DOPPLER KAN AKIÞ ÖLÇERLERÝ ÝÇÝN MAKSÝMUM FREKANS ÝZLEYÝCÝ TASARIMI VE GERÇEKLEÞTÝRÝLMESÝ

Transkript

1 Erc. Üniv. Fen Bil. Derg. 15,1-2 (1999) DOPPLER KAN AKIÞ ÖLÇERLERÝ ÝÇÝN MAKSÝMUM FREKANS ÝZLEYÝCÝ TASARIMI VE GERÇEKLEÞTÝRÝLMESÝ Yýlmaz SAVAÞ Gazi Üniversitesi, Teknik Eðitim Fakültesi, Elektronik ve Bilgisayar Eðitimi Bölümü, Beþevler, Ankara Özet Ultrasonik Doppler kan akýþ ölçme sinyalinde maksimum frekansý algýlamak için bir frekans izleyicisi tasarlanmýþ ve gerçekleþtirilmiþtir. Tasarlanan frekans izleyicisinin ucuz ve güvenilir olmasý kan akýþ ölçümünde önemli bir avantaj saðlamaktadýr. Gerçekleþtirilen devrenin çýkýþ frekansý ile ticari bir Doppler sinyal iþlemcisinin çýkýþýndan alýnan sonogram frekansýkarþýlaþtýrýlarak devrenin çalýþma performansýölçülmüþtür. DESIGN AND CONSTRUCTION OF MAXIMUM FREQUENCY TRACER FOR DOPPLER BLOOD FLOW METER Abstract A maximum frequency tracer is designed and constructed to measure the maximum frequency in ultrasound Doppler blood flow signal. The constructed frequency tracer is cheap and reliable so it provides an important advantage. The output frequency of the implemented circuit is compared with the commercial Doppler frequency processor, then the performance is measured. 1. Giriþ Ýnsanlara ait kan akýþýnýn ölçülmesiyle týbbi teþhislerde önemli ilerlemeler kaydedilmiþtir. Ýnsan vücuduna zarar vermeden ölçme yapmaya imkan verdiðinden dolayý ultrasonik Doppler kan akýþ ölçme sistemleri kliniklerde yaygýn olarak kullanýlmaktadýr. Bu amaçla ilk olarak yaklaþýk 35 yýl önce kullanýlmasýna raðmen, hastane dýþýnda kullanýlabilecek tipte

2 Y. Savaþ 13 taþýnabilir Doppler kan akýþ ölçme cihazlarý ancak son 15 yýl içinde geliþtirilmiþtir[1]. Günümüzde ise tümdevre teknolojisi sayesinde son derece geliþmiþ ultrasonik Doppler kan akýþ ölçme cihazlarý yapýlabilmektedir. Bu cihazlar sayesinde çok ince damarlarda bile kan akýþ hýzý ve damar çapý ölçülebilmekte, damarda bir týkanýklýk ya da geniþleme varsa bu durum kolaylýkla tesbit edilebilmektedir[2-4]. Ultrasonik frekans insan kulaðýnýn duyabileceði en yüksek frekans olan 20 khz den daha büyük olan frekanslara denir. Týpta hem ultrasonik tomografi uygulamalarýnda hem de Doppler etkisi ile çalýþan ultrasonik cihazlarda kullanýlan ultrasonik frekans genellikle 1 MHz ile 10 MHz arasýndadýr. Ancak son zamanlarda geliþen teknoloji sayesinde 20 MHz ultrasonik frekans kullanan Doppler kan akýþ ölçme cihazlarý da ortaya çýkmýþtýr. Seçilmesi gereken alt frekans sýnýrý ölçüm yapýlacak damarýn uzaklýðýna ve çapýna baðlýolarak belirlenir. Mesela ince damarlarda kan akýþ hýzýný ölçebilmek için ultrasonik dalga boyu damar çapýndan daha küçük olmalýdýr. Bu da frekansýn yüksek olmasý anlamýna gelir. Seçilebilecek üst sýnýr ise kabul edilebilir güç seviyeleri ve hasta emniyeti dikkate alýnarak belirlenir. Frekans arttýkca zayýflama ve kayýplar hýzla artacaðýndan uygulamanýn yapýldýðý dokuya baðlý olarak belirli bir frekansýn üstüne çýkýlamaz. Hem ultrasonik görüntüleme hem de Doppler cihazlarý vücuda bir ultrasonik dalga gönderip geri yansýyan veya saçýlan dalgayý algýlayýp analiz etmek suretiyle çalýþýrlar. En kýsa ifadeyle Doppler frekansý vücuda gönderilen ultrasonik dalga ile geri yansýyan dalga arasýndaki fark frekansýdýr. Buna göre,

