МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Star InactiveStar InactiveStar InactiveStar InactiveStar Inactive
 
  •  
  • Выпускная квалификационная работа

     
  •  

    МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ УЗ-СКАНЕРОВ

  •  
  •  
  • Оглавление

  • Введение…………………………………………………………………………..3
  • Глава I. Ультразвук и особенности его распространения в биологических тканях.
  • § 1.1. Ультразвуковые волны и акустический сигнал …………………….5
  • § 1.2 Физические характеристики биологических сред…………………….9
  • Глава II: Работа на ультразвуковых диагностических приборах, компьютерная обработка и анализ полученных данных.
  • §2.1 Классификация ультразвуковых приборов…………………………...15
  • §2.2 Основные режимы ра­боты: режим В (2D) и режим Μ…………...…..19
  • §2.3 Ультразвуковые преоб­разователи и конвексные датчики……….25
  • §2.4 Подключение аппарата УЗИ к компьютеру…………………………..29
  • §2.5 Основные характеристики УЗ сканера………………………………..30
  • §2.6 Практическая работа в режиме В………………………………………33
  • §2.7 Оценка качества изоб­ражения УЗ сканера…………………...……….36
  • §2.8 Анализ акустических плотностей УЗ снимка……………….………. 41
  •  
  • Заключение……………………………………………………………………..42
  • Приложение…………………………………………………………………….43
  •  
  • Библиографический список………………………………………………….51
  •  
  • Введение
  • Сегодня наряду с традиционным рентгенологическим исследованием в клинике широко применяются и такие высокоинформативные методы исследования как ультразвуковое исследование (УЗИ), компьютерная томография (КТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). МРТ, несомненно, является одним из самых эффективных методов исследования внутренних органов, обеспечивая практически всю полноту диагностической информации. Однако, небольшая распространенность магниторезонансных томографов и высокая стоимость самого исследования не позволяют считать МРТ методом выбора.
  • Современное ультразвуковое исследование становится самым подходящим методом для быстрой и наиболее доступной диагностики изменений во внутренних органах. Благодаря новым высокоинформативным ультразвуковым приборам, использующим все достижения современных компьютерных технологий, стало возможным получение даже более точной информации о патологических изменениях в почках и предстательной железе, чем при МРТ.
  • Современное ультразвуковое исследование основано на использовании широкополосных, высокочастотных датчиков с высокой плотностью элементов, которые обеспечивают высочайшее точечное разрешение диагностических изображений. С помощью допплеровских методик исследования, таких как энергетическое цветовое кодирование, трехмерная и панорамная реконструкция сосудов, возможна оценка сосудистой реакции в зоне обнаруженных изменений, и, соответственно, проведение мониторинга лечения.
  • Все это обуславливает повышенный интерес специалистов к ультразву­ковому исследованию, как легко доступному и быстрому методу исследования.
  • Современные установки УЗ сканирования представляют собой переносные компьютеры, снабженные устройствами ввода и вывода информации и УЗ датчиком. За счет соединения компьютера и УЗ установки появляется много возможностей в цифровой обработке аналогового сигнала.
  • Цифровая обработка значительно улучшает качество изображений и позволяет получать данные по направлению и интенсивности кровотока за счет анализа эффекта Доплера.
  • Наиболее сложным в плане цифровой обработки является многослойное сканирование с представлением результатов в трехмерном режиме.
  • Трехмерный режим объемного представления об органе и его послойной структуре во всех трех плоскостях с возможностью анализа фронтальных (корональных) срезов, получение которых невозможно при двухмерном сканировании.
  •  
  • Возможность хранения и воспроизведения волюметрической информации.
  • Возможность независимого ретроспективного анализа всего объема информации другими исследователями.
  • Компьютерная обработка полученных объемных изображений в различ­ных режимах: многоплановая реконструкция, проекция максимальной и минималь­ной интенсивности, поверхностная реконструкция объекта.
  • Но общедоступные аппараты УЗ диагностики простого технического уровня представляют весьма ограниченный функционал в обработке полученных данных. Также оборудование среднего и нижнего класса не отличается качественным изображением результатов УЗ сканирования, что затрудняет восприятие и анализ полученных снимков. Также большинство УЗ аппаратов не имеет встроенных цифровых носителей данных, для долговременного хранения и каталогизации изображений.
  • Для расширения функционала УЗ установки целесообразно подключение к персональному компьютеру для дальнейшей обработки УЗ изображений, записи видео и долговременного хранения данных.
  • Программное обеспечение персонального компьютера позволяет осуществлять:
  • Коррекцию изображений для более удобного восприятия и проводить анализ УЗ изображения по дополнительным параметрам.
  • анализ относительной плотности вещества на срезе УЗ изображения.
