RU126921U1

RU126921U1 - DIGITAL ULTRASONIC DEVICE FOR MEASURING THE FREQUENCY OF THE HEART CONTRACTIONS OF THE FRUIT

Info

Publication number: RU126921U1
Application number: RU2012114706/14U
Authority: RU
Inventors: Николай Евгеньевич Нагулин; Сергей Николаевич Нагулин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Юсонтек"
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-04-20

Abstract

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, отличающе1. An ultrasonic device for measuring fetal heart rate, including a digital signal processor, an analog-to-digital converter, an ultrasonic sensor, characterized in that it also contains an electrically connected transmission-reception control unit, a power amplifier, an input amplifier, while digital the signal processor includes a shaper of quadrature components of the signal, a shaper of the control volume, a bandpass filter, an amplitude detector, an autocorrelator, a frequency shaper with fetal contractions, a Doppler signal shaper, and an adaptive receiving strobe shaper, which is configured to dynamically correlate the parameters of the measured volume, namely its size and location along the sounding depth, and the transmit-receive control unit is connected to a power amplifier, a digital converter and with a shaper of quadrature components of the digital signal processor, while the analog-to-digital converter is also connected to the quadrature component of the signals, the ultrasonic sensor is connected to the power amplifier, as well as to the input amplifier, the quadrature component shaper, the control volume shaper, the bandpass filter, the amplitude detector, the autocorrelator, the fetal heart rate generator, are connected in series with each other as part of a digital signal processor, In this case, the bandpass filter is additionally connected to the Doppler signal shaper. 2. The ultrasonic device according to claim 1, characterized

Description

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.This technical solution relates to the field of medical instrumentation, in particular, to devices for ultrasonic echolocation of internal organs, and can be used in medical diagnostic systems.

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.From the prior art, an ultrasonic device for measuring fetal heart rate (HRSP) is known, which includes an ultrasonic sensor, a transmission-reception control unit, a high-frequency amplifier, a bandpass filter, a demodulator, an amplitude detector, an autocorrelation function calculation unit, and a fetal heart rate generator (US 5170791 A, publ. 15.12.1992). The disadvantage of this technical solution is that the duration of the reception strobe, the time interval during which the accumulation of the Doppler signal, as well as the magnitude of its time shift relative to the radiation signal, are fixed values. In this case, the duration of the reception strobe is selected so as to take into account the entire range of possible distances from the sensor to the fetal heart. However, such a choice of the length of the reception strobe, which can significantly exceed the duration of the echo signal from the moving structures of the fetal heart, is not optimal from the point of view of coordinated filtering of the echo signal to obtain the maximum signal-to-noise ratio. In addition, due to the long strobe time and, as a result, the lack of selection according to the location depth, interfering reflections from blood flow elements in the mother’s vessels can be recorded simultaneously with fetal heartbeats.

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.The closest analogue to the technical solution is a fetal monitoring device, which contains an ultrasonic sensor, a sensor excitation generator, an amplifier, a demodulator, a low-pass filter, an analog-to-digital converter (ADC), a digital signal processor (DSP) (W02010035022 A1, publ. 01.04. 2010). The disadvantage of this technical solution is that although in order to improve the signal-to-noise ratio, as well as the possibility of selection from sources of interfering signals, a multi-depth reception mode is implemented, but the entire sounding depth is divided into a small number of sections according to the sounding depth, the position of which is fixed, and the duration of the reception strobe is not related to the size of the fetal heartbeat region, which does not allow to achieve the maximum signal-to-noise ratio. In addition, the long strobe of the data reception limits the ability to detun from sources of interfering signals, such as the blood vessels of the mother.

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.The problem to which the claimed technical solution is directed is to improve the signal-to-noise ratio, as well as to improve the ability to detun from sources of interfering signals by temporarily selecting a heartbeat signal.

