АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 2, с. 274-280
АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
УДК 615.47-004.9:534.6
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ ЭЛАСТОМЕТРИИ
© 2015 г. Е. М. Тиманин, Е. В. Ерёмин, Р. В. Беляев, А. Д. Мансфельд
Институт прикладной физики РАН 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова 46 Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603600 Н. Новгород, пр. Гагарина 23, корп. 2 E-mail: eugene@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 12.03.2014 г.
Приведены теоретические соотношения, лежащие в основе дистанционных измерений сдвиговой упругости биологических тканей ультразвуковым доплеровским методом, а также описание реализующего этот подход аппаратно-программного комплекса и результаты экспериментов его средствами на фантоме биоткани и на печени человека in vivo.
Ключевые слова: биологические ткани, сдвиговая упругость, дистанционные измерения, низкочастотные вибрации, ультразвуковая импульсная доплеровская локация, аппаратно-программный комплекс.
DOI: 10.7868/S0320791915020136
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы для оценки состояния биологических тканей все более широкое распространение получают так называемые методы эластогра-фии. Они основаны на измерении сдвиговых упругих характеристик тканей, которые являются высоко чувствительными индикаторами их структуры. Для проведения таких измерений в тканях задаются сдвиговые деформации и реализуется их визуализация. В разных модальностях эластогра-фии используются сдвиговые деформации разной природы: низкочастотные пульсации, создаваемые сердцем и сосудами [1]; вынужденные вибрации, возбуждаемые поверхностным источником [2]; высокочастотные сдвиговые волны, дистанционно возбуждаемые радиационным давлением фокусированного ультразвукового пучка [3—10], и др. В качестве способа визуализации деформаций тканей в последнее время, в основном, используется корреляционная обработка эхографических изображений, полученных на разных стадиях их деформирования [1—10]. Широко использовавшийся на первых этапах развития эластографии ультразвуковой доплеровский способ визуализации сдвиговых вибрационных деформаций [11—15] все больше сдает позиции. Между тем, возможности этого подхода в части количественной эластографии далеко не исчерпаны, а в сравнении с корреляционным подходом он обладает определенным преимуществом. Достоинствами корреляционного подхода являются универсальность (т.е. возможность использования при любых способах задания де-
формаций — от статических до импульсных высокочастотных) и высокое пространственное разрешение. И то, и другое обеспечивается вводом в компьютер кадров, соответствующих разным стадиям деформирования, т.е. заданием высокой частоты сбора данных, заданием больших объемов памяти для хранения сырых данных и обеспечением высокоскоростной обработки этих данных мощными процессорами. Это же обеспечивает и главный недостаток эластографических устройств, работающих на таком принципе, — их высокую стоимость. Использование доплеровского подхода для регистрации вынужденных вибраций в тканях позволяет существенно снизить требования к скорости ввода данных в компьютер, к необходимому объему памяти и к скорости обработки данных. В результате существенно снижается стоимость устройства. При этом, однако, появляются и ограничения подхода. Во-первых, это необходимость задания вибраций в определенном диапазоне частот, где они уже могут распространяться по тканям в виде бегущих волн, но еще не затухают на очень коротком участке. Во-вторых, это ограничение пространственного разрешения возможностями измерения сдвига фаз вибраций между соседними измерительными объемами, которые определяются длиной вибрационной волны и не могут быть произвольным образом повышены за счет повышения частоты сбора данных. Таким образом, использование эластографических до-плеровских устройств более ограничено, но в области, где их ограничения не являются принципи-
альными, например при дистанционном измерении упругих характеристик печени они могут быть существенно более эффективными. Целью данной статьи является иллюстрация возможностей ультразвуковой доплеровской эластометрии на примере экспериментов с использованием построенного аппаратно-программного комплекса (АПК).
АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Базовые теоретические соотношения для метода эластографии биологических тканей, основанного на ультразвуковой доплеровской визуализации поля вынужденных гармонических вибраций в них, приведены в работе [11]. Обобщение выкладок [11] на случай произвольного закона низкочастотных вынужденных вибраций проведено в работе [15]. Приведем ниже соответствующие результаты, поскольку на них основан алгоритм измерения вибрационной скорости, реализованный в новом комплексе.
Запишем вибрационное смещение рассеивате-ля в среде в следующем виде:
б = адо, (1)
где Б0 — амплитуда смещения. Отраженный от движущихся рассеивателей ультразвуковой сигнал оказывается модулированным по частоте за счет эффекта Доплера. Сдвиг частоты выражается следующим образом:
2ю0У _ 2ю0Р0 йх
Ys = r0S0sin[mx(í) + ф„]
(2)
сI с1 М Здесь V = ДДх/Л — колебательная скорость рас-сеивателей, ю0 — круговая частота излученной ультразвуковой волны, с1 — скорость ультразвуковой волны.