  • выборочную коррекцию контрастности и яркости изображения.
  • Очищать изображение от сильной зашумленности и помех вызванных низким качеством оборудования или трудными условиями сканирования.
  • Цветовое кодирование, значительно облегчающее восприятие УЗ изображений.
  • Широкий выбор программного обеспечения и низкая стоимость персонального компьютера, относительно высококачественных УЗ сканеров, позволяет дополнить возможности более простых УЗ устройств и получить часть высокотехнологичных возможностей при значительно меньших затратах.
  •  
  • Глава I. Ультразвук и особенности его распространения в биологических тканях

  •  

  • § 1.1 Ультразвуковые волны и акустический сигнал

  • Ультразвук, как известно, это звуковые, или акустические волны, частота которых выше максимальной частоты звука, слышимой человеческим ухом и равной 20 кГц.
  • Акустические волны представляют собой механические колебания частиц в упругой среде, распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию. Акустические волны мо­гут существовать и распространяться в твердых телах, жидкостях и газах. Биологические ткани подобны или жидким упругим средам (мягкие ткани), или твердым (костные образования и конкременты), или содержат в своем составе газовые образования (в легких, кишечнике, желудке и т.д.). Поэтому акустические колебания могут распространяться во всех видах биологических тканей, что используется в медицине для целей диагностики и терапии.
  • В ультразвуковой (УЗ) диагностике используются так называемые про­дольные акустические волны, в кото­рых направление смещения отдель­ных частиц среды параллельно на­правлению распространения волн.
  • ahgdfg
  • На рисунке схематически изображены продольные волны в упругой среде в виде периодического чередования зон сжатия и разрежения. Скорость перемещения зоны разрежения (или сжатия) в среде называется скоростью звука и обозначается буквой С. Направлена эта скорость от источника возникновения волн (в дан­ном случае, колеблющейся пластины).
  • Степень сжатия или разрежения характеризуется давлением, график изменения которого вдоль оси х изоб­ражен на рисунке. В случае, если имеют место гармонические волны, изменение давления в простран­стве вдоль оси x происходит по зако­ну синуса (или косинуса). Расстояние между точками графика давления, имеющими одинаковые фазы, т.е. одинаковое значение и направление изменения давления, называется длиной волны λ.
  • lklklkВ случае гармони­ческих колебаний изменение давле­ния во времени будет синусоидаль­ным с периодом колебаний, равным Т.
  • Частота колебаний f, равная 1/T, определяет число периодов колебаний в секунду и измеряется в герцах. Один герц (Гц) - это одно колебание в секунду.
  • Диапазон частот ультразвука, используемых в медицинской диагностике, лежит в пределах от 1 до 30 МГц и выше.
  • На рисунке схематически изобра­жены так называемые плоские про­дольные волны, т.е. такие, у которых точки с одинаковыми фазами колеба­ний находятся на плоской поверхнос­ти. Плоские волны являются следст­вием возбуждения их с помощью пло­ского источника звука, в данном слу­чае плоской колеблющейся пластины. Поверхность с одинаковой фазой ко­лебаний называется фронтом волны.
  • Плоские волны имеют плоский фронт волны.
  • Кроме плоских волн могут быть сферические волны, возбуждаемые точечным или сферическим источником. Фронт волны в этом случае имеет сферическую форму.
  • Иногда имеют место цилиндрические волны, фронт которых имеет вид цилиндриче­ской поверхности.
  • В чистом виде плоские, сферичес­кие или цилиндрические волны встречаются редко, обычно на практике имеет место комбинация различных типов волн, которая только в малых областях пространства может быть близка к одному из перечисленных типов волн.
  • Известное соотношение, связывающее длину волны λ с частотой колебаний f и скоростью звука С:
  • λ = CT=C/f.
  • Из этого соотношения следует, что с увеличением частоты ультразвука уменьшается длина волны λ. При средней скорости ультразвука в мягких биологических тканях C = 1540 м/с длина волны составляет:
  • λ = 0,44 мм при f = 3,5 МГц,
  •  λ = 0,31 мм при f= 5,0 МГц,
  •  λ = 0,21 мм при f = 7,5 МГц,
  •  λ = 0,15 мм при f = 10,0 МГц
  • Приведенные значения длины волны для наиболее часто используемых в УЗ диагностике частот полезно знать, так как они связаны с такой важной характеристикой диагностических систем, как разрешающая способность, которая определяет возмож­ность системы отображать мелкие де­тали в акустическом изображении внутренних органов.
