приемом, усилитель мощности, ультразвуковой датчик, входной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, а также цифровой процессор сигналов, который содержит формирователь квадратурных составляющих сигнала, формирователь контрольного объема, полосовой фильтр, амплитудный детектор, автокоррелятор, формирователь частоты сердечных сокращений плода, формирователь параметров доплеровского сигнала, адаптивный формирователь приемного строба, который выполнен с обеспечением возможности динамической корреляции параметров измеряемого объема, а именно его размера и расположения по глубине зондирования для обеспечения оптимального приема эхо-сигналов от движущихся тканей сердца плода. 1 н.п.ф., 6 з.п.ф., 4 ил.

Настоящее техническое решение относится к области медицинского приборостроения, в частности, к устройствам для ультразвуковой эхолокации внутренних органов, и может быть использовано в системах медицинской диагностики.

Из существующего уровня техники известно ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода (ЧССП), которое включает в себя ультразвуковой датчик, блок управления передачей-приемом, высокочастотный усилитель, полосовой фильтр, демодулятор, амплитудный детектор, блок вычисления автокорреляционной функции, формирователь частоты сердцебиений плода (US 5170791 А, опубл. 15.12.1992). Недостатком данного технического решения является то, что длительность строба приема -интервала времени, в течение которого происходит накопление доплеровского сигнала, а также величина его временного сдвига относительно сигнала излучения, являются фиксированными величинами. При этом длительность строба приема выбирается таким образом, чтобы учесть весь диапазон возможных расстояний от датчика до сердца плода. Однако такой выбор длительности строба приема, которая может существенно превышать длительность эхо-сигнала от движущихся структур сердца плода, не является оптимальным с точки зрения согласованной фильтрации эхо-сигнала для получения максимального отношения сигнал-шум. Кроме того, из-за большой длительности строба и, как следствие, отсутствия селекции по глубине локации, одновременно с сигналами сердцебиений плода могут регистрироваться мешающие отражения от элементов кровотока в сосудах матери.

Наиболее близким аналогом к техническому решению является устройство фетального мониторирования, которое содержит ультразвуковой датчик, генератор возбуждения датчика, усилитель, демодулятор, фильтр низких частот, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой процессор сигналов (ЦПС) (W02010035022 A1, опубл. 01.04.2010). Недостатком данного технического решения является то, что хотя с целью улучшения отношения сигнал-шум, а также возможности селекции от источников помеховых сигналов и реализован многоглубинный режим приема, но при этом вся глубина зондирования разбивается на небольшое количество участков по глубине зондирования, положение которых фиксировано, а длительность строба приема не связана с размером области сердцебиений плода, что не позволяет достичь максимального отношения сигнал-шум. Кроме того, большая длительность строба приема данных ограничивает возможности отстройки от источников помеховых сигналов, таких как кровеносные сосуды матери.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение отношения сигнал-шум, а также улучшение возможности отстройки от источников помеховых сигналов путем временной селекции сигнала сердцебиений.

Данная задача решается за счет того, что заявленное ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода, согласно полезной модели, содержит цифровой процессор сигналов, аналого-цифровой преобразователь, ультразвуковой датчик, при этом оно также содержит электрически связанные между собой блок управления передачей-приемом, усилитель мощности, входной усилитель, при этом цифровой процессор сигналов включает формирователь квадратурных составляющих сигнала, формирователь контрольного объема, полосовой фильтр, амплитудный детектор, автокоррелятор, формирователь частоты сердечных сокращений плода, формирователь параметров доплеровского сигнала, а также адаптивный формирователь приемного строба, который выполнен с обеспечением возможности динамической корреляции параметров измеряемого объема, а именно его размера и расположения по глубине зондирования, причем блок управления приемом-передачей соединен с усилителем мощности, аналого-цифровым преобразователем и с формирователем квадратурных составляющих цифрового процессора сигналов, при этом аналого-цифровой преобразователь также соединен с формирователем квадратурных составляющих сигналов, ультразвуковой датчик соединен с усилителем мощности, а также с входным усилителем, при этом формирователь квадратурных составляющих, формирователь контрольного объема, полосовой фильтр, амплитудный детектор, автокорреллятор, формирователь частоты сердечных сокращений плода последовательно соединены между собой в составе цифрового процессора сигналов, при этом полосовой фильтр дополнительно соединен с формирователем параметров доплеровского сигнала.

