Из данной таблицы видно, что на частотах свыше 10 МГц толщина активного элемента становится меньше 0.2 мм. Обработка материала такой толщины затруднена, из-за хрупкости образца. Электрические контакты, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины, из-за существования пор в объеме керамики могут образовывать электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы. 1.1.6. Исследование зависимости глубины проникновения от частоты излучаемого ультразвукового сигнала Одним из основополагающих механизмов, ограничивающим область применения высокочастотной УЗ допплеровской аппаратуры, является быстрое (экспоненциальное) возрастание затухания ультразвука в тканях человеческого тела с ростом частоты колебаний. Для повышения чувствительности и для увеличения глубины зондирования увеличивают интенсивность ультразвуковых колебаний. Однако это увеличение ограничено условиями безопасности обследования, т.к. при существенном повышении интенсивности ультразвука возможен нагрев и даже разрушение биологической структуры. По ГОСТу 26831-86, предел полностью безопасной дозы интенсивности при воздействии УЗ на человеческий организм составляет 50 мВт/см2. С другой стороны, работа УЗ допплеровского прибора всецело обусловлена релеевским рассеянием, а одним из следствий механизма релеевского рассеяния, является четвертая степень зависимости энергии рассеянного сигнала от частоты излучаемого ультразвука. Т.е. красные кровяные тельца, являющиеся основными движущимися отражателями в исследуемом кровотоке, рассеивают УЗ высокой частоты лучше, чем УЗ низкой частоты. Этот эффект позволяет частично компенсировать повышенное затухание УЗ высокой частоты. Совокупность двух
указанных факторов приводит к тому, что существует оптимальное значение
частоты, обеспечивающее максимальное соотношение сигнал/шум для каждого
частного случая (т.е. коэффициента затухания и глубины залегания исследуемого
сосуда). Данное значение можно получить математически. Как было отмечено, в
случае релеевского рассеивания, интенсивность обратного рассеивания УЗ связана
с частотой где где График этого выражения,
представленного в виде функции Рис. 1.19. Зависимость интенсивности отраженного сигнала от частоты излучаемого УЗ Как видно из графика,
для каждой глубины расположения исследуемого сосуда существует определенная
частота УЗ сигнала, при которой на приемник возвращается максимум излученной
энергии. Эту частоту можно найти, продифференцировав (1) по Коэффициент a, может изменяться для мягких тканей от 0.2 дБ/МГц·см до более чем 2 дБ/МГц·см (в зависимости от вида ткани). График на рис. 1.20 иллюстрирует зависимость расчетного диапазона частот как функции глубины зондирования мышечной ткани. Эта зависимость соответствует максимальному отношению сигнал/шум при регистрации УЗ‑сигналов, рассеянных на элементах крови. Заштрихованная область на графике соответствует различным величинам коэффициента затухания a. Рис. 1.20 Оптимальная частота УЗ сигнала для исследования на заданной глубинеКак видно из данного графика, для существующих в настоящее время ультразвуковых допплеровских приборов, работающих на частотах до 20 МГц, предпочтительными являются глубины более 0,5 см. В то же время, оптимальной для высокочастотных приборов, с точки зрения соотношения сигнал/шум и получения максимальной мощности отраженного сигнала, является глубина расположения исследуемых сосудов, меньшая, чем 0,5 см. 1.1.7. Анализ структурных схем существующих ультразвуковых допплеровских приборов Рассмотрим схемотехнику наиболее распространенных вариантов УЗ допплеровских приборов. Непрерывно‑волновой
ультразвуковой допплеровский прибор Для построения допплеровских индикаторов скорости кровотока используются ряд известных радиотехнических узлов и блоков, применяющихся в коротковолновых приемо-передающих устройствах и доработанных с учетом специфики взаимодействия с электроакустическим элементом допплеровского прибора – ультразвуковым датчиком . Блок схема простейшего непрерывно-волнового УЗ прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока показана на рис. 1.21
Рис. 1.21 Блок схема непрерывно-волнового допплеровского прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока 1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 –
предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 – синхронный детектор, 6 –
кварцевый резонатор, 7 – полосовой фильтр, 8 – УНЧ, Рассмотрим работу данного индикатора. Вырабатываемый задающим генератором 4 (частота которого стабилизируется кварцевым резонатором 6) сигнал подается на вход усилителя мощности (УМ) 2, усиливается последним и излучается в виде акустической волны, сфокусированной УЗ преобразователем 1 по направлению исследуемого сосуда. Отраженный сигнал, несущий информацию о движении форменных элементов крови в данном сосуде, преобразуется приемным элементом УЗ датчика, усиливается предварительным усилителем с малым уровнем шумов 3 и детектируется синхронным детектором 5, управляемым задающим генератором 4. Эхосигнал содержит спектр доплеровских частот, обусловленный движением отдельных элементов кровотока в анализируемом объеме. Этот сигнал можно представить в виде суперпозиции сигналов, привносимых всеми линиями тока, проходящими через измерительный объем. Вклад каждой компоненты в этот сигнал пропорционален мощности ультразвука, рассеянной элементами кровотока вдоль данной линии, т.е. интегралу по линии тока от чувствительности в пучке (зависимости величины сигнала, принятого от точечного рассеивателя, от координат этого рассеивателя). Для упрощения последующих выкладок, рассмотрим сигнал на выходе блока 3, как состоящий из трех компонентов: несущей частоты и сигналов, отраженных от прямого и обратного кровотоков. Такой сигнал может быть представлен в виде: где Этот сигнал поступает на детектор 5.