  • Существует физический предел раз­решающей способности, т.е. значе­ние, которое в принципе не может быть превзойдено в системе, исполь­зующей волны для получения инфор­мации. Этот предел близок по вели­чине длине волны. Таким образом, чем выше частота, тем потенциально луч­ше может быть разрешающая способ­ность, т.е. тем мельче могут быть дета­ли, отображаемые диагностической системой, и тем лучше качество изоб­ражения. К сожалению, ультразвук с высокой частотой значительно силь­нее затухает при распространении в биологических тканях, что существен­но снижает глубину исследования на высокой частоте.
  • В УЗ диагностических системах непрерывные синусоидальные коле­бания используются только в специ­альных режимах работы. В большин­стве же случаев применяется им­пульсное колебание или импульсный акустический сигнал. Типичный вид импульсного сигнала изображен на рисунке.
  • На рисунке показано, как импульс, сформированный излучателем, распространяется вглубь биологичес­ких тканей вдоль оси х. У каждого им­пульсного акустического сигнала мож­но выделить высокочастотное запол­нение, а также нарисовать огибающую (пунктирная кривая), которая называется так потому, что огибает максимальные и минимальные значе­ния высокочастотного заполнения.
  • Если акустический импульс излу­чен в момент t = 0 , то на глу­бине х, он появится в момент t = х1/С (С - скорость звука в биологических тканях), на глубине х2 импульс может быть обнаружен в момент t = х2/С и т.д. С глубиной величина импульса умень­шается вследствие затухания в тканях.
  • Важной характеристикой импульс­ного сигнала является его спектр (или частотный спектр).
  • Простое гар­моническое колебание характеризу­ется всего одной частотойf, т.е. его спектр представляет собой одну линию.
  • Импульсный сигнал мож­но представить как совокупность мно­гих гармонических колебаний (гармо­ник) с различными частотами. На рис. показан импульсный сигнал, который представлен как сумма очень большо­го числа гармонических составляю­щих с разными частотами. На рис. показана только часть этих гармони­ческих колебаний. Изображая ампли­туды этих гармонических составляю­щих в виде вертикальных отрезков оси частот f, получим спектр частот G(f). Форма спектра отображает относи­тельные уровни каждой из гармо­нических составляющих.
  • По известному виду спектра G(f) можно совершенно точно опреде­лить, как выглядит сигнал. Для этого необходимо знать еще и фазы каждой из составляющих. И наоборот, по виду сигнала на временной оси можно од­нозначно определить, как выглядит его спектр. Вид сигнала связан с формой спектра формульной зависимос­тью, которая называется преобразо­ванием Фурье. Центральная частота (при симметричном спектре она нахо­дится посредине спектра) является основной частотой спектра. Обычно именно она указывается в качестве характерной частоты каждого УЗ дат­чика, используемого в системе.
  • Короткие импульсы имеют более широкий спектр частот, чем длинные. Так как ширина спектра сигнала назы­вается полосой частот сигнала, то короткие импульсы называют широ­кополосными сигналами, а длинные импульсы узкополосными сигнала­ми. В зависимости от выбранного ре­жима работы УЗ диагностической сис­темы используется тот или иной вид акустических сигналов. Так, для полу­чения двухмерных акустических изоб­ражений применяются широкополос­ные сигналы, а для допплеровских ис­следований - узкополосные.
  •  
  • §1.2 Физические характеристики биологических сред

  • Как уже говорилось, в УЗ диагнос­тике используются продольные УЗ волны, т.е. упругие колебания, на­правление распространения которых совпадает с направлением смещения частиц среды распространения. Коле­бания рабочей поверхности УЗ датчи­ка, контактирующей с телом пациента, передаются биологическим тканям, и в результате частицы среды также на­чинают колебаться относительно своего равновесного состояния, вызывая смещение соседних частиц, далее расположенных от датчика. Таким об­разом, колебания (или волны) распро­страняются вглубь тканей.
  • В УЗ диагностических системах ис­пользуется эхолокационный принцип получения информации об органах и структурах, при котором излучаются акустические сигналы и принимаются сигналы, отраженные от неоднородностей биологической среды, и таким образом строится акустическое изоб­ражение.
  • Отраженные сигна­лы, которые принимаются датчиком и используются для диагностики, назы­ваются эхо-сигналами.
  • Отражение - основное физичес­кое явление, на основе которого по­лучается информация о тканях. При этом используются те отраженные волны, которые могут быть приняты датчиком, т.е. распространяющиеся в сторону, обратную волнам, излучен­ным датчиком первоначально.
  • Информация, получаемая с помо­щью отраженных волн, в существен­ной мере зависит от ряда физических явлений, сопровождающих распрост­ранение ультразвука в биологических тканях. В числе основных таких явле­ний необходимо назвать следующие:
  • Преломление - изменение направ­ления распространения волн при пере­ходе из одной среды в другую, что мо­жет приводить к геометрическим иска­жениям получаемого изображения.
