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NOTA TÉCNICA REVISTA MEXICANA DE

INGENIERÍA BIOMÉDICAibVol. 36, No. 3, Sep-Dic 2015, pp. 251-258

dx.doi.org/10.17488/RMIB.36.3.2pdf

Implementación de un Demodulador Heterodino para laDiscriminación del Sentido del Flujo Sanguíneo en unDetector Doppler Ultrasónico Bi-direccional

F. García, J. Solano, M. Fuentes, E. RubioInstituto de Investigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas. Universidad Nacional Autónoma deMéxico.

RESUMENLos sistemas Doppler ultrasónicos han sido utilizados ampliamente en el diagnóstico médico, en general en el estudiode flujo sanguíneo y en particular en el diagnóstico de padecimientos vasculares. Esto se debe principalmente a sucarácter no invasivo y su relativo bajo costo. Una característica importante de los sistemas Doppler ultrasónicoses la de poder detectar la señal asociada con el flujo sanguíneo y discriminar la dirección del mismo. La señalDoppler ultrasónica contiene información asociada con la velocidad de los componentes de la sangre, y su espectro enfrecuencia representa el perfil de velocidad del flujo sanguíneo, que puede ser de sentido directo o inverso. Típicamentelos sistemas Doppler ultrasónicos que detectan el sentido de la dirección de flujo sanguíneo de la señal, se basan enmétodos de demodulación homodina en cuadratura. Sin embargo las señales producidas por este tipo de detectoresrequieren de un proceso adicional de separación.

Este trabajo aborda la implementación de un demodulador heterodino que forma parte de un detector Dopplerultrasónico para la medición de flujo sanguíneo bi-direccional. Se describe el principio de la detección de la señalDoppler ultrasónica de flujo sanguíneo y su representación en la forma de un espectrograma de dos dimensiones,así como también los dispositivos detectores Doppler de flujo sanguíneo, su clasificación de acuerdo a su modo deoperación y tipo de demodulación. Finalmente se presentan pruebas de funcionalidad y se analizan los resultadosobtenidos contrastándolos con los resultados teóricos.Palabras clave: flujometría Doppler, flujo sanguíneo, demodulaciónheterodina.

Correspondencia:Fabián García NocettiUniversidad Nacional Autónoma de México, Instituto deInvestigaciones en Matemáticas Aplicadas y en Sistemas. CircuitoEscolar S/N, Ciudad Universitaria, México D. F., 04510, México.Correo electrónico: [email protected]

Fecha de recepción:1 de mayo de 2015

Fecha de aceptación:15 de julio de 2015

dx.doi.org/10.17488/RMIB.36.3.2pdf

252 Revista Mexicana de Ingeniería Biomédica · volumen 36 · número 3 · Sep-Dic, 2015

ABSTRACTDoppler ultrasound systems have been widely used in medical diagnosis, in the study of blood flow, in particular,in the diagnosis of vascular disorders. This is mainly due to its non-invasive method and its relatively low cost. Animportant feature of the ultrasonic Doppler system is the capability to detect the signal associated with the bloodflow and discriminate its direction. The Doppler ultrasound signal contains information associated with the velocityof the blood components, and its frequency spectrum represents the velocity profile of blood flow, which may bedirect or reverse. Typically Doppler ultrasound systems which detect the sense of the direction of blood flow signal,are based on methods of homodyne demodulation in quadrature. However the signals produced by these detectorsrequire an additional separation process.

This paper addresses the implementation of a heterodyne demodulator as a part of a Doppler ultrasound detectorfor measuring bi-directional blood flow. We describe the detection process of the Doppler ultrasound blood flow signaland its representation in the form of a two-dimensional spectrogram. Doppler blood flow sensing devices and theirclassification according to their operation mode and type of demodulation are also described. Finally, functionalitytests are presented and results are analyzed.Keywords: Doppler flowmetry, blood flow, heterodyne separation.

INTRODUCCIÓN

Los sistemas Doppler ultrasónicos han sidoutilizados ampliamente en el diagnósticomédico, en general en el estudio de flujosanguíneo y en particular en el diagnósticode padecimientos vasculares. Esto se debeprincipalmente a su carácter no invasivo ysu relativo bajo costo. Este tipo de sistemaspermite extraer información de los ecos queproducen las estructuras en movimiento de lasangre, produciendo imágenes y sonogramasque se utilizan para estimar parámetrosasociados con el flujo sanguíneo.

Una característica importante de lossistemas Doppler ultrasónicos es la de poderdetectar la señal asociada con el flujosanguíneo y discriminar la dirección delmismo. La señal Doppler ultrasónica contieneinformación asociada con la velocidad de loscomponentes de la sangre, y su espectro enfrecuencia representa el perfil de velocidaddel flujo sanguíneo, que puede ser de sentidodirecto o inverso[1][2][3]. Esta señal seadquiere a través de un detector Doppler,

basado en un transductor que emite un hazultrasónico de frecuencia fija sobre el torrentesanguíneo, y que recibe un haz perturbadopor la velocidad de los componentes de lasangre, el cual es demodulado para recuperarla información de interés.