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.This problem is solved due to the fact that the claimed ultrasonic device for measuring the heart rate of the fetus, according to the utility model, contains a digital signal processor, analog-to-digital converter, an ultrasonic sensor, while it also contains an electrically interconnected transmission-reception control unit, a power amplifier, an input amplifier, while the digital signal processor includes a shaper of quadrature components of the signal, a shaper of the control volume, a bandpass filter, am plateau detector, autocorrelator, fetal heart rate generator, Doppler signal generator, and adaptive receiving strobe generator, which is capable of dynamically correlating the parameters of the measured volume, namely its size and location along the sounding depth, moreover, the transmission-reception control unit connected to a power amplifier, analog-to-digital converter, and to a shaper of quadrature components of the digital signal processor, when An analog-to-digital converter is also connected to a quadrature component signal shaper, an ultrasonic sensor is connected to a power amplifier as well as an input amplifier, while a quadrature component shaper, a control volume shaper, a bandpass filter, an amplitude detector, an autocorrelator, and a fetal heart rate generator interconnected as part of a digital signal processor, while the bandpass filter is additionally connected to the driver parameter in the Doppler signal.

Предпочтительно, что формирователь квадратурных составляющих сигнала выполнен с возможностью переноса спектра доплеровского сигнала на нулевую частоту и одновременным формированием его квадратурных составляющих.Preferably, the shaper of the quadrature components of the signal is configured to transfer the spectrum of the Doppler signal to zero frequency and the simultaneous formation of its quadrature components.

Предпочтительно, что формирователь контрольного объема включает два сумматора.Preferably, the shaper control volume includes two adders.

Предпочтительно, что сумматоры выполнены с возможностью накопления комплексных отсчетов сигнала в соответствии с положением и размером измерительного объема по глубине зондирования.It is preferable that the adders are configured to accumulate complex signal samples in accordance with the position and size of the measuring volume over the depth of sounding.

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.It is preferable that the transmission-reception control unit, the power amplifier, the ultrasonic sensor are configured to generate a radiation signal, which is a series of pulses, while the pulse repetition rate in the series is equal to the carrier frequency of the ultrasonic signal, and the pulse repetition rate is determined by the maximum sounding depth.

Предпочтительно, что полосовой фильтр выполнен с возможностью фильтрации сигнала в полосе частот от F₁ до F₂, при этом частота среза F₁ определяет область режекции сигналов помех от источников питания и сигналов, порождаемых нежелательным движением ультразвукового датчика, а частота F₂ соответствует максимальной частоте доплеровского сигнала.It is preferable that the bandpass filter is configured to filter the signal in the frequency band from F ₁ to F ₂ , while the cutoff frequency F ₁ determines the area of rejection of interference signals from power sources and signals generated by the unwanted movement of the ultrasonic sensor, and the frequency F ₂ corresponds to the maximum frequency Doppler signal.

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.The technical result provided by the given set of features is to improve the quality of diagnosis of fetal growth retardation by improving the accuracy of calculating heart rate by automatically setting the position and size of the measuring Doppler volume in accordance with the position of the fetal heart by sounding depth, while monitoring the parameters of the signals from all sensing depths eliminate errors in the detection of a heartbeat signal and the subsequent tracking of a false signal, for example, a signal, pores expected by the mother’s aortic blood flow due to the presence of the listed components in the device, including the adaptive receiver of the receiving strobe, which is made possible dynamically correlate the parameters of the measured volume, namely its size and location along the sounding depth to ensure optimal reception of echo signals from moving fetal heart tissue. In addition, due to the use of a digital processor with a high degree of integration element base, it is possible to reduce the dimensions of the device in comparison with HRSS isolation devices that use analog elements to construct the receive path.

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:The essence of the claimed device is illustrated by drawings that do not cover and, moreover, do not limit the scope of claims for this decision, but are only illustrative materials of a particular case of the device. The drawings show:

На фиг.1 - блок-схема устройства;Figure 1 - block diagram of the device;

На фиг.2 - типичный вид автокорреляционной функции для квазипериодического сигнала;Figure 2 is a typical view of the autocorrelation function for a quasiperiodic signal;

На фиг.3 - вид спектра сигнала сердцебиения плода и сигнала артериального кровотока материFigure 3 - view of the spectrum of the signal of the heartbeat of the fetus and the signal of the arterial blood flow of the mother

На фиг.4 - временная диаграмма работы приемного тракта при фиксированном стробе приема и строба приема, полученным адаптивным способом в соответствии с настоящим техническим решением.Figure 4 is a timing diagram of the operation of the receiving path with a fixed reception strobe and a receiving strobe obtained by the adaptive method in accordance with this technical solution.

