Спосіб і пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі

Реферат: Об'єкт винаходу: спосіб і пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі. Область застосування: винахід належить до систем і способів ультразвукової технічної та медичної діагностики, що використовують імпульсне ультразвукове зондування для визначення коефіцієнта затухання ультразвуку. Суть винаходу: спосіб і пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі основані на застосуванні додаткової інформації, що отримується з аналізу залежності амплітуди ультразвукового відгуку від глибини зондування. Для реалізації способу використовують ітераційну процедуру обчислення коефіцієнта затухання із врахуванням даних для всіх глибин зондування і всіх ліній зондування у досліджуваній області. Відображення результатів ультразвукового вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку здійснюється у вигляді оцінки величини коефіцієнта затухання або у вигляді просторового розподілу коефіцієнта затухання ультразвуку з відображенням величини коефіцієнта за допомогою кольорового картування зображення в реальному часі. UA 111234 C2 (12) UA 111234 C2 Технічний результат: спосіб і пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі забезпечують отримання в реальному часі інформації щодо величини і просторового розподілу у досліджуваному об'єкті величини коефіцієнта затухання ультразвуку. UA 111234 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до систем і способів ультразвукової технічної та медичної діагностики, що використовують імпульсне ультразвукове зондування для визначення коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі. В усіх відомих способах і пристроях для отримання інформації щодо величини коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі у об'єкті за допомогою ультразвукового імпульсного зондування загальним є те, що шляхом дискретизації електричного сигналу відгуку, отриманого з відбитих ультразвукових хвиль, вибирають 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. Сигнал відгуку на виході приймача при зондуванні суцільних середовищ має форму синусоїди, амплітуда якої відображає рівень інтенсивності падаючих хвиль, величину локальної відбивної здатності середовища та рівень так званих спекл-шумів у даному у вимірювальному об'ємі. Рівень інтенсивності падаючих ультразвукових хвиль у даному вимірювальному об'ємі залежить від глибини його розташування та коефіцієнта затухання. Відомі способи і пристрої для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі (Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Под ред. К.Хилла. - М.: Мир, 1989. - с. 126.; Jonatan Ophir, Nabil F. Maklad. Metod and apparatus for measuring ultrasonic attenuation characteristics. European Patent, EP 0 066 343 Bl. 08.12.1982), що використовують інформацію щодо амплітуди сигналів відгуку з вимірювальних об'ємів у визначеній площині при ультразвуковому імпульсному зондуванні. Спосіб включає в себе задання площини сканування, напрямків зондування в площині сканування, множини ліній зондування вздовж цих напрямків, випромінювання вздовж кожної з ліній зондування зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислення амплітуди низькочастотних сигналів відгуку від вимірювальних об'ємів вздовж кожної з ліній зондування, логарифмічне перетворення даних про амплітуду, визначення за цими даними середнього значення логарифмічної амплітуди відгуку для вимірювальних об'ємів, що розташовані на одній глибині вздовж ліній зондування, та обчислення коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі в площині зондування за даними для двох різних глибин зондування. У відповідності із цим в описаному способі коефіцієнт затухання обраховується за формулою  40 45 50 55 n N1  1 n N1   log ux, yi    log ux, yi  d  N  i n  i n   , (1) ux, y i  - амплітуда відгуку із вимірювального об'єму, який розташований на глибині x і де має координату yi у напрямку, перпендикулярному до напрямку зондування (Фіг. 1), n порядковий номер першої з амплітуд відгуку, яка враховується при усередненні, N - повна кількість амплітуд відгуку з вимірювальних об'ємів, що мають однакову глибину розташування та підлягають усередненню, та d  x  x - відстань між вимірювальними