Típicamente los sistemas Dopplerultrasónicos que detectan el sentido de ladirección de flujo sanguíneo de la señal,se basan en métodos de demodulaciónhomodina en cuadratura. Sin embargo lasseñales producidas por este tipo de detectoresrequieren de un algoritmo adicional deseparación. En un trabajo previo [3], seabordó un método para la detección delsentido del flujo sanguíneo, utilizandodemodulación heterodina para un sistemaDoppler ultrasónico y se validó mediantesimulación. Este método consiste en trasladarla banda de frecuencias de la señal deinformación Doppler a un origen, desplazadoal menos el ancho de banda de la señal y tienela ventaja de simplificar la etapa analógica dela adquisición de la señal Doppler, al utilizaruna demodulación en un solo canal [4].

García y col. Implementación de un Demodulador Heterodino para la detección del Sentido de Flujo Sanguíneo en unDetector Doppler Ultrasónico Bi-direccional 253

En este artículo se aborda lainstrumentación de un demoduladorheterodino, que forma parte de un detectorDoppler ultrasónico para la medición deflujo sanguíneo bi-direccional, que se planeautilizar en cirugías de revascularizacióncoronaria [7].

Primeramente se describe el principio dela detección de la señal Doppler ultrasónicade flujo sanguíneo y su representación enla forma de un espectrograma de dosdimensiones. Se describen los dispositivosdetectores Doppler de flujo sanguíneo, suclasificación de acuerdo a su modo deoperación y tipo de demodulación, así comoel desarrollo de un detector Doppler deflujo sanguíneo, usando un demoduladorheterodino. Finalmente se presentan pruebasde funcionalidad y se analizan los resultadosobtenidos.

ANTECEDENTES

En un detector Doppler ultrasónico de flujosanguíneo, se irradian las partículas quecomponen la sangre con un haz ultrasónicode frecuencia fija fo, las ondas ultrasónicasinciden en el torrente sanguíneo y la velocidadcon que se mueven dichas partículas modificala frecuencia de la señal emitida, produciendouna señal de eco (RF ) con frecuenciasmuy próximas a dicha señal, la cual estácompuesta por una serie de frecuencias querepresentan el perfil de velocidades del flujosanguíneo. Este principio de detección seilustra en la Figura 1, donde la señal Dopplerultrasónica de flujo sanguíneo se encuentracontenida en la señal recibida [2][3].

En el cuerpo humano, algunas arterias delsistema vascular, pueden presentar flujo ensentido directo o inverso, tal es el caso dela arteria humeral y la arteria femoral. LaFigura 2 muestra el espectrograma típico deuna arteria femoral con esas características.

Las señales Doppler ultrasónicas de flujose representan mediante espectrogramas,como se muestra en la Figura 2, donde eleje horizontal es el Tiempo[s], el eje vertical

trasladar la banda de frecuencias de la señal de información Doppler a un origen, desplazado al menos el ancho de banda de la señal y tiene la ventaja de simplificar la etapa analógica de la adquisición de la señal Doppler, al utilizar una demodulación en un solo canal [4].

En este artículo se aborda la instrumentación de un demodulador heterodino, que forma parte de un detector Doppler ultrasónico para la medición de flujo sanguíneo bi-direccional, que se planea utilizar en cirugías de revascularización coronaria [7].

Primeramente se describe el principio de la detección de la señal Doppler ultrasónica de flujo sanguíneo y su representación en la forma de un espectrograma de dos dimensiones. Se describen los dispositivos detectores Doppler de flujo sanguíneo, su clasificación de acuerdo a su modo de operación y tipo de demodulación, así como el desarrollo de un detector Doppler de flujo sanguíneo, usando un demodulador heterodino. Finalmente se presentan pruebas de funcionalidad y se analizan los resultados obtenidos.

ANTECEDENTES

En un detector Doppler ultrasónico de flujo sanguíneo, se irradian las partículas que componen la sangre con un haz ultrasónico de frecuencia fija fo, las ondas ultrasónicas inciden en el torrente sanguíneo y la velocidad con que se mueven dichas partículas modifica la frecuencia de la señal emitida, produciendo una señal de eco $(RF)$ con frecuencias muy próximas a dicha señal, la cual está compuesta por una serie de frecuencias que representan el perfil de velocidades del flujo sanguíneo. Este principio de detección se ilustra en la Figura 1, donde la señal Doppler ultrasónica de flujo sanguíneo se encuentra contenida en la señal recibida [2][3].

Figura 1. Detección de la velocidad del flujo sanguíneo por efecto Doppler ultrasónico.

En el cuerpo humano, algunas arterias del sistema vascular, pueden presentar flujo en sentido directo o inverso, tal es el caso de la arteria humeral y la arteria femoral. La Figura 2 muestra el espectrograma típico de una arteria femoral con esas características.

Figura 2. Espectrograma de un ciclo cardiaco

de arteria femoral (las frecuencias positivas representan flujo directo y las frecuencias negativas representan flujo inverso).