Предпочтительно, что формирователь квадратурных составляющих сигнала выполнен с возможностью переноса спектра доплеровского сигнала на нулевую частоту и одновременным формированием его квадратурных составляющих.

Предпочтительно, что формирователь контрольного объема включает два сумматора.

Предпочтительно, что сумматоры выполнены с возможностью накопления комплексных отсчетов сигнала в соответствии с положением и размером измерительного объема по глубине зондирования.

Предпочтительно, что блок управления передачей-приемом, усилитель мощности, ультразвуковой датчик выполнены с возможностью генерации сигнала излучения, который представляет собой серию импульсов, при этом частота повторения импульсов в серии равна несущей частоте ультразвукового сигнала, а частота повторения серии импульсов определяется максимальной глубиной зондирования.

Предпочтительно, что полосовой фильтр выполнен с возможностью фильтрации сигнала в полосе частот от F₁ до F₂, при этом частота среза F ₁ определяет область режекции сигналов помех от источников питания и сигналов, порождаемых нежелательным движением ультразвукового датчика, а частота F₂ соответствует максимальной частоте доплеровского сигнала.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение качества диагностики задержки развития плода за счет повышения точности вычислений ЧССП путем автоматической установки положения и величины измерительного доплеровского объема в соответствии с положением сердца плода по глубине зондирования, при этом контроль параметров сигналов со всех глубин зондирования позволяет исключить ошибки обнаружения сигнала сердцебиений и последующего сопровождения ложного сигнала, например, сигнала, порождаемого кровотоком аорты матери за счет наличия в составе устройства перечисленных компонентов, в том числе адаптивного формирователя приемного строба, который выполнен с обеспечением возможности динамической корреляции параметров измеряемого объема, а именно его размера и расположения по глубине зондирования для обеспечения оптимального приема эхо-сигналов от движущиеся тканей сердца плода. Кроме того, за счет использования цифрового процессора с элементной базой высокой степени интеграции возможно уменьшение габаритов устройства по сравнению с устройствами выделения ЧССП, использующими для построения приемного тракта аналоговые элементы.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, не охватывающими и, тем более, не ограничивающими объем притязаний по данному решению, а лишь являющимися иллюстрирующими материалами частного случая выполнения устройства. На чертежах изображено:

На фиг.1 - блок-схема устройства;

На фиг.2 - типичный вид автокорреляционной функции для квазипериодического сигнала;

На фиг.3 - вид спектра сигнала сердцебиения плода и сигнала артериального кровотока матери

На фиг.4 - временная диаграмма работы приемного тракта при фиксированном стробе приема и строба приема, полученным адаптивным способом в соответствии с настоящим техническим решением.

Устройство содержит блок 1 управления передачей-приемом, усилитель 2 мощности, ультразвуковой датчик 3, входной усилитель 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, цифровой процессор сигналов (ЦПС) 6.

ЦПС 6 содержит формирователь 7 квадратурных составляющих сигнала, формирователь 8 контрольного объема, полосовой фильтр 9, амплитудный детектор 10, автокоррелятор 11, формирователь 12 частоты сердечных сокращений плода (формирователь ЧССП), формирователь 13 параметров доплеровского сигнала, адаптивный формирователь 14 приемного строба.

Под стробом приема в контексте данной заявки понимается интервал времени T_SV, в течение которого происходит накопление доплеровского сигнала, а под. измерительным (контрольным) объемом - размер участка глубины зондирования D_SV, соответствующий стробу приема и рассчитываемый по формуле:

где С=1540 м/с - скорость ультразвука в тканях.