об'ємами з різними координатами. Обчислення коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі з усередненням даних від множини об'ємів з однаковою глибиною розташування та по глибині підвищує точність його визначення завдяки зменшенню впливу спекл-шумів. При обчисленні коефіцієнта затухання величина параметра усереднення N обмежується заданою поперечною роздільною здатністю при оцінці локальних значень коефіцієнта затухання. Недоліком цього методу є чутливість до коливань відбивної здатності середовища у вимірювальних об'ємах з однаковою координатою x по глибині розташування. Як наслідок з'являється відхилення амплітуди відгуку від того значення, яке має бути при дії лише затухання ультразвуку, в результаті чого виникає похибка отриманої оцінки коефіцієнта затухання. Ця обставина є особливо небезпечною у медичній діагностиці, де біологічні об'єкти та рідини можуть відрізнятися по величині відбивної здатності на декілька порядків. Найбільш близьким за технічним рішенням до способу і пристрою, що пропонуються, є спосіб і ультразвуковий діагностичний пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі та визначення вмісту жирової складової біологічних органів (Ji 1 UA 111234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Wook Jeong, Soo Yeul Lee, Seung Hwan Kim. System and method of measuring fat content in target organ and recording medium of medium of recording fat content measuring program. United States patent, US 7068827 B2, Jun. 27, 2006). Спосіб реалізують шляхом задання площини сканування, напрямків зондування в площині сканування, множини ліній зондування вздовж цих напрямків, випромінювання вздовж кожної з ліній зондування зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислення амплітуди низькочастотних сигналів відгуку від вимірювальних об'ємів вздовж кожної з ліній зондування, логарифмічне перетворення даних про амплітуду, визначення за цими даними гістограми розподілу величини логарифмічної амплітуди відгуку для вимірювальних об'ємів, що розташовані на одній глибині вздовж ліній зондування, винайдення на цій основі базових рівнів логарифмічної амплітуди відгуку середовища та обчислення коефіцієнта затухання ультразвуку в peaльному часі в площині зондування за даними для двох різних глибин зондування. Відповідно до цього способу як базовий рівень амплітуди відгуку вибирають її модальне, тобто найбільш вірогідне, значення log umodx для вимірювальних об'ємів із заданою координатою x , яке визначається за допомогою гістограми. Коефіцієнт затухання обчислюється згідно з формулою: 1 log umod x  log umod x  dN . (2) Недоліком запропонованого способу є те, що гістограма розподілу логарифмічної амплітуди відгуку може не мати різкого максимуму взагалі або мати декілька максимумів. Таке відбувається, наприклад, коли в площину зондування потрапляють одночасно м'які тканини біологічного органу та кровоносна судина. Відбивна здатність м'яких тканин, стінок судини та крові відрізняються дуже сильно, що призводить до появи зразу декількох максимумів на гістограмі або до відсутності різкого максимуму взагалі, як показано на фіг. 1. В залежності від вибраної кількості вимірювальних об'ємів на даній глибині максимум, що відповідає м'яким тканинам, може виявитися не найбільшим. Останнє не дозволяє точно вимірювати базові рівні, що відповідають м'яким тканинам, та отримувати коректні оцінки затухання ультразвуку в них. В основу групи винаходів поставлена задача створення способу ультразвукового вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі, який дозволяє за рахунок додаткової інформації, отриманої з аналізу залежності амплітуди ультразвукового відгуку від глибини зондування, вимірювати коефіцієнт затухання незалежно від співвідношення між амплітудними характеристиками для кожної окремої глибини зондування та рівня спекл-шумів. Поставлена задача вирішується таким чином: 1. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі, що включає задання площини сканування, напрямків зондування в площині сканування, множини ліній зондування вздовж цих напрямків, випромінювання вздовж ліній зондування зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислення амплітуди низькочастотних сигналів відгуку від вимірювальних об'ємів вздовж кожної з ліній зондування, логарифмічне перетворення даних про амплітуду, визначення за цими даними значення логарифмічної амплітуди відгуку для вимірювальних об'ємів, що розташовані на одній глибині вздовж ліній зондування, та визначення коефіцієнта затухання в площині зондування, який відрізняється тим, що встановлюється залежність величини логарифмічної амплітуди відгуку для множини глибин зондування, а величина коефіцієнта затухання в площині зондування винаходиться за допомогою ітераційної процедури обчислень за даними про логарифмічну амплітуду відгуку на різних глибинах зондування. 2. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі за п. 1, який відрізняється тим, що число глибин зондування K  2 обмежується наперед заданою повздовжньою роздільною здатністю при оцінці локальних значень коефіцієнта затухання. 3. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі за п. 1, який відрізняється тим, що кількість ітерацій та параметри ітераційної процедури можуть бути як наперед заданими, так і визначатися наперед заданою точністю обчислення коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі. 4. Пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі, що містить послідовно з'єднані передавач, ультразвуковий перетворювач, приймач, який здійснює 2 UA 111234 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підсилення, дискретизацію та квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислювач логарифмічної амплітуди відгуку, а також обчислювач коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі та пристрій для відображення інформації, який відрізняється тим, що додатково містить дискримінатор, перший вхід якого з'єднаний з другим виходом обчислювача коефіцієнта затухання, другий вхід з'єднаний з другим виходом обчислювача логарифмічної амплітуди відгуку, а вихід підключений до другого входу обчислювача коефіцієнта затухання. Спосіб і пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі, що заявляються, у відомих джерелах інформації не виявлені, що дозволяє вважати їх новими. Відмінні ознаки в своїй сукупності є необхідними та достатніми для досягнення поставленої задачі, в інших відомих технічних рішеннях не виявлені, що забезпечує групі винаходів відповідність критерію "винахідницький рівень". Введення у відомий пристрій зазначених додаткових елементів та зв'язків дозволяє реалізувати запропонований спосіб ультразвукового вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі і тем самим забезпечити отримання інформації про його величину незалежно від співвідношення між амплітудними характеристиками для кожної окремої глибини зондування та рівня спекл-шумів. На фіг. 1 схематично зображені досліджуваний об'єкт з кровоносною судиною і лінії зондування (а), розподіл логарифмічних амплітуд відгуку на визначеній глибині (б) та гістограма розподілу амплітуд (в). На фіг. 2 показана блок-схема пристрою для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі. На фіг. 3 показаний приклад перших двох ітерацій при обчисленні коефіцієнта затухання ультразвуку. На фіг. 4 відображений просторовий розподіл коефіцієнта затухання ультразвуку в печінці, отриманий за допомогою запропонованого способу, на тлі В-зображення. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі включає в себе задання площини сканування, напрямків зондування в площині сканування, множини ліній зондування вздовж цих напрямків, випромінювання вздовж ліній зондування зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислення амплітуди низькочастотних сигналів відгуку від вимірювальних об'ємів вздовж кожної з ліній зондування, логарифмічне перетворення даних про амплітуду, визначення за цими даними значення логарифмічної амплітуди відгуку для вимірювальних об'ємів, що розташовані на одній глибині вздовж ліній зондування, встановлення залежності величини логарифмічної амплітуди відгуку для множини глибин зондування та визначення коефіцієнта затухання в площині зондування за допомогою ітераційної процедури обчислень за даними про логарифмічну амплітуду відгуку на різних глибинах зондування. На фіг. 2. представлена блок-схема пристрою для реалізації способу, яка містить передавач 1, ультразвуковий перетворювач 2, приймач 3, гетеродин 4, обчислювач