С математической точки зрения детектор представляет собой перемножитель двух
сигналов. Умножая
данное выражение на Этот
сигнал далее фильтруется полосовым фильтром 7 для устранения низкочастотных
помех, возникающих вследствие отражения УЗ сигнала от медленно движущихся
стенок сосуда (амплитуда сигнала от которых на несколько порядков выше
амплитуды полезного допплеровского сигнала), постоянной составляющей Выражение для отфильтрованного сигнала имеет вид: Данный сигнал подается затем на усилитель низкой частоты (УНЧ) 8 для воспроизведения посредством наушников (или громкоговорителей) 9. Синхронное детектирование Для ультразвукового допплеровского диагностического прибора принимаемый сигнал, несущий информацию о распределении кровотока в исследуемом сосуде, сравним с шумом. Амплитуда сигнала, отраженного от медленно движущихся стенок сосудов на несколько порядков превосходит полезный сигнал. Кроме этого, на входе приемного усилителя присутствует так называемый сигнал пролезания, т.е. сигнал, проникающий в приемный тракт посредством акустической и электрической связи, существующей между передающей и приемной частями прибора. Не последнюю роль в этом процессе играет и недостаточная экранировка ультразвукового датчика. Исходя из вышеизложенного, а также из того, что принимаемый полезный сигнал промодулирован по частоте, вследствии выбранного принципа регистрации кровотока, излучаемым сигналом, синхронное детектирование является естественным способом выделения полезного сигнала. Блок‑схема импульсного УЗ допплеровского прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока показана на рис. 1.22 Рис. 1.22 Блок-схема импульсного УЗ допплеровского прибора со звуковой индикацией без выделения информации о направлении кровотока 1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 - формирователь импульсов разрешения передачи, 5 – селектор передачи, 6 – селектор приема, 7 - формирователь импульсов разрешения приема (линия задержки), 8 - задающий генератор, 9 – синхронный детектор, 10 – УВХ, 11 – кварцевый резонатор, 12 – полосовой фильтр, 13 – УНЧ, 14 – громкоговоритель. Как видно, импульсный прибор отличается от непрерывно-волнового наличием формирователя импульсов разрешения передачи и приема, а также селекторов передачи и приема, управляемых этими импульсами. Вырабатываемый опорным генератором 8 сигнал стробируется селектором передачи 5 в строго определенные промежутки времени, задаваемые формирователем импульсов разрешения передачи 4. Принятый сигнал также стробируется по времени селектором приема 6, а продетектированный синхронным детектором 9 сигнал запоминается в устройстве выборки и хранения (УВХ) 10 до прихода следующего импульса. Положение “объема выборки” на оси УЗ датчика или глубина расположения исследуемого сосуда определяется временной задержкой между импульсом излучения и стробом приема, открывающего селектор приема 6. Эта задержка задается формирователем импульсов разрешения приема 7. Так как амплитуда принятого продетектированного сигнала определяется мощностью излученного ультразвука, а из-за импульсного характера излучения при одинаковой амплитуде излучаемых сигналов непрерывно-волнового и импульсного приборов средняя излучаемая мощность последнего будет меньше, то на УМ импульсного тракта подается большее напряжение питания, по сравнению с непрерывно-волновым режимом для обеспечения поддержания уровня средней интенсивности излучаемого сигнала в импульсном режиме. УЗ датчик импульсного прибора представляет собой один пьезоэлектрический элемент, совмещающий функции приема и передачи, разнесенные во времени. Приемный тракт должен обеспечивать защиту входного каскада от перегрузок во время излучения. В целом, работа импульсного УЗ допплеровского прибора аналогична работе радиолокационной станции обнаружения движущихся целей. Практически весь математический аппарат и многие схемотехнические решения, наработанные в военной области, без каких-либо изменений могут быть использованы в медицине и наоборот. В этом заключается смысл так называемых двойных направлений, развитие которых имеет огромное научное и практическое значение. Синхронный квадратурный детектор и блок выделения информации о направлении кровотока Описанные выше приборы не сохраняют информацию о направлении кровотока, а дает лишь величину сдвига частоты. Информация о направлении необходима, чтобы следить за изменением скорости кровотока в течении кардиоцикла в тех сосудах, где возникает обратный кровоток, или если направление кровотока несет диагностическую информацию, например, при исследовании вен при недостаточности сердечных клапанов . Для того, чтобы разделить сигналы, несущие информацию о прямом и обратном кровотоке, наиболее широко в современных приборах применяется квадратурная демодуляция (рис. 1.23.). Рис. 1.23 Блок схема квадратурного демодулятора Х – перемножители, ПФ – полосовые фильтры. Усиленный сигнал с выхода
предварительного усилителя 3 (рис 1.21, 1.22) подается на два перемножителя Х,
выполняющих роль детекторов, на управляющий вход одного из которых подается
сигнал с выхода опорного генератора или Знак допплеровского сдвига, а значит,
и направление кровотока определяется по соотношению фаз прямого (синфазного) и
квадратурного каналов. Если этот сдвиг положителен, то квадратурный сигнал отстает
на Из выражений (5) и (6) следует, что
для разделения сигналов необходимо “сдвинуть” один из каналов относительно
другого на Из предложенных до сих пор методов разделения сигналов прямого и обратного кровотока наибольшее развитие получили 2 метода: · обработка прямого и квадратурного канала в фазовой области; · применение цифровой обработки сигналов и, в частности, фильтра Гильберта. Рис. 1.24 Выделение сигналов прямого и обратного кровотока в фазовой области. Оба сигнала, прямой и квадратурный,
описываемые соответственно уравнениями (2.3) и (2.4), сдвигаются на Так, сдвигая прямой сигнал Суммирование с квадратурным сигналом Точно также, сдвигая квадратурный
канал Второй подход основывается на применении фильтра Гильберта. ФГ представляет собой обычный, нерекурсивный фильтр. Именно из-за своего свойства сдвигать фазу на 90°, он применяется в модемах как детектор огибающей. Коэффициенты ФГ рассчитываются по формуле: для Так как ФГ реализуется в цифровом виде, обрабатываемый сигнал должен быть оцифрован посредством АЦП. В этом случае тракт обработки прямого и квадратурного канала имеет вид, показанный на рис. 1.25:
Рис.1.25 Выделение сигналов прямого и обратного кровотока в частотной области. Здесь Z – линия задержки на половину
длины ФГ. Таким образом, структурная схема непрерывно‑волнового УЗ
допплеровского прибора Отличие от ранее рассмотренной схемы – в блоках 5 и 7. Блок синхронного детектора 5 включает в себя схему формирования квадратурного сигнала, которая будет рассмотрена позднее и рассмотренную ранее схему квадратурного демодулятора рис. 1.24. Блок 7 содержит два полосовых фильтра и схему выделения информации о направлении кровотока – рис. 2.4. или 2.5., сигналы с выходов которых усиливаются посредством УНЧ и подаются на громкоговорители или головные телефоны 9.
Рис.1.26 Блок схема непрерывно-волнового допплеровского прибора с выделением информации о направлении скорости кровотока 1 – УЗ датчик, 2 – УМ, 3 – предварительный усилитель, 4 – задающий генератор, 5 – синхронный детектор и схема формирования квадратурных сигналов, 6 – кварцевый резонатор, 7 – полосовой фильтр и схема выделения сигналов прямого и обратного кровотока, 8 – УНЧ, 9 – громкоговорители. Формирователь квадратурного сигнала. Как было показано в п.1.1.6., для
разделения каналов прямого и обратного кровотоков, необходимо сформировать два
сигнала, сдвинутые один относительно другого на Как видно из приведенного выражения, синхронная демодуляция в этом
случае сводится к синхронному детектированию посредством набора синхронных
демодуляторов с коэффициентами усиления Таким образом, задача демодуляции входного сигнала сводится к задаче детектирования этого сигнала с помощью простейшего аналогового ключа, управляемого сигналам, имеющим форму меандра, и описываемого (7). Эта задача наиболее просто решается в цифровом виде при помощи трех D триггеров (рис.1.27). Рис. 1.27 Блок схема формирователя квадратурного сигнала. Преимуществом данной схемы по сравнению с аналоговой является отсутствие дискретных компонентов и, как следствие, гораздо меньшие частотные, временные и температурные погрешности сдвига фаз. Временная диаграмма для данной схемы приведена на рис. 1.28. Рис. 1.28 Временная диаграмма работы формирователя квадратурного сигнала Как видно из данной диаграммы, частота опорного сигнала должна быть выше частоты результирующих сигналов в четыре раза. Таким образом, для работы допплеровского прибора в диапазоне 2 МГц частота на выходе опорного генератора должна составлять 8 МГц, для 4 МГц – 16 МГц, и для 8 МГц – 32 МГц. При
построении приборов, работающих на частотах свыше 20 МГц, частота опорного
генератора становится выше 80 МГц. При проектировании блоков генератора,
формирователя квадратурного сигнала и смесителя, работающих на таких частотах,
предъявляются повышенные требования к разводке печатной платы, ее экранировке,
которые трудно обеспечить. Поэтому возникает отклонение разности фаз сигналов,
подаваемых на квадратурный детектор от Так,
если сигнал, подаваемый на детектор прямого канала, имеет вид Как нетрудно заметить, полученное выражение легко преобразуется в следующее: Т.е.
