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.
Из существующего уровня техники известно ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода (ЧССП), которое включает в себя ультразвуковой датчик, генератор возбуждения датчика, полосовой фильтр, демодулятор, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления автокорреляционной функции (United States Patent 3,982,528, опубл. 28.09.1976). Недостатком данного технического решения является то, что любые резкие изменения формы автокорреляционной функции эхо-сигнала, возникающие, например, при толчках плода приводят к существенному ухудшению точности измерений, а в некоторых случае даже и к полной потере сигнала.
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство измерения периода квазипериодического сигнала сердцебиений плода, которое содержит ультразвуковой датчик, генератор возбуждения датчика, полосовой фильтр, демодулятор, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, ресемплер, блок вычисления автокорреляционной функции, усредняющий фильтр, формирователь ЧССП (United States Patent 5,584,295, опубл. 17.12.1996). Недостатком данного технического решения является то, что использование в составе устройства усредняющих рекурсивных фильтров хотя и обеспечивает улучшение отношения сигнал-шум, но при этом приводит к увеличению динамической ошибки измерения ЧССП. А именно вариабельность сердечного ритма от удара к удару является наиболее важным диагностическим параметром при оценке задержки развития плода (Медведев М.В., Юдина Е.В. Задержка внутриутробного развития плода. М: РАВУЗДПГ., 1998).
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является уменьшение потерь сигнала сердцебиений и повышение точности вычислений ЧССП.
Данная задача решается за счет того, что заявленное ультразвуковое устройство для измерения частоты сердечных сокращений плода, согласно полезной модели, содержит приемо-передающий модуль, включающий в составе своих электронных компонентов ультразвуковой датчик и амплитудный детектор и электрически связанные с ним и между собой модуль формирования доверительного значения пульсового интервала (ПИ) и модуль формирования оценки частоты сердечных сокращений плода (ЧССП), причем модуль формирования доверительного значения пульсового интервала в составе своих электронных компонентов содержит медианный фильтр, который связан с блоком выбора базового значения пульсового интервала, входящего в состав электронных компонентов модуля формирования оценки частоты сердечных сокращений плода (ЧССП).
Приемо-передающий модуль предпочтительно включает соединенные между собой в электрической цепи блок управления, усилитель мощности, ультразвуковой датчик, входной усилитель, демодулятор, аналого-цифровой преобразователь, полосовой фильтр, амплитудный детектор.
Ультразвуковой датчик, входной усилитель, демодулятор, аналого-цифровой преобразователь, полосовой фильтр, амплитудный детектор могут быть соединены между собой в электрической цепи последовательно.
Блок управления может быть соединен с усилителем мощности, а также с демодулятором.
Усилитель мощности может быть соединен с ультразвуковым датчиком.
Модуль формирования доверительного значения пульсового интервала, помимо медианного фильтра, может включать соединенные между собой в электрической цепи ресемплер, блок вычисления АКФ, блок поиска пиков АКФ, селектор значений ПИ.
Ресемплер, блок вычисления АКФ, блок поиска пиков АКФ, селектор значений ПИ и медианный фильтр могут быть соединены между собой последовательно.
Блок вычисления АКФ может быть соединен с амплитудным детектором приемо-передающего модуля.
Ресемплер может быть соединен с амплитудным детектором приемопередающего модуля.
Модуль формирования оценки частоты сердечных сокращений плода может включать, помимо блока выбора базового значения ПИ, также блок вычисления АКФ и формирователь частоты сердечных сокращений плода.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшение качества диагностики задержки развития плода за счет повышения точности вычислений частоты сердечных сокращений плода, кроме того использование в предложенном техническом решении медианного фильтра позволяет полностью подавить одиночные выбросы значений ПИ, не искажая при этом тренд изменений ПИ, поскольку медианный фильтр представляет собой оконный фильтр, последовательно скользящий по массиву данных и позволяет осуществлять сортировку в порядке возрастания (или убывания) отсчетов данных внутри окна.
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 автокорреляционной функции при наличии и отсутствии шумов, одинаковых и изменяющихся интервалах между сердцебиениями.
Устройство включает приемо-передающий модуль 1, модуль формирования доверительного значения пульсового интервала 2, модуль формирования оценки ЧССП 3.