  • Различия в скорости звука в тканях определяют характер отражения и преломления на границе сред. При косом падении волны относи­тельно плоской границы сред отра­женная волна распространяется в со­ответствии с законом геометричес­кой оптики, согласно которому угол отражения α отр равен углу падения α (оба угла отсчитываются от перпен­дикуляра к границе сред).
  • При равенстве скоростей звука в средах (C1 = C2) прошедшая волна не меняет своего направления относи­тельно падающего луча, т.е. углы β и α равны друг другу.
  • Если скорости звука в средах не равны (C1≠C2), то имеет место преломление волны. Углы падения α и преломления β связаны между собой известным соотношением Снелля:
  • sinb/sina = C2/C1.
  • Рассеяние - возникновение мно­жественных изменений направления распространения ультразвука, обус­ловленное мелкими неоднородностями биологической среды и, следова­тельно, многочисленными отражени­ями и преломлениями.
  • Поглощение - переход энергии УЗ волн в другие виды энергии, в ча­стности в тепло, что вызвано в основ­ном вязкостью среды.
  • Поглощение, рассеяние и отраже­ние УЗ волн в биологических тканях яв­ляются причинами затухания, кото­рое характеризует уменьшение энер­гии УЗ волн при распространении.
  • Параметрами, которые влияют на перечисленные физические явления и на сложный процесс получения акус­тической диагностической информа­ции, являются скорость звука в среде и плотность среды. Именно различи­ем скорости звука и плотности разных типов биологических сред объясняют­ся акустические неоднородности биологических тканей, которые суще­ственным образом влияют на форми­рование акустического изображения.
  • Для всех видов биологических тка­ней скорость звука (ультразвука) в каждой из них практически не зави­сит от частоты (или длины волны).
  • Таблица 1. Скорость УЗ волн в различных средах и акустические сопротивления сред
  • Среда Скорость Плотность Акустическое
    звука, относительно сопротивление
    м/с воды, ρcв относительно воды, ZC/ZB
    Воздух (при нормальных условиях) 343 1,2 x 10-3 0,3 x 10-3
    Дистиллированная 1480 1 1
    вода (при +20°С)
    Легкие 400-1200 - -
    Жировая ткань 1350-1470 0,95 0,86-0,94
    Мозг 1520-1570 1,03 1,06-1,09
    Кровь 1540-1600 1,06 1,04-1,08
    Печень 1550-1610 1,06 1,11-1,14
    Мышечная ткань 1560-1620 1,07 1,13-1,18
    Почка 1560 1,07 1,13
    Мягкие ткани 1540 1,06 1,11
    (среднее значение)
    Костная ткань 2500-4300 1,2-1,8 2,2-5,0
    Камни печени 1400-2200 - 0,8-1,6
  • В табл. 1 приведены пределы изме­нения скорости звука для ряда биоло­гических тканей человека. Кроме этого, для сравнения даны значения скорости звука в воздухе при нор­мальных условиях и в дистиллирован­ной воде при температуре +20°С.
  • На основе данных табл. 1 можно выделить три класса тканей: ткани легкого с малой скоростью звука, что обусловлено высоким уровнем газосодержания, костные ткани с высокой скоростью звука и все остальные жидкие среды и мягкие ткани, ско­рость звука в которых отличается от скорости звука в воде не более чем на ±10% . У этих последних (водоподобных) тканей средняя скорость звука составляет 1540 м/с, незначительно отличаясь от скорости звука в воде. При построении акустического изоб­ражения используется допущение о постоянстве скорости звука в мягких тканях и жидких средах организма. Такое допущение позволяет с опре­деленной точностью рассчитать глу­бину расположения неоднородности по времени прихода отраженного от нее сигнала.
  • Также важнейшей характеристикой биоло­гической среды является акустическое сопротивление Ζ, которое определяет­ся как произведение плотности среды ρ и скорости звука С в ней: Z = ρС.
  • В табл. 1 приводятся значения плот­ности различных сред относительно воды, т.е. величины, равные ρсвс - плотность среды, ρв - плотность дис­тиллированной воды). Видно, что у мягких тканей плотность не сильно от­личается от плотности воды - не бо­лее чем на 7%.
  • В последнем столбце табл. 1 даны значения акустических сопротивлений различных сред, также приведенные к акустическому сопротивлению воды, т.е. указаны величины, равные Zc /Zв (Zc = ρсСс - акустическое сопротивление среды, Zв = ρвСв - акустическое сопро­тивление дистиллированной воды). Акустические сопротивления замеча­тельны тем, что их различие определя­ет характер отражения на границе сред. Уровень отраженного сигнала зависит только от степени акустической не­однородности граничащих тканей, которая определяется разницей их акустических сопротивлений.