3 Doppler kan akýþ ölçerleri için maksimum frekans izleyici tasarýmý ftv f d = ft fr = 2 cosθ (1) c Burada f d ultrasonik dalganýn frekansýndaki kayma miktarý, f t gönderilen dalganýn frekansý, f r yansýyan dalganýn frekansý, v kan akýþ hýzý, c ultrasonik dalganýn ortamdaki hýzý, θ ultrasonik dalganýn yönü ile kan akýþ yönü arasýndaki açýdýr. Pratikte kan içerisinde birden fazla hareketli parçacýk olduðu ve bu parçacýklarýn herbiri farklý hýzlarda hareket ettiði için, Doppler fark frekansý (f d ) tek frekans bileþenli olmayacak bir frekanslar spektrumu olacaktýr. Bu çalýþmada ultrasonik Doppler kan akýþ ölçerleri için bir maksimum frekans izleyicisi tasarlanmýþ ve performansý incelenmiþtir. Tasarlanan sistem halen hastanelerde kullanýlan Sonicaid Vasoflo-3 kan akýþ ölçme sisteminden alýnan sonogram çýkýþlarý ile mukayese edilmiþ ve maksimum frekansý algýlamak bakýmýndan benzer sonuçlarývermiþtir. 2. Devrenin Tasarýmý Ultrasonik Doppler kan akýþ ölçerleri çýkýþýndan elde edilen frekansýn üst sýnýrý ses frekans bölgesi içerisindedir. Böyle bir sinyalin analizi ve klinik sahada kullanýþlý bilgilerin elde edilmesi için çeþitli metodlar olmasýna karþýn en iyi metod spektral analiz metodudur. Spektral analiz metodunda Doppler sinyali içerisindeki birçok bilginin anlaþýlmasýnýn mümkün olmasýna karþýlýk pahalýolmasýen önemli sakýncasýolmaktadýr. Bu yüzden daha ucuz ve etkili metodlarýn bulunmasý gerekmektedir. Kalp atým süresi içerisinde Doppler sinyalinde maksimum frekans mevcut olduðundan, atar damar hastalýklarýnýn teþhisinde bu maksimum frekansýn ölçülmesi

4 Y. Savaþ 15 önemlidir. Bu parametrenin basit ve ucuz bir analog elektronik düzenle yapýlabilmesi konuyu daha da cazip hale getirmektedir[5]. Tasarlanan devrenin blok diyagramý Þekil 1 de görülmektedir. Devre, standart 741 iþlemsel yükselteçleri, NE566 gerilim kontrollü osilatör (GKO) ve AD 533 çarpýcýdevre elemanlarýkullanýlarak gerçekleþtirilmiþtir. Devrede kullanýlan iki adet CA3140 hassas doðrultucu devre elemanlarý frekans sahasýnýn yüksek seviyeleri (15-20 khz) için kullanýlmaktadýr. Devrenin ilk katý otomatik kazanç kontrol (OKK) devresidir. Ýkinci kat, Doppler sinyalini tepeden tepeye 1 V ile 5 V arasýnda kuvvetlendiren yükselteç katýdýr. Yükselteç ile GKO katlarýnýn çýkýþlarý birbiriyle mukayeseli bir þekilde çarpýcý devresine girmektedir. Çarpýcý devresi bir çarpýmsal karýþtýrýcý görevini yapmakta ve çýkýþý, 5 khz lik alçak geçiren filtreye (AGF) toplam ve fark frekanslarý þeklinde beslenmektedir. GKO, sistem giriþ sinyalinin frekansý 5 khz in üstünde olduðu takdirde çalýþýr. Çarpýcý çýkýþýndaki fark frekansýna baðlý olarak filtre cevabý 10 db daha aþaðýseviyede olmalýdýr. Filtre çýkýþý bir sonraki kat tarafýndan doðrultulur ve ortalamasý alýnýr. Benzer iþlem yükselteç çýkýþý ile fark yükselteci arasýnda da yapýlarak AGF çýkýþýndaki sinyal ile mukayese iþlemi gerçekleþtirilir. Fark yükselteci çýkýþýndaki sinyalin 10 ms lik zaman sabiti ile integrali alýnýr. Dengesizlik (offset) katý GKO ü kontrol etmek için gerekli olan sinyali üretir.