Las señales Doppler ultrasónicas de flujo se representan mediante espectrogramas, como se muestra en la Figura 2, donde el eje horizontal es el Tiempo[s], el eje vertical es la Frecuencia[kHz] o Velocidad[mm/s] y las amplitudes se representan mediante una escala de

Figura 1. Detección de la velocidad del flujosanguíneo por efecto Doppler ultrasónico.

trasladar la banda de frecuencias de la señal de información Doppler a un origen, desplazado al menos el ancho de banda de la señal y tiene la ventaja de simplificar la etapa analógica de la adquisición de la señal Doppler, al utilizar una demodulación en un solo canal [4].

En este artículo se aborda la instrumentación de un demodulador heterodino, que forma parte de un detector Doppler ultrasónico para la medición de flujo sanguíneo bi-direccional, que se planea utilizar en cirugías de revascularización coronaria [7].

Primeramente se describe el principio de la detección de la señal Doppler ultrasónica de flujo sanguíneo y su representación en la forma de un espectrograma de dos dimensiones. Se describen los dispositivos detectores Doppler de flujo sanguíneo, su clasificación de acuerdo a su modo de operación y tipo de demodulación, así como el desarrollo de un detector Doppler de flujo sanguíneo, usando un demodulador heterodino. Finalmente se presentan pruebas de funcionalidad y se analizan los resultados obtenidos.

ANTECEDENTES

En un detector Doppler ultrasónico de flujo sanguíneo, se irradian las partículas que componen la sangre con un haz ultrasónico de frecuencia fija fo, las ondas ultrasónicas inciden en el torrente sanguíneo y la velocidad con que se mueven dichas partículas modifica la frecuencia de la señal emitida, produciendo una señal de eco $(RF)$ con frecuencias muy próximas a dicha señal, la cual está compuesta por una serie de frecuencias que representan el perfil de velocidades del flujo sanguíneo. Este principio de detección se ilustra en la Figura 1, donde la señal Doppler ultrasónica de flujo sanguíneo se encuentra contenida en la señal recibida [2][3].

Figura 1. Detección de la velocidad del flujo sanguíneo por efecto Doppler ultrasónico.

En el cuerpo humano, algunas arterias del sistema vascular, pueden presentar flujo en sentido directo o inverso, tal es el caso de la arteria humeral y la arteria femoral. La Figura 2 muestra el espectrograma típico de una arteria femoral con esas características.

Figura 2. Espectrograma de un ciclo cardiaco

de arteria femoral (las frecuencias positivas representan flujo directo y las frecuencias negativas representan flujo inverso).

Las señales Doppler ultrasónicas de flujo se representan mediante espectrogramas, como se muestra en la Figura 2, donde el eje horizontal es el Tiempo[s], el eje vertical es la Frecuencia[kHz] o Velocidad[mm/s] y las amplitudes se representan mediante una escala de

Figura 2. Espectrograma de un ciclo cardiaco dearteria femoral (las frecuencias positivas representanflujo directo y las frecuencias negativas representanflujo inverso).

es la Frecuencia[kHz] o Velocidad[mm/s] ylas amplitudes se representan mediante unaescala de colores [1][2][7]. En la Figura2, se consideran ventanas de 512 puntos yuna ventana Hanning, los espectrogramasestán formados por segmentos de 10 ms, laamplitud de la señal está escalada en un rangodinámico de 12 dB.

Los detectores Doppler ultrasónicos deflujo sanguíneo se pueden clasificar deacuerdo a su modo de operación en dostipos: Modo Continuo y Modo Pulsado.A su vez pueden ser no-direccional o bi-direccional. Este último entrega señales que


mediante un procesamiento adicional permitela separación del sentido de la dirección delflujo [1][2].

El detector Doppler más simple operaen modo continuo y usa dos cerámicaspiezoeléctricas (PZT) en el transductor,una para transmitir y otra para recibircontinuamente las ondas ultrasónicas. Estosdispositivos no tienen la capacidad paradelimitar el volumen de muestreo deseado,como se muestra en la Figura 3(a). Nóteseque el transductor emite una señal confrecuencia fija, irradiando sobre 2 vasoscolocados en el campo de acción del hazultrasónico. La onda ultrasónica recibidacontiene la información mezclada del flujo deambos vasos. Por lo que resulta imposibledetectar la información correspondiente acada vaso. Con el propósito de resolverel problema anterior se ha desarrolladoel denominado detector Doppler pulsado,el cual requiere de una sola cerámica enel transductor, que se usa para emitiry recibir las ondas ultrasónicas. Estosdetectores operan utilizando pulsos de controlen trasmisión y en recepción, que dependende la profundidad a la que se encuentra elvolumen de la muestra del flujo que se quieremedir.

Para emitir el tren de pulsos se requiere deun pulso de control Tx(Ctrl), cuya frecuenciade repetición depende de la profundidad ala que se encuentra el vaso a medir, y elancho del pulso determina el volumen de lamuestra. El rango de recepción del detectorse define por la duración del pulso Rx(rango).La recepción de la información deseada sólose realiza durante la duración del pulso decontrol Rx(Ctrl). En la Figura 3(b) se ilustrael principio descrito [2].

Los detectores de flujo sanguíneo, porsu modo de demodulación pueden ser no-direccionales o bi-direccionales, es por estoque el demodulador es una parte muyimportante de un detector Doppler de flujosanguíneo. El demodulador es el circuitomezclador que convierte la señal RF recibida

colores [1][2][7]. En la Figura 2, se consideran ventanas de 512 puntos y una ventana Hanning, los espectrogramas están formados por segmentos de 10 ms, la amplitud de la señal está escalada en un rango dinámico de 12 dB.