Компоненты устройства связаны между собой следующим образом. Блок 1 управления приемом-передачей соединен с усилителем 2 мощности, аналоге-цифровым преобразователем 5 и с формирователем 7 квадратурных составляющих сигналов ЦПС 6, при этом АЦП 5 также соединен с формирователем 7 квадратурных составляющих сигналов.

Ультразвуковой датчик соединен с усилителем мощности, а также с входным усилителем.

Формирователь 7 квадратурных составляющих, формирователь 8 контрольного объема, полосовой фильтр 9, амплитудный детектор 10, автокорреллятор 11, формирователь 12 ЧССП последовательно соединены между собой в составе цифрового процессора 6 сигналов, при этом полосовой фильтр 9 дополнительно соединен с формирователем 13 параметров доплеровского сигнала.

ЦПС может быть реализован, как на основе программируемой логической интегральная схемы, так и с помощью цифрового процессора сигналов широкого применения. В обоих случаях габариты используемой элементной базы позволяют разместить весь цифровой процессор сигналов на одной печатной плате. Подключение к цифровому процессору внешних устройств осуществляется с помощью шин данных.

В устройстве электропитание может производиться как от внешнего адаптера, так и от встроенного аккумулятора.

Работает устройство следующим образом. Перед проведением обследования ультразвуковой датчик 3 размещается в абдоминальной области пациентки таким образом, чтобы формируемый ультразвуковой луч был направлен в область расположения сердца плода.

Блок управления 1 передачей-приемом формирует сигнал возбуждения ультразвукового датчика, который подается на вход усилителя 2 мощности. Усилитель 2 мощности производит усиление мощности сигнала, и далее сигнал возбуждения поступает на ультразвуковой датчик 3.

Сигнал излучения представляет собой серию (пачку) импульсов, при этом частота повторения импульсов в серии равна несущей частоте ультразвукового сигнала f₀ (порядка 1 МГц), а частота повторения серии импульсов PRF

определяется максимальной глубиной зондирования. Например, для максимальной глубины зондирования 24 см, частота повторения пачки импульсов составляет величину PRF=3.2 кГц.

На этапе излучения ультразвукового сигнала ультразвуковой датчик 3 осуществляет преобразование электрического сигнала возбуждения датчика в механические колебания, направляемые в исследуемые ткани и, наоборот, в процессе приема ультразвуковой датчик 3 осуществляет с помощью пьезоэлектрической пластины преобразование механических колебаний, порождаемых отражениями от тканей (доплеровских сигналов) в электрические сигналы.

Принятый датчиком доплеровский сигнал (эхо-сигнал) от движущихся структур сердца плода поступает на входной усилитель 4, который выполняет усиление сигнала в полосе частот, согласованной с длительностью сигнала излучения.

После входного усиления АЦП 5 выполняет преобразование сигнала из аналоговой в цифровую форму с частотой дискретизации F_S, соответствующей полосе принимаемого сигнала. Согласно теореме Котельникова такой подход позволяет обеспечить аналого-цифровое преобразование доплеровского сигнала без потери информации. Частота дискретизации сигнала F_S задается от блока управления передачей-приемом 1.

Высокоростной АЦП 5 позволяет представить доплеровский сигнал на несущей частоте в виде цифровой последовательности отсчетов и производить дальнейшую обработку только в цифровой форме с использованием ЦПС 6. При этом модули обработки сигнала могут быть реализованы как программным, так и аппаратным способом.

Формирователь квадратурных составляющих сигнала 7 осуществляет перенос спектра доплеровского сигнала на нулевую частоту с одновременным образованием его синусных и косинусных составляющих. С этой целью отсчеты доплеровского сигнала, представленные действительными числами, умножаются на значения комплексной экспоненты При этом ормирование значений может быть реализовано табличным способом или с помощью алгоритма итерационного поворота вектора CORDIC (Voider J.E. "The CORDIC trigonometric computing technique", IRE Trans. Electron. Comput, vol.EC - 3, pp.330-334, Sept. 1959). Результаты этой операции представляются комплексными числами.