Приемо-передающий модуль 1 содержит блок управления 4, усилитель мощности 5, ультразвуковой датчик 6, входной усилитель 7, демодулятор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, полосовой фильтр 10, амплитудный детектор 11.
Модуль формирования доверительного значения ПИ 2 содержит ресемплер 12, блок вычисления автокорреляционной функции (АКФ) 13, блок поиска пиков 14 АКФ, селектор значений пульсовых интервалов 15, медианный фильтр 16. Блок выбора базового значения ПИ 17, блок вычисления АКФ 18, формирователь ЧССП 19 (модуль формирования оценки ЧССП 3).
Работает устройство следующим образом. Перед проведением обследования ультразвуковой датчик размещается в абдоминальной области пациентки таким образом, чтобы формируемый ультразвуковой луч был направлен на сердце плода.
В приемо-передающем модуле 1 блок управления передачей- приемом 4 формирует сигнал возбуждения ультразвукового датчика, который подается на вход усилителя мощности 5. Усилитель мощности 5 производит усиление мощности сигнала, и далее сигнал возбуждения поступает на ультразвуковой датчик 6.
0
Сигнал излучения представляет собой пачку импульсов, при этом частота повторения импульсов в пачке равна несущей частоте f (порядка 1 МГц), а частота повторения пачки импульсов PRF определяется максимальной глубиной зондирования. Например, исходя из максимальной глубины зондирования 24 см, частота повторения пачки импульсов составляет величину PRF=3.2 кГц.
На этапе излучения ультразвукового сигнала ультразвуковой датчик 6 осуществляют преобразование электрического сигнала возбуждения датчика в механические колебания, направляемые в исследуемые ткани и, наоборот, выполняют в процессе приема преобразование механических колебаний, порождаемых отражениями от тканей, в электрические эхо-сигналы.
Принятый датчиком эхо-сигнал от движущихся структур сердца плода поступает на входной усилитель 7, который выполняет усиление сигнала в полосе частот, согласованной с длительностью пачки излучения.
Сигнал с входного усилителя 7 поступает на демодулятор 8, осуществляющего перенос спектра эхо-сигнала в область низких частот и выделение участка глубины зондирования, с которой принимается эхо-сигнал. На выходе демодулятора 8 формируется сигнал, частота которого пропорциональна доплеровскому смещению частоты эхо-сигнала, вызванному движением сердца плода.
Аналого-цифровой преобразователь 9 выполняет преобразование эхо-сигнала из аналоговой формы в цифровую форму. При этом частота дискретизации АЦП равна частоте повторения импульсов излучения. Вся последующая обработка сигнала производится в цифровой форме.
Полосовой фильтр 10 представляет один вариантов реализации стандартного цифрового фильтра и выполняется выделение анализируемого диапазона доплеровских частот. При этом нижняя частота среза определяет область режекции сигналов помех от источников питания и сигналов, порождаемых нежелательным движением ультразвукового датчика 6, а верхняя частота среза соответствует максимальной частоте доплеровского сигнала.
Амплитудный детектор 11 выполняет формирование огибающей доплеровского сигнала. Для выделения огибающей сигнала сначала вычисляется абсолютное значение каждого отсчета сигнала. Затем выполняется низкочастотная фильтрация.
Сформированные отсчеты амплитуды доплеровского сигнала одновременно поступают на модуль формирования доверительного значения ПИ 2 и модуль формирования оценки ЧССП 3.
Алгоритм измерения пульсовых интервалов аналогичен методу обнаружения и сопровождения цели в радиолокации, в соответствии с которым на начальном этапе выполняется режим обзора для обнаружения и грубой оценки координат цели в широком пространственном секторе, затем, когда цель обнаружена, включается режим сопровождения для уточнения координат в узком пространственном секторе.