Los detectores Doppler ultrasónicos de flujo sanguíneo se pueden clasificar de acuerdo a su modo de operación en dos tipos: Modo Continuo y Modo Pulsado. A su vez pueden ser no-direccional o bi-direccional. Este último entrega señales que mediante un procesamiento adicional permite la separación del sentido de la dirección del flujo [1][2].

El detector Doppler más simple opera en modo continuo y usa dos cerámicas piezoeléctricas (PZT) en el transductor, una para transmitir y otra para recibir continuamente las ondas ultrasónicas. Estos dispositivos no tienen la capacidad para delimitar el volumen de muestreo deseado, como se muestra en la Figura 3(a). Nótese que el transductor emite una señal con frecuencia fija, irradiando sobre 2 vasos colocados en el campo de acción del haz ultrasónico. La onda ultrasónica recibida contiene la información mezclada del flujo de ambos vasos. Por lo que resulta imposible detectar la información correspondiente a cada vaso. Con el propósito de resolver el problema anterior se ha desarrollado el denominado detector Doppler pulsado, el cual requiere de una sola cerámica en el transductor, que se usa para emitir y recibir las ondas ultrasónicas. Estos detectores operan utilizando pulsos de control en trasmisión y en recepción, que dependen de la profundidad a la que se encuentra el volumen de la muestra del flujo que se quiere medir.

Para emitir el tren de pulsos se requiere de un pulso de control Tx(Ctrl), cuya frecuencia de repetición depende de la profundidad a la que se encuentra el vaso a medir, y el ancho del pulso determina el volumen de la muestra. El rango de recepción del detector se define por la duración del pulso Rx(rango). La recepción de la

información deseada sólo se realiza durante la duración del pulso de control Rx(Ctrl). En la Figura 3(b) se ilustra el principio descrito [2].

Figura 3. Modo de operación de los detectores Doppler: a) continuo y b) pulsado.

Los detectores de flujo sanguíneo, por su modo de demodulación pueden ser no-direccionales o bi-direccionales, es por esto que el demodulador es una parte muy importante de un detector Doppler de flujo sanguíneo. El demodulador es el circuito mezclador que convierte la señal RF recibida del transductor, en una señal de baja frecuencia, que es denominada señal Doppler de flujo sanguíneo $(f_d)$. La demodulación puede ser homodina simple, homodina en cuadratura o heterodina [3].

La demodulación homodina simple consiste en mezclar la señal Doppler de flujo sanguíneo proveniente del receptor $X(f)$, que corresponde a la señal RF, con una señal coseno de la misma frecuencia de operación del transductor, $\cos(\omega_o)X_f$, donde $\omega_o=2\pi f_o$.

La demodulación homodina en cuadratura consiste en mezclar la señal Doppler de flujo sanguíneo $X(f)$, con una señal coseno y una señal seno de la misma frecuencia de operación. Con este método se obtienen dos señales con un desfasamiento de 90º, denominadas señales en

Figura 3. Modo de operación de los detectoresDoppler: a) continuo y b) pulsado.

del transductor, en una señal de bajafrecuencia, que es denominada señal Dopplerde flujo sanguíneo (fd). La demodulaciónpuede ser homodina simple, homodina encuadratura o heterodina [3].

La demodulación homodina simpleconsiste en mezclar la señal Doppler de flujosanguíneo proveniente del receptor X(f), quecorresponde a la señal RF, con una señalcoseno de la misma frecuencia de operacióndel transductor, cos(ωo)Xf , donde ωo = 2πfo.

La demodulación homodina en cuadraturaconsiste en mezclar la señal Doppler de flujosanguíneo X(f), con una señal coseno yuna señal seno de la misma frecuencia deoperación. Con este método se obtienendos señales con un desfasamiento de 90o,denominadas señales en cuadratura. Dondela señal en fase I corresponde a cos(ωo)X(f)y la señal en cuadratura Q corresponde asen(ωo)X(f).

La demodulación heterodina consiste enmezclar la señal obtenida por el transductorultrasónico, con una señal diferente a lafrecuencia de operación del transductorcos(ωo − ωH)X(f); por lo que el espectro dela señal demodulada queda desplazada delorigen en el eje de las frecuencias. Paraesta aplicación, el proceso de la demodulaciónheterodina, consiste en trasladar la frecuenciade la portadora f0 a una frecuenciadenominada frecuencia heterodina fH , cuyo


valor debe ser mayor o igual al ancho debanda de la señal Doppler (BW ) [3][4].

DESCRIPCIÓN

Se propone la implementación de un detectorDoppler de flujo sanguíneo, en modo pulsado,usando demodulación heterodina, el cualforma parte de un sistema Doppler para lamedición de flujo sanguíneo bi-direccional,que será utilizado para valorar las condicionesde flujo en el proceso de cirugía derevascularización coronaria [7].