Фаза рассеянной волны может быть выражена следующим образом:
m
(4)
Yc =
r0s0
(7)
cos[mx(t) + ф
o
Эти сигналы выводятся из локатора и могут быть подвергнуты различной обработке для определения по ним параметров вибраций в точке среды, откуда получен рассеянный сигнал. В частности, из (7) может быть получено выражение
mx'(t) =
Y Y - Y Y
s c -*- c* s
Y2 + Y2
(8)
где штрихом обозначено дифференцирование по времени. Учитывая (4) и то, что V = ДДхт/Л, получим
c Y Y — Y Y V (t) = c cJ s
2шо Ys2 + Yc2
(9)
0 = J (ю0 + юй = Ю(/ + шх(р) + ф0. (3)
Здесь ф0 — постоянный набег фазы на трассе распространения волны, т — индекс модуляции за счет эффекта Доплера, который имеет вид
2юр А
Таким образом, принимаемый сигнал s(t) может быть записан в виде
s(t) = s0 sin[®0t + mx(t) + ф0]. (5)
В локаторе принятый сигнал перемножается с двумя опорными квадратурными сигналами
r() = r0 sin №0t, r2(t) = r0 cos №0t. (6)
После отфильтровывания составляющих на удвоенной частоте 2ю0 выделяются квадратурные до-плеровские сигналы (синусный — Ys и косинусный — Yc):
Таким образом, за счет дифференцирования доплеровских сигналов может быть восстановлен полный сигнал колебательной скорости в точке наблюдения. В работе [15] приведены данные экспериментов, показывающие правильность работы алгоритма определения колебательных смещений по доплеровским сигналам на основе соотношений (9).
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОПЛЕРОВСКОЙ ЭЛАСТОМЕТРИИ
На рис. 1 приведена блок-схема построенного специализированного аппаратно-программного комплекса для проведения измерений сдвиговых упругих характеристик биологических тканей на основе использования ультразвуковой доплеров-ской визуализации вибрационных деформаций в них.
В качестве средства визуализации структуры тканей в комплексе использован монитор компьютера. Управление работой комплекса, визуализация сигналов и измерение характеристик сдвиговой упругости тканей в выбранном объеме обеспечивается средствами специализированного программного обеспечения. Электронный блок комплекса обеспечивает ультразвуковую импульсную локацию тканей на глубину до 225 мм и обработку эхо-сигналов, включая нахождение квадратурных до-плеровских сигналов. Средняя излучаемая мощность не превышает 100 мВт/см2 при диаметре излучателя 1 см. При используемой несущей частоте 2.5 МГц и скважности 128 давление в импульсе оценивается как 0.62 МПа, а механический индекс не превышает 0.4. Электрическое питание электронного блока осуществляется от и8В-порта. Электронный блок содержит модуль интерфейса, в качестве которого использован и8В-модуль ввода—вывода сигналов фирмы L-Card типа Е14-440.
c
Рис. 1. Блок-схема АПК "Ультразвуковой доплеровский эластометр".
Используется ждущий режим работы АЦП с синхронизацией запуска сбора данных по заднему фронту зондирующего импульса. Тактовая частота сбора данных 400 кГц обеспечивает пространственное разрешение вдоль луча (длину измерительного объема) 1.875 мм. Соответственно, минимальная длина сегмента, в котором может быть определена упругость тканей, составляет 3.75 мм.
Управляющая программа комплекса АПК "Ультразвуковой доплеровский эластометр" разработана для операционной среды Microsoft Windows XP/7 на базе библиотеки с открытым исходным кодом Qt 4.8 (http://qt-project.org/) на языке программирования С++. Для отображения графиков используется библиотека с открытым исходным кодом QWT 5.0 (http://qwt.sourceforge.net/). Программа разрабатывалась в кроссплатформен-ной свободной интегрированной среде (IDE) для разработки на С, С++ QtCreator (http://ru.wikipe-dia.org/wiki/Qt_Creator). Для компиляции исходного кода программы использовался свободный компилятор языка С++ MinGW (http://ru.wikipe-dia.org/wiki/MinGW). В качестве библиотеки для математических вычислений используется библиотека gsl 1.3 (http://www.gnu.org/software/gsl/). Драйверы и библиотеки для модуля ввода-вывода сигналов Е14-440 предоставляются производителем (ЗАО "Л-Кард") и доступны на сайте http:// www.lcard.ru/support/download. Программа использует режим покадровой синхронизации от внешнего источника и обеспечивает работу в нескольких режимах.
Сразу после включения комплекса он переходит в режим ожидания, когда формирования зондирующих импульсов (ЗИ) и синхроимпульсов
(СИ) запуска АЦП не происходит. Этот же режим включается по окончании сбора данных, когда появляется дополнительная возможность по записанным сигналам измерить упругие характеристики тканей в выбранном сегменте. Режим визуализации эхограммы включается нажатием кнопки "Старт" в программе. В этом режиме в электронном блоке запускается формирование несущей частоты 2.5 МГц, опорных квадратур и зондирующих импульсов из восьми периодов несущей частоты. Импульсы проходят на датчик с периодом 409.6 мкс, а по их заднему фронту запускается запись 120 тактов данных с одно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.