  • Таблица 2. Коэффициент отражения ульт­развука на границе биологических сред
  • В
    Граница сред
    Котр %
    Кровь-мышца
    1,5
    Кровь-почка
    2,1
    Кровь-печень
    2,7
    Мышца-жир
    10
    Печень-камни печени
    0-17,0
    Мышца-кость
    64
    Мозг-кость черепа
    66
    Воздух-мягкие ткани
    99,95
    табл. 2 приводятся в качестве ил­люстрации значения коэффициента отражения УЗ волны на границе биоло­гических сред, выраженные в процен­тах. Значения вычислены на основе вышеприведенной формулы в предпо­ложении, что падающая УЗ волна рас­пространяется перпендикулярно плос­кой границе сред.
  • Из табл. 2 следует, что для мягких тканей коэффициент отражения по амплитуде не превышает 10%, снижа­ясь иногда до нуля, если соседствую­щие ткани не отличаются по акустиче­скому сопротивлению. В последнем случае их граница не может быть об­наружена.
  • Более высокий коэффициент от­ражения на границе жировых тка­ней с другими мягкими тканями ил­люстрирует известный специалистам факт, что наблюдение структур, рас­положенных за многочисленными жировыми прослойками, сопряжено с определенными трудностями. Дей­ствительно, энергия УЗ волны, прошедшей границу жир - мягкие ткани, меньше, чем после прохождения гра­ницы других мягких тканей, и наряду с расфокусировкой УЗ луча в жире это приводит к уменьшению уровня сигнала от структур, расположенных на больших глубинах.
  • Отражения от границы мягкая ткань - камни (печени, почек или желчного пузыря) могут меняться в широких пределах в зависимости от вида камня и его акустического со­противления. Чем плотнее камень и чем больше скорость звука в нем, тем больше уровень отражения на его границе и тем легче его обнаружить. При большом акустическом сопро­тивлении камня отражения от него могут быть очень высокого уровня, так что в результате за ним образует­ся область акустической тени, т.е. область с низким уровнем отражен­ных сигналов, что обусловлено малым уровнем энергии прошедшей через камень УЗ волны. Как известно, нали­чие акустической тени является од­ним из диагностических признаков наличия камня в органах.
  • Если камень имеет структуру, близкую к структуре мягких тканей, то обнаружить его иногда затруднитель­но вследствие малого уровня отра­женного сигнала. Это случай акусти­чески прозрачного плохо диагнос­тируемого камня. Как правило, такие камни хорошо выявляются с помо­щью рентгеновской диагностики.
  • Уровень отражения на границе мягкая ткань - костная ткань тоже может меняться в определенных пре­делах в зависимости от вида костной ткани. Однако в большинстве случаев этот уровень велик, вследствие чего отраженная волна может быть боль­шей мощности, чем волна, прошед­шая далее. Помимо этого костная ткань в силу специфичности своего строения расфокусирует («разваливает») УЗ луч, проходящий через нее. Все это существенно затрудняет воз­можность наблюдения структур, нахо­дящихся за костными тканями. По этой причине в кардиологии используются секторные и микроконвексные датчи­ки, малая рабочая поверхность кото­рых позволяет наблюдать сердце че­рез межреберную щель. По той же причине трудно получить двухмерное изображение мозга приемлемого ка­чества при наблюдении через кости черепа, и только в неонатологии мож­но получать полноценное двухмерное изображение мозга новорожденных сканированием через родничок.
  • На границе воздух - мягкие ткани УЗ волна отражается практически полностью, и дальше этой границы получить информацию невозможно. Поэтому при обследовании пациента на рабочую поверхность датчика на­носится акустический гель, исклю­чающий воздушную прослойку и обес­печивающий акустический контакт между датчиком и телом пациента.
  • Вследствие практически полного отражения на границе газовых обра­зований и мягких тканей газосодержащие структуры (легкие, желудок, кишечник), а также ткани, находящие­ся за этими структурами, с помощью ультразвука исследовать почти не­возможно, что является серьезным ограничением для УЗ диагностики.
  • Возвращаясь к отражению на гра­нице мягких тканей с различным акус­тическим сопротивлением, заметим, что границы неоднородностей распо­лагаются под произвольным углом к направлению распространения ульт­развука (совпадающему с осью УЗ лу­ча), не всегда равным 90°. Поэтому ос­новная энергия отраженного сигнала может распространяться не в сторону датчика, что ухудшает возможности наблюдения. Положение облегчается тем, что границы неоднородностей, как правило, не являются гладкими, и, следовательно, отраженные от них УЗ волны распространяются в различных направлениях, в том числе и в направ­лении на датчик, что обеспечивает прием эхо-сигналов и получение акус­тического изображения.