En la Figura 4 se muestra el diagrama delas etapas que integran el detector propuesto:transductor, oscilador, control, transmisor,amplificador RF , demodulador heterodino,filtro paso bajas y amplificador de audiofrecuencia (AF).

Para el cálculo de los parámetros BW, fH

y frecuencia de corte del filtro paso bajas, enel diseño del detector Doppler, se han tomadoen cuenta las siguientes consideraciones.

Los valores de flujo volumétricos (Q)reportados durante la revascularizaciónde injertos coronarios, se encuentran enintervalos de 20-120 mL/min[9], aplicandolas fórmulas (1) y (2) , se puede estimar elancho de banda BW .

fd = 2f0 cos θc

v (1)

cuadratura. Donde la señal en fase I corresponde a $\cos (\omega_o)X(f)$ y la señal en cuadratura Q corresponde a $\text{sen} (\omega_o)X(f)$.

La demodulación heterodina consiste en mezclar la señal obtenida por el transductor ultrasónico, con una señal diferente a la frecuencia de operación del transductor $\cos(\omega_o-\omega_H)X(f)$; por lo que el espectro de la señal demodulada queda desplazada del origen en el eje de las frecuencias. Para esta aplicación, el proceso de la demodulación heterodina, consiste en trasladar la frecuencia de la portadora $f_0$ a una frecuencia denominada frecuencia heterodina $f_H$, cuyo valor debe ser mayor o igual al ancho de banda de la señal Doppler $(BW)$ [3][4].

DESCRIPCIÓN

Se propone la implementación de un detector Doppler de flujo sanguíneo, en modo pulsado, usando demodulación heterodina, el cual forma parte de un sistema Doppler para la medición de flujo sanguíneo bi-direccional, que será utilizado para valorar las condiciones de flujo en el proceso de cirugía de revascularización coronaria [7].

En la Figura 4 se muestra el diagrama de las etapas que integran el detector propuesto: transductor, oscilador, control, transmisor, amplificador $RF$, demodulador heterodino, filtro paso bajas y amplificador de audio frecuencia (AF).

Figura 4. Diagrama del detector Doppler de flujo sanguíneo en modo pulsado con demodulación heterodina.

Para el cálculo de los parámetros BW, $f_H$ y frecuencia de corte del filtro paso bajas, en el diseño del detector Doppler, se han tomado en cuenta las siguientes consideraciones.

Los valores de flujo volumétricos $(Q)$ reportados durante la revascularización de injertos coronarios, se encuentran en intervalos de 20-120 mL/min[9], aplicando las fórmulas (1) y (2) , se puede estimar el ancho de banda $BW$.

fd =

2 f0 cosθc

v (1)

Donde: $d_d$ es la frecuencia Doppler, $f_0$ es la frecuencia de operación del transductor, $c$ es la velocidad de ultrasonido en la sangre, $v$ la velocidad del flujo sanguíneo y $\theta$ el ángulo de inclinación entre el haz ultrasónico y la dirección del flujo sanguíneo.

La expresión para calcular los valores del gasto o flujo volumétrico $(Q)$ es

AvQ = (2)

Donde: $A$ es el área de la sección del vaso. Considerando para esta aplicación un

transductor de 8 MHz, una velocidad de la sangre de 1570 m/s, un ángulo de inclinación de 60 grados, un flujo máximo $(Q_{\text{máx}})$ de 200 mL/min y vasos de 2–3 mm de diámetro, la señal Doppler del flujo sanguíneo a detectar tiene una frecuencia máxima $(f_{\text{máx}})$ de 4.3 kHz; por lo tanto se considera un ancho de banda (BW) de 4.3 kHz[1][3]. De acuerdo a lo anterior, el valor de la frecuencia heterodina es igual al ancho de banda de la señal Doppler ($f_H =$ 4.3 kHz), la frecuencia de corte del filtro pasobajas corresponde a $f_H+BW$ = 8.6 kHz, por tanto

Figura 4. Diagrama del detector Doppler deflujo sanguíneo en modo pulsado con demodulaciónheterodina.

Donde: dd es la frecuencia Doppler, f0 esla frecuencia de operación del transductor, ces la velocidad de ultrasonido en la sangre, vla velocidad del flujo sanguíneo y θ el ángulode inclinación entre el haz ultrasónico y ladirección del flujo sanguíneo.

La expresión para calcular los valores delgasto o flujo volumétrico (Q) es

Q = Av (2)

Donde: A es el área de la sección del vaso.Considerando para esta aplicación un

transductor de 8 MHz, una velocidad de lasangre de 1570 m/s, un ángulo de inclinaciónde 60 grados, un flujo máximo (Qmáx) de 200mL/min y vasos de 2-3 mm de diámetro, laseñal Doppler del flujo sanguíneo a detectartiene una frecuencia máxima (fmáx) de 4.3kHz; por lo tanto se considera un ancho debanda (BW) de 4.3 kHz[1][3]. De acuerdo a loanterior, el valor de la frecuencia heterodinaes igual al ancho de banda de la señal Doppler(fH = 4.3 kHz), la frecuencia de corte delfiltro pasobajas corresponde a fH +BW = 8.6kHz, por tanto queda definida la frecuenciadel oscilador en f0 − fH = 7995.7 kHz.