Формирователь 8 контрольного объема выполняет с помощью двух сумматоров, которые выполнены с возможностью накопления комплексных отсчетов сигнала в соответствии с положением и размером измерительного объема по глубине зондирования, что достигается путем соответствующей установки длительности строба приема и его задержки относительно импульса излучения.

Его параметры вырабатываются адаптивным формирователем 14 параметров приемного строба.

Полосовой фильтр 9 выполняет фильтрацию сигнала в полосе частот от F₁ до F ₂. При этом частота среза F₁ определяет область режекции сигналов помех от источников питания и сигналов, порождаемых нежелательным движением ультразвукового датчика 3, а частота F₂ соответствует максимальной частоте доплеровского сигнала. Например, при несущей частоте ультразвукового сигнала f₀ порядка 1 МГц, полосовая фильтрация осуществляется в диапазоне от 100 Гц до 500 Гц. Результаты полосовой фильтрации одновременно поступают на амплитудный детектор 10 и формирователь параметров доплеровского сигнала 13.

Амплитудное детектирование, выполняемое с помощью амплитудного детектора 10, сводится к вычислению модуля комплексного числа и может быть реализовано как табличным способом, так и с помощью алгоритма итерационного поворота вектора. При использовании метода итерационного поворота вектора для выполнения операции детектирования осуществляется пошаговый поворот в комплексной плоскости вектора, соответствующего комплексному отсчету сигнала. Причем значения последовательности углов и направление поворота на каждом шаге выбираются таким образом, чтобы вектор приближался к оси реальной части комплексных чисел, а число шагов поворота задается исходя из требуемой точности вычислений.

Пример 4-х шагового алгоритма вычисления комплексного числа. Шаг 1. Поворот вектора с координатами (reX, Im Х), соответствующего входному комплексному числу Х, в первый квадрант комплексной плоскости путем отбрасывания знаков чисел, т.е.

Шаг 2. Поворот вектора на угол /4:

Шаг 3. Поворот вектора на угол /8:

Шаг 4. Поворот вектора на угол /16:

При выполнении трех шагов поворота по данному алгоритму относительная ошибка вычисления модуля комплексного числа не превышает 8%, а после 4-х шагов поворота - 3%.

Автокоррелятор 11 выполняет вычисление в заданный момент времени t нормированной автокорреляционной функции АС(1,т) для параметра задержки =m/F_d по формуле:

где АС(m) - значения автокорреляционной функции, A_k(n) - отсчеты амплитуды доплеровского сигнала на входе автокоррелятора 11, полученные за текущий k-й цикл зондирования, N_C - длина корреляции. Из формулы (1) видно, что при вычислении функции автокорреляции выполняется свертка двух фрагментов последовагельности отсчетов входного сигнала, сдвинутых на m отсчетов. Вычисления значений автокорреляционной функции можно производить непосредственно по формуле (1). Однако существенное сокращение объема вычислений достигается при использовании метода быстрой свертки на основе быстрого преобразования Фурье (Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. M.: Техносфера, 2006).

Автокоррелятор 11 производит вычисление АКФ в интервале значений задержек [1/HR_MIN,1/HR_MAX], где соответственно HR_MIN - минимальное возможное значение ЧССП (порядка 50 ударов в минуту), a HR_MAX - максимальное возможное значение ЧССП (порядка 240 ударов в минуту).

Вследствие того, что доплеровский сигнал является периодическим с интервалом сердечных сокращений, Т_ПИ, функция автокорреляции AC(k) будет иметь пики при задержках =qТ_ПИ, где q - целое число (см. фиг.2).

Поскольку расстояние между пиками автокорреляционной функции и есть величина пульсового интервала Т_РИ, то формирователь 12 ЧССП осуществляет поиск пиков автокорреляционной функции и определяет расстояние между ними.

