УСТРОЙСТВО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДОППЛЕРОВСКОГО МОНИТОРИРОВАНИЯ

Настоящая полезная модель относится к области медицинского приборостроения, в частности к устройствам для неинвазивного контроля гемодинамики церебрального кровотока и автоматической регистрации эмболов.
Единственной неинвазивной методикой, позволяющей констатировать факт наличия эмболии по магистральным артериям головного мозга, является транскраниальный допплеровский мониторинг, выполняемый с помощью специальных ультразвуковых допплеровских приборов. В процессе транскраниального допплеровского мониторинга производится оценка характеристик мозгового кровотока и церебральной микроэмболии.
Стандартный допплеровский мониторинг обычно проводится в условиях стационара и длится от 30 до 60 минут. Но даже это время мониторинга плохо переносится пациентом из-за надетого на голову некомфортного шлема, а также из-за необходимости ограничения двигательной активности во избежание появления артефактов и потерь записи. Однако для надежной оценки параметров эмболизации часто требуется значительно большее время мониторинга, поскольку при многих заболеваниях, таких, например, как мерцательная аритмия, появления эмболов являются достаточно редкими событиями, интервалы времени между которыми могут превышать один час. Поэтому для расширения диагностических возможностей актуально создание устройства длительного непрерывного мониторинга церебрального кровотока по аналогии с холтеровским мониторированием для непрерывной длительной регистрации ЭКГ. Длительный допплеровский мониторинг позволит также решить проблему подбора лекарств, предотвращающих эмболизацию, для больных, перенесших микроинсульт или инсульт, оценить клиническую эффективность применяемых лекарственных средств в каждом конкретном случае.
Из существующего уровня техники известно устройство билатерального мониторинга мозгового кровотока (Multigate Transcranial Doppler Ultrasound System with Real-Time Embolic Signal Identification and Archival/. IEEE Transactions, Ferroelectric and Frequency Control, vol. 53, No 10, October 2006, pp. 1853-1861), в состав которого входят: два ультразвуковых (УЗ) датчика, которые подключены к двухканальному приемопередатчику УЗ сигналов, приемо-передатчик содержит формирователь импульсов возбуждения УЗ датчиков, цифровой демодулятор, модуль управления и синхронизации, выход приемопередатчика подключен к входу цифрового процессора сигналов, который выполняет обработку сигналов кровотока и реализует обмен информацией по шине с персональным компьютером. Устройство выполняет следующие функции:
• Запись параметров кровотока;
• Автоматическое обнаружение эмболов и их регистрацию;
• Анализ характеристик церебральной микроэмболии в режиме постобработки;
• Формирование отчетов и заключений на основе экспертного анализа результатов мониторинга.
Недостатком этого устройства является то, что устройство состоит из отдельного электронного блока и стандартного персонального компьютера, которые соединены между собой проводами. Это затрудняет перемещение прибора, а также устройство имеет большие габаритные размеры. Данное устройство может быть использовано только в условиях стационарного медицинского учреждения.
Также из уровня техники известно устройство, содержащее два УЗ датчика, подключенные к коммутатору, соединенному с двумя цифровыми импульсно допплеровскими модулями, один из которых осуществляет обмен информацией с хост-компьютером. Хост-компьютер реализует управление работой устройства при поступлении команд от подключенного к нему пульта управления и формирует графическую и текстовую информацию на дисплее, вход которого соединен с соответствующим выходом хост-компьютера (см., напр., United States Patent 7,537,568, опубл. 26.05.2009). В данном устройстве режим формирования окна цветового допплеровского картирования по всей глубине зондирования и режим формирования спектра допплеровских частот и звукового допплеровского сигнала выполняются одновременно. Недостатком данного устройства является то, что для обеспечения необходимой производительности для одновременной реализации вышеуказанных режимов используются два аппаратных модуля, каждый аппаратный модуль в свою очередь представляет собой многопроцессорную систему, состоящую из 4-х стандартных процессоров сигналов TMS320c55. Такое выполнение обуславливает большую потребляемую мощность и массогабаритные характеристики устройства (порядка 20 кг), ограничивающие его использование только в условиях стационарного медицинского учреждения. При этом связь между пациентом и устройством осуществляется с помощью проводных соединений, в результате чего пациент в процессе мониторинга должен постоянно находится рядом с прибором. Эти обстоятельства не позволяют производить с помощью данного устройства длительный непрерывный мониторинг церебрального кровотока в амбулаторных условиях и на дому.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание портативного автономно носимого устройства для проведения длительной регистрации церебрального кровотока при свободных перемещениях пациента с последующей загрузкой результатов мониторинга на персональное место врача-эксперта.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном устройстве ультразвукового допплеровского мониторирования, содержащем ультразвуковые датчики, выходы которых выполнены с возможностью соединения с входами коммутатора, который соединен на вход с трактом формирования зондирующих сигналов, и соединен на выход с трактом приема эхо-сигналов, соединенным с входом цифрового процессора сигналов, имеющего двустороннюю связь с универсальным процессором, согласно техническому решению, устройство снабжено синхронизатором, тракт формирования зондирующих сигналов состоит из формирователя сигналов возбуждения, соединенного с входом палсера, выход которого соединен с входом коммутатора, тракт приема эхо-сигналов содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель, усилитель с изменяющимся по времени коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с входом цифрового процессора сигналов, при этом тракт формирования зондирующих сигналов, цифровой процессор сигналов и синхронизатор реализованы на одном кристалле FPGA, причем цифровой процессор сигналов выполнен в виде программно-аппаратного ядра, в состав которого входят программируемые элементы FPGA и элементы FPGA с жесткой логикой работы, с обеспечением возможности одновременной реализации режима формирования окна цветового допплеровского картирования по всей глубине зондирования и режима формирования спектра допплеровских частот и звукового допплеровского сигнала, а универсальный процессор соединен с разъемом карты памяти, сенсорным экраном и блоком обмена информацией.
Блок обмена информацией может быть оснащен модулем интерфейса WiFi.
Блок обмена информацией может быть оснащен модулем интерфейса USB.
Техническим результатом, достигаемым приведенной совокупностью признаков, является обеспечиваемое портативность снижение массогабаритных характеристик устройства за счет реализации его цифровых элементов на одном кристалле FPGA, выполнении цифрового процессора сигналов в виде программно-аппаратного ядра, имеющего в своем составе программируемые элементы FPGA и элементы FPGA с жесткой логикой работы и обеспечивающего возможность одновременной реализации режима формирования окна цветового допплеровского картирования по всей глубине зондирования и режима формирования спектра допплеровских частот и звукового допплеровского сигнала, а также за счет снабжения универсального процессора блоком обмена информацией, соединенным с сенсорным экраном и разъемом карты памяти для реализации возможности отображения и передачи данных.
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 фиг. 1 изображена блок-схема устройства ультразвукового допплеровского мониторирования;
на фиг. 2 - схема расположения ультразвуковых датчиков для выполнения билатерального мониторинга церебрального кровотока;
на фиг. 3 - блок-схема обработки эхо-сигнала в режиме цветового допплеровского картирования;
на фиг. 4 - блок-схема обработки эхо-сигнала в режиме спектрального анализа
на фиг. 5 - блок-схема комплекса длительного допплеровского мониторинга;
Устройство ультразвукового допплеровского мониторирования предназначено для выделения допплеровского сигнала кровотока ультразвуковым методом, длительной записи его во внутренней памяти и передачи накопленных данных для последующей обработки на базовую станцию с помощью проводного или беспроводного интерфейсов. При этом устройство выполняет следующие основные функции:
• Выполнение зондирования методом ультразвуковой эхолокации и регистрация сигналов кровотока одновременно двух исследуемых сосудов (билатеральный мониторинг);
• Прием, усиление и предварительная фильтрация эхо-сигнала (аналоговый фронт-энд);
• Аналого-цифровое преобразование эхосигнала непосредственно на несущей частоте;
• Синхронную демодуляцию сигнала путем переноса спектра сигнала на нулевую частоту и низкочастотной фильтрации;
• Звуковое воспроизведение допплеровского сигнала кровотока;
• Запись допплеровского сигнала кровотока во внутреннюю память устройства;
• Передачу в базовую станцию результатов мониторинга;
• Прием информации из базовой станции.
Устройство ультразвукового допплеровского мониторирования содержит ультразвуковые датчики 1, выходы которых выполнены с возможностью соединения с входами коммутатора 2, тракт 3 формирования зондирующих сигналов, состоящий из формирователя 4 сигналов возбуждения, соединенного с входом пал сера 5. Тракт 3 формирования зондирующих сигналов соединен через выход палсера 5 со входом коммутатора 2. Тракт 6 приема эхо-сигналов содержит последовательно соединенные малошумящий усилитель 7, усилитель 8 с изменяющимся по времени коэффициентом усиления, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9. Выход коммутатора 2 подключен к тракту 6 приема эхо-сигналов через вход малошумящего усилителя 7. Тракт 6 приема эхо-сигналов через выход аналого-цифрового преобразователя 9 соединен с входом цифрового процессора сигналов (ЦПС) 10, имеющего двустороннюю связь с универсальным процессором 11, выход которого подключен к разъему 12 для подключения съемной карты памяти, например SD-карты. К универсальному процессору 11 с помощью отдельных двухсторонних шин подключен сенсорный экран 13 и блок обмена 14 информацией, который включает в себя модуль 15 интерфейса WiFi и/или модуль 16 интерфейса USB. Устройство снабжено синхронизатором 17, выполненным с обеспечением возможности формирования временных диаграмм сигналов, и блоком 18 питания, который снабжен аккумулятором 19. Тракт 3 формирования зондирующих сигналов, цифровой процессор сигналов (ЦПС) 10 и синхронизатор 17 реализованы на одном кристалле FPGA. Цифровой процессор сигналов (ЦПС) 10 выполнен в виде программно-аппаратного ядра, в состав которого входят программируемые элементы FPGA и элементы FPGA с жесткой логикой работы. Цифровой процессор сигналов (ЦПС) 10 выполнен с обеспечением возможности одновременной реализации режима формирования окна цветового допплеровского картирования по всей глубине зондирования (М-режим) и режима формирования спектра допплеровских частот и звукового допплеровского сигнала (D-режим).
В основу работы устройства заложен принцип ультразвуковой эхолокации. В однородной среде ультразвуковые волны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью. На границе сред с неодинаковой акустической плотностью часть ультразвукового луча отражается и рассеивается. Чем выше градиент перепада акустической плотности пограничных сред, тем большая часть ультразвуковых колебаний отражается. Для систем медицинской ультразвуковой диагностики используются частоты ультразвука от 1 до 15 МГц. Чем выше частота ультразвука, тем выше разрешающая способность ультразвукового аппарата, однако тем меньше глубина проникновения. При проведении транскраниальных допплеровских обследований частота 2 МГц является основной рабочей частотой с глубиной проникновения ультразвука до 130 мм.
Билатеральный допплеровский мониторинг производится путем локации двух средних мозговых артерии (СМА) слева и справа головы, являющихся самыми крупными артерией головного мозга (см.фиг. 2). По ним поступает до 80-ми процентов кровотока, снабжающего головной мозг. Анатомическое расположение СМА, позволяет осуществлять их быстрый поиск и обеспечить устойчивый УЗ сигнал. Локация через среднее темпоральное окно (Middle Temporal Window) достаточно точно соответствует значению скорости кровотока в СМА, а угол между вектором потока крови и направлением УЗ датчика приближается к нулю. При локации через среднее темпоральное окно датчики 1 располагаются с двух сторон головы так, чтобы ультразвуковые лучи проходили перпендикулярно поверхности головы.
За счет выполняемой в процессе работы устройства коммутации ультразвуковых датчиков 1 с помощью коммутатора 2 производится поочередное выполнение циклов зондирования (через одно зондирование).
Входящий в состав тракта 3 формирования зондирующих сигналов формирователь 4 сигнала возбуждения формирует пачку импульсов возбуждения. При этом длительность импульсов соответствует установленному оператором уровню мощности излучения, временной интервал между импульсами - рабочей частоте ультразвуковых датчиков 1, а его период повторения пачек импульсов - анализируемой глубине зондирования.
0
0
Для формирования зондирующих ультразвуковых сигналов, подаваемых на ультразвуковые датчики 1, используется палсер 5, на который поступает последовательность импульсов возбуждения разной длительности от формирователя 4 импульсов возбуждения. Путем изменения длительности импульсов возбуждения формируется необходимая амплитуда сигнала возбуждения датчика методом ШИМ - широтно-импульсной модуляции. Расстояние между импульсами при этом составляет величину, равную 1/2F, где F - основная частота излучения.
В тракте 6 приема эхо-сигналов малошумящий усилитель 7 обеспечивает коэффициент усиления порядка 20 дБ. Для допплеровского картирования кровеносных сосудов с высоким разрешением используется малошумящий усилитель с широкой полосой пропускания, составляющей величину порядка 50% от несущей частоты, т.е. порядка 1 МГц. Усилитель 8 с изменяющимся по времени коэффициентом усиления обеспечивает перестройку усиления по глубине локации. Диапазон изменения коэффициента усиления составляет величину порядка 40 дБ.
Поскольку преобразование эхо-сигнала из аналоговой в цифровую форму должно производиться непосредственно на несущей частоте и с обеспечением необходимого динамического диапазона сигнала, то аналого-цифровой преобразователь 9 реализует частоту дискретизации не менее 32 МГц и разрядность выходных данных - 14 бит. Последовательность цифровых отсчетов эхо-сигнала передается в цифровой процессор сигналов 10.
Именно за счет реализации тракта 3 формирования зондирующих сигналов, цифрового процессора сигналов (ЦПС) 10 и синхронизатора 17 на одном кристалле FPGA, то есть в одной специализированной высокопроизводительной микросхеме FPGA, заменяющей многопроцессорную систему, построенную на основе стандартных процессоров сигналов, становится возможным построение портативного устройства. В частности, реализованный в ПЛИС специализированный цифровой процессор сигналов 10 с жесткой логикой работы полностью обеспечивает формирование импульсов возбуждения УЗ датчиков, а также первичную цифровую обработку эхо-сигналов: гетеродинирование, фильтрацию, спектральную и автокорреляционную обработку допплеровских сигналов, амплитудное детектирование и пр. Поскольку эхо-сигнал обычно представляет смесь полезного допплеровского сигнала кровотока с сигналами мешающих отражений от тканей, по уровню на 40-60 дБ превышающих сигнал кровотока, то тракт обработки цифрового процессора сигналов 10 должен имеет большой динамический диапазон - не менее 100 дБ. И, соответственно, разрядность обрабатываемых в цифровом процессоре сигналов 10 данных должна составлять величину не менее 18 двоичных разрядов.
Цифровой процессор сигналов 10 выполнен в виде программно-аппаратного ядра, в состав которого входят как программируемые элементы FPGA, так и элементы FPGA с жесткой логикой работы. Это позволяет реализовывать в одном цифровом процессоре 10 одновременно два режима формирования допплеровского изображения:
- М-режим: формирование окна цветового допплеровского картирования (ЦДК) по всей глубине зондирования;
- D-режим: формирование спектра допплеровских частот и звукового допплеровского сигнала.
В М-режиме (см. фиг. 4) перед оценкой параметров кровотока выполняется с помощью режекторного фильтра подавление мощного сигнала помехи, порождаемого отражениями от неподвижных и медленно движущихся тканей. Для режекции мешающих сигналов от неподвижных и медленно движущихся стенок сосудов используется фильтр высоких частот (ФВЧ).
Для формирования оценки параметров кровотока (энергия и скорость кровотока) применяется автокорреляционный метод обработки допплеровских сигналов. Автокорреляционный метод позволяет определить среднюю допплеровскую скорость и энергию кровотока на основе вычисления разности фаз между эхосигналами от последовательных зондирований. Причем разность фаз определяется между эхосигналами с одних и тех же участков глубины.
Операция пространственно-временной фильтрации сигналов ЦДК приводит к следующим положительным эффектам:
- уменьшается уровень шумов на изображении ЦДК;
- устраняются «дырки» на изображении ЦДК.
Пространственная фильтрация выполняется путем обработки данных одного кадра изображения и базируется на предположении о том, что параметры кровотока в соседних пикселях являются коррелированными и усиливают вклад в результат суммирования, в то время как пиксели, связанные с шумом, компенсируют друг друга. При выполнении временной фильтрации осуществляется межкадровая обработка изображений.
В D-режиме цифровой процессор 10 сигналов при формировании спектра допплеровских частот выполняет следующие этапы обработки (см. фиг. 5):
- режекция мешающих отражений от стенок сосудов;
- выделение и звуковое воспроизведение сигналов кровотока;
- формирование спектра сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ);
- формирование амплитуды спектральных составляющих.
Для режекции мешающих сигналов от неподвижных и медленно движущихся стенок сосудов используется ФВЧ. Поскольку ФВЧ одновременно с режекцией помехи может подавлять и низкочастотные составляющие сигнала кровотока, то предусматривается несколько значений полосы ФВЧ, переключаемых оператором в зависимости от конкретных условий обследования. ФВЧ представляет собой стандартный цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой. При этом для синтеза фильтра используются оконные функции, обеспечивающие линейность фазочастотной характеристики. Спектральный анализ на основе быстрого преобразования Фурье позволяет получить распределение скоростей элементов кровотока в анализируемом объеме с помощью гребенки фильтров, равномерно делящих частотный диапазон допплеровского сигнала. Используемый размер БПФ обычно составляет величину 256. После формирования спектра сигнала выполняется вычисление амплитуд спектральных отсчетов.
Одновременная реализация двух указанных выше режимов формирования допплеровского изображения существенно облегчает работу оператору по поиску и локализации исследуемого сосуда, а также в процессе выполнения записи сигнала кровотока.
Результаты первичной обработки эхо-сигналов из цифрового процессора сигналов 10 перегружаются в универсальный процессор 11 для последующей обработки.
Универсальный процессор 11 выполняет следующие функции:
• Управление трактом 3 формирования зондирующего сигнала и трактом 6 приема эхо-сигналов;
• Постобработку ультразвуковых данных;
• Реализацию операций измерений;
• Формирование на сенсорном экране 13 текстовой и графической информации;
• Обслуживание клавиатуры, отображаемой на сенсорном экране 13;
• Запись результатов мониторинга на внешнюю карту памяти, вставляемую в разъем 14;
• Организацию обмена информацией с персональным местом врача-эксперта через модуль 15 интерфейса WiFi в режиме беспроводной связи или, соответственно, организацию обмена информацией через модуль 16 интерфейса USB в режиме проводной связи;
• Управление схемой питания и зарядки аккумулятора 19.
Блок 18 питания обеспечивает электропитание устройства как от встроенного аккумулятора 19, так и от внешнего адаптера. При электропитании от встроенного аккумулятора 19 время непрерывной работы устройства не менее 5-ти часов. В качестве используемого для электропитания внешнего адаптера используется медицинский источник питания, отвечающий требованиям на электробезопасность.
Для подключения устройства ультразвукового допплеровского мониторирования к внешним устройствам с помощью проводов реализуется стандартный модуль 16 интерфейса USB 2.0 со скоростью передачи данных до 480 Мбит/с. Режим беспроводной связи заявляемого устройства с внешними устройствами реализован на основе использования модуля 15 интерфейса WiFi со скоростью передачи данных порядка 72 Мбит/с.
Разработанная архитектура устройства ультразвукового допплеровского мониторирования обеспечивает решение следующих задач:
• Автоматизированный режим мониторинга мозгового кровотока с минимальным участием медицинского персонала;
• Минимизацию влияния человеческого фактора на проведение всех стадий ультразвуковых измерений с целью сокращения количества ошибочных действий и обеспечения высокой точности измерений;
• Простое, интуитивно понятное представление информации и форматов данных;
• Возможность удаленной передачи информации.
Заявляемое устройство может входить в набор однотипных устройств 20-1, …, 20-N ультразвукового допплеровского мониторирования, которые совместно с базовой станцией 21 образуют комплекс длительного допплеровского мониторинга церебрального кровотока (см. фиг. 5). Этот комплекс может быть использован для наблюдения за группой пациентов, находящихся как в пределах стационара, так и вне его. При этом количество регистраторов N на одну базовую станцию выбирается исходя из потребностей медицинского учреждения.
На базовой станции 21 производится экспертный анализ результатов мониторинга. Она представляет собой стандартный компьютер PC с установленным на нем специальным программным обеспечением, а устройство 20-n (n=1, …, N) ультразвукового допплеровского мониторирования - мобильное портативное записывающее устройство с держателем датчиков, позволяющее проводить длительный мониторинг при свободных перемещениях пациента. Результаты мониторинга загружаются с мобильных регистраторов в базовую станцию для последующей обработки с помощью программы эмбол-детекции. Программа эмбол-детекции формирует перечень всех зарегистрированных эмболов с указанием для каждого обнаруженного эмбола времени его регистрации, интенсивности, скорости, длительности сигнала эмбола. Для обмена данными с мобильными регистраторами базовая станция 21 снабжена беспроводными интерфейсами WiFi и/или проводным интерфейсом USB. Результаты мониторинга могут также переноситься вручную из устройства 20-n (n=1, …, N) ультразвукового допплеровского мониторирования на базовую станцию 21 с помощью внешней карты памяти, например SD-карты. Программное обеспечение базовой станции 21 поддерживает:
• Ввод данных нового пациента и работу со списком старых пациентов;
• Загрузку входных данных в память компьютера из устройств 20-n (n=1, …, N) ультразвукового допплеровского мониторирования в режимах беспроводной и проводной передачи данных;
• Управление устройствами 20-n (n=1, …, N) ультразвукового допплеровского мониторирования, передачу в эти устройства информации в режимах беспроводной и проводной связи.
• Обработку данных для автоматической детекции эмболий с использованием специального программного обеспечения.
Предлагаемое техническое решение по мониторингу церебрального кровотока вносит существенный вклад в решение проблемы раннего обнаружения риска инсультов, обусловленных микроэмболизацией сосудов головного мозга за счет расширения функциональных возможностей путем уменьшения массогабаритных характеристик автономного носимого устройства для длительной регистрации церебрального кровотока по типу холтеровского мониторирования с последующей загрузкой результатов мониторинга на персональное место врача-эксперта по проводным и беспроводным каналам передачи информации. При этом использование данного технического решения открывает принципиально новые возможности для обнаружения эмболии у больных с различными сердечно-сосудистыми заболеваниями, в том числе протекающими бессимптомно, делает возможным применение длительного мониторинга церебрального кровотока в амбулаторных условиях, на выезде, в домашних условиях, а также при других жизненных ситуациях. Длительный допплеровский мониторинг с помощью данного устройства позволит также оценить риск рецидива у больных, уже перенесших ишемический инсульт, решить проблему подбора лекарств и оценить их клиническую эффективность в каждом конкретном случае. Данное решение также пригодно для профилактических мониторинговых целей в ходе оздоровительных мероприятий среди широких слоев населения, в лечебной и реабилитационной медицине.