квадратурный сигнал в этом случае содержит часть прямого сигнала. Это – случай
так называемого "пролезания" или отсутствия разделения каналов. Сдвиг
этого сигнала на На
рис. 1.29 приведена смоделированная спектрограмма для случая Рис. 1.29
Спектрограмма сигнала при наличии отклонения сдвига фаз опорного сигнала
квадратурного детектора от величины Рис. 1.30
Спектрограмма сигнала при отсутствии отклонения сдвига фаз опорного сигнала
квадратурного детектора от величины Ультразвуковой спектроанализатор Для количественной оценки параметров исследуемого кровотока применяются алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) и, в частности, БПФ с последующим построением спектрограммы на экране монитора. Сигналы с выходов полосовых фильтров квадратурного детектора рис 1.23 дискретизируются посредством двухканального АЦП и подаются на вход блока ЦОС. Спектрограмма исследуемого кровотока представляет собой спектральную плотность мощности его компонентов. Эта плотность мощности вычисляется обычно с помощью метода периодограмм, т.е. взвешиванием непрерывного потока данных с помощью той или иной временной функции, вычисления БПФ (т.н. кратковременного БПФ), вычисления модуля комплексного результата БПФ и отображения полученного результата с помощью функции гамма коррекции. По результатам полученной спектрограммы, а точнее, ее огибающей, рассчитываются так называемые индексы, являющиеся количественной оценкой исследуемого кровотока. Строго говоря, для вычисления индексов расчет и построение спектрограммы не обязательны, так как для получения огибающей вполне пригодны другие методы, не требующие таких вычислительных затрат, как БПФ. Необходимо отметить, что выделение огибающей может быть произведено в аналоговой форме. Такой подход характерен для некоторых портативных УЗ приборов, а также устаревших аппаратов, т.е. для тех приборов, где расчет БПФ либо затруднен, либо является излишним из-за отсутствия средства отображения спектрограммы. Такие приборы могут быть классифицированы как детекторы огибающей. Алгоритмы ЦОС могут быть реализованы как аппаратно с применением цифровых процессоров обработки сигналов (ЦПОС), так и программным образом, благодаря достаточной для этих целей производительности современных процессоров персональных компьютеров. Аппаратная реализация ЦОС оправдана там, где производительности универсального процессора не хватает на одновременную обработку принимаемых данных, расчет параметров и вывод информации на экран. Это характерно для дешевых или портативных специализированных решений УЗ допплеровской аппаратуры. Например, для отображения
на экране Nг = 400 линий по горизонтали для двух каналов за время Тэ = 2 с,
максимально допустимое время вычисления одной спектральной составляющей равно
Т1 = Тэ / (Nг * 2) = 2,5 мс. Учитывая, что для вычисления БПФ (без учета
предшествующей фильтрации и последующих взятия модуля и другой обработки)
необходимо выполнить [9] Широко представленные в настоящее время специализированные цифровые процессоры обработки сигналов специально разработаны для данной цели. По сравнению с микропроцессором 486DX2-66, производящего расчет 1024 точечного БПФ за 20 мс, ЦПОС ADSP2101 с циклом в 60 нс решает ту же задачу за 2,23 мс, т. е. на порядок быстрее. Одно из возможных аппаратных решений допплеровского спектрального индикатора скорости кровотока представлено на рис. 1.31. Рис. 1.31 Структурная схема аппаратной реализации допплеровского спектрального индикатора скорости кровотока. Здесь РК - блок радиоканала, обеспечивающий запитку УЗ датчика, съем с него информации, усиление сигналов высокой и низкой частоты, выделение допплеровских сигналов и перенос последних с несущей частоты в низкочастотную область. ЦПОС – блок сигнального процессора, выполняющий квантование аналоговых доплеровских сигналов по времени, дискретизацию по амплитуде и вычисляющий спектральные составляющие посредством БПФ. ПК решает задачу отображения вычисленных спектральных составляющих на экране, рассчитывает численные параметры кровотока и документирует результаты измерения. Блок ЦПОС обычно выполняется в виде платы расширения, установленной внутри ПК, т.е. обмен между ЦПОС и ПК происходит по внутренней шине ПК, что обеспечивает необходимую скорость пересылки данных для отображения спектра в реальном масштабе времени. Например, для шины ISA пересылка слова данных по шине с тактовой частотой Fт = 4,33 МГц занимает как минимум четыре цикла шины, а пересылка всей спектрограммы (два канала) - Т3 = (4 * N * Nг * 2) / Fт = 200 мс. Все остальное время Т4 = Тэ - Т3 = 90 % Тэ процессор IBM PC тратит на отображение спектрограммы и расчет параметров кровотока. Пример структурной схемы такой платы показана на рис. 1.32.
Рис. 1.32 Структурная схема платы ЦПОС. 2. Специальная часть2.1. Разработка функциональной схемы измерителяОсобенность УЗДП состоит в использовании в качестве зондирующего сигнала механических вибраций, передаваемых в тело человека. В процессе работы прибора производятся механические колебания элементов тканей на поверхности тела. Распространение ультразвука зависит от плотности, структуры, однородности, вязкости и сжимаемости тканей. Интегративным отражением этих свойств является акустический импеданс(АИ) ткани. АИ характеризует степень сопротивления среды распространению УЗ. АИ= d*c, где d – плотность среды (кг\м3), с – скорость распространения УЗ в среде. Циклическое движение элементов тканей на поверхности, производимое пьезоэлектрической пластиной, вызывает свою очередь, силовые воздействия на элементы тканей с более глубоких слоев, и, соответственно, их циклическое перемещение и т.д. Таким образом, за счет передачи силовых воздействий сжатия-растяжения между соседними элементами тканей возникает передача механических вибраций в тело человека, называемое УЗ волной. В настоящее время в УЗДГ применяется УЗ с частотами до 20 МГц, Так, например, при УЗ обследований головы используют самые низкие частоты порядка 0.5 - 2 МГц, при обследовании периферических сосудов - до 10 МГц, в офтальмологии - до 15 МГц. А чем выше частота, тем ниже минимальная регистрируемая скорость, поэтому ,применяемые в настоящее время УЗДП, имеют ограничения на минимальную регистрируемую скорость. Указанное ограничение возникает по двум причинам: * из-за зависимости доплеровского сдвига от частоты излучения; * из-за необходимости фильтрации принимаемого сигнала. Допплеровский сдвиг (разность частот излучаемого и принимаемого сигнала) прямо пропорционален частоте УЗ сигнала, на которой проводится исследование кровотока - т.е. чем ниже частота УЗ, тем меньше допплеровский сдвиг, получаемый при обследовании одного и того же кровотока на различных частотах. Так, среднее значение минимальной регистрируемой скорости для УЗДП, работающего на частоте 8 МГц, составляет 2 см/с, что, но меньшей мере, вдвое больше величины, характерной для кровотока в малых венах, и более чем на порядок превышает скорость кровотока в капиллярах (табл.1). Таблица 1. Средняя скорость движения крови в различных сосудах.