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.The device comprises a transmission-reception control unit 1, a power amplifier 2, an ultrasonic sensor 3, an input amplifier 4, an analog-to-digital converter (ADC) 5, a digital signal processor (DSP) 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.DSP 6 includes a shaper of quadrature signal components, a shaper of 8 control volume, a bandpass filter 9, an amplitude detector 10, an autocorrelator 11, a fetal heart rate shaper 12 (a heart rate shaper), a Doppler signal shaper 13, an adaptive receiving gate shaper 14.

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:Under the reception strobe in the context of this application refers to the time interval T _SV , during which the accumulation of the Doppler signal, and under. measuring (control) volume - the size of the portion of the sounding depth D _SV corresponding to the reception strobe and calculated by the formula:

где С=1540 м/с - скорость ультразвука в тканях.where C = 1540 m / s is the speed of ultrasound in the tissues.

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.The components of the device are interconnected as follows. The transmission-reception control unit 1 is connected to a power amplifier 2, an analog-to-digital converter 5, and to a quadrature component shaper 7 of a DSP 6, while the ADC 5 is also connected to a quadrature component shaper 7.

Ультразвуковой датчик соединен с усилителем мощности, а также с входным усилителем.The ultrasonic sensor is connected to a power amplifier, as well as to an input amplifier.

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.The shaper of quadrature components, the shaper 8 of the control volume, the bandpass filter 9, the amplitude detector 10, the autocorrelator 11, the driver 12 of the HRSS are connected in series with each other as part of the digital signal processor 6, while the bandpass filter 9 is additionally connected to the shaper 13 of the Doppler signal parameters.

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.A DSP can be implemented both on the basis of a programmable logic integrated circuit and using a digital signal processor for widespread use. In both cases, the dimensions of the used elemental base allow you to place the entire digital signal processor on one printed circuit board. External devices are connected to the digital processor using data buses.

В устройстве электропитание может производиться как от внешнего адаптера, так и от встроенного аккумулятора.In the device, power can be supplied from either an external adapter or an internal battery.

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.The device operates as follows. Before the examination, the ultrasound probe 3 is placed in the abdominal region of the patient so that the generated ultrasound beam is directed to the location of the fetal heart.

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.The transmission-reception control unit 1 generates an excitation signal of the ultrasonic sensor, which is supplied to the input of the power amplifier 2. The power amplifier 2 amplifies the signal power, and then the excitation signal is supplied to the ultrasonic sensor 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 PRFThe radiation signal is a series (burst) of pulses, while the pulse repetition rate in the series is equal to the carrier frequency of the ultrasonic signal f ₀ (of the order of 1 MHz), and the pulse repetition rate PRF

определяется максимальной глубиной зондирования. Например, для максимальной глубины зондирования 24 см, частота повторения пачки импульсов составляет величину PRF=3.2 кГц.determined by the maximum sounding depth. For example, for a maximum sounding depth of 24 cm, the pulse repetition rate is PRF = 3.2 kHz.

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.At the stage of emission of the ultrasonic signal, the ultrasonic sensor 3 converts the electric signal of the sensor excitation into mechanical vibrations sent to the tissues under study and, conversely, in the process of receiving the ultrasonic sensor 3, using a piezoelectric plate, converts the mechanical vibrations generated by reflections from the tissues (Doppler signals) into electrical signals.

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.The Doppler signal (echo signal) received by the sensor from the moving structures of the fetal heart is fed to the input amplifier 4, which performs signal amplification in the frequency band that is consistent with the duration of the radiation signal.

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.After the input gain, the ADC 5 converts the signal from analog to digital with a sampling frequency F _S corresponding to the band of the received signal. According to Kotelnikov’s theorem, this approach allows the analog-to-digital conversion of the Doppler signal without loss of information. The sampling frequency of the signal F _S is set from the transmission-reception control unit 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.High-speed ADC 5 allows you to represent the Doppler signal at the carrier frequency in the form of a digital sequence of samples and perform further processing only in digital form using the DSP 6. In this case, the signal processing modules can be implemented both in software and in hardware.

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.The shaper of the quadrature components of the signal 7 carries out the transfer of the spectrum of the Doppler signal to zero frequency with the simultaneous formation of its sine and cosine components. To this end, samples of the Doppler signal, represented by real numbers, are multiplied by the values of the complex exponent

In this case, the formation of values

can be implemented in a tabular manner or using the CORDIC vector iterative rotation algorithm (Voider JE "The CORDIC trigonometric computing technique", IRE Trans. Electron. Comput, vol. EC - 3, pp. 330-334, Sept. 1959). The results of this operation are represented by complex numbers.