  • Чаще всего неоднородности в мяг­ких тканях имеют сложную форму и различные размеры, причем их ориен­тация носит случайный характер. УЗ изображения в основном формируют­ся волнами, рассеянными на относи­тельно мелких структурах. Если размеры неоднородностей сравнимы с длиной волны ультразвука или мень­ше ее (в большинстве случаев в биоло­гических тканях это условие имеет ме­сто), то взаимодействие ультразвука со средой характеризуется сложными эффектами. Основными из них явля­ются дифракция и интерференция.
  • Затухание ультразвука в биологических тканях
  • Затухание ультразвука, т.е. сниже­ние энергии УЗ волн в процессе их распространения вглубь тканей, су­щественным образом влияет на акус­тическое изображение, прежде всего на максимальную глубину, с которой еще можно получать информацию, и на качество изображения.
  • Основными причинами затухания УЗ волн являются: отражение и рас­сеяние УЗ волн на неоднородностях, поглощение УЗ волн.
  • Дополнительное затухание имеет место из-за расходимости УЗ луча, т.е. увеличения площади сечения луча с глубиной. Затухание из-за расходи­мости луча обычно по величине много меньше, чем вследствие отражения, рассеяния и поглощения УЗ волн.
  • Затухание из-за отражения и рас­сеяния определяется геометрически­ми размерами, свойствами и прост­ранственным распределением акус­тических неоднородностей.
  • Поглощение обусловлено вязкос­тью, теплопроводностью биологичес­ких тканей, а также сложными про­цессами, полное понимание которых пока отсутствует.
  •  
  • Глава II: Работа на ультразвуковых диагностических приборах и анализ полученных данных

  • Среди всех средств медицинской интроскопии или, другими словами, средств визуализации внутренних органов и структур ультразвуковые диагностические приборы занимают особое место. Это объясняется ря­дом существенных достоинств ульт­развукового метода исследований, основные из которых следует перечислить:
  • Высокая диагностическая ин­формативность, обусловленная чув­ствительностью к физическим и фи­зиологическим изменениям характе­ристик биологических тканей.
  • Способность оценивать динами­ческие характеристики движущихся структур, прежде всего кровотока.
  • Безвредность обследований для пациента и врача, что обеспечивается достаточно низким уровнем излучае­мой мощности ультразвука.
  • Относительно небольшие раз­меры и вес аппаратуры.
  • Известны ограничения и недостат­ки ультразвукового метода диагнос­тики:
  • Невозможность получения ин­формации о газосодержащих струк­турах (легкие, кишечник);
  • Трудность получения диагности­ческих данных при наблюдении через структуры со значительным отраже­нием, а также затуханием и рассея­нием ультразвука (костные ткани, уже упоминавшиеся газосодержащие структуры);
  • Малая чувствительность при ис­следовании органов и тканей с незна­чительным различием акустических характеристик.
  • Перечисленные достоинства и недостатки ультразвуковых методов диагностики имеют физические причины, анализ и объяснение которых будет описано в этой главе.
  • §2.1 Классификация ультразвуковых приборов

  • Естественно систематизировать приборы по функциональным воз­можностям и назначению, а также по техническому уровню и качеству вы­полняемых функций.
  • Имея в виду функциональные воз­можности и назначение, можно выде­лить универсальные и специализи­рованные ультразвуковые приборы.
  • Универсальные приборы можно разделить на три основных типа в за­висимости от используемых в них ре­жимов работы.
  • Используемый в данной работе УЗ сканнер KAIXIN KX2000G
  • fgsj
  • Относится к ультразвуковым сканерам. При­боры, предназначенные прежде всего для получения двухмерного черно-белого акустического изображения.
  • Основные режимы работы:
  • В (или 2D) - двухмерное изобра­жение;
  • Μ (или ТМ) - одномерная яркостная эхограмма с разверткой во времени.
  • Дополнительные режимы: В + В, В + М.
  • Ультразвуковые сканеры со спектральным допплером. Иногда они называются дуплексными прибо­рами. Отличаются от обычных ультра­звуковых сканеров тем, что дополни­тельно имеют возможность оцени­вать спектр скоростей кровотока допплеровским методом.
  •  
  • Ультразвуковые системы с цветовым допплеровским карти­рованием. Иногда они называются приборами с цветовым допплером. Это приборы с максимальным коли­чеством функций. Помимо режимов, которые имеются в сканерах со спек­тральным допплером, этот класс при­боров имеет возможность отображе­ния двухмерного распределения ско­ростей кровотока, выделяемых цве­том на двухмерном серошкальном изображении тканей.
  •  
  •  К группе специализированных уль­тразвуковых диагностических прибо­ров относятся приборы достаточно ограниченного медицинского приме­нения.
  • Офтальмологические ультра­звуковые приборы (эхоофталь- мометры). Это диагностические приборы для визуализации струк­тур глаза, использующие двух­мерное и (или) одномерное изоб­ражение.