Ограничения, налагаемые на частотный диапазон существующих допплеровских измерителей скорости кровотока, обусловлены, в основном, двумя причинами: сложностью получения приемлемых параметров УЗ преобразователя, выполненного на основе пьезокерамики, для работы на частотах свыше 10 МГц. Толщина пьезокерамической пластины, используемой в качестве активного элемента, составляет половину длины волны, и на частотах свыше 10 МГц становится меньше 0.2 мм. Из-за существования пор в объеме керамики, напыляемые на противоположные поверхности пьезокерамической пластины электрические контакты образуют электрические соединения друг с другом через эти поры, и такой преобразователь становится непригодным для работы; существующие в настоящее время схемы построения блоков обработки сигналов УЗ преобразователей (в диапазоне до 16 МГц) предполагают производить эту обработку непосредственно в ВЧ области, что приводит к усложнению схемы, ужесточению требований к параметрам ЭРЭ и, как следствие, к заметному удорожанию всего допплеровского комплекса. Упрощенная блок схема непрерывно-волнового НЧ УЗ индикатора показана на рисунке 2.1.
рис 2.1 Блок схема непрерывно-волнового допплеровского индикатора скорости кровотока где 1 - Малошумящий усилитель 2 - НЧ фильтр 3 - Фазовый детектор 4 - Генератор 2 МГц 5 - Усилитель 6 - АЦП Рассмотрим работу данной схемы: Вырабатываемый задающим генератором 4 сигнал подается на вход излучающего преобразователя и излучается в виде акустической волны, сфокусированной по направлению исследуемого сосуда. Отраженный сигнал, несущий информацию о движении форменных элементов крови в данном сосуде, преобразуется приемным элементом УЗ датчика, расположенным вокруг излучающего, усиливается усилителем с малым уровнем шумов 1 и детектируется фазовым детектором 3, управляемым задающим генератором 4. Отражение УЗ происходит на границе раздела сред с различными АИ, причем величина отражения УЗ прямо пропорциональна разности АИ сред. Генератор устройства собран на транзисторе VT1. Рабочая точка генератора определяется сопротивлением резисторов R8C4. Максимально достигаемая с помощью генератора мощность ограничена величиной тока высокой частоты (2 МГц), проходящей через кварц. Слишком большой ток высокой частоты нагревает кристалл, что отрицательно сказывается на стабилизации частоты. Поэтому генератор рассчитан на небольшую мощность (порядка 8мВт), но при высокой стабильности колебаний. Требуемую мощность получают в следующем каскаде, собранном на транзисторе VT2, по схеме с разделенной нагрузкой. Рабочая точка каскада определяется соотношением резисторов R10R11. В цепь эмиттера включен излучающий пьезоэлемент. В цепь коллектора параллельный колебательный контур, настроенный на частоту генератора (2 МГц) с которого опорный сигнал поступает на фазовый детектор. Усиленный малошумящим усилителем 1 сигнал далее фильтруется полосовым фильтром 2 для устранения низкочастотных помех, возникающих вследствие отражения УЗ сигнала от медленно движущихся стенок сосуда (амплитуда сигнала от которых на несколько порядков выше амплитуды полезного допплеровского сигнала) и высокочастотного шума и подается затем на усилитель 5 и далее на АЦП. Необходимость низкочастотной фильтрации вызвана наличием мощных низкочастотных составляющих в спектре принимаемого УЗ сигнала, обусловленным различными артефактами (колебаниями стенок сосудов, так называемым "пролезанием" сигнала с выхода передатчика на вход приемника, что особенно характерно дня прибора, работающего в непрерывном режиме). Схема фазового детектора детектирует разность фаз двух сигналов, так что при наличии разности фаз могут быть приняты определенные меры по корректированию. Фазовый детектор часто называют также фазовым дискриминатором или частотным компаратором. Схема фазового детектора близка к схеме дискриминатора(демодулятора) ЧМ-сигналов, а их основные рабочие характеристики практически идентичны. Подлежащий анализу сигнал прикладывается к входной обмотке L4 и трансформируется во вторичную обмотку L5. Вторичная обмотка шунтируется конденсатором переменной емкости С1, благодаря чему образуется параллельный резонансный контур, настроенный на частоту контрольного (опорного) сигнала, который прикладывается к первичной обмотке L2 трансформатора и наводится на L3. Если оба сигнала имеют идентичные частоты, то при хорошей балансировке системы, прикладываемые к диодам сигналы одинаковы. Каждый диод проводит через полупериод, вследствие чего через диоды протекают пульсирующие токи. Однако пульсации напряжения на резисторах R13 и R14 сводятся к минимуму благодаря фильтрующему действию конденсаторов С7 и С2, так что через R13 и R14 протекают практически постоянные токи. Вследствие использования центрального отвода в обмотке L5 и равенства резисторов R13 и R14 падения напряжений на этих выходных резисторах равны и противоположны по знаку; поэтому при равенстве частот сигналов выходное напряжение равно нулю. Индуктивность L3 не связана с L4, т.е. она является вторичной обмоткой трансформатора L3L2. Поскольку катушка L3 связана с входом и выходом системы, каждый диод подвержен воздействию двух сигналов: опорного и входного. Однако общее напряжение на каждом диоде является не арифметической, а векторной суммой напряжений сигналов. Это объясняется тем, что падение напряжения EL5 на нижней половине вторичной обмотки, отсчитываемое от средней точки этой обмотки, опережает на 900 ток Iк , протекающий через эту часть обмотки, по этой же причине падение напряжения ЕL5 на верхней половине вторичной обмотки, также отсчитываемое от средней точки этой обмотки, должно отставать от вектора Ik на 900; Если входной сигнал на L4 отличается от опорного сигнала на L2, то фазовые соотношения сигналов в рассматриваемом компараторе изменяются, в результате чего один из диодов проводит лучше другого. Поэтому падение напряжения на одном из выходных резисторов становится больше падения напряжения на другом резисторе и их суммарное падение напряжения перестает быть равным нулю, причем его величина и полярность зависят от разности этих падений напряжений. При изменении частоты входного сигнала колебательный контур L5C1 выходит из резонанса и ток Ik во вторичной обмотке не изменяется в фазе с э.д.с. Eинд. Это объясняется тем, что колебательный контур на частоте выше или ниже резонанса имеет индуктивное или емкостное сопротивление. Но между Ik и ЕL5 сохраняется разность фаз, равная 900. В результате этого напряжение на диоде VD1 увеличивается а на диоде уменьшается. В этом случае диоды проводят неодинаково, и на выходе компаратора появляется напряжение. Изменение частоты входного сигнала в другом направлении приводит к увеличению ЕVD2 и уменьшению ЕVD1. Появляется выходное напряжение, полярность которого противоположна полярности напряжения, образующегося в предыдущем случае. Однако перед подачей принятого сигнала на детектор, его необходимо усилить т.к. сигнал очень слаб. Для этого используется малошумящий усилитель с малым дрейфом. С выхода фазового детектора сигнал, через усилитель на микросхеме К224ПП1, поступает на АЦП. С АЦП оцифрованный сигнал с помощью интерфейса RS-232C поступает на блок ЦПОС. При относительно медленной передаче сигналов (порядка сотен битов в секунду) наиболее подходящим является стандарт RS-232C. Этот стандарт определяет уровни сигналов обеих полярностей, а величины гистерезиса и времени запаздывания обычно задаются входными формирователями (для выходного формирователя нужны источники питания отрицательной и положительной полярностей, а для входного преобразователя это не обязательно). Типовая структура приведена на рисунке 2.1.2. 330 пФ рис. 2.2. Надо отметить, что при конденсаторе нагрузки емкостью 330 пФ обеспечиваются времена нарастания и спада на уровне менее 1 мкс. Стандарт RS-232C широко используется при передаче данных между терминальным оборудованием и ЭВМ со стандартизованными скоростями в диапазоне от 110 до 19200 бит/с. Полный стандарт определяет даже распайку контактных выводов сверхминиатюрного 25-контактного разъема типа D и обычно используется при передаче данных в стандарте IEEE422/ Применение ПК в медицинской диагностической аппаратуре не только имеет своей целью универсализацию используемого врачами оборудования, но и снижение его стоимости, что особенно актуально дан российской медицины. Главная проблема, которую решает применение ПК в разрабатываемом приборе - это возможность построения аппаратуры обработки данных с минимальными затратами. Возможности современных процессоров позволяют производить сложные вычисления в реальном масштабе времени, что раньше было под силу только специализированным цифровым процессорам обработки сигналов (ЦПОС). 2.2. Разработка принципиальной схемы измерителяf0 1