На основе изложенного принципа алгоритм выделения пульсовых интервалов также включает в себя два основных этапа. При включении режима записи сначала производится поиск доверительного значения пульсового интервала  с грубой шкалой переключения задержек во всем диапазоне возможных значений пульсового интервала (режим обзора). Затем включается режим точного отслеживания значений пульсовых интервалов в ограниченной области значений, центр которой в начальный момент будет соответствовать величине . Далее в качестве центральной величины области значений используется предыдущее измерение пульсового интервала  (режим сопровождения). Когда разность между текущим измерением  и доверительным значением  начнет превышать предельно допустимую величину, то это указывает на то, что происходит срыв слежения. В этом случае в качестве центра области значений для измерения ЧССП снова используется доверительное значение.
Формирование доверительного значения пульсового интервала  реализуется в модуле формирования доверительного значения ПИ 2. Поскольку на данном этапе обработки не требуется максимальная точность вычислений, то для сокращения вычислительных затрат с помощью ресемплера 12 устанавливается минимально возможная в соответствии с теоремой Котельникова частота дискретизации сигнала.
MIN
MAX
MIN
MAX
Блок вычисления АКФ 13 производит вычисление АКФ в интервале значений задержек [1/HRM, 1/HR], где соответственно HR - минимальное возможное значение ЧССП (порядка 50 ударов в минуту), a HR - максимальное возможное значение ЧССП (порядка 240 ударов в минуту).
В блоке вычисления АКФ 13 производится вычисление нормированной автокорреляционной функции АС(t,τ) для параметра задержки τ по формуле:
d
d
C
где  - значение нулевого лага (нулевой задержки) автокорреляционной функции, равное энергии сигнала, τ=m/F, F - частота дискретизации сигнала, n - целое число, m - целое число, S(t) - отсчеты амплитуды эхо-сигнала на входе блока вычисления АКФ 13, N - длина фрагмента последовательности отсчетов сигнала, используемых для вычисления. Из формулы (1) видно, что при вычислении функции автокорреляции выполняется свертка двух фрагментов последовательности 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. М.: Техносфера, 2006).
ПИ
ПИ
ПИ
ПИ
Поскольку доплеровский сигнал является периодическим с интервалом сердечных сокращений, Т, то функция автокорреляции АС(τ) будет иметь пики при задержках τ=qT, где q - целое число (см. фиг.2). Ближайший к нулевой задержке (τ=0) и находящийся от нее на расстоянии τ=T пик функции AC(t,τ) называется главным пиком. Положение главного пика соответствует частоте сердечных сокращений FR=1/Т.
Поскольку анализируемый сигнал обычно представляет собой аддитивную смесь полезного сигнала и шума, то за счет интегрирования сигнала в процессе формирования автокорреляционной функции повышается отношение сигнал-шум. И чем больше интервал накопления сигнала при формировании автокорреляционной функции, тем больше отношение сигнал-шум. Если интервал накопления уменьшается, то соответственно уменьшается отношение сигнал-шум на выходе блока вычисления АКФ, и ухудшается качество выделения периодических компонент полезного сигнала.
Однако улучшение точности выделения сердцебиений плода путем увеличения времени накопления ограничивается тем, что сердцебиения плода не являются строго периодическими и изменяются от удара к удару. При этом сигнал сердцебиений можно рассматривать как квазипериодический процесс. А задача фетального монитора состоит как раз в том, чтобы отследить кратковременную вариабельность сердечного ритма плода, которая является важным диагностическим параметром (Медведев М.В., Юдина Е.В. Задержка внутриутробного развития плода. М: РАВУЗДПГ., 1998).
Квазипериодичность сигнала приводит к тому, что с увеличением задержки уменьшается высота пиков автокорреляционной функции, и происходит их расширение (см. фиг.2). По этой причине с целью уменьшения динамической ошибки, обусловленной квазипериодичностью сердцебиений плода, следует уменьшать время накопления сигнала в процессе формирования автокорреляционной функции.
C
C
MIN
MAX
Таким образом, существует компромисс между возможностью подавления уровня шумов и возможностью отслеживания вариабельности сердечного ритма. Соответственно, время накопления автокорреляционной функции должно выбираться с учетом как статистической погрешности из-за шумов тракта, так и динамической погрешности вследствие изменения периодичности сигнала сердцебиений. Обычно длина корреляции N выбирается равной приблизительно 2-3-м интервалам сердечных сокращений. Поскольку априорно не известно значение ЧССП, то вычисление АКФ производится для определенного количества значений (порядка 10-ти) длины последовательности отсчетов сигнала N, равномерно перекрывающих весь интервал возможных значений ЧССП [l/HR, 1/HR].