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.Shaper 8 of the control volume is performed using two adders, which are configured to accumulate complex samples of the signal in accordance with the position and size of the measuring volume in depth of sounding, which is achieved by appropriately setting the length of the reception strobe and its delay relative to the radiation pulse.

Его параметры вырабатываются адаптивным формирователем 14 параметров приемного строба.Its parameters are produced by the adaptive driver 14 of the receiving strobe parameters.

Полосовой фильтр 9 выполняет фильтрацию сигнала в полосе частот от F₁ до F₂. 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.The band-pass filter 9 performs signal filtering in the frequency band from F ₁ to F ₂ . Moreover, the cutoff frequency F ₁ determines the area of rejection of interference signals from power sources and signals generated by the unwanted movement of the ultrasonic sensor 3, and the frequency F ₂ corresponds to the maximum frequency of the Doppler signal. For example, with the carrier frequency of the ultrasonic signal f _{0 of the} order of 1 MHz, band-pass filtering is carried out in the range from 100 Hz to 500 Hz. The results of bandpass filtering simultaneously arrive at the amplitude detector 10 and the shaper of the parameters of the Doppler signal 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.Amplitude detection performed using amplitude detector 10 reduces to calculating the modulus of a complex number and can be implemented both in a tabular manner and using an iterative vector rotation algorithm. When using the method of iterative rotation of the vector to perform the detection operation, a step-by-step rotation is performed in the complex plane of the vector corresponding to the complex reference of the signal. Moreover, the values of the sequence of angles and the direction of rotation at each step are selected so that the vector approaches the axis of the real part of the complex numbers, and the number of rotation steps is set based on the required calculation accuracy.

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.An example of a 4-step algorithm for calculating a complex number. Step 1. Rotate the vector with coordinates (reX, Im X) corresponding to the input complex number X into the first quadrant of the complex plane by discarding the signs of the numbers, i.e.

Шаг 2. Поворот вектора на угол π/4:Step 2. Rotate the vector by the angle π / 4:

Шаг 3. Поворот вектора на угол π/8:Step 3. Rotate the vector by the angle π / 8:

Шаг 4. Поворот вектора на угол π/16:Step 4. Rotate the vector by the angle π / 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%.When performing three rotation steps according to this algorithm, the relative error in calculating the complex number modulus does not exceed 8%, and after 4 rotation steps it is 3%.

Автокоррелятор 11 выполняет вычисление в заданный момент времени t нормированной автокорреляционной функции АС(1,т) для параметра задержки τ=m/F_d по формуле:Autocorrelator 11 performs the calculation at a given point in time t of the normalized autocorrelation function AC (1, t) for the delay parameter τ = m / F _d according to the formula:

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).where AC (m) are the values of the autocorrelation function, A _k (n) are the samples of the amplitude of the Doppler signal at the input of the autocorrelator 11, obtained for the current k-th sensing cycle, N _C is the correlation length. From formula (1) it is seen that when calculating the autocorrelation function, two fragments of the sequence of samples of the input signal are shifted by m samples. The calculation of the values of the autocorrelation function can be performed directly by the formula (1). However, a significant reduction in the amount of computation is achieved using the fast convolution method based on the fast Fourier transform (Oppenheim A., Schafer R. Digital signal processing. M .: Technosphere, 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).The autocorrelator 11 calculates ACF in the range of delay values [1 / HR _MIN , 1 / HR _MAX ], where HR _MIN is the minimum possible value of heart rate (about 50 beats per minute), and HR _MAX is the maximum possible value of heart rate (about 240 beats) per minute).

Вследствие того, что доплеровский сигнал является периодическим с интервалом сердечных сокращений, Т_ПИ, функция автокорреляции AC(k) будет иметь пики при задержках τ=qТ_ПИ, где q - целое число (см. фиг.2).Due to the fact that the Doppler signal is periodic with an interval of heartbeats, T _PI , the autocorrelation function AC (k) will have peaks at delays τ = qT _PI , where q is an integer (see figure 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.Since the distance between the peaks of the autocorrelation function is the value of the pulse interval T _RI , the heart rate driver 12 searches for peaks of the autocorrelation function and determines the distance between them.

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.In the shaper 13 of the parameters of the Doppler signal, the parameters of the Doppler signal are estimated by the sounding depth based on the autocorrelation method. The autocorrelation method allows you to determine the Doppler shift based on the calculation of the phase difference between the Doppler signals from sequential soundings. Moreover, the phase difference is determined between Doppler signals from the same depth sections. Along with the Doppler shift, the autocorrelation method allows one to estimate the spectrum width of the Doppler frequencies and the energy of the Doppler signal. It is on the basis of the formation and analysis of these parameters that, first, all sections of the Doppler signal are extracted by sounding depth, and then, based on an analysis of the parameters of the Doppler signal, the selected sections of the sounding depth of the Doppler signal region are caused by fetal heartbeats.

В соответствии с автокорреляционным методом для k-го интервала глубины зондирования значение средней доплеровской частоты V_k и ширина спектра доплеровских частот ΔV_k вычисляются по формулам:In accordance with the autocorrelation method for the k-th interval of sounding depth, the average Doppler frequency V _k and the spectrum width of the Doppler frequencies ΔV _k are calculated by the formulas:

гдеWhere

V_max=PRF/2 - максимальная измеряемая скорость;V _max = PRF / 2 - maximum measured speed;

R_k (Т) - оценка автокорреляционной функции;R _k (T) - assessment of the autocorrelation function;

P_k - значение мощности доплеровского сигнала;P _k - value of the power of the Doppler signal;

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:

U _k [n · T]. the sample signal from the output of the band-pass filter 9, corresponding to the A-th interval of depth in the n-th probe pulse, which is a complex number:

N>2 - число тактов зондирования для формирования одной линии ЦДК;N> 2 is the number of probe cycles for the formation of one CDK line;

Т=1/PRF - период повторения импульсов зондирования;T = 1 / PRF — repetition period of sensing pulses;

* - операция комплексного сопряжения.* - operation of complex pairing.

Выделение строба приема для сигнала сердцебиений плода выполняется в адаптивном формирователе 14 приемного строба в два этапа:The selection of the reception strobe for the fetal heartbeat signal is performed in the adaptive shaper 14 of the receiving strobe in two stages:

- на первом этапе выделяются участки глубины зондирования, на которых регистрируется доплеровский сигнал;- at the first stage, sections of the sounding depth are distinguished, on which the Doppler signal is recorded;

- на втором этапе из всех выделенных участков доплеровского сигнала выбирается участок, соответствующий сердцебиениям плода.- at the second stage, of all the selected sections of the Doppler signal, the section corresponding to the fetal heartbeats is selected.

Выделение участков регистрации доплеровского сигнала производится путем пороговой обработки сформированных значений мощности доплеровского сигнала {P_n}. Область зондирования, для которой мощность доплеровскогоThe selection of areas of registration of the Doppler signal is performed by threshold processing of the generated power values of the Doppler signal {P _n }. Sensing region for which the Doppler power

сигнала превышает заданное пороговое значение, соответствует положению движущихся структур, к которым могут относиться как сердце плода, так и элементы кровотока матери.the signal exceeds a predetermined threshold value, corresponds to the position of moving structures, which can include both the fetal heart and the elements of the mother’s blood flow.

Участок глубины зондирования доплеровского сигнала, относящегося к сердцебиениям плода, среди всех выделенных на первом этапе участков регистрации доплеровского сигнала, выделяется по следующим признакам:The portion of the sounding depth of the Doppler signal related to the fetal heartbeats, among all the sections of the Doppler signal registration selected at the first stage, is distinguished by the following features:

- Средняя частота сигнала сердцебиения плода V_k меньше средней частоты сигнала кровотока;- The average frequency of the fetal heartbeat signal V _{k is} less than the average frequency of the blood flow signal;

- Сигнал сердцебиения плода более узкую полосу частот ΔV_k по сравнению с сигналом кровотока.- The fetal heartbeat signal is a narrower frequency band ΔV _k compared with the blood flow signal.

- Энергия доплеровского сигнала сердцебиения плода P_k больше энергии сигнала кровотока- The energy of the Doppler fetal heartbeat signal P _{k is} greater than the energy of the blood flow signal

При этом вычисление параметров V_k, ΔV_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.In this case, the calculation of the parameters V _k , ΔV _k , P _k for each depth section at which the Doppler signal is recorded is performed according to formulas (2), (3) and (5), respectively. A typical spectrum view of the fetal heartbeat signal and the maternal arterial blood flow signal is illustrated in FIG. In contrast to the spectrum of the blood flow signal, the spectrum of the fetal heartbeat signal is located in the low-frequency region, has a large amplitude and a narrower frequency band.