3 V a Da 2
рис 2.3 Структурная схема УЗ измерителя скорости кровотока с использованием эффекта Допплера. Измерительный участок этих устройств содержит два установленных на теле пьезоэлектрических преобразователя 1 и 2 с диаграммами направленности, пересекающимися на оси кровотока или в точках сечения, где скорость равна средней скорости потока. Для получения максимальной чувствительности углы между осями главных лепестков диаграмм направленности преобразователей и направлением потока устанавливаются дополнительными до 1800. Излучающий преобразователь 1 возбуждается генератором 4 синусоидальных колебаний. Непрерывные УЗ колебания с частотой f0 рассеиваются на неоднородностях потока, которыми могут служить эритроциты в крови. Перемещающиеся вместе с потоком рассеиватели можно рассматривать как вторичные источники УЗ колебаний с частотой f1=f0 где v – скорость перемещения рассеивателя; с – скорость звука в контролируемой среде; a - угол ввода УЗ колебаний в поток. Вторичные УЗ звуковые колебания, возникающие в области 3, достигают приемный преобразователь 2 и воспринимается как колебания с частотой: f2= Центральная частота доплеровского спектра определяются как разность fд=f0 – f2= Непрерывные УЗ колебания, воспринятые преобразователем 2, преобразуются в электрические и через усилитель 5 поступают на вход смесителя 6 частоты, на второй вход которого подается частота возбуждения f0. Фильтр нижних частот 7 используется для выделения допплеровской частоты fд, которая регистрируется частотомером 8. Если учесть, что объемный расход Q через измерительный участок круглого сечения диаметром D связан со скоростью потока в озвучиваемой области соотношением: где m – коэффициент, учитывающий несовпадение средней скорости потока со скоростью рассеивателя, то статическая характеристика допплеровского УЗ измерителя скорости кровотока может быть представлена в виде Практические схемы допплеровских УЗ
измерителей несколько сложнее изображенной на рис 2.3. В них производится учет
«размытия» допплеровского спектра из-за конечности угловой ширины Da характеристик направленности
преобразователей. Благодаря различию проекций скоростей вторичных источников УЗ
колебаний на границы озвученных областей отраженный от области 3 сигнал будет
содержать спектр частот от Ширина допплеровского спектра равна: После несложных тригонометрических преобразований: откуда следует, что ширина спектра пропорциональна угловой ширине диаграммы направленности. Увеличение диапазона выходной частоты УЗ расходомера за счет «размытия» спектра, что в свою очередь, приводит к ухудшению помехоустойчивости устройства. Для ослабления помех, сопутствующих отраженному сигналу, в ряде практических реализаций используют автоматические системы фазовой или частотной подстройки частоты. К методическим погрешностям допплеровских устройств в первую очередь относится сильная зависимость измерительной информации от изменений скорости звука в контролируемой среде. Неравномерность распределения рассеивателей в озвучиваемом объеме, а также нарушение условия их гидродинамической пассивности относительно потока приводят к существенной случайной погрешности. Малый КПД преобразования (отношение энергии отраженных УЗ колебаний к возбуждению) требует больших мощностей возбуждения. Для допплеровских измерителей скорости кровотока характерна сильная зависимость показаний от профиля скоростей в вене или артерии, так как они не являются датчиками интегрирующего типа. Практические схемы доплеровских измерителей, основанные на различных компенсационных методах, не одинаково реализуют приведенные выше достоинства. В схеме показанной на рис.2.4, направления УЗ луча и потока составляют угол, близкий к прямому. 6 рис. 2.4 Типовая структурная схема измерения сноса УЗ колебаний Генератор 1 непрерывных колебаний рабочей частоты возбуждает излучающий пьезопреобразователь 2. Приемный пьезопреобразователь 3 составлен из двух идентичных пьезоэлементов, сориентированных таким образом, что в неподвижной крови интенсивности УЗ колебания вблизи лицевых поверхностей одинаковы. С появлением движения скорость звука с и осредненная по длине луча скорость кровотока v геометрически суммируются, и направление распространения УЗ колебаний отклоняется от начального на угол q, величина которого определяется соотношением q=arcsin v/c@v/c Для увеличения чувствительности этих устройств УЗ колебания, прежде чем достичь приемного преобразователя, испытывают несколько отражений от внутренней поверхности артерии. В этом случае снос луча у лицевой поверхности приемного преобразователя выражается формулой: Dd=DNq@DN(v/c), где D – внутренний диаметр артерии, N – число отражений УЗ колебаний. Отношение изменения интенсивностей УЗ колебаний на приемных пьезоэлементах DI к начальной интенсивности I0 в неподвижной среде можно считать пропорциональным отношению сноса к средней ширине УЗ луча на приемном преобразователе, т.е. где k – постоянный коэффициент. При этом допущении оказывается, что изменение интенсивностей на приемных пьезоэлементах является мерой скорости потока в озвученной области среды. Выражая скорость потока через расход, получаем упрощенную статическую характеристику метода: где m – коэффициент, учитывающий несовпадение средней скорости кровотока со скоростью усредненной вдоль УЗ луча. Сигналы с приемных пьезоэлементов поступают на дифференциальный усилитель 4, выходное напряжение которого выпрямляется с помощью детектора 5 и регистрируется индикатором 6. Для исключения зависимости выходного напряжения от скорости звука схему обычно дополняют импульсно-циклическим измерителем скорости звука и арифметическим устройством для коррекции результатов измерений. импульсно-циклический скоростемер включает в себя дополнительный пьезопреобразователь 7, излучающий импульсы перпендикулярно оси артерии, и генератор 8 возбуждающих импульсов, образующих единую замкнутую цепь – «синхрокольцо». В системе «синхрокольца» каждый УЗ импульс, отразившись от стенки артерии, воспринимается преобразователем 7 и вновь запускает генератор. Частота следования импульсов в этом устройстве, пропорциональная скорости звука в контролируемой среде, вместе с выходной информацией измерителя сноса поступает на вход арифметического устройства 9, корректирующего результаты измерений. Однако, поскольку контролируемая среда – кровь – имеет вполне определенную скорость распространения звука, то данная схема не представляет собой актуальную разработку. Фазовый метод измерения характеризуется использованием непрерывных УЗ колебаний. В основе фазовых схем лежит сопоставление сдвига фаз колебаний, прошедших через поток. Статическая характеристика фазовых УЗ измерителей имеет вид: Lj t a 6 3 4 5 7 8 