  •  
  • Фетальные мониторы. Ультра­звуковые приборы,предназначен­ные для измерения частоты сер­дечных сокращений (ЧСС) плода допплеровским методом.
  •  
  • Приборы для внутрисосудистых исследований. Редко выпускае­мые приборы, в которых использу­ются специальные датчики для инвазивного обследования сосудов, аналогичные тем, которые иногда входят в состав универсальных уль­тразвуковых сканеров.
  •  
  • Приборы для транскраниальных обследований (эхоэнцефалоскопы). Применяются для об­следования мозга (обычно через височную область черепа).
  •  
  • Приборы для обследования носо­вых и лобных пазух (синускопы).
  •  
  • Приборы для ветеринарии. Спе­циально для ветеринарии приборы выпускаются редко. Обычно ис­пользуются универсальные прибо­ры со специализированными дат­чиками для ветеринарии.
  •  
  • Приборы для литотрипсии. Это приборы, входящие в состав экст­ракорпоральных литотрипторов и обеспечивающие наведение фокуса ударного воздействия на конкре­менты, а также контроль за процес­сом разрушения конкрементов.
  • УЗ прибор используемый в данной работе по классификации относится к ультразвуковым сканерам и поддерживает режимы.
  •  
  • Области медицинского приме­нения в основном определяются типом датчиков, работающих с ультразвуковым прибором и наличием специализированных режи­мов работы.
  • Качество получаемой информации зависит от технического уровня прибора - чем сложнее и совершен­нее прибор, тем выше качество диа­гностической информации. Как пра­вило, по техническому уровню прибо­ры делят на четыре группы: 1) про­стые приборы; 2) приборы среднего класса; 3) приборы повышенного класса; 4) приборы высокого класса (иногда называемого high-end).
  • Одним из основных технических па­раметров, определяющих уровень сложности ультразвукового сканера, является максимальное число при­емных и передающих каналов в элек­тронном блоке прибора, так как чем больше число каналов, тем лучше чувствительность и разрешающая способность - основные характерис­тики качества ультразвукового изоб­ражения.
  • В простых ультразвуковых сканерах число каналов передачи-приема не более 16, в приборах среднего и повышен­ного класса 32, 48 и 64. В приборах высокого класса число каналов может быть более 64, например 128, 256, 512 и даже более. Как правило, ульт­развуковые сканеры высокого и по­вышенного класса являются прибора­ми с цветовым допплеровским карти­рованием.
  • Приборы высокого класса обычно используют в максимальной мере со­временные возможности цифровой обработки сигналов, .начиная практи­чески с выхода датчиков. По этой при­чине такие приборы называют цифро­выми системами или платформами.
  • Технический уровень УЗ сканнера KAIXIN KX2000G относится к простым приборам.
  •  
  •  
  • §2.2 Основные режимы ра­боты: режим В (2D) и режим Μ

  • Режим В (2D). Из всех возможных способов получения диагностической информации о биологических струк­турах с помощью ультразвука наи­большее распространение имеет способ получения двухмерного изоб­ражения. При этом применяется пе­риодическое излучение УЗ импульсов во внутренние структуры организма и прием сигналов, отраженных акусти­ческими неоднородностями структур. Совокупность принятых сигналов, на­зываемых эхо-сигналами, позволяет построить акустическое изображение биологических тканей на специаль­ном индикаторе (мониторе). Таким образом, информация получается прежде всего за счет отражения УЗ колебаний и образования эхо-сигна­лов - вторичных сигналов, распрост­раняющихся в сторону, обратную на­правлению излучения. Величина(уро­вень) эхо-сигналов определяется отражающими свойствами границ раздела структур, что прежде всего связано с различием акустических ха­рактеристик структур. Кроме того, на характеристики акустического изоб­ражения влияют такие физические эффекты, как:
  • преломление - изменение на­правления распространения УЗ сигналов при переходе из одной среды в другую;
  • рассеяние - многократное переотражение УЗ сигналов на мелких неоднородностях;
  • поглощение УЗ сигналов вследствие вязкости среды.
  • (подробнее см. ГЛ I §2)
  • В общем виде структурная схема получения акустического изображе­ния представлена на рисунке:
  • 2321
  •  
  • Датчик (зонд) обеспечивает излучение УЗ сигналов в определенных направлениях и прием отраженных эхо-сигналов с этих же направлений. Изменяя направление излучения-приема, дат­чик осуществляет сканирование, т.е. последовательный «просмотр» об­следуемой области. Для того чтобы избежать потерь мощности УЗ сигна­лов при прохождении через воздух, в котором затухание сигналов резко возрастает, между поверхностью об­следуемого объекта (тела пациента) и рабочей поверхностью датчика нано­сится слой специального геля, хоро­шо проводящего ультразвук. Излучение и прием УЗ сигналов в процессе сканирования осуществля­ется периодически, при этом каждый раз в ограниченной области прост­ранства, которая называется УЗ лу­чом.