В формирователе 13 параметров доплеровского сигнала производится оценка параметров доплеровского сигнала по глубине зондирования на основе автокорреляционного метода. Автокорреляционный метод позволяет определить доплеровское смещение на основе вычисления разности фаз между доплеровскими сигналами от последовательных зондирований. Причем разность фаз определяется между доплеровскими сигналами с одних и тех же участков глубины. Наряду с доплеровским смещением автокорреляционный метод позволяет оценить ширину спектра доплеровских частот и энергию доплеровского сигнала. Именно на основе формирования и анализа этих параметров сначала выполняется выделение всех участков доплеровского сигнала по глубине зондирования, а затем - на основе анализа параметров доплеровского сигнала выделенных участках глубины зондирования области доплеровского сигнала, обусловленной сердцебиениями плода.

В соответствии с автокорреляционным методом для k-го интервала глубины зондирования значение средней доплеровской частоты V_k и ширина спектра доплеровских частот V_k вычисляются по формулам:

где

V_max=PRF/2 - максимальная измеряемая скорость;

R_k (Т) - оценка автокорреляционной функции;

P_k - значение мощности доплеровского сигнала;

U_k[n·T]. отсчет сигнала с выхода полосового фильтра 9, соответствующий А-му интервалу глубины в n-м такте зондирования, представляющий собой комплексное число:

N>2 - число тактов зондирования для формирования одной линии ЦДК;

Т=1/PRF - период повторения импульсов зондирования;

* - операция комплексного сопряжения.

Выделение строба приема для сигнала сердцебиений плода выполняется в адаптивном формирователе 14 приемного строба в два этапа:

- на первом этапе выделяются участки глубины зондирования, на которых регистрируется доплеровский сигнал;

- на втором этапе из всех выделенных участков доплеровского сигнала выбирается участок, соответствующий сердцебиениям плода.

Выделение участков регистрации доплеровского сигнала производится путем пороговой обработки сформированных значений мощности доплеровского сигнала {P_n}. Область зондирования, для которой мощность доплеровского

сигнала превышает заданное пороговое значение, соответствует положению движущихся структур, к которым могут относиться как сердце плода, так и элементы кровотока матери.

Участок глубины зондирования доплеровского сигнала, относящегося к сердцебиениям плода, среди всех выделенных на первом этапе участков регистрации доплеровского сигнала, выделяется по следующим признакам:

- Средняя частота сигнала сердцебиения плода V_k меньше средней частоты сигнала кровотока;

- Сигнал сердцебиения плода более узкую полосу частот V_k по сравнению с сигналом кровотока.

- Энергия доплеровского сигнала сердцебиения плода P_k больше энергии сигнала кровотока

При этом вычисление параметров V_k, V_k, P_k для каждого участка глубины, на котором регистрируется доплеровский сигнал, производится соответственно по формулам (2), (3) и (5). Типичный вид спектра сигнала сердцебиения плода и сигнала артериального кровотока матери проиллюстрирован на фиг.3. В отличие от спектра сигнала кровотока спектр сигнала сердцебиения плода располагается в области низких -частот, имеет большую амплитуду и более узкую полосу частот.

На фиг.4 представлен стандартный фиксированный строб приема (см. график в на фиг.4) и строб приема, полученный адаптивным способом в соответствии с настоящим техническим решением (см. график г на фиг.4). Параметры фиксированного строба (график в на фиг.4) выбираются таким образом, чтобы задержка _SV относительно импульса излучения (график а на фиг.4) и его длительность T_SV соответствовали анализируемой глубине зондирования. Вследствие большой длительности строба приема, в выделяемый им временной интервал могут попасть как сигнал 15 сердцебиений плода, так сигнал 16 от кровеносного сосуда матери (см. график 6 на фиг.4). Кроме того, длительность строба значительно превышает длительность сигнала сердцебиений, что не является оптимальным для получения максимального отношения сигнал-шум. Этих недостатков лишен приемный строб (см. график г на фиг.4), полученный адаптивным способом в соответствии с настоящим техническим решением. В данном случае при изменении положения плода в процессе обследования будут изменяться положение и размер приемного строба таким образом, чтобы обеспечить регистрацию только доплеровских сигналов от движущихся тканей сердца плода.