рис.2.5 Схема электронной коррекции в фазовых УЗ скорости кровотока Первичный преобразователь этого УЗ прибора имеет два измерительных участка 1 и 2, содержащие волноводы в виде призм. Излучающие преобразователи возбуждаются генератором 3 непрерывных УЗ колебаний через широтно-импульсный модулятор 4, на низкочастотный вход которого от управляющего генератора 5 поступают прямоугольные импульсы длительностью t1. Прямоугольные пакеты колебаний, пройдя контролируемую среду, преобразуются приемными преобразователями в электрические сигналы и подаются на вход коммутатора 6. Управляющие входы коммутатора и фазометра 7 подключены к инвертирующему выходу управляющего генератора, который открывает их на время t2=Т-t1, где Т – период следования управляющих импульсов. Длительности пакетов приемных сигналов меньше излученных и составляют: tП1=Т – t1 - t2, tП2=T – t2 - t2, где t2 – задержка в волноводе. С увеличением скорости звука пакеты импульсов, поступающие на фазометр, расширяются, а длительности импульсов в них, определяемые разностью фаз колебаний, уменьшаются. Фазометр нормирует амплитуды импульсов в пакетах на уровне Uф и усредняет их, поэтому напряжение, регистрируемое вольтметром 8, остается неизменным при колебаниях скорости звука в среде. Оптимальное значение периода управляющих импульсов Т, при котором происходит полная автоматическая компенсация показаний устройства, определяется зависимостью Т=2t0+t2, где t0 – время распространения УЗ колебаний в неподвижной среде. При использовании преобразователей без преломления на основе этого способа может быть произведена компенсация температурных нестабильностей скорости звука. Малая чувствительность фазовых схем в совокупности с невысокой точностью измерений угла сдвига фаз (погрешность 0,5-1%),затрудняет создание на основе этого метода измерителей скорости кровотока, однако этот метод представляется наиболее удобным с точки зрения практической реализации и компенсации различных погрешнстей. 2.3. Анализ метрологических характеристикПогрешность расчета индексов складывается из погрешности проведения эксперимента, погрешности датчика, погрешности аналогового блока, погрешности АЦП и погрешности обработки цифрового сигнала. Средняя скоростьКак было указано выше, измерение средней скорости возможно только при равномерном облучении сосуда. Проведенные на имитаторе опыты показали что, при условии достаточной ширины УЗ пучка, охватывающего сосуд и четкой локализации этого сосуда, средняя скорость может быть измерена с погрешностью менее 10% в непрерывном режиме. Эта погрешность для импульсного прибора немного выше и зависит от формы импульса. Четкая локализация сосуда означает отсутствие сильных возмущений УЗ пучка. На практике довольно трудно обеспечить равномерное облучение сосуда и результирующая погрешность может достигать величины 50%. Метод вычисления средней скорости на основе данных о максимальной скорости, предполагает прохождение УЗ пучка через центр исследуемого сосуда. Этого можно достичь, наблюдая спектрограмму (сонограмму) и прослушивая высоту тона допплеровского сигнала Необходимо также иметь данные о форме распределения составляющих кровотока по сечению сосуда. Для некоторых случаев это распределение хорошо аппроксимируется параболой, данные для некоторых других сосудов можно взять из литературы. Максимальная скорость часто может быть измерена с погрешностью менее 5%. Эксперименты с имитатором потока показали, что средняя скорость также может быть измерена с погрешностью 5% для непрерывного излучения и 10% для импульсного. Угол наклона датчикаЕсли кровеносный сосуд обладает достаточно прямой формой, угол между осью УЗ пучка и этим сосудом может быть измерен с погрешностью 2 - 3 градуса. В таблице показано, как погрешность в 3 градуса при задании угла отражается на вычислении средней скорости. Отсюда следует вывод о необходимости тщательного измерения и установки угла наклона датчика. Таблица 1. Погрешность измерения скорости для различных углов наклона датчика.
Если же сосуд изогнут, задача измерения угла наклона датчика осложняется. Также нельзя гарантировать, что кровяные тельца в таком сосуде движутся параллельно стенкам сосуда. Сечение датчикаВ таблице погрешности измерения площади поперечного сечения сосуда из-за ошибки в измерении диаметра. Из этой таблицы видно, что указанные ошибки достаточно высоки особенно для малых сосудов. Таблица 2. Погрешность измерения площади поперечного сечения сосуда для сосудов различного диаметра.
Дополнительным источником погрешности является изменение площади поперечного сечения пульсирующей артерии. Изменение в 10% характерно для крупных сосудов. Высокочастотный фильтрДля того, чтобы уменьшить влияние на результаты измерения очень сильного эхо-сигнала отраженного от стенок сосуда, этот сигнал обычно отфильтровывается высокочастотным фильтром. Этим же фильтром убираются низкочастотные составляющие от медленно движущейся крови. Обычно применяется фильтр с перестраиваемой частотой среза. Движение сосудаИзменение или даже потеря допплеровского сигнала может быть обусловлена движением исследуемого сосуда при дыхании. ТурбулентностьЭто явление присуще даже нормальным сосудам и становиться сильно выраженным для сосудов с патологией из-за изменения структуры сосуда. Наличие турбулентности на сонограмме затрудняет нахождение средней скорости в сосуде вплоть до невозможности решения этой задачи. Любой признак наличия турбулентности в сосуде ставит под сомнение правильность измерения средней скорости. Расширение спектраКак показали эксперименты, проводимые на имитаторах потока, эффект спектрального расширения в довольно слабой степени влияет на результаты измерения. Ошибки измерения индексовДовольно трудно или вообще невозможно добиться равномерного облучения исследуемого сосуда (особенно крупного). Изменение чувствительности непрерывно-волнового датчика зависит и от приемного и от передающего элементов, а также, от их взаимного расположения и ориентации. Evans и Рarton (1981) и Douville с соавторами (1983) опубликовали результаты исследования диаграмм направленности таких датчиков, причем в обоих случаях отмечались существенные различия характеристик этих датчиков, выпущенных даже одним и тем же производителем. Обычно исследования проводятся по «наилучшему» сигналу, наблюдаемому на мониторе. В этом случае, вероятность перекрытия УЗ лучом центра сосуда довольно велика. Если сечение сосуда достаточно мало, УЗ пучок полностью перекрывает его и спектр содержит информацию о всех составляющих кровотока. В противном случае, часть сосуда остается вне диаграммы направленности и допплеровский спектр, а также индексы, рассчитываемые на его основе, оказываются несостоятельными. Главным выводом является то, что неравномерное облучение исследуемого сосуда серьезным образом влияет на форму допплеровского спектра, что, в свою очередь, приводит к неправильному расчету индексов. Анализ огибающей допплеровского сигналаЦелью анализа допплеровского сигнала является выявление отклонений его формы от нормальной. Характер этих отклонений может свидетельствовать о наличие тех или иных физиологических или патологических нарушений в состоянии исследуемого сосуда. Задачу анализа допплеровского сигнала можно разбить на три этапа: прием и предварительная обработка этого сигнала, выделение параметров сигнала и классификация. Прием, в частности, заключается в выделении некоего вектора, например, огибающей скорости кровотока, или спектра мощности допплеровского сигнала, описывающего кровоток в исследуемой артерии. Второй этап состоит в выделении характерных параметров исходного вектора и вычислении на их основе нового вектора, компонентами которого являются, например, индекс пульсации и индекс