5 Doppler kan akýþ ölçerleri için maksimum frekans izleyici tasarýmý Doðrultucu+ Düzeltici Giriþ Doppler ses sinyali O.K. K. Yükselteç Çarpýcý 5kHz A.G.F. Doðrultucu+ Düzeltici Fark G.K.O. Offset Integrator Çýkýþ Osiloskoba 15Hz A.G.F. Þekil 1. Maksimum frekans izleyicisinin blok diyagramý Sistem bütünüyle giriþteki maksimum frekansý izlemektedir. GKO, daima giriþ sinyali ile kendi çýkýþý arasýnda 5 khz lik bir fark frekansýný muhafaza etmektedir. Ýntegratör çýkýþý, giriþteki maksimum frekansýn ölçülmesinde kullanýlabilmektedir. Ýntegratör çýkýþý 2 kutuplu 15 Hz lik bir AGF üzerinden kaydediciye baðlanarak istenen sinyalin kayýdý yapýlabilmektedir. 3. Sonuç Þekil 2 de ticari bir sistem kullanýlarak (Sonicaid Vasoflo-3) saðlýklý bir insanýn karotid arterinden alýnan sonogram ile tasarlanan sistemin çýkýþýndan alýnan maksimum frekans görülmektedir. Þekilden de görüldüðü

6 Y. Savaþ 17 gibi tasarlanan sistemin çýkýþ zarfý çok büyük yaklaþýklýkla sonogram zarfýný izlemektedir. Bu ise sistemin doðruluk derecesinin yüksek olduðunu göstermektedir. a) b) Þekil 2. Sonogram çýkýþý ile maksimum frekans izleyici çýkýþýnýn mukayesesi: a) Sonogram çýkýþý, b) maksimum frekans izleyici çýkýþý. Þekil 3 de maksimum frekans izleyici çýkýþý ile sonogram frekansýnýn performansý karþýlaþtýrýlmýþtýr. Saðlýklý bir insanýn karotid arterinde yapýlan 5 ayrý ölçüm sonucu karþýlaþtýrýldýðýnda, maksimum frekans izleyici çýkýþýnýn ticari sistemle ölçülen maksimum frekans ile birbirine yakýn sonuçlar verdiði görülmektedir. Öte yandan, tasarlanan sistem ile ticari sistem arasýnda görülen küçük sapmalar, tasarlanan sistemin frekans yalýtýmýnýn yapýlmadýðýndan kaynaklanmaktadýr. Tasarlanan sistemin çok deðiþik damarlarda denenmesi bu çalýþmanýn daha ileri safhalarýnda gerçekleþtirilecektir.

7 Doppler kan akýþ ölçerleri için maksimum frekans izleyici tasarýmý Þekil 3. Maksimum frekans izleyici çýkýþý ile sonogram çýkýþýnýn performansý. KAYNAKLAR [1.] D.H. Evans, W.N. McDicken, R. Skidmore, J.P. Woodcock, Doppler Ultrasound; Physics, Instrumentation and Clinical Applications, Wiley, Chichester, (1989.) [2.] N.F. Güler, M.K. Kýymýk, Ý. Güler, Comparison of FFT and ARbased sonogram outputs of 20 MHz pulsed Doppler data in real time, Comput. Biol. Med., Vol 25, No 4, , (1995.) [3.] N.F. Güler M.K. Kýymýk, Ý. Güler, Autoregressive-based sonogram outputs of 20 MHz pulsed Doppler data, Med. Progress thru. Technology, 21, , (1995.) [4.] Ý. Güler, N.F. Güler, The electronic detail of a pulsed Doppler blood flow measurement system, Meas. Sci. Technol., 1, , (1990.) [5.] C. Callicot, M.J. Lunt, A maximum frequency dedector for Doppler blood velocimeters, J. Med. Eng. Technol.; Vol 3, No , (1979.)