Demodulador heterodino

El demodulador heterodino se basa en uncircuito mezclador Very High Frequency(VHF), doblemente balanceado y de bajapotencia [8]. El circuito se ilustra en eldiagrama de bloques de la Figura 5.

En la Figura 6, se muestra un diagramade tiempos del funcionamiento del detectorDoppler pulsado usando un demoduladorheterodino. El proceso se realiza en basea dos osciladores (f0yf0 − fH) y dos pulsosde control (Tx y Rx). Se transmiteun tren de pulsos controlados por Tx f0y la demodulación heterodina se lleva acabo mediante la mezcla de las señalesRF y Rx(f0 − fH). La señal resultantedel demodulador heterodino correspondea la señal Doppler de flujo sanguíneomuestreada por los pulsos de control.


queda definida la frecuencia del oscilador en $f_0-f_H =$ 7995.7 kHz.


El demodulador heterodino se basa en un circuito mezclador Very High Frequency (VHF), doblemente balanceado y de baja potencia [8]. El circuito se ilustra en el diagrama de bloques de la Figura 5.

Figura 5. Diagrama de bloques del demodulador heterodino.

En la Figura 6, se muestra un diagrama de tiempos del funcionamiento del detector Doppler pulsado usando un demodulador heterodino. El proceso se realiza en base a dos osciladores $(f_0 y f_0-f_H)$ y dos pulsos de control ($Tx$ y $Rx$). Se transmite un tren de pulsos controlados por $Tx$ $f_0$ y la demodulación heterodina se lleva a cabo mediante la mezcla de las señales $RF$ y $Rx(f_0-f_H)$. La señal resultante del demodulador heterodino corresponde a la señal Doppler de flujo sanguíneo muestreada por los pulsos de control. Para hacerlo compatible con los niveles de entrada de audio de una PC, debe ser filtrada y amplificada.

Figura 6. Diagrama de tiempos del funcionamiento del detector Doppler pulsado de flujo sanguíneo usando un demodulador heterodino.

PRUEBAS Y RESULTADOS

Pruebas

Para verificar la efectividad del demodulador heterodino implementado en el detector de flujo sanguíneo bi-direccional, se han realizado pruebas de funcionamiento, utilizando un transductor ultrasónico a 8 MHz y un programa de aplicación denominado SPECT, desarrollado en el DISCA-IIMAS[7], como se ilustra en la Figura 8.

El programa SPECT fue desarrollado para el procesamiento de señales Doppler de flujo sanguíneo. Tiene la capacidad de adquirir señales de un detector Doppler ultrasónico, a travésde la entrada de audio de una PC, y las procesa con diferentes algoritmos de estimación espectral, desplegando la información en forma de espectrogramas 2D, como se ilustra en la Figura 10.

Figura 5. Diagrama de bloques del demoduladorheterodino.

queda definida la frecuencia del oscilador en $f_0-f_H =$ 7995.7 kHz.


El demodulador heterodino se basa en un circuito mezclador Very High Frequency (VHF), doblemente balanceado y de baja potencia [8]. El circuito se ilustra en el diagrama de bloques de la Figura 5.

Figura 5. Diagrama de bloques del demodulador heterodino.

En la Figura 6, se muestra un diagrama de tiempos del funcionamiento del detector Doppler pulsado usando un demodulador heterodino. El proceso se realiza en base a dos osciladores $(f_0 y f_0-f_H)$ y dos pulsos de control ($Tx$ y $Rx$). Se transmite un tren de pulsos controlados por $Tx$ $f_0$ y la demodulación heterodina se lleva a cabo mediante la mezcla de las señales $RF$ y $Rx(f_0-f_H)$. La señal resultante del demodulador heterodino corresponde a la señal Doppler de flujo sanguíneo muestreada por los pulsos de control. Para hacerlo compatible con los niveles de entrada de audio de una PC, debe ser filtrada y amplificada.

Figura 6. Diagrama de tiempos del funcionamiento del detector Doppler pulsado de flujo sanguíneo usando un demodulador heterodino.


Pruebas

Para verificar la efectividad del demodulador heterodino implementado en el detector de flujo sanguíneo bi-direccional, se han realizado pruebas de funcionamiento, utilizando un transductor ultrasónico a 8 MHz y un programa de aplicación denominado SPECT, desarrollado en el DISCA-IIMAS[7], como se ilustra en la Figura 8.

El programa SPECT fue desarrollado para el procesamiento de señales Doppler de flujo sanguíneo. Tiene la capacidad de adquirir señales de un detector Doppler ultrasónico, a travésde la entrada de audio de una PC, y las procesa con diferentes algoritmos de estimación espectral, desplegando la información en forma de espectrogramas 2D, como se ilustra en la Figura 10.

Figura 6. Diagrama de tiempos del funcionamientodel detector Doppler pulsado de flujo sanguíneousando un demodulador heterodino.

Para hacerla compatible con los niveles deentrada de audio de una PC, la señal Dopplerdebe ser filtrada y amplificada.


Pruebas

Para verificar la efectividad del demoduladorheterodino implementado en el detectorde flujo sanguíneo bi-direccional, se hanrealizado pruebas de funcionamiento,utilizando un transductor ultrasónico a8 MHz y un programa de aplicacióndenominado SPECT, desarrollado en elDISCA-IIMAS[7], como se ilustra en laFigura 7.

El programa SPECT fue desarrollado parael procesamiento de señales Doppler de flujosanguíneo. Tiene la capacidad de adquirirseñales de un detector Doppler ultrasónico,

Figura 8. SistemaDoppler Ultrasónico de medición de flujo sanguíneo basado en el programa SPECT.

Para evaluar el desempeño del detector Doppler heterodino con señales de flujo bi-direccional, se realizaron mediciones en la arteria humeral de 15 personas y en todos ellos se obtuvo el mismo comportamiento. El procedimiento y los resultados se ilustran en las Figuras 9, 10 y 11. La señal fue adquirida con una frecuencia de muestreo de 22.050 kHz. Para calcular los espectros se usa un algoritmo de estimación espectral, considerando ventanas de 512 muestras. En las Figuras 9(a) y 9(b), se ilustra la posición de la arteria humeral. En las Figuras 9(c) y 9(d) se muestra, la colocación del transductor con respecto a la dirección del flujo de la arteria. La figura 9(c) muestra el transductor alineado con la dirección del flujo y en la figura 9(d) se encuentra en sentido contrario a la dirección del flujo.

Figura 9 Monitoreo de flujo sanguíneo en la arteria

humeral

Resultados

Los resultados obtenidos a partir de las pruebas realizadas, se muestranen la Figura 10 y la Figura 11.

Figura 10. Espectrograma correspondiente al flujo sanguíneo de la arteria humeral con el transductor alineado con la dirección del flujo.

Figura 7. Sistema Doppler Ultrasónico de mediciónde flujo sanguíneo basado en el programa SPECT.




humeral

Resultados



Figura 8. Monitoreo de flujo sanguíneo en la arteriahumeral

a través de la entrada de audio de unaPC, y las procesa con diferentes algoritmosde estimación espectral, desplegando lainformación en forma de espectrogramas 2D,como se ilustra en la Figura 9.

Para evaluar el desempeño del detectorDoppler heterodino con señales de flujo bi-direccional, se realizaron mediciones en laarteria humeral de 15 personas y en todosellos se obtuvo el mismo comportamiento.El procedimiento y los resultados se ilustran





humeral

Resultados



Figura 9. Espectrograma correspondiente al flujosanguíneo de la arteria humeral con el transductoralineado con la dirección del flujo.

Figura 11.Espectrograma correspondiente al flujo sanguíneo de la arteria humeral con el transductor colocado en sentido contrario a la dirección del flujo.

Las Figuras 10 y 11 ilustran espectrogramas correspondientes a 5 ciclos de la señal Doppler de flujo sanguíneo de la arteria humeral del brazo izquierdo. El flujo en esta arteria es bi-direccional, por lo que en las Figuras 10 y 11 se observa información espectral tanto por arriba como por abajo de la frecuencia heterodina de referencia. Nótese la línea continua en $f_H =$ 4.3 kHz.

CONCLUSIONES

Típicamente los sistemas Doppler ultrasónicos que detectan el sentido de la dirección de flujo sanguíneo de la señal, se basan en métodos de demodulación homodina en cuadratura. Sin embargo las señales producidas por este tipo de detectores requieren de un proceso adicional de separación.

En el trabajo presentado en este artículo se diseñó e implementó un demodulador heterodino, como parte integral de un detector Doppler bi-direccional de flujo sanguíneo en modo pulsado. De los resultados de las pruebas de evaluación, en particular de los espectrogramas obtenidos con el programa SPECT, se puede visualizar la

información espectral tanto por arriba como por abajo de la frecuencia heterodina, por lo que se puede concluir que el sistema es capaz de separar los flujos respectivos en ambas direcciones.

Aunque el detector Doppler bi-direccional heterodino, requiere de muestrear la señal Doppler al doble de la frecuencia que se utilizaría en el caso de la demodulación homodina en cuadratura, técnicamente esto no representa dificultad alguna, debido a que la información de flujo bi-direccional del detector heterodino se encuentra contenida en una banda de 8.6 kHz.

Finalmente, el detector Doppler heterodino presenta dos ventajas en relación con el detector Doppler con demodulación homodina en cuadratura: 1) el sentido de la dirección del flujo en el dominio de la frecuencia queda directamente separado, mientras que con la demodulación homodina en cuadratura se requiere de un algoritmo adicional de separación; 2) La información de flujo sanguíneo bi-direccional está contenida en una señal, mientras que en la demodulación homodina en cuadratura se procesan dos señales, mismas que deben ser iguales en amplitud y mantener la cuadratura en toda la banda de la señal, para no generar artefactos que puedan dificultar la separación.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo de la DGAPA de la UNAM, a través de los proyectos PAPIIT-IN114710 y PAPIIT-IT101213, así como a M. Vazquez, A. Contreras y S. Padilla por su trabajo de apoyo.

REFERENCIAS

[1] D. H. Evans, W. Norman McDicken, ``Doppler Ultrasound Physics, Instrumentation and Signal Processing.,’’ Second Edition, John Wiley and

Figura 10. Espectrograma correspondiente al flujosanguíneo de la arteria humeral con el transductorcolocado en sentido contrario a la dirección del flujo.

en las Figuras 8, 9 y 10. La señal fueadquirida con una frecuencia de muestreode 22.050 kHz. Para calcular los espectrosse usa un algoritmo de estimación espectral,considerando ventanas de 512 muestras. Enlas Figuras 8(a) y 8(b), se ilustra la posiciónde la arteria humeral. En las Figuras 8(c) y8(d) se muestra, la colocación del transductorcon respecto a la dirección del flujo de laarteria. La figura 8(c) muestra el transductoralineado con la dirección del flujo y en lafigura 8(d) se encuentra en sentido contrarioa la dirección del flujo.

Resultados

Los resultados obtenidos a partir de laspruebas realizadas, se muestranen la Figura9 y la Figura 10.

Las Figuras 9 y 10 ilustranespectrogramas correspondientes a 5 ciclosde la señal Doppler de flujo sanguíneo de laarteria humeral del brazo izquierdo. El flujoen esta arteria es bi-direccional, por lo queen las Figuras 10 y 11 se observa informaciónespectral tanto por arriba como por abajo dela frecuencia heterodina de referencia. Nótesela línea continua en fH = 4.3 kHz.

CONCLUSIONES

Típicamente los sistemas Dopplerultrasónicos que detectan el sentido de ladirección de flujo sanguíneo de la señal,se basan en métodos de demodulaciónhomodina en cuadratura. Sin embargolas señales producidas por este tipo dedetectores requieren de un proceso adicionalde separación.

En el trabajo presentado en este artículose diseñó e implementó un demoduladorheterodino, como parte integral de undetector Doppler bi-direccional de flujosanguíneo en modo pulsado. De losresultados de las pruebas de evaluación, enparticular de los espectrogramas obtenidoscon el programa SPECT, se puede visualizarla información espectral tanto por arribacomo por abajo de la frecuencia heterodina,por lo que se puede concluir que el sistemaes capaz de separar los flujos respectivos enambas direcciones.

Aunque el detector Doppler bi-direccionalheterodino, requiere de muestrear la señalDoppler al doble de la frecuencia que seutilizaría en el caso de la demodulaciónhomodina en cuadratura, técnicamente estono representa dificultad alguna, debido aque la información de flujo bi-direccional deldetector heterodino se encuentra contenida enuna banda de 8.6 kHz.

Finalmente, el detector Doppler


heterodino presenta dos ventajas en relacióncon el detector Doppler con demodulaciónhomodina en cuadratura: 1) el sentido dela dirección del flujo en el dominio de lafrecuencia queda directamente separado,mientras que con la demodulación homodinaen cuadratura se requiere de un algoritmoadicional de separación; 2) La informaciónde flujo sanguíneo bi-direccional estácontenida en una señal, mientras que en lademodulación homodina en cuadratura seprocesan dos señales, mismas que deben seriguales en amplitud y mantener la cuadraturaen toda la banda de la señal, para nogenerar artefactos que puedan dificultar laseparación.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el apoyo de la DGAPAde la UNAM, a través de los proyectosPAPIIT-IN114710 y PAPIIT-IT101213, asícomo a M. Vazquez, A. Contreras y S. Padillapor su trabajo de apoyo.

REFERENCIAS

1. D. H. Evans, W. Norman McDicken,“Doppler Ultrasound Physics,Instrumentation and Signal Processing,”Second Edition, John Wiley and SonsLtd., 2000

2. P. Atkinson, “A fundamentalinterpretation of ultrasonic doppler-velocimeter,” Ultrasound in Med. Biol.,vol. 2, pp. 107-111, 1975.

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Sanguíneo Utilizando DemodulaciónHeterodina para un Sistema DopplerUltrasónico y su Validación MedianteSimulación,” Revista Mexicana deIngeniería Biomédica, vol. 36, no. 1,Ene-Abr, pp. 23-31, 2015.

4. J.V.L. Hogan, “The HeterodyneReceiver,” Electronic Journal, vol. 18,pp. 116, 1921.

5. N. Aydin, D. H. Evans, “Quadrature todirectional format conversion of Dopplersignals using digital methods,” PhysiolMeas, vol. 15, pp. 181-199, 1994.

6. Richard Lyons. QuadratureSignals: Complex, But NotComplicated. Tutorial, 2008.www.ieee.li/pdf/essay/quadrature_signals.pdf

7. F. García-Nocetti, J. Solano-González,M. Fuentes-Cruz, E. Moreno-Hernández, A. Villar-Inclán, J. Prohias-Martínez, “Doppler Ultrasound BloodFlow Measurement System,” 19thInternational Congress on Acoustics,Madrid, España, ISBN:84-87985-12-2ULT-15-003.PDF, 2007.

8. NXP Semiconductor, SA602A, Double-balanced mixer and oscillator, Productdata sheet, Rev.3, May 2014.

9. G. D’Ancona, H.L. Karamanoukian,M.Ricci, T.A. Salermo and J.Bergsland, “Intraoperative GraftPatency Verification in Cardiac andVascular Surgery,” Futura PublishingCompany, Inc. 2001

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