спектрального расширения. И, наконец, классификация заключается в принятии решения о нормальном или патологическом состоянии исследуемого сосуда. Необходимо отметить, что каждый последующий этап зависит от предыдущего, поэтому различные методы исследования сосудов, различные метолы цифровой обработки и различные алгоритмы расчета огибающей в совокупности будут влиять на результаты и на качество обработки последующих этапов. Опытный специалист может много сказать о состоянии исследуемого сосуда только по аудио сигналу допплеровского сдвига или по виду спектрограммы. В этом случае довольно затруднительно бывает определить точную причину того или иного заключения. С другой стороны, объективные методы не полагаются на оценку пользователя, они должны обеспечить свободный обмен медицинскими методиками между различными учреждениями, и могут выявить скрытые изменения сигнала. В настоящее время, однако, большинство объективных методов сосредоточено на одной стороне сонограммы (например, на огибающей) и могут игнорировать очевидные для человеческого взгляда вещи. Вывод:Исходя из вышеизложенного, ультразвуковой медицинский допплеровский прибор целесообразно рассматривать не как средство измерения скорости кровотока или его составляющих, а как средство индикации, позволяющее лишь качественно оценить состояние исследуемого сосуда в частности и сердечно-сосудистой системы в целом. 2.4. Расчет надежностиНадежность является одной из основных инженерных проблем. Проблемой надежности занимались всегда с тех пор, как появилась техника. Ненадежные изделия никогда никому не были нужны. Давно уже было понятно, что надежность связана с избыточностью. В связи с этим в инженерных расчетах в различных областях техники широко используются необходимые коэффициенты запаса. Однако за последние 25—30 лет проблема надежности технических систем и входящих в нее элементов сильно обострилась. Это обусловлено главным образом следующими причинами: * Ростом сложности современных технических систем, включающих до 104-106 отдельных элементов; *
Интенсивностью режимов работы системы или
отдельных * Сложностью условий, в которых эксплуатируется техническая система, например: низкие или высокие температуры, высокие влажность, вибрации, ускорения и радиация и т. п.; 4. Требованиями к качеству работы системы: высокие точность, эффективность и т. п.; Повышением ответственности функций, выполняемых системой; высокой технической и экономической ценой отказа; Полной или частичной автоматизацией и исключением непосредственного участия человека при выполнении технической системой ее функции, исключением непрерывного наблюдения и контроля со стороны человека. Одной из главных причин обострения внимания к проблеме надежности является рост сложности технических систем. Сложность условий, в которых могут эксплуатироваться современные технические системы, характеризуется работой в широких диапазонах температур от -70 до +70, наличием вакуума, высокой (98—100%) влажностью, вибрациями с большой амплитудой и широким спектром частот, наличием линейных ускорений до 10-300 (1000) и даже 20 000 g, наличием высокой солнечной и космической радиации. Это приводит к тому, что вероятности возникновения отказов могут возрасти в 25—100 или даже 500—1000 раз по сравнению с вероятностью отказов при работе технических систем в условиях лабораторий. Сложность аппаратуры и тяжелые эксплуатационные условия контроль за исправностью аппаратуры, входящей в техническую систему, что не дает возможности, своевременно обнаружить процессы, приводящие к отказу, и предупредить его появление. Проблема обеспечения надежности связана со всеми этапами создания изделия и всем периодом его практического использования. Надежность изделия закладывается в процессе его конструирования и расчета и обеспечивается в процессе его изготовления путем правильного выбора технологии производства, контроля качества исходных материалов, полуфабрикатов и готовой продукции, контроля режимов и условий изготовления. Надежность сохраняется применением правильных способов хранения изделий и поддерживается правильной эксплуатацией его, планомерным уходом, профилактическим контролем и ремонтом. I. При проектировании изделия должны быть учтены следующие факторы: Качество применяемых компонентов и деталей. Выбор комплектующих компонентов и элементов должен быть проведен с учетом условий работы изделия (климатических и производственных).Элементы должны удовлетворять требованиям по своим функциональным свойствам и характеристикам, иметь необходимую механическую, электрическую и тепловую прочности, требуемую точность и надежность и заданных условиях эксплуатации. Необходимо стремиться применять те компоненты и элементы, входящие в схему и конструкцию изделия, которые показали в случаях, аналогичных конструируемому изделию, наилучшие результаты. Это особенно важно для изделий, выполняющих ответственные функции. Разработка сложных изделий и систем показала, что при использовании унифицированных компонентов, деталей, узлов и элементов резко повышается надежность изделия (системы). Это связано с тем, что унифицированные элементы лучше отработаны в схемном и конструктивном отношении и имеют установившуюся и хорошо контролируемую технологию изготовления. В настоящее время широко распространяется модульно-блочный (агрегатный) принцип построения схем и конструкций сложных изделий. Сложное изделие (система) составляется из функциональных элементов, конструктивно оформленных в виде типовых, стандартных по конструкции модулей или блоков. Стандартизация входных и выходных сигналов, параметров источников питания, габаритных и присоединительных размеров обеспечивает совместную согласованную работу их в изделии; 2) режимы работы компонентов и деталей. Это должно соответствовать их физическим возможностям. Использование компонентов и деталей в режимах, не предусмотренных для их применения, является одним из основных источников отказов. Неправильный выбор рабочих режимов обычно происходит от незнания конструктором свойств элементов, их характеристик, влияния различных физических факторов и особенностей применения. Нельзя допускать режимы более тяжелые, чем те, которые указываются в официальной технической документации на компоненты, детали или элементы и приборы, выбираемые при конструировании данного изделия. Существенным также является схемное решение и конструкция изделия в целом. Наличие переходных процессов в схеме в отдельные моменты ее работы может вызывать появление дополнительных факторов, приводящих к отказам. Разным вариантам размещения компонентов, деталей и элементов внутри изделия будет соответствовать различный микроклимат, различные по величине воздействия вибраций, радиации и т. д. Таким образом, правильный выбор и применение компонентов и элементов схем и деталей конструкции, тщательная разработка схемы и ее компоновки, а также конструкции изделия являются важным условием в достижении его высокой надежности; 3)доступность всех частей изделия и входящих в
них компонентов,
деталей, узлов, блоков и элементов для осмотра, контроля и ремонта или замены. Это является важным условием
в поддержании надежности в период
эксплуатации. В настоящее время В случае сложных изделий и систем находят применение устройства для автоматического контроля исправности изделия (системы). Такие устройства могут использоваться либо для проверки исправности изделия (системы) перед началом ее работы, либо для непрерывного автоматического контроля и индикации исправности аппаратуры изделия в процессе его работы. Наличие таких устройств, позволяющих персоналу объективно судить о работоспособности изделия, имеет большое значение для его эффективности использования; 4) защитные устройства.