Автоматическая система отслеживания положения сердца плода и его размера по глубине локации реализуется в настоящем техническом решении на основе полностью цифрового тракта приема и обработки доплеровского сигнала. Аналого-цифровой преобразователь осуществляет преобразование доплеровского сигнала в цифровую форму непосредственно на несущей частоте, и все последующие этапы цифровой обработки доплеровского сигнала после аналого-цифрового преобразования реализуются цифровым процессором сигналов. При этом за счет применения элементной базы высокой степени интеграции уменьшаются габариты устройства по сравнению с устройствами выделения ЧССП, использующие для построения приемного тракта аналоговые элементы.

Таким образом, адаптивная установка приемного строба позволяет сузить величину измерительного доплеровского объема до размеров области сердцебиениям плода и установить положение измерительного объема в соответствии с нахождением сердца плода по глубине зондирования. А контроль параметров сигналов со всех глубин зондирования позволяет исключить ошибки обнаружения сигнала сердцебиений и последующего сопровождения ложного сигнала, например, сигнала, порождаемого кровотоком аорты матери.

1. Ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода, включающее цифровой процессор сигналов, аналого-цифровой преобразователь, ультразвуковой датчик, отличающееся тем, что оно также содержит электрически связанные между собой блок управления передачей-приемом, усилитель мощности, входной усилитель, при этом цифровой процессор сигналов включает формирователь квадратурных составляющих сигнала, формирователь контрольного объема, полосовой фильтр, амплитудный детектор, автокоррелятор, формирователь частоты сердечных сокращений плода, формирователь параметров доплеровского сигнала, а также адаптивный формирователь приемного строба, который выполнен с обеспечением возможности динамической корреляции параметров измеряемого объема, а именно его размера и расположения по глубине зондирования, причем блок управления приемом-передачей соединен с усилителем мощности, аналого-цифровым преобразователем и с формирователем квадратурных составляющих цифрового процессора сигналов, при этом аналого-цифровой преобразователь также соединен с формирователем квадратурных составляющих сигналов, ультразвуковой датчик соединен с усилителем мощности, а также с входным усилителем, формирователь квадратурных составляющих, формирователь контрольного объема, полосовой фильтр, амплитудный детектор, автокорреллятор, формирователь частоты сердечных сокращений плода последовательно соединены между собой в составе цифрового процессора сигналов, при этом полосовой фильтр дополнительно соединен с формирователем параметров доплеровского сигнала.

2. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь квадратурных составляющих сигнала выполнен с возможностью переноса спектра доплеровского сигнала на нулевую частоту и одновременным формированием его квадратурных составляющих.

3. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь контрольного объема включает два сумматора.

4. Ультразвуковое устройство по п.3, отличающееся тем, что сумматоры выполнены с возможностью накопления комплексных отсчетов сигнала в соответствии с положением и размером измерительного объема по глубине зондирования.

5. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что блок управления передачей-приемом, усилитель мощности, ультразвуковой датчик выполнены с возможностью генерации сигнала излучения, который представляет собой серию импульсов, при этом частота повторения импульсов в серии равна несущей частоте ультразвукового сигнала, а частота повторения серии импульсов определяется максимальной глубиной зондирования.

6. Ультразвуковое устройство по п.1, отличающееся тем, что полосовой фильтр выполнен с возможностью фильтрации сигнала в полосе частот от F₁ до F ₂, при этом частота среза F₁ определяет область режекции сигналов помех от источников питания и сигналов, порождаемых нежелательным движением ультразвукового датчика, а частота F ₂ соответствует максимальной частоте доплеровского сигнала.