логарифмічної амплітуди відгуку 5, обчислювач коефіцієнта затухання 6, дискримінатор 7 та пристрій відображення інформації 8. Пристрій працює наступним чином. Передавач 1 генерує імпульсний сигнал, який перетворюється в ультразвуковому перетворювачі 2 на зондуючий ультразвуковий імпульс з несучою частотою  , який випромінюються вздовж заданої лінії зондування у вигляді вузьких сфокусованих пучків хвиль. Ультразвукові хвилі, відбиті об'єктом дослідження, приймаються ультразвуковим перетворювачем 2 і перетворюються в електричні сигнали відгуку, які надходять до приймача 3. В приймачі 3 сигнали відгуку посилюються до необхідної величини і на виході підсилювача мають форму синусоїди з шумоподібною амплітудно-фазовою модуляцією. На другий вхід приймача 3 надходить комплексний сигнал гетеродина 4, який містить дві гармонійні квадратурні складові з частотою  , які зсунуті по фазі один відносно одного на  / 2 . В приймачі 3 з використанням комплексного сигналу гетеродина 4 здійснюється квадратурна демодуляція сигналу відгуку. На виході квадратурного демодулятора приймача 3 формуються низькочастотні комплексні сигнали відгуку у вигляді двох квадратурних складових. В приймачі 3 здійснюється також аналого-цифрове перетворення сигналів відгуку. З виходу приймача 3 дискретні відліки низькочастотних комплексних сигналів відгуку надходять на вхід обчислювача логарифмічної амплітуди відгуку 5 для вимірювальних об'ємів кожної з ліній зондування та глибини зондування. 3 UA 111234 C2 5 10 15 Обчислені у обчислювачі 5 логарифмічні амплітуди відгуку передаються до обчислювача коефіцієнта затухання ультразвуку 6 та дискримінатора 7. На фіг. 3 показана залежність від глибини логарифмічної амплітуди відгуку, причому даним на кожній з вертикальних ліній відповідають амплітуди з вимірювальних об'ємів, що відповідають однаковій глибині зондування. За відсутності спекл-шумів та однаковій відбивній здатності усіх елементів досліджуваного об'єкта залежність логарифмічної амплітуди від глибини дається відомим рівнянням: log ux, yi   log u0, yi   x , (3) з якого безпосередньо витікають формули (1) і (2). За описаних вище умов рівняння (3) є однаковим для всіх ліній зондування, тобто log ux, yi   log ux  , log u0, yi   log u0 , тому далі за методом найменших квадратів винаходяться оцінка параметрів log u0 та  для прямої, яка є найбільш вірогідною з урахуванням даних для всіх K глибин зондування і всіх N ліній зондування у досліджуваній області, як це показано на фіг. 3 для випадку, коли K  4 і N  6 . З обчислювача (6) дані про оцінки параметра log u0 та коефіцієнта затухання ультразвуку  передаються до дискримінатора 7, в якому містяться також логарифмічні амплітуди відгуку для всіх вимірювальних об'ємів. У дискримінаторі обчислюється відносне відхилення: Ex, y i   20 25 30 35 40 45 log ux, y i   log u0  x log u0  x для всіх вимірювальних об'ємів та відкидаються, як показано на фіг. 3, ті значення логарифмічної амплітуді, для яких відносне відхилення перевищує наперед задану величину. В іншій реалізації способу відкидається наперед заданий відсоток логарифмічних амплітуда, які мають найбільше відносне відхилення. В результаті в дискримінаторі 7 формується новий масив даних щодо логарифмічних амплітуд відгуку, який передається до обчислювача 6 для виконання другого кроку ітеративної процедури обчислення коефіцієнта затухання ультразвуку. Другий, як і усі наступні кроки, повністю повторює описаний вище перший ітераційний крок. Кінцевою вважається та ітерація, після якої не залишається значень логарифмічної амплітуди з відносним відхиленням, що перевищує наперед задану величину. В іншій реалізації способу ітераційна процедура продовжується доти, доки масив даних щодо логарифмічних амплітуд не зменшується до певної наперед заданої величини. Результат оцінки коефіцієнта затухання ультразвуку, отриманий на останньому етапі ітераційної процедури, передається до пристрою відображення інформації (8) у чисельному вигляді або/та у вигляді просторового розподілу коефіцієнта затухання ультразвуку з відображенням величини коефіцієнта за допомогою кольорового картування зображення. Результати застосування запропонованого способу ультразвукового вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в печінці людини наведені на фіг. 4. Вікно з просторовим розподілом коефіцієнта затухання та її чисельне значення відображається в реальному часі на тлі так званого (Применение ультразвука в медицине / Под ред. К. Хилла. - М.: Мир, 1989. с.329) В-зображення. Заявлений спосіб і пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку можуть бути реалізовані, наприклад, на базі персонального комп′ютера з процесором Intel(R) Core(TM) і5-3450, що здатний здійснювати усі необхідні обчислення в реальному часі. Для обробки вікна даних з кількістю точок об'єкта 64×40, в яких обчислюється коефіцієнт затухання ультразвуку за описаною ітераційною процедурою, потрібний час близько 1 мс, що дозволяє обновляти дані щодо коефіцієнта затухання з частотою до 1000 Гц. Ця частота більша за частоту повторення кадрів в усіх режимах ультразвукової медичної діагностики, які реально застосовуються. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 1. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі, що включає задання площини сканування, напрямків зондування в площині сканування, множини ліній зондування вздовж цих напрямків, випромінювання вздовж ліній зондування зондуючих ультразвукових імпульсів, безперервний прийом ультразвукових хвиль, що виникають при відбиттях імпульсів, перетворення відбитих хвиль в електричні сигнали відгуку, їх підсилення, дискретизацію, квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислення амплітуди низькочастотних сигналів відгуку від вимірювальних об′ємів вздовж кожної з ліній зондування, логарифмічне перетворення даних про амплітуду, визначення 4 UA 111234 C2 5 10 15 20 25 30 за цими даними значення логарифмічної амплітуди відгуку для вимірювальних об’ємів, що розташовані на одній глибині вздовж ліній зондування, та визначення коефіцієнта затухання в площині зондування, який відрізняється тим, що встановлюється залежність величини логарифмічної амплітуди відгуку від глибини для всіх вимірювальних об’ємів всієї множини глибин і ліній зондування, по цій залежності оцінюють значення коефіцієнта затухання, яке відповідає залежності логарифмічної амплітуди відгуку від глибини для прямої, що є найбільш вірогідною для всіх глибин і ліній зондування згідно із критерієм найменшого середнього відносного відхилення логарифмічної амплітуди відгуку, ці дані передають до дискримінатора, в якому вилучають значення логарифмічної амплітуди відгуку для вимірювальних об’ємів, які мають найбільше відносне відхилення, а остаточну величину коефіцієнта затухання в площині зондування визначають по залежності логарифмічної амплітуди відгуку від глибини для прямої, яку знаходять в процесі ітераційної процедури обчислення з врахуванням величини середнього відносного відхилення логарифмічної амплітуди відгуку. 2. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі за п. 1, який відрізняється тим, що число глибин зондування K  2 і ліній зондування N  1 обмежується наперед заданою просторовою роздільною здатністю при оцінці локальних значень коефіцієнта затухання. 3. Спосіб вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі за п. 1, який відрізняється тим, що кількість ітерацій та параметри ітераційної процедури можуть бути як наперед заданими, так і визначатися наперед заданою величиною середнього відносного відхилення логарифмічної амплітуди відгуку. 4. Пристрій для вимірювання коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі, що містить послідовно з’єднані передавач, ультразвуковий перетворювач, приймач, який здійснює підсилення, дискретизацію та квадратурну демодуляцію з виділенням низькочастотних комплексних сигналів відгуку, обчислювач логарифмічної амплітуди відгуку, а також обчислювач коефіцієнта затухання ультразвуку в реальному часі та пристрій для відображення інформації, який відрізняється тим, що додатково містить дискримінатор, перший вхід якого з’єднаний з другим виходом обчислювача коефіцієнта затухання, другий вхід з’єднаний з другим виходом обчислювача логарифмічної амплітуди відгуку, а вихід підключений до другого входу обчислювача коефіцієнта затухання. 5 UA 111234 C2 6 UA 111234 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак 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 7