  • 7643
  • На рис. в укрупненном масшта­бе изображен луч 1, который ориенти­рован в соответствии с направлением своей оси (штрихпунктир). В режиме излучения границы луча (сплошная ли­ния) определяют область, в которой в основном сосредоточена излучаемая мощность. Конечно, это не означает, что за пределами границы мощность сразу спадает до нуля - это физичес­ки невозможно. Граница является ус­ловной и обычно проводится по точ­кам, в которых уровень мощности излучения уменьшается по сравнению с максимальным уровнем на данной глубине в определенное число раз, на­пример в 4 раза (минус 6 децибелов, кратко -6 дБ) или в 10 раз (-10 дБ). Максимальный уровень излучения на каждой глубине имеет место вдоль оси луча. Все сказанное относится к режиму излучения, и луч в этом случае мы называем передающим.
  • В начале очередного цикла скани­рования устройство управления ска­нированием  обеспечивает установку луча датчика в положение 1. Устройство переда­чи-приема сигналов формирует ко­роткий передающий электрический импульс, который поступает на дат­чик. В датчике электрический импульс преобразуется в зондирующий акус­тический импульс, который излучает­ся в направлении оси луча. Зондирующий импульс начинает движение внутрь биологического объекта, рас­пространяясь со скоростью, близкой к скорости звука в воде (С = 1500 м/с). За пределами луча 1 зондирующий импульс быстро умень­шается по мощности, и только в пре­делах границ луча его уровень доста­точно велик. По мере движения в пре­делах луча зондирующий импульс уменьшается по мощности вследст­вие отражения, рассеяния и поглоще­ния части его энергии.
  • Сразу же по окончании излучения зондирующего импульса датчик вме­сте с устройством передачи-приема переходит из режима передачи в ре­жим приема сигналов. При этом мож­но говорить о приемном луче датчи­ка, определяющем пространственную область, в которой датчик имеет мак­симальную чувствительность на при­ем. Луч на излучение (передачу) и приемный луч совпадают по направ­лению и близки по виду, но в общем случае не обязательно одинаковы по форме, что определенным образом влияет на акустическое изображение.
  • Если на пути зондирующего им­пульса, который продолжает свое пу­тешествие в границах передающего луча, встречаются акустические неоднородности, часть мощности зондиру­ющего импульса в виде эхо-сигналов отражается в различных направлени­ях, в том числе и в направлении на датчик.
  • Учитывая то обстоя­тельство, что зондирующий импульс распространяется не только в преде­лах передающего луча, но и за его границами (хотя и существенно мень­шего уровня), характеристики прием­ного луча чрезвычайно важны для по­лучения качественного акустического изображения. Если приемный луч та­кой же ширины, как и передающий, это позволяет практически исключить прием эхо-сигналов из области за пределами общих границ лучей.
  • Эхо-сигналы от неоднородностей в пределах границ лучей при достаточном уровне отра­жения принимаются датчиком, преоб­разуются в электрические импульсы и после усиления в устройстве переда­чи-приема поступают в устройство преобразования, обработки и запоми­нания сигналов. На выходе этого устройства формируются сигналы в виде, позволяющем отображать их на телевизионном мониторе. Эхо-сигна­лы отображаются в виде яркостных отметок на невидимой линии, соот­ветствующей оси УЗ луча 1. Инфор­мация в виде яркостных отметок вдоль осей называется акустически­ми строками. Яркость отметок на акустических строках соответствует амплитуде принятых эхо-сигналов.
  • Оси всех лучей находятся в одной плоскости, которая называется плос­костью сканирования. Все эхо-сиг­налы, принятые и преобразованные прибором, отображаются на телеви­зионном мониторе на акустических строках, каждая из которых соответ­ствует своему лучу. В результате об­разуется яркостное изображение, от­сюда и название В-режим (от слова brightness - яркость). Другое обозна­чение для В-режима - 2D-режим (от слова two-dimensional - двухмерный).
  • Акустическое изображение с до­статочно высокой точностью воспро­изводит геометрические формы вну­тренних структур. Каким образом? Прежде всего за счет того, что вза­имное расположение акустических строк на экране монитора в опреде­ленном масштабе точно воспроизво­дит взаимное расположение осей со­ответствующих лучей, переключае­мых в процессе сканирования. Поло­жение отражающих неоднородностей вдоль акустической строки может быть вычислено посредством изме­рения времени прихода эхо-сигналов от них относительно начала зондиро­вания. Здесь используется то обстоятельство, что скорость рас­пространения ