Допплеровский преобразователь. Эффект доплера

Во многих доплеровских преобразователях (например, детекторах газовых пузырьков в крови) передающие и принимающие элементы разделены. Область пространства, из которой может быть получен сигнал доплеровского сдвига, является общей для ультразвукового поля, создаваемого передающим преобразователем и для зоны чувствительности1 принимающего преобразователя. Так как зона чувствительности имеет форму и характеристики, как у пучка передающего элемента, то можно легко изобразить схему ее приблизительной локализации.

Видео: Эффект Доплера. Введение

Обычно передающий и принимающий элементы располагают близко друг к другу с таким расчетом, чтобы зона их чувствительности как можно глубже проникала в ткани. В других случаях их желательно разделить, чтобы локализовать зону чувствительности. Наиболее ярким примером такого преобразователя стал прекардиальный датчик, разработанный в Институте прикладной физиологии и медицины США в качестве детектора газовых пузырьков. Он сконструирован так, что, будучи расположенным на грудной клетке, воспринимает сигналы, отраженные от крови и воздушных эмболов именно из легочной артерии.

Такой же керамический элемент можно также встретить в схеме с непрерывной и одновременной передачей и приемом ультразвука. Подобный прибор разработан в Институте прикладной физиологии и медицины США для применения в качестве катетерных измерителей скорости потока. Диаметр датчиков указанных измерителей около 1 мм, что недостаточно для раздельного размещения излучателя и приемника. Но данный метод может быть с успехом использован в более крупных датчиках, когда зона чувствительности распространена от рабочей поверхности преобразователя на глубину, определенную поглощением ультразвука в тканях.

Видео: Выпуск 5 - Эффект Доплера, Красное смещение, Большой взрыв

Эффект Доплера

Эффект Доплера присущ и ультразвуковым волнам. Суть его состоит в изменении частоты волны при перемещении передатчика, приемника или отражающего объекта по отношению друг к другу. Следовательно, отраженные от движущихся эритроцитов и газовых пузырьков сигналы имеют ультразвуковую частоту, отличную от частоты передатчика. Поэтому доплеровские измерители скорости кровотока реагируют только на те отраженные сигналы, которые приобрели доплеровский сдвиг, например, газовые пузырьки в крови, и совершенно не реагируют на сигналы от неподвижных структур, у которых данный сдвиг отсутствует (неподвижные газовые образования в тканях).

Видео: Эффект Доплера

Величина доплеровского сдвига (Af, Гц), при движении отражающего объект с конкретной скоростью, может быть вычислена исходя из скорости изменения фазы волны по мере ее-передвижения от передатчика к отражающему объекту и обратно к приемнику. В результате получаем:
f=2(скорость отражающего объекта по отношению к датчику)х(частота ультразвука)/скорость ультразвука в среде

Когда датчик для измерения скорости потока крови расположен под углом к провеносному сосуду, то это уравнение изменяется. Удачным совпадением является то, что ухо человека, как правило, улавливает частоту доплеровского сдвига. Скорость потока 16 см/с дает подъем частоты до звука, который приблизительно на одну октаву по основному тону выше среднего диапазона «С» на фортепьяно. Чем выше скорость, тем выше частота сигнала. Простота прослушивания доплеровских частот и способность человеческого уха и головного мозга их различать являются удобным методом, позволяющим расшифровать многие детали в сигнале как при исследовании динамики кровотока, так и выявлении газовых пузырьков.

Другим важным моментом, который иногда упускают из виду, является пропорциональность доплеровского сдвига частоте ультразвука. Так, частота сигнала от измерителя скорости потока, работающего на волне 10 МГц, в 2 раза выше, чем от работающего на волне 5 МГц. Если скорость отражающего объекта очень большая, например, в артерии, то результирующий сигнал может иметь чрезмерно высокую частоту, что не позволит его зарегистрировать, воспроизвести или некоторыми операторами услышать.

Как в непрерывных, так и импульсных доплеровских системах передатчик побуждает преобразователь излучать ультразвуковые волны определенной частоты. Другой или этот же преобразователь способен принимать эти волны, которые затем поступают в приемник. Особенность доплеровских систем состоит в том, что приемник получает двасигнала:принятую отраженную волну и волну, посланную с частотой передатчика. Величина частоты выходного сигнала приемника является разностью между частотами указанных двухвходныхсигналов. Это означает, что выходной сигнал существует только при отражении ультразвука от подвижных структур. Усилитель низкой частоты воспроизводит частоты в диапазонеприблизительно 200—20 000 Гц или несколько более. Поэтому выбор полосы пропускания частот доплеровского приемника чрезвычайно важен для исключения помех.

Видео: 104Квантовая физика от Стадницкого. Квантовый резонанс и релятивистский эффект Доплера

Сигнал доплеровской частоты, выходящий из приемника, может быть оценен либо на слух, либо отражен как скорость потока в виде записи волнообразной формы. В последнем случае доплеровская частотадолжнабыть преобразована в напряжение. Анализ сигналов на слух обычно проводят по схеме, предложенной Spencer, Johanson в 1974 г. Аналогичная схема, но усовершенствованная, для регистрации амплитуды сигнала от пузырька, числа пузырьков в систолическом выбросе и процента систолических выбросов, содержащих сигналы от пузырьков, была предложенаKismanисоавт. (1978).

Источник: http://meduniver.com