ПИ
Каждое вычисление АКФ завершается поиском главного пика в блоке поиска пиков АКФ 14. Значение амплитуды главного пика и его положение на оси задержек - значение Т поступают в селектор значений ПИ 15, где производится оценка качества сформированной АКФ.
Для оценки качества сформированной АКФ может быть использован коэффициент достоверности, представляющий собой отношение:
r
0
где А - амплитуда главного пика корреляционной функции, относящегося к значению пульсового интервала, а А - амплитуда нулевого лага корреляционной функции (United States Patent 5170791, опубл. 15.12.1992). Поскольку блок вычисления АКФ 13 производится вычисление автокорреляционной функции, нормированной значением нулевого лага, то для количественной оценки качества сформированной корреляционной функции можно использовать непосредственно амплитуду главного пика.
Коэффициент достоверности Кд характеризует качество формируемой автокорреляционной функции и, соответственно, качество принимаемого ультразвукового сигнала. На фиг.3 приведен вид АКФ для трех случаев:
A) идеальный случай, когда отсутствует шум и временные интервалы между сердцебиениями одинаковые (отсутствует динамическая ошибка);
Б) шум отсутствует, но временные интервалы между сердцебиениями неодинаковые.
B) интервалы между сердцебиения одинаковые, но присутствует шум.
Д
Д
Как видно из фиг.3, в первом случае, когда отсутствуют вызываемая шумами флуктуационная ошибка и динамическая ошибки из-за нестабильности сердечного ритма коэффициент достоверности К=1. Как при наличии шумов, так и при изменении сердечного ритма коэффициент К<1.
ПИ
При коэффициенте достоверности Кд, меньшем некоторого порогового значения, считается, что качество сформированной АКФ низкое и измеренное и измеренное по ней значение пульсового интервала не используется в последующей обработке. Отобранные в соответствии с выше изложенным критерием текущие значения пульсовых интервалов Т из селектора значений ПИ 15 поступают на медианный фильтр 16.
Медианный фильтр более эффективно подавляет резкие изменения значений ПИ, чем используемый в уровне техники рекурсивный усредняющий фильтр. В отличие от усредняющего фильтра медианный фильтр полностью подавляет одиночные выбросы значений ПИ, не искажая при этом тренд изменений ПИ. Медианный фильтр представляет собой оконный фильтр, последовательно скользящий по массиву данных и сводится к сортировке в порядке возрастания (или убывания) отсчетов данных внутри окна. (Хуанг Т.С. и др. Быстрые алгоритмы в цифровой обработке изображений. - М.: Радио и связь, 1984).
Сформированное на выходе медианного фильтра 16 доверительное значение ПИ  представляет собой значение, близкое к измеряемому значению ЧССП и используется в формировании интервала поиска главного пика АКФ в процессе точной оценки ЧССП.
Доверительное значение ПИ  поступает в модуль формирования оценки ЧССП 3, где используется для выбора базового значения  в блоке выбора базового значения ПИ 17. Если разность между доверительным значением  и измеренным значением ПИ  превышает предельно допустимую величину, то в качестве базового значения  используется доверительное значение , в противном случае за базовое значение принимается текущее измеренное значение ПИ .
В свою очередь базовое значение  определяет при реализации точных измерений середину интервала поиска главного пика АКФ: . Параметр ΔHR относится к физиологическим особенностям сердца плода кратковременно изменять частоту сердечных сокращений и задается таким образом, чтобы при выполнении последовательных измерений главные пики АКФ находились в пределах отрезка  даже при самых быстрых изменениях сердечного ритма.
Измеренное значение ПИ  поступает в формирователь ЧССП 19, где оно пересчитывается в значение HR по формуле:
Таким образом, использование предложенного технического решения позволяет улучшить качество диагностики задержки развития плода за счет повышения точности вычислений ЧССП. При этом использование в предложенном техническом решении медианного фильтра позволяет полностью подавить одиночные выбросы значений ПИ, не искажая при этом тренд изменений ПИ.