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 τ_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.Figure 4 presents the standard fixed reception strobe (see the graph in figure 4) and the reception strobe obtained by the adaptive method in accordance with this technical solution (see graph d in figure 4). The parameters of the fixed strobe (graph in figure 4) are selected so that the delay τ _SV relative to the radiation pulse (graph a in figure 4) and its duration T _SV correspond to the analyzed sounding depth. Due to the long duration of the reception strobe, both the fetal heartbeat signal 15 and the signal 16 from the mother’s blood vessel can fall into the time interval allocated to it (see graph 6 in FIG. 4). In addition, the duration of the strobe significantly exceeds the duration of the heartbeat signal, which is not optimal for obtaining the maximum signal-to-noise ratio. These shortcomings are deprived of the receiving strobe (see graph d in figure 4), obtained by the adaptive method in accordance with this technical solution. In this case, when changing the position of the fetus during the examination, the position and size of the receiving strobe will change in such a way as to ensure the registration of only Doppler signals from moving tissues of the fetal heart.

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.An automatic tracking system of the position of the fetal heart and its size by location depth is implemented in this technical solution based on a fully digital path for receiving and processing the Doppler signal. An analog-to-digital converter converts the Doppler signal to digital form directly at the carrier frequency, and all subsequent stages of digital processing of the Doppler signal after analog-to-digital conversion are implemented by a digital signal processor. At the same time, due to the use of the element base of a high degree of integration, the dimensions of the device are reduced in comparison with the devices for isolating heart rate using analog elements to construct the receiving path.

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.Thus, the adaptive installation of the receiving strobe makes it possible to narrow the value of the measuring Doppler volume to the size of the area of the fetal heartbeats and to establish the position of the measuring volume in accordance with the location of the fetal heart by sounding depth. And control of signal parameters from all depths of sounding eliminates errors in detecting a heartbeat signal and subsequent tracking of a false signal, for example, a signal generated by the mother’s aortic blood flow.

Claims

1. An ultrasonic device for measuring fetal heart rate, including a digital signal processor, an analog-to-digital converter, an ultrasonic sensor, characterized in that it also contains an electrically connected transmission-reception control unit, a power amplifier, an input amplifier, while digital the signal processor includes a shaper of quadrature components of the signal, a shaper of the control volume, a bandpass filter, an amplitude detector, an autocorrelator, a frequency shaper with fetal contractions, a Doppler signal shaper, and an adaptive receiving strobe shaper, which is configured to dynamically correlate the parameters of the measured volume, namely its size and location along the sounding depth, and the transmit-receive control unit is connected to a power amplifier, a digital converter and with a shaper of quadrature components of the digital signal processor, while the analog-to-digital converter is also connected to the quadrature component of the signals, the ultrasonic sensor is connected to the power amplifier, as well as to the input amplifier, the quadrature component shaper, the control volume shaper, the bandpass filter, the amplitude detector, the autocorrelator, the fetal heart rate generator, are connected in series with each other as part of the digital signal processor, this bandpass filter is additionally connected to the shaper parameters of the Doppler signal.

2. The ultrasound device according to claim 1, characterized in that the driver of the quadrature signal components is configured to transfer the spectrum of the Doppler signal to zero frequency and the simultaneous formation of its quadrature components.

3. The ultrasonic device according to claim 1, characterized in that the shaper control volume includes two adders.

4. The ultrasonic device according to claim 3, characterized in that the adders are configured to accumulate complex samples of the signal in accordance with the position and size of the measuring volume in depth of sounding.

5. The ultrasonic device according to claim 1, characterized in that the transmission-reception control unit, the power amplifier, the ultrasonic sensor are configured to generate a radiation signal, which is a series of pulses, while the pulse repetition rate in the series is equal to the carrier frequency of the ultrasonic signal, and the repetition rate of a series of pulses is determined by the maximum sounding depth.

6. The ultrasonic device according to claim 1, characterized in that the band-pass filter is configured to filter the signal in the frequency band from F ₁ to F ₂ , while the cut-off frequency F ₁ determines the area of the notch of interference signals from power sources and signals generated by undesirable movement ultrasonic sensor, and the frequency F ₂ corresponds to the maximum frequency of the Doppler signal.