При проектировании изделии (систем) для автоматического
регулирования и управления необходимо такое построение схем и
конструкций, чтобы отказ в работе элемента, узла, прибора не приводил к аварийному состоянию
всего объекта. II. При эксплуатации изделий основными факторами, влияющими на их надежность, являются: условия эксплуатации: климатические и производственные. Воздействие высоких или низких температур
окружающей среды; большие сезонные и
суточные колебания температуры и влажности; высокая влажность, туман, дождь, иней оказывают большое влияние на
надежность аппаратуры, работающей вне помещений. Не меньшее влияние оказывают высокие температуры,
резкое их изменение, наличие влаги
и различных агрессивных примесей в воздухе при использовании в помещениях цехов
металлургических и химических заводов Размещение аппаратуры около
крупных агрегатов и силовых установок или
около крупных машин связано с воздействием
на них механических, а часто и акустических колебаний. Это вызывает ускорение старения материалов и
появление отказов. Если аппаратура
устанавливается на подвижных объектах: кораблях, поездах,
автомобилях, самолетах, ракетах, то к действию тщательно продуманная система обслуживания имеет существенное значение для сохранения надежности изделий (аппаратуры). Налаженный уход за аппаратурой, периодический профилактический осмотр и контроль, установленная по регламенту чистка и подналадка, ремонт и замена износившихся деталей и элементов, характеристики которых показали при очередном контроле отклонения от нормы, позволяют предотвратить отказы и продлить срок службы изделия. Следует указать на то, что создание системы правильного обслуживания современных сложных технических систем часто требует больших предварительных исследований и приводит к появлению нового научного направления, связанного с разработкой теоретических основ и инженерных методов организации оптимального обслуживания; 3) квалификация и ответственность обслуживающего персонала имеют важнейшее значение для обеспечения надежности, долговечности и эффективности работы изделия (аппаратуры). Надежность работы аппаратуры одного и того же типа будет существенно отличаться, если обслуживающий персонал имеет неодинаковую подготовку, либо различную степень ответственности за исправность аппаратуры и выполнение ею заданных функций. Опыт показывает, что частая смена персонала снижает ответственность и, с другой стороны, мешает ему полностью освоить аппаратуру. Современные сложные изделия для глубокого изучения и освоения требуют значительного времени практической работы, в течение которого вырабатываются необходимые навыки в качественном проведении профилактических работ, быстрой и правильной настройке и регулировке аппаратуры, в отыскании н устранении несложных отказов и неисправностей, замене быстро изнашиваемых частей и деталей. Расчет надежности электрической схемы: Задающий генератор 1шт l=0,35 Резисторы 32 шт l=0.68*32=21,76 Микросхемы 5 шт l=15*5=75 Транзисторы 4 шт l=0,84*4=3,36 Диоды 5 шт l=0,2*5=1 Конденсаторы 16 шт l=0,625*16=1 Так как при эксплуатации прибора интенсивность отказов является константой: где l - интенсивность отказов (усредненная), Т – срок безотказной работы (по ТУ). P=e-0.00001209388*8100=0,90668 Вывод: Надежность схемы удовлетворяют требуемым условиям. 3. Технологическая частьТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ Настоящие технические условия (ТУ) распространяются на измеритель кровотока, предназначенного для измерения скорости кровотока. Специальное изделие (СИ) должно удовлетворять требованиям ГОСТ 27.001-81. 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ. Основные параметры и характеристики: * Диапазон измерений должен быть от 10-3 до 0,1 м/с. * Погрешность измерения линейных размеров по ГОСТу 26831-86 не должна быть более 0,8 мм. * Ток потребления (при напряжении питания 12 в) не должен превышать 0,03 А. * Частота следования импульсов должна быть в пределах 1,8-2.2 МГц * Время установления рабочего режима должно быть не более 10 с. * Напряжение питания прибора составляет +-12 В +- 5%; 5В +-1%; * Габаритные размеры прибора составляют 150х150х40 Масса прибора не более 350гр 2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ. 1. Материалы, полуфабрикаты, электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и сборочные единицы, применяемые для изготовления ультразвукового зонда, должны соответствовать государственным стандартам, техническим условиям на них и иметь паспорт (сертификат) о приемке их на предприятии-изготовителе. ЭРЭ, идущие на изготовление измерителя, должны быть приняты представителем заказчика на предприятии-изготовителе в соответствии с действующими перечнями. Основные сборочные единицы измерителя собственного изготовления должны испытываться на соответствие техническим условиям на них. 2. Качество сборки, монтажа и внешний вид ультразвукового зонда должны соответствовать следующим требованиям: все детали, сборочные единицы должны быть прочно закреплены без перекосов, органы управления и регулировки должны действовать плавно и обеспечивать надежность фиксации; все винты, болты и детали, имеющие резьбу, не должны иметь повреждений и должны быть прочно застопорены согласно чертежам; основные сборочные единицы и детали должны маркироваться согласно чертежам; все покрытия должны быть прочными, ровными, без царапин и трещин и обеспечивать защиту от коррозии. 3. ТРЕБОВАНИЯ ПО НАДЕЖНОСТИ. 1. Наработка на отказ должна быть не менее 5000 ч. 2. Средний технический ресурс должен быть не менее 8100 ч. 3. Средний срок службы не менее 5 лет. 4. Прибор должен быть устойчив к воздействию следующих климатических факторов: - температура окружающей среды от 10 до 35 С; - относительная влажность воздуха 80% при температуре 25 С; 5. Прибор в транспортной упаковке должен быть устойчив к воздействию климатических факторов: - повышенной температуры окружающей среды до 50 С; - пониженной температуры окружающей среды до - 40 С; - циклическому изменению температуры и влажности в течении 2 суток; - прибор в транспортной упаковке должен быть прочен к воздействию вибрационных нагрузок в диапазоне частот 10-55 Гц при амплитуде виброперемещения 0,35 мм, ударных нагрузок с пиковым ускорением 100 м/с (10g) с длительностью действия ударного ускорения 16 мс, направление воздействия указанных факторов – вдоль вертикальной оси прибора. 4. КОМПЛЕКТНОСТЬ ИЗДЕЛИЯ. Изделие должно поставляться в комплекте, указанном в таблице 1. Таблица 1.
ПРАВИЛА ПРИЕМКИ. 1. Правила приемки измерителя должны соответствовать требованиям ГОСТ 20.57.302-76. 2. Все 100% измерителей предъявленных на приемо-сдаточные испытания партии должны проводится на соответствия следующим пункта № 2 настоящих ТУ. 3. На приемо-сдаточные испытания измерителя предъявляются с протоколами проведения приработки и технологической тряски. Примечание: На приемо-сдаточные испытания представителю заказчика предъявляются измерители с протоколами о проверке их ОТК в объеме приемо-сдаточных испытаний. 5. Если количество экземпляров измерителя, забракованных по пунктам, проверяемым у 100% измерителей, достигает 15% от предъявленной партии, то вся партия предъявленных измерителей считается не выдержавшей испытаний и возвращается предприятию-изготовителю для выяснения причин брака, его устранения и перепроверки ОТК всей партии измерителей. 6. Состав испытаний должен соответствовать таблице 2 Таблица 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ИСПЫТАНИЙ ПРИБОРА 1. Проверка внешнего вида. Проверка внешнего вида производят визуально путем сличения с документацией. 2. Проверка комплектности Комплектность изделия проверяется сличением действительной комплектности изделия с данными таблицы 1. 3. Проверка максимального напряжения на излучающем пьезоэлементе Максимальное переменное напряжение на излучающем пьезоэлементе при работе прибора должно быть не менее 10 В. Проверку прибора на соответствие данному требованию проводят в следующей последовательности: включить питание компьютера кнопкой «питание», при этом загорается светодиод рядом с кнопкой; подсоединить к гнездам Y1 и Y2 схемы проверки электронный цифровой вольтметр, подготовленный для измерения напряжений переменного тока. («0 В» вольтметра подсоединяют к гнезду Y1); произвести измерение напряжения на гнездах; По завершении проверки отсоединить вольтметр от гнезд Y1 и Y2. |