Спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів у біологічному об’єкті

Реферат: Спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів включає задавання напрямку зондування об'єкта, періодичне випромінювання вздовж цього напрямку послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, визначення усередненої різниці фаз сигналів відгуку. Задають додаткові напрямки зондування об'єкта, які знаходяться в одній площині із заданим напрямком зондування. Оцінку аксіальних переміщень проводять для ряду додаткових вимірювальних об'ємів, що знаходяться на доданих напрямах на таких же відстанях, як вимірювальні об'єми вздовж заданого напрямку зондування. Визначають параметри відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених додаткових вимірювальних об'ємах. Визначають швидкість розповсюдження вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта. UA 103428 U (54) СПОСІБ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВИМІРЮВАННЯ ШВИДКОСТІ РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ВІБРАЦІЙНИХ РУХІВ У БІОЛОГІЧНОМУ ОБ'ЄКТІ UA 103428 U UA 103428 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до ультразвукових діагностичних способів, що використовують імпульсне ультразвукове зондування для визначення швидкості розповсюдження хвиль у біологічних об'єктах, зокрема до способів ультразвукової медичної діагностики артерій та м'яких тканин. В усіх відомих способах і пристроях для отримання інформації щодо локальних рухів у біологічному об'єкті за допомогою ультразвукового імпульсного зондування загальним є те, що шляхом дискретизації електричного сигналу відгуку, отриманого з відбитих ультразвукових хвиль, обирають деяку локальну область досліджуваного об'єкта, що знаходиться на визначеній глибині. Величина цієї області, що називається вимірювальним об'ємом, визначається тривалістю зондуючих ультразвукових імпульсів, ступенем фокусування пучків хвиль, що випромінюються та приймаються, передаточною характеристикою середовища та імпульсною характеристикою приймача діагностичної системи. В техніці вимірювання параметрів руху, включно з вібраційним, найбільш важливою є фазова складова сигналів відгуку. Відомі різні способи вимірювання на цій основі величини локальних переміщень середовища (Odile M.A. Bonnefous, Examining moving objects by ultrasound echography, United States Patent 4803990, Feb. 14, 1989; Odile M.A.Bonnefous, Device for measuring the speed of moving organs and blood flows by correlation, United States Patent 4928698, May 29; 1990 Anne L. Hall, Wideband time-domain cross-correlation method using baseband data, United States Patent 5383462, Jan. 24, 1995; Karl E. Thiele, Richard A. Hager, David W. Clark, Jerome F. Witt, Ultrasonic flow measurement system employing cross-correlation of baseband reflection data, United States Patent 5669386, Sep. 23, 1997), включно із біологічними тканинами. Одним із найбільш поширених у практичних застосуваннях є так званий низькочастотний автокореляційний спосіб (Koroku Namekawa, Akira Koyano, Chihiro Kasai, Ultrasonic diagnostic apparatus, United States Patent 4573477, Mar. 4, 1986). Відповідно із зазначеним низькочастотним автокореляційним способом здійснюють задавання напрямку зондування, періодичне випромінювання вздовж цього напрямку послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотного комплексного сигналу відгуку, обчислення автокореляційної функції для послідовності дискретних значень сигналів відгуку, що формуються одним і тим же заданим вимірювальним об'ємом від суміжних у часі імпульсів зондування, визначення різниці фаз сигналів відгуку, що формуються одним і тим же заданим вимірювальним об'ємом від суміжних у часі імпульсів зондування, та обчислення аксіального переміщення і аксіальної швидкості руху відбивачів ультразвуку за зазначеною різницею фаз. В описаному способі різниця фаз  уявляє собою аргумент комплексної автокореляційної функції для послідовності дискретних значень сигналу відгуку, що формується заданим вимірювальним об'ємом, із зсувом на ціле число періодів зондування T цього об'єму. Аксіальне переміщення відбивачів ультразвуку у вимірювальному об'ємі між двома суміжними у часі зондуваннями пов'язане з різницею фаз відомим співвідношенням: x   / 2k , (1) де k   / c - хвильове число і  - циклічна частота ультразвуку. Обчислення різниці фаз з використанням автокореляційної функції підвищує точність її визначення завдяки усередненню у часі. При обчисленні автокореляцйної функції використовують різні за числом зондувань N послідовності дискретних значень низькочастотного комплексного сигналу відгуку. В медичних застосуваннях використовують число зондувань N від 4 до 32, що забезпечує достатнє усереднення різниці фаз  для більшості діагностичних методик. Недоліком зазначених вище способів є принципова неможливість одночасного вимірювання параметрів різних коливань і вібрацій об'єкта, що обумовлені різними фізичними причинами і відбуваються одночасно. На фіг. 1 схематично показані приклади простих коливальних рухів модельного біологічного об'єкта у вигляді двох плоскопаралельних шарів. Такий вигляд, зокрема, має кровоносна судина у площині зондування, що проходить через його вісь. При наявності одночасно симетричних (а) та зсувних, або антисиметричних (б) відносно середньої лінії коливань (Поверхностные акустические волны / Под ред. А. Олинера. - М.: Мир, 1981. - с. 31) оцінка з використанням формули (1) дає результат у вигляді суперпозиції вібрацій різного типу. Проте в біологічних об'єктах такі вібрації можуть бути обумовлені фізично різними причинами. Наприклад, у випадку кровоносної судини симетрична мода коливань, що описує внутрішні вібрації, характерна для процесу проходження пульсової хвилі по артерії, а антисиметрична мода, що описує вібрації 1 UA 103428 U 5 10 15 20 25 судини як цілого - це приклад механічного руху артерії, обумовленого биттям серця. Описаний вище спосіб не дозволяє розділити такі різні за фізичною природою симетричні та антисиметричні коливання. Найбільш близьким за технічним рішенням до способу, що пропонується, є спосіб і ультразвуковий діагностичний пристрій для вимірювання вібраційних рухів (Баранник Є.О., Бойченко Ю.П., Лінська Г.В., Лінський І.В., Марусенко А.І., Медведев В.Є., Пупченко В.І. Спосіб і пристрій для ультразвукового вимірювання вібраційних рухів у біологічному об'єкті. Патент України № 87621, 27.07.2009). Спосіб реалізують шляхом задавання напрямку зондування об'єкта, періодичного випромінювання вздовж цього напрямку послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервного прийому ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизації, квадратурної демодуляції з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, визначення усередненої різниці фаз сигналів відгуку, що формуються одним і тим же заданим вимірювальним об'ємом від суміжних імпульсів зондування, оцінки за усередненою різницею фаз аксіального переміщення і аксіальної швидкості руху відбивачів ультразвуку, визначення параметрів вібраційних рухів об'єкта на основі даних щодо зміни положення відбивачів ультразвуку у вимірювальному об'ємі для ряду наперед визначених вимірювальних об'ємів, що знаходяться на різній відстані вздовж напрямку зондування в межах об'єкта, визначення параметрів відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених вимірювальних об'ємах, визначення величини відносних та середніх вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта та відображення результатів ультразвукового вимірювання вібраційних рухів. У відповідності із зазначеним винаходом для отримання інформації про симетричні та антисиметричні коливання об'єкта або його частини необхідно обчислити різницю аксіальних переміщень та середнє аксіальне переміщення відбивачів ультразвуку як мінімум у двох вимірювальних об'ємах, що знаходяться на різній відстані вздовж напрямку зондування. Згідно (1) різниця повних переміщень та середнє переміщення дорівнюють uik (t )  xik (t )  30 35 l t / T  u l 0 l t / T ik (lT )   xik (lT )  l 0 l t / T  x (lT )  x (lT )  x (t )  x (t ) , (2) l 0 i i i k 1 l t / T 1  xi (lT )  xi (lT )  2 xi (t )  xk (t ) , (3) 2 l 0 де i та k - номера вимірювальних об'ємів з числа заданих вздовж напрямку зондування. При чисто симетричних вібраціях представленого на фіг. 1 об'єкта в довільний момент часу t відмінна від нуля амплітуда коливань (2), що пов'язане з різними за знаком переміщеннями відбивачів ультразвуку у вимірювальних об'ємах i та k , розташованих у різних шарах об'єкта, і, як наслідок, із зміною власних лінійних розмірів об'єкта. В той же час середнє переміщення (8) при симетричних коливаннях, що відображає рух об'єкта, як цілого, у будь який момент часу дорівнює нулю. Навпаки, для моди антисиметричних або зсувних коливань u ik (t )  0 , а відмінною від нуля є величина xik (t ) , яка характеризує середнє переміщення за час 40 45 50 55 t частини об'єкта, як цілого. Недоліком зазначеного способу є те, що незалежно від амплітуди коливань за його допомогою неможливо визначити інші характеристики вібраційних рухів різної природи у випадку, коли вони уявляють собою хвилі, які розповсюджуються у біологічному об'єкті. Зокрема, у випадку кровоносної судини симетрична мода коливань, що описує внутрішні вібрації, характерна для процесу розповсюдження пульсової хвилі по артерії. Антисиметрична мода вібраційних рухів, що розповсюджується, наприклад, у м'яких тканинах, відповідає зсувним хвилям. За допомого запропонованого способу неможливо визначити швидкість розповсюдження зазначених хвиль різної природи та встановити за їх допомогою такі характеристики біологічного об'єкта, які від неї залежать. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу ультразвукового вимірювання вібраційних рухів у біологічному об'єкті, який дозволяє за рахунок введення додаткових напрямів зондування та аналізу параметрів середніх та відносних рухів, що обумовлені вібраціями вздовж різних напрямів, неінвазивно вимірювати в реальному часі швидкість розповсюдження вібраційних рухів у біологічному об'єкті у випадку, коли вони уявляють собою хвильові процеси. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів, що включає задавання напрямку зондування об'єкта, 2 UA 103428 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 періодичне випромінювання вздовж цього напрямку послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, визначення усередненої різниці фаз сигналів відгуку, що формуються одним і тим же заданим вимірювальним об'ємом від суміжних імпульсів зондування, оцінку за усередненою різницею фаз аксіального переміщення відбивачів ультразвуку, визначення параметрів вібраційних рухів об'єкта на основі даних щодо зміни положення відбивачів ультразвуку у вимірювальному об'ємі для ряду наперед визначених вимірювальних об'ємів, що знаходяться на різній відстані вздовж напрямку зондування в межах об'єкта, визначення параметрів відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених вимірювальних об'ємах, визначення величини відносних та середніх вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта, та відображення результатів ультразвукового вимірювання, згідно з корисною моделлю, задають додаткові напрямки зондування об'єкта, які знаходяться в одній площині із заданим напрямком зондування, оцінку аксіальних переміщень проводять для ряду додаткових вимірювальних об'ємів, що знаходяться на доданих напрямах на таких же відстанях, як вимірювальні об'єми вздовж заданого напрямку зондування, визначають параметри відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених додаткових вимірювальних об'ємах, визначають швидкість розповсюдження вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта. Кількість додаткових напрямів зондування M  1 вибирають, виходячи із заданої точності вимірювання швидкості розповсюдження. Результати ультразвукового вимірювання відображують у вигляді швидкості розповсюдження хвиль у заданих частинах об'єкта або інших параметрів, які однозначно визначаються швидкістю розповсюдження хвиль у заданих частинах об'єкта. Відмінні ознаки в своїй сукупності є необхідними та достатніми для досягнення поставленої мети, в інших відомих технічних рішеннях не виявлені, що забезпечує корисній моделі відповідність критерію "новизна". На фіг. 1 схематично зображені симетричні (а) та антисиметричні (б) відносно середньої лінії вібраційні коливання модельного біологічного об'єкта у вигляді двох плоскопаралельних шарів і розташування заданого (0) та двох з додаткових напрямів зондування. На фіг. 2 представлені результати застосування запропонованого способу ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів для обчислення швидкості зсувних хвиль у м'яких тканинах печінки людини в нормі (а) та при цирозі (б). Спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів включає в себе задавання напрямку зондування об'єкта та додаткових напрямків зондування, які знаходяться в одній площині із заданим напрямком зондування, періодичне випромінювання вздовж усіх напрямків послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, визначення усередненої різниці фаз сигналів відгуку, що формуються одним і тим же заданим вимірювальним об'ємом від суміжних імпульсів зондування, оцінку за усередненою різницею фаз аксіального переміщення відбивачів ультразвуку, визначення параметрів вібраційних рухів об'єкта на основі даних щодо зміни положення відбивачів ультразвуку у вимірювальному об'ємі для ряду наперед визначених вимірювальних об'ємів, що знаходяться на різній відстані вздовж заданого напряму, та для ряду додаткових вимірювальних об'ємів, що знаходяться на доданих напрямах на таких же відстанях, як вимірювальні об'єми вздовж заданого напрямку зондування, визначення параметрів відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених вимірювальних об'ємах, визначення величини відносних та середніх вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта, визначають швидкість розповсюдження вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта та відображають результати ультразвукового вимірювання у вигляді швидкості розповсюдження хвиль у заданих частинах об'єкта або інших параметрів, які однозначно визначаються швидкістю розповсюдження хвиль у заданих частинах об'єкта. При реалізації запропонованого способу період зондування T кожного з вимірювальних об'ємів не співпадає у загальному випадку з періодом повторення імпульсів зондування TPRF і визначається кількістю доданих напрямів зондування: T  ( M  1)TPRF . Швидкість m розповсюдження хвиль різної природи можна встановити за даними аналізу величин xik (t ) або 3 UA 103428 U m u ik (t ) (m  0,1,2,M ) , що були виміряні для як мінімум двох різних напрямів зондування, які рознесені у поперечному напрямку на відому відстань. Якщо для аналізу обираються, наприклад, напрями з m  0 і m  n , як показано на фіг. 1, то час 0n проходження хвилею відстані d 0 n між цими напрямами може бути визначений, наприклад, за максимумом крос5 0 n кореляційної функції величин xik (t ) і xik (t ) , якщо мова йде про пульсову хвилю в артерії, або 0 n величин uik (t ) і uik (t ) , якщо вимірюється швидкість зсувних хвиль у м'яких тканинах. Після цього оцінка швидкості розповсюдження хвиль між цими напрямами визначається простим рівнянням c  d 0 n  0 n . Подальшого підвищення точності оцінювання можна досягти за рахунок 10 15 20 25 30 усереднення швидкості розповсюдження за даними про різні пари напрямів зондування. Результати застосування запропонованого способу ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів для обчислення швидкості розповсюдження зсувних хвиль у м'яких тканинах людини наведені на фіг. 2. У показаному прикладі відображення швидкості зсувних хвиль для різних частин об'єкта в межах вікна картування здійснюється за допомогою кольорової шкали значень модуля Юнга E , який однозначно пов'язаний із швидкістю зсувних хвиль рівнянням: E  3c , де  - густина м'якої тканини. Крім того, на монітор виведені також числові усереднені значення модуля Юнга у вікні картування. Заявлений спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів може бути реалізований відомими у техніці пристроями (Баранник Є.О., Бойченко Ю.П., Лінська Г.В., Пінський І.В., Марусенко А.І., Медведев В.Є., Пупченко В.І. Спосіб і пристрій для ультразвукового вимірювання вібраційних рухів у біологічному об'єкті. Патент України № 87621, 27.07.2009), зокрема, з використанням цифрових сигнальних процесорах TMS320C6713 фірми Texas Instruments, що підтримують розрахунки з плаваючою комою і здатні здійснювати усі необхідні обчислення в реальному часі. Сигнальний процесор TMS320C6713 має оперативний запам'ятовуючий пристрій обсягом у 246 кБт, що дозволяє утримувати дані щодо переміщень тканин з більш ніж 3  104 вимірювальних об'ємів. При частоті повторення усього обсягу 2 обчислень у 10 кГц та з урахуванням пікової продуктивності процесору TMS320C6713 у 4  108 операцій в секунду його застосування для реалізації обчислювачів крос-кореляційних функцій дозволяє проводити принаймні 103 обчислень швидкості розповсюдження хвиль. Вищезазначена частота повторення обрахунків у 10 кГц є більшою за частоту повторення зондуючих імпульсів в усіх режимах ультразвукової медичної діагностики, які практично застосовуються. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 1. Спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів, що включає задавання напрямку зондування об'єкта, періодичне випромінювання вздовж цього напрямку послідовності зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях кожного з імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, визначення усередненої різниці фаз сигналів відгуку, що формуються одним і тим же заданим вимірювальним об'ємом від суміжних імпульсів зондування, оцінку за усередненою різницею фаз аксіального переміщення відбивачів ультразвуку, визначення параметрів вібраційних рухів об'єкта на основі даних щодо зміни положення відбивачів ультразвуку у вимірювальному об'ємі для ряду наперед визначених вимірювальних об'ємів, що знаходяться на різній відстані вздовж напрямку зондування в межах об'єкта, визначення параметрів відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених вимірювальних об'ємах, визначення величини відносних та середніх вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта, та відображення результатів ультразвукового вимірювання, який відрізняється тим, що задають додаткові напрямки зондування об'єкта, які знаходяться в одній площині із заданим напрямком зондування, оцінку аксіальних переміщень проводять для ряду додаткових вимірювальних об'ємів, що знаходяться на доданих напрямах на таких же відстанях, як вимірювальні об'єми вздовж заданого напрямку зондування, визначають параметри відносних і середніх вібраційних рухів відбивачів ультразвуку у зазначених додаткових вимірювальних об'ємах, визначають 4 UA 103428 U 5 швидкість розповсюдження вібраційних рухів, які відповідають різним модам коливань для кожної частини об'єкта. 2. Спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів за п. 1, який відрізняється тим, що кількість додаткових напрямів зондування M  1 вибирають, виходячи із заданої точності вимірювання швидкості розповсюдження. 3. Спосіб ультразвукового вимірювання швидкості розповсюдження вібраційних рухів за п. 1, який відрізняється тим, що результати ультразвукового вимірювання відображують у вигляді швидкості розповсюдження хвиль у заданих частинах об'єкта або інших параметрів, які однозначно визначаються швидкістю розповсюдження хвиль у заданих частинах об'єкта. 5 UA 103428 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6