научная статья по теме ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СКОРОСТИ ЗВУКА И ПОГЛОЩЕНИЯ В ФАНТОМАХ МЯГКИХ БИОТКАНЕЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОМОГРАФИРОВАНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СКОРОСТИ ЗВУКА И ПОГЛОЩЕНИЯ В ФАНТОМАХ МЯГКИХ БИОТКАНЕЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОМОГРАФИРОВАНИЯ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 2, с. 254-273

АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА

УДК 534.2:534.7

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ СКОРОСТИ ЗВУКА И ПОГЛОЩЕНИЯ В ФАНТОМАХ МЯГКИХ БИОТКАНЕЙ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ТОМОГРАФИРОВАНИЯ

© 2015 г. |В. А. Буров, | Д. И. Зотов, О. Д. Румянцева

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет 119991ГСП-1, Москва, Ленинские горы Тел.: (495) 939-30-81; Факс: (495) 932-88-20; E-mail: burov@phys.msu.ru Поступила в редакцию 17.04.2014 г.

Работа посвящена реализации в конкретном томографическом устройстве двухшагового алгоритма, предназначенного для восстановления пространственных распределений скорости звука и коэффициента поглощения, прежде всего в мягких биотканях. Для формирования входных данных первого и второго шагов используется корреляционный алгоритм, основанный на определении временного сдвига времени распространения сигнала в присутствии объекта. Представляются результаты восстановления на основе данных, измеренных для объектов-фантомов с помощью разработанного экспериментального образца ультразвукового томографа. Обсуждаются проблемы, возникающие при восстановлении с низким разрешением первым шагом алгоритма, и иллюстрируется высокая пространственная разрешающая способность, достигаемая на втором шаге.

Ключевые слова: ультразвуковой медицинский томограф, пространственные распределения скорости звука и коэффициента поглощения, восстановление с низким и высоким разрешением.

DOI: 10.7868/S032079191502001X

1. СОСТОЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ТОМОГРАФИЧЕСКИХ СИСТЕМ (РАЗРАБОТКИ ПОСЛЕДНИХ ЛЕТ)

Под обратными задачами рассеяния понимается восстановление характеристик пространственных неоднородностей исследуемого объекта. В рассматриваемых ниже акустических задачах к таким характеристикам относятся фазовая скорость звука и поглощение. Объект зондируется первичными полями, падающими на него. Исходными данными для процесса восстановления является измеренное рассеянное акустическое поле в некотором множестве экспериментов. Быстрый прогресс в этой области связан с использованием идей общей теории обратных задач рассеяния, разрабатывавшихся в математической физике, в первую очередь в приложении к квантовому рассеянию элементарных частиц [1—3], а также к физике нелинейных волн типа солитонов. В настоящей работе внимание сконцентрировано на прикладных и вычислительных аспектах решения акустических обратных задач, возникающих при их практическом применении в медицинской томографии мягких биотканей, — прежде всего при томографическом ультразвуковом обследовании молочной железы с целью выявления зародившейся патологии на ранней стадии. В акустиче-

ских томографах предполагается регистрация экспериментальной информации при многоракурсном облучении исследуемого объекта первичными зондирующими волнами и многоракурсном же приеме сигналов, прошедших через объект. Именно многоракурсность информации, в сочетании с соответствующими алгоритмами обработки, позволяет с помощью акустических томографов не только восстанавливать изображение объекта (что имеет место и в УЗИ-системах), но и получать количественные характеристики этих изображений. В отличие от УЗИ-систем, ставших уже традиционными, акустические томографы (маммографы) пока находятся в стадии разработки. В связи с этим первая часть настоящей статьи содержит краткий обзор состояния дел в тех немногочисленных научных группах мира, которые в настоящее время занимаются разработкой акустических маммографов. Во второй части упоминаются некоторые особенности акустического маммографа, разрабатываемого на кафедре акустики МГУ, и описываются результаты первых экспериментов, проведенных на его основе.

Трехмерные системы акустического томогра-фирования в настоящее время находятся еще в процессе развития как в техническом, так и в алгоритмическом плане [4—7]. Разрабатываемые практические системы в своем большинстве представ-

ляют собой объединение большого числа двумерных систем, так как обмен между слоями предполагается слабым и почти не учитывается [8, 9]. В более развитой схеме трехмерной томографии [5—7] на первом этапе предполагается использовать лучевые и борновские подходы.

Решение трехмерных обратных задач требует очень мощных вычислительных средств. Так, результаты практической реализации монохроматических алгоритмов Р. Г. Новикова, предназначенных для восстановления трехмерных акустических неоднородностей конечного объема [10, 11], показали, что помимо большой чисто математической сложности таких алгоритмов возникают серьезные трудности их программной и вычислительной реализации, связанные с очень большим объемом вычислительных операций. Алгоритм, основанный на подходе, названном его автором М.И. Белишевым "методом граничного управления (Boundary Control method — the BC method)" [12, 13], также встретился с аналогичными трудностями. По свидетельству Л.Н. Пестова, развившего этот подход вплоть до программной его реализации [14], объем вычислений даже при решении задачи восстановления сравнительно простого рас-сеивателя становится чрезвычайно большим. На необходимость использования суперкомпьютерных технологий для решения прикладных томографических задач обращено внимание в работе [15].

Следующая проблема, носящая не только технический, но и более фундаментальный характер, состоит в создании достаточно высокого входного отношения сигнал/помеха в системе. Получение изображения трехмерного рассеивателя значительных волновых размеров требует окружения его приемоизлучающими преобразователями малых размеров (около ^ х ^, где — характерная

длина волны), площадью в доли мм2. Эти преобразователи должны создавать достаточно интенсивную первичную волну во всем объеме рассеивате-ля (обычно несколько литров, т.е. до 104 см3), а приемники, имеющие такую же малую площадь и высокий импеданс, должны обеспечить хорошее соотношение "сигнал рассеянной волны/помеха". Кроме того, большое количество преобразователей связано с применением многошаговой системы мультиплексирования, также набирающей шумы и различного рода помехи. Тем не менее, практическая необходимость создания систем трехмерной интроскопии (особенно медико-диагностического назначения) настоятельно требует рассмотрения перспектив практической реализации подобных устройств и детального анализа принципов их построения.

Разработка непосредственно трехмерной системы была начата и, по-видимому, продолжается вплоть до настоящего времени группой, работаю-

щей в ФРГ, г. Карлсруэ [4—7]. После предварительной разработки [4] очевидные сложности создания такой системы привели авторов первоначально к отказу от учета неоднородностей среды в процессе обработки сигналов, и среда полагалась однородной с некоторыми средними значениями скорости. Это, в свою очередь, вынудило на первом этапе разработки ограничиться лишь отраженными сигналами, так как добавление просветных сигналов привело бы к их дефазировке относительно сигналов отражения. Кроме того, слабость зондирующего поля вынудила сузить диаграмму направленности преобразователей (т.е. увеличить их апертуру) до 30° вместо желательных 90°—100°, уменьшив размер области качественного восстановления до нескольких сантиметров. Тем не менее, многие характеристики созданного данной группой экспериментального образца весьма совершенны:

— широкая полоса частот (рабочий диапазон 2.5-3.5 МГц);

— большое число (~1600) преобразователей, организованных в приемные группы (48 шагов мультиплексирования);

— высокая частота опроса (10 МГц, а позднее и 20 МГц).

Эти параметры ясно продемонстрировали основную сложность — оперативный сбор информации и ее обработка в описываемом экспериментальном образце томографа [4] занимали несколько часов.

Следующий вариант экспериментального образца [5], разработанный этой же группой, решал ряд проблем, связанных со сложностью создания трехмерных систем. Так, антенная решетка не была сплошной, а состояла из трех "этажей" кольцевых разреженных антенн, каждая из которых включала в себя 16 блоков; каждый блок объединял в себе 24 излучающих и 96 приемных преобразователей. Кольцевая система в процессе съема данных (требовавшего восемь часов!) занимала шесть угловых положений. Таким образом, итоговая, отчасти синтезированная, апертура заменяла собой приемоизлучающую систему из 2304 излучателей и 9216 приемников. Работа томографа проводилась в режиме "на отражение" на частоте 2.7 МГц, но при этом в процессе обработки сигналов учитывалась неоднородность фазовой скорости, оцениваемой из данных о временах пролета. Тем самым, применялся своего рода двухшаговый метод. Как и в первом варианте, излучатели обеспечивали высокое отношение сигнал/помеха лишь в небольшом объеме в центре антенной решетки. Экспериментальный образец был испытан на различных фантомных образцах. Другой вариант томографа предполагал расположение преобразователей по внутренней поверхности половины эллипсоида [6]. В целом, приведенные результаты четко говорят обо всем наборе сложных проблем, связанных с реализацией полноразмерной систе-

мы трехмерного акустического томографиро-вания.

Наиболее продвинутый экспериментальный образец трехмерной системы [7] содержал 628 излучателей и 1413 приемников, объединенных в 480 параллельных каналов с частотой опроса 20 МГц и оцифровкой 12 бит. Полное заполнение приемоизлучающей апертуры осуществлялось за четыре положения эллиптической антенны. Синтезированная аппаратная функция такой системы была близка к сферически изотропной с диаметром около 0.25 мм на частоте 2.5 МГц. Общее время съема данных не превышало двух минут. Обращает на себя внимание широкая полоса используемых частот (до 1.5 МГц), а также хорошая отдача по излучению — до 6 кПа на расстоянии 12 см при амплитуде возбуждения около 50 В (ширина диаграммы до 40°).

Большая сложность полной трехмерной волновой томографии является основной причиной поисков более простых решений. Простейшим выходом представляется прямой синтез трехмерного изображения из множества двумерных томограмм [9]. Однако этот путь

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»