Спосіб ультразвукової візуалізації структур біологічної тканини та пристрій для його здійснення

Изобретение относится к ультразвуковой (УЗ) медицинской технике для диагностических исследований и может быть использовано в кардиологии, урологии и т.п. Обстоятельное изложение вопросов применения ультразвука в медицине и, в частности, технике УЗ визуализации структур биологической ткани содержится во многих публикациях, где отмечается, что "существующие эхоимпульсные системы визуализации насчитывают много видов. Можно представить (довольно условно), что все они состоят из шести основных взаимосвязанных частей. Зондирование объекта (мишени) осуществляется через контактную среду (например, водяной буфер или тонкий слой геля). "Упомянутые выше шесть основных частей - это пьезопреобразователь, передатчик, приемник, устройство управления, устройство запоминания и отображения данных. Основным элементом любой системы визуализации является электроакустический преобразователь (обычно это пьезопреобразователь или решетка пьезопреобразователей), который служит для излучения зондирующего ультразвукового импульса в исследуемый объект и приема УЗ эхо-сигналов, переизлучаемых мишенью. В хороших системах эхо-сигналы на выходе пьезопреобразователя имеют большой динамический диапазон - порядка 100дБ, причем примерно половина этой величины обусловлена затуханием прямого и переизлученого сигналов при движении в биологической среде. Это затухание можно скомпенсировать с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), которая, как правило, является неотъемлемой частью любого аппарата УЗ визуализации. Главными недостатками существующи х эхотомосколов являются малая информативность и разрешение, особенно на больших глубинах зондирования. Оба недостатка обусловлены тем, что визуализируется переотраженный сигнал, сформированный в результате совокупного воздействия всех физических параметров биоткани, приводящего к сильному затуханию и дисперсии УЗ волн, а также отсутствует раздельная визуализация распределений основных физических параметров исследуемой биоткани. Наиболее близким к заявляемому по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является способ ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, включающий облучение биологической ткани ультразвуковыми импульсами высокой частоты, прием рассеянного ею УЗ излучения, математическую обработку с помощью специализированного вычислителя принятого сигнала, визуализацию этого излучения на телевизионном мониторе с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) принимаемого отраженного сигнала и преобразование его в телевизионный кадр. Описанный способ реализован с помощью ультразвукового диагностического аппарата. Фактически устройство реализует способ, при котором определяют распределение коэффициента затухания вдоль луча по результатам частотно-временной математической обработки измеренного сигнала, образованного в результате рассеяния зондирующего импульса неоднородной биологической тканью. В связи с этим следует отметить, что по мере распространения зондирующего импульса в биологической среде происходят два явления, приводящие к затуханию импульса: поглощение механической энергии и превращение ее в тепло и отражение ультразвуковых волн неоднородностями среды. Следовательно, описанный выше способ помимо характерной визуализации обобщенного отраженного сигнала на ультразвуковых луча х осуществляет дополнительную визуализацию вдоль ультразвуковых лучей затухания, определяемых поглощением и рассеянием энергии зондирующего ультразвукового импульса. При этом затухание, как функцию пространственной координаты, получают в результате определенной математической обработки принятого сигнала в специализированном вычислителе. Следует отметить, что если биологическую среду вдоль луча рассматривать как изотропную неоднородную диспергирующую среду, то есть среду, параметры которой зависят от частоты, то ее нужно характеризовать не менее как пятью физическими параметрами; плотностью упругостью (жесткостью) вязкостью и двумя степенями дисперсии. Последние определяют степенные зависимости от частоты параметров упругости (а значит, и скорости распространения ультразвука) и параметра вязкости (а следовательно, и поглощения ультразвуковых волн): где - степень дисперсии упругости, - степень дисперсии вязкости. Совокупным влиянием всех перечисленных физических параметров биологической ткани фактически и определяется сигнал, визуализируемый в обычных эхо томоскопах. Аналогично, выделяемое в прототипе распределение затухания на ультразвуковом луче, также определяется всеми физическими параметрами, ибо оно включает в себя и рассеяние, и поглощение УЗ волн в процессе их распространения. Однако описанный способ не позволяет отделить друг от друга физические параметры зондируемой неоднородной биологической среды, А это приводит к потере информации и низкому разрешению при визуализации зондируемых участков биоткани. Проблему повышения информативности изображения решают также путем совершенствования используемых устройств. Наиболее близким к заявляемому те хническому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, содержащее пьезопреобразователь, соединенный с устройством управления лучом и через первый коммутатор - с передатчиком и приемником, содержащим последовательно соединенные усилитель с ВАРУ, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП1), специализированный вычислитель, формирователь телевизионного кадра и телемонитор, соединенные с выходом устройства управления лучом, а к усилителю подсоединен формирователь с гнала ВАРУ [1]. Известный ультразвуковой диагностический аппарат посылает с определенной частотой повторения ультразвуковые импульсы и по принятому электрическому высокочастотному сигналу механического давления в ультразвуковой волне с использованием автокоррелятора находит коэффициент затухания ультразвуковой волны. В аппарате с помощью комплексных эталонных сигналов и временного стробирования принятого высокочастотного сигнала выделяется средняя частота и дисперсия (среднеквадратическое отклонение) сигнала для разных временных интервалов. По ним вычисляется коэффициент затухания сигнала, соответствующий различным временным интервалам, то есть различным глубинам зондирования. В результате находят коэффициент затухания вдоль луча, по которому распространяется зондирующий ультразвуковой импульс. Прототип представляет собой типичный эхотомоскоп, в котором помимо характерной визуализации обобщенного отраженного сигнала на ультразвуковых луча х производится (или может производиться) дополнительная визуализация вдоль ультразвуковых лучей затухания, определяемого поглощением и рассеянием энергии зондирующего ультразвукового импульса. При этом затухание, как функция пространственной координаты, получается в результате определенной математической обработки принятого сигнала в специализированном вычислителе. Однако и существующие эхо томоскопы и прототип не позволяют отделить друг от друга физические параметры зондируемой неоднородной биологической ткани. А это приводит к потере информации и низкому разрешению при визуализации зондируемых участков биоткани. Поэтому целью предлагаемого решения является повышение информативности и разрешения ультразвуковой визуализации структур биологической ткани путем выделения физических параметров биологической ткани. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, включающего облучение биологической ткани ультразвуковыми импульсами высокой частоты, прием рассеянного ими УЗ излучения, математическую обработку с помощью специализированного вычислителя, визуализацию этого излучения на телевизионном мониторе с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) принимаемого отраженного сигнала и преобразования его в телевизионный кадр, в котором, вследствие определения "n" сигналов, пропорциональных распределениям в биологической ткани соответствующи х физических параметров биологической ткани, математической обработки с помощью специализированного вычислителя, запрограммированного на решение интегральных уравнений, и построения на телемониторе изображения структур биологической ткани в виде одного или нескольких из указанных распределений физических параметров биологической ткани, обеспечивается разделение физических параметров и визуализация каждого из них в отдельности, либо в совокупности, что дает возможность значительно повысить информативность и разрешающую способность при визуализации биологической ткани, в том числе и на больших глубинах зондирования. Кроме того, вследствие определения пяти сигналов, пропорциональных распределениям в биологической ткани, соответственно, плотности, упругости , вязкости, степени дисперсии упругости и степени дисперсии вязкости, с помощью специализированного вычислителя, запрограммированного на решение интегрального уравнения вида где - принятый нормированный сигнал, - искомые распределения плотности, упругости, вязкости и степеней дисперсии упругости и вязкости, - глубина зондирования, - ядро интегрального уравнения, определяемое одномерной математической моделью биологической среды, построения на телемониторе изображения структур биологической ткани в виде одного или нескольких из указанных распределений физических параметров биологической среды, обеспечивается возможность временного решения обратной задачи, что позволяет повысить информативность и разрешающую способность при визуализации биологической ткани. Вследствие решения с помощью специализированного вычислителя системы интегральных уравнений, вида где - комплексные коэффициенты Фурье соответствующих периодических функций времени и построения на телемониторе изображения структур биологической ткани в виде одного или нескольких из указанных распределений физических параметров биологической ткани, также получают информацию на основе сигналов, соответствующи х плотности, упругости, вязкости, степени дисперсии вязкости и степени дисперсии упругости, обеспечивается спектральное решение обратной задачи, что в некоторых случаях дает более высокую информативность и разрешение при визуализации. Вследствие использования вырабатываемых процессором сигналов плотности, упругости, вязкости и степени дисперсии, суммирования с весовыми коэффициентами, отвечающими прохождению через отражающие участки неоднородной биологической ткани ультразвуковых импульсов в виде -функции, и визуализации на телемониторе либо одного суммарного сигнала, либо в совокупности с сигналами распределения физических параметров, получают дополнительную информацию об исследуемом объекте, обеспечивается возможность получения дополнительной информации. В основу изобретения поставлена также задача усовершенствования устройства для ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, содержащего пьезопреобразователь, соединенный с устройством управления лучом, и через первый коммутатор - с передатчиком и приемником, содержащим последовательно соединенные усилитель с ВАРУ, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП1), специализированный вычислитель, формирователь телевизионного кадра и телемонитор, соединенные с выходом устройства управления лучом, а к усилителю подсоединен формирователь сигнала ВАРУ, в котором, вследствие дополнительного введения второго аналого-цифрового преобразователя (АЦП2), первого и второго делителей, устройства, выполняющего прямое и обратное преобразование Фурье, оперативно запоминающего устройства (ОЗУ), постоянно запоминающего устройства (ПЗУ), сумматора и второго коммутатора, обеспечивается компенсация влияния ВАРУ на принятый сигнал путем деления принятого сигнала на сигнал ВАРУ, компенсация частотных искажений принятого сигнала путем деления сигнала, отраженного от неоднородностей биологической ткани на спектр сигнала, отраженного от эталонного отражателя, восстановление по нормированному принятому сигналу в частотном или временном представлении распределений вдоль УЗ луча физических параметров биологической ткани, восстановление по нормированному принятому сигналу в частотном или временном представлении распределений вдоль УЗ луча физических параметров биологической ткани: плотности, упругости, вязкости и степеней дисперсии, а также обобщенного параметра отражения. Под обобщенным параметром отражения будем понимать величину отраженного сигнала от заданной точки неоднородной среды при прохождении через нее УЗ импульса в виде -функции. Вследствие выполнения специализированного вычислителя с пятью выходами в расчете на пять параметров: плотность, упругость, вязкость и две степени дисперсии, запрограммированности его на решение интегрального уравнения вида где - искомые распределения плотности, упругости, вязкости и степеней дисперсии упругости и вязкости, - глубина зондирования, - ядро интегрального уравнения, определяемое одномерной математической моделью биологической среды, обеспечивается временное решение обратной задачи и получение распределения что повышает разрешающую способность визуализации. Вследствие выполнения устройства, строящего временную функцию сигнала, в виде делителя спектров, а специализированного вычислителя запрограммированным на решение уравнений вида где - комплексные коэффициенты Фурье соответствующих функций времени обеспечивается спектральное решение обратной задачи, что также способствует повышению информативности и разрешающей способности при визуализации. Поставленная задача решается тем, что в известном способе ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, включающем облучение биологической ткани ультразвуковыми импульсами высокой частоты, прием рассеянного ими ультразвукового излучения, математическую обработку с помощью специализированного вычислителя, визуализацию этого излучения на телевизионном мониторе с помощью временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) принимаемого отраженного сигнала и преобразование его в телевизионный кадр, согласно изобретению, принятый сигнал делят на сигнал ВАРУ, строят спектр этого отношения, строят спектр такого же отношения при облучении ультразвуковыми импульсами эталонного отражателя, делят спектр сигнала от биологической ткани на спектр сигнала от эталонного отражателя и строят сигнал по этому отношению спектров, определяют n сигналов, пропорциональных распределениям в биологической ткани, соответствующи х физических параметров биологической ткани, с помощью специализированного вычислителя, запрограммированного на решение интегральных уравнений, строят на телемониторе изображение структур биологической ткани в виде одного или нескольких указанных распределений физических параметров биологической ткани. Поставленная задача решается также и тем, что в известном способе ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, согласно изобретению, определяют пять сигналов, пропорциональных распределениям в биологической ткани, соответственно, плотности, упругости, вязкости, степени дисперсии вязкости и степени дисперсии упругости, с помощью специализированного вычислителя, запрограммированного на решение уравнений вида где - искомые распределения плотности, упругости, вязкости и степеней упругости и вязкости, - глубина зондирования, - ядро интегрального уравнения, определяемого одномерной математической моделью биологической среды, строят на телемониторе изображение структур биологической ткани в виде одного или нескольких из указанных распределений физических величин. Поставленная задача решается также и тем, что в известном способе ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, согласно изобретению, по спектру сигнала определяют пять сигналов, пропорциональных распределениям в биологической ткани, соответственно, плотности, вязкости, упругости и степени дисперсии вязкости и упругости, с помощью специализированного вычислителя, запрограммированного на решение системы интегральных уравнений вида где - комплексные коэффициенты Фурье соответствующи х периодических функций времени и строят на телемониторе изображение структур биологической ткани в виде одного или нескольких из указанных распределений физических параметров биологической ткани. Поставленная задача решается также тем, что в известном способе ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, согласно изобретению, вырабатываемые плотности, упругости, вязкости и степени дисперсии упругости и вязкости дифференцируют и суммируют с весовыми коэффициентами, отвечающими прохождению через отражающие участки неоднородной биологической ткани ультразвуковых импульсов в виде - функции, после чего производят визуализацию на телемониторе либо одного суммарного сигнала, либо в совокупности с сигналами распределения физических параметров. Поставленная вторая задача решается тем, что в известном устройстве ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, содержащем пьезопреобразователь, соединенный с устройством управления лучом и через первый коммутатор - с передатчиком и приемником, содержащим последовательно соединенные усилитель с ВАРУ, первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП1), специализированный вычислитель, формирователь телевизионного кадра и телемонитор, соединенные с выходом устройства управления лучом, к усилителю подсоединен формирователь сигнала ВАРУ, согласно изобретению, дополнительно введен второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП2), первый и второй делители, устройства, выполняющие прямое и обратное преобразование Фурье, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), постоянно запоминающее устройство (ПЗУ), сумматор и второй коммутатор, при этом к выходу формирователя сигнала ВАРУ присоединен вход АЦП2, вы ход которого присоединен ко второму входу первого делителя, к его первому входу присоединен выход АЦП1, между выходом первого делителя и первым входом формирователя телевизионного кадра включены последовательно соединенные устройства, выполняющие прямое преобразование Фурье с ОЗУ и ПЗУ на выходе, второй делитель, к первому входу которого присоединен выход ОЗУ. а ко второму входу присоединен выход ПЗУ устройство, выполняющее обратное преобразование Фурье, процессор с вы ходами, непосредственно соединенными с входами сумматора и входами второго коммутатора, устанавливающего режим визуализации параметров на телемониторе, вход второго коммутатора соединен с выходом сумматора, при этом специализированный вычислитель запрограммирован на решение интегральных уравнений, а - количество параметров биологической ткани, по которым строят изображение. Поставленная задача решается также и тем, что в известном устройстве ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, согласно изобретению, специализированный вычислитель запрограммирован на решение интегрального уравнения вида где - искомые распределения плотности, упругости, вязкости и степеней дисперсии упругости и вязкости, - глубина зондирования, - ядро интегрального уравнения, определяемого одномерной математической моделью биологической среды. Поставленная задача решается также и тем, что в известном устройстве ультразвуковой визуализации структур биологической ткани, согласно изобретению, устройство, строящее временную форму сигнала, выполнено в виде делителя спектров, вход которого соединен с выходом второго делителя, а выход соединен со входом специализированного вычислителя, который запрограммирован на решение системы интегральных уравнений вида где - комплексные коэффициенты Фурье соответствующи х функций времени Таким образом, предлагаемые технические решения обеспечивают: - компенсацию влияния ВАРУ на принятый сигнал путем деления принятого сигнала на сигнал ВАРУ; - компенсацию частотных искажений принятого сигнала путем деления сигнала, отраженного от неоднородностей биоткани, на спектр сигнала, отраженного от эталонного отражателя; - восстановление по нормированному принятому сигналу в частотном или временном представлении распределений вдоль УЗ луча физических параметров биологической ткани: плотности, упругости, вязкости и степеней дисперсии, а также обобщенного параметра отражения. Как видно из изложения сущности заявляемых технических решений, они отличаются от прототипов и, следовательно, являются новыми. Решение также обладает изобретательским уровнем. Известные типичные способы визуализации структур биоткани используют отраженные сигналы, сформированные под совокупным воздействием изменения в пространстве всех физических параметров биоткани; плотности упругости вязкости и степеней дисперсии: степени дисперсии упругости и - степени дисперсии вязкости. По этой причине указанный способ визуализации дает лишь картину распределения отражающих структур биоткани и сопровождается большой потерей информации о свойствах биоткани, содержащихся в зависимостях Из-за этого обычный способ УЗ визуализации позволяет фиксировать патологии при заболеваниях различных органов лишь при значительном развитии болезни, приведшем к изменению формы внутренних структур ткани. В то же время ранние стадии протекания заболеваний характеризуются существенными изменениями вязкости и дисперсии, вызванными изменениями свойств клеток биоткани, мало заметными в совокупном отраженном сигнале. В силу это го известные способы визуализации структур биоткани не пригодны для диганостики ранних стадий заболеваний. Раздельная визуализация распределений физических параметров биологической среды обеспечивает, таким образом, значительно большую информативность и может быть успешно использована именно на ранних стадиях диагностики заболеваний. Как видно из всего изложенного выше, предлагаемые решения могут найти и находят широкое применение в клинической практике медицинских учреждений. На чертеже (фиг.) показана блок-схема устройства. Устройство ультразвуковой визуализации структур биологической ткани содержит пьезопреобразователь 1, работа которого изменяется под действием устройства управления лучом 2, выход которого соединен с первым входом пьезопреобразователя 1. Первый выход пьезопреобразователя 1 соединен с первым входом первого коммутатора 3, второй вход которого соединен с передатчиком 4. Второй вход пьезопреобразователя 1 также соединен с первым выходом первого коммутатора 3, второй выход которого соединен с первым входом усилителя с ВАРУ 5. Второй вход усилителя с ВАРУ 5 соединен с формирователем сигнала ВАРУ 6. Вы ход усилителя с ВАРУ 5 и формирователя сигнала ВАРУ 6 соединены со входами АЦП1 7 и АЦП2 8, соотве тственно, вы ходы АЦП1 и АЦП2 соединены со входами первого делителя 9, выход которого соединен со входом устройства 10, выполняющим прямое преобразование Фурье, результаты которого с первого выхода поступают на вход ОЗУ 11, со второго на ПЗУ 12. С выходов ОЗУ и ПЗУ сигналы поступают на второй делитель 13, выход которого соединен с делителем спектров 14, выполняющим обратное преобразование Фурье. Выход делителя спектров 14 соединен со вторым процессором 15. Пять выходов процессора 15 соединены с пятью входами сумматора 16 и пятью входами второго коммутатора 17. Выход сумматора соединен с шестым входом второго коммутатора 17, выход которого соединен с первым входом формирователя телевизионного кадра 18. Выход последнего соединен с первым входом телевизионного монитора 19. Вторые входы формирователя телевизионного кадра 18 и телевизионного монитора 19 соединены с выходом устройства управления лучом 2. Устройство реализует предлагаемый способ ультразвуковой визуализации структур биологической ткани и работает следующим образом. Передатчик 4 вырабатывает короткие периодически повторяющиеся электрические радиоимпульсы, которые через первый коммутатор 3 подаются на пьезопреобразователь 1, в котором электрические импульсы преобразуются в УЗ импульсные волны. Направление излучения этих волн в биоткани, то есть направление УЗ луча, изменяется под воздействием на пьезопреобразователь устройства управления лучом 2. После окончания формирования зондирующего УЗ импульса пьезопреобразователь 1 начинает работать в режиме приема переотраженных УЗ волн, идущи х обратно к пьезопреобразователю. Эти волны в пьезопреобразователе 1 преобразуются в электрические сигналы, которые через первый коммутатор 3 поступают на вход усилителя 5 с ВАРУ. Усиление этого усилителя с течением времени увеличивается благодаря воздействию на него сигнала ВАРУ, а значит, и коэффициент усиления усилителя подбирается таким, чтобы среднее значение сигнала на выходе усилителя при заданном конечном времени усредняя оставалось неизменным. Благодаря этому подсоединенный к выходу усилителя АЦП1 7 работает в режиме обеспечения наибольшей точности преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Др угой аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП2), подсоединенный к выходу формирователя сигнала ВАРУ 6, преобразует последний в цифровую форму. Сигналы в цифровой форме с выходов АЦП1 и АЦП2 поступают в первый делитель 9, где в цифровой форме осуществляется деление усиленного сигнала на сигнал ВАРУ. Благодаря этому оцифрованный сигнал будет иметь динамический диапазон входного сигнала. Сформированный первым делителем 9 новый сигнал подвергается преобразованию Фурье в устройстве 10, которое выполняет это преобразование и направляет полученный спектр в ОЗУ 11. Описанная часть устройства аналогично формирует в ПЗУ 12 спектр сигнала, переотраженного от эталонного отражателя. Полученные спектры поступают во второй делитель 13, где производится деление спектра сигнала, отраженного от биоткани, на спектр сигнала, отраженного от эталонного отражателя, в результате чего во втором делителе 13 формируется спектр такого сигнала, который не зависит от частотных свойств всего приемного тракта, начиная с пьезопреобразователя. Временная форма этого сигнала строится в устройстве 14, выполняющем обратное преобразование Фурье. Таким образом, в блоках 13 и 14 формируется сигнал в спектральном и временном представлении. определяемый только свойствами биологической ткани и эталонного отражателя. Поэтому этот сигнал (будем называть его НОРМИРОВАННЫМ ОТРАЖЕННЫМ СИГНАЛОМ) можно использовать для определения с помощью процессора 15 пяти параметров, пропорциональных, соответственно, распределениям На процессор 15 подается нормированный отраженный сигнал либо в спектральной, либо во временной форме. Если сигнал подается с выхода блока 14 во временной форме (этот случай соответствует п.2 формулы изобретения), то процессор программируется на решение интегрального уравнения вида(1). Если же сигнал подается с блока 13 в спектральной форме, то процессор программируется на решение системы интегральных уравнений вида (3). В каждом из этих случаев на выходе процессора формируются пять указанных выше параметров, которые подаются на сумматор 16 и второй коммутатор 17. В сумматоре 16 происходит построение сигнала обобщенного параметра отражения путем дифференцирования и суммирования вырабатываемых процессором сигналов плотности, упругости, вязкости и степеней дисперсии с весовыми коэффициентами, отвечающими прохождению через отражающие участки неоднородной биоткани УЗ импульсов в виде -функции. После этого сигналы поступают на соответствующие входы коммутатора 17, посредством которого они поочередно визуализируются с помощью формирователя телевизионного кадра 18 и телемонитора 19. Для построения изображения структур биоткани в плоском ее сечении, формируемом с помощью сканирования УЗ луча, на формирователь телевизионного кадра 18 и телемонитор 19 подается сигнал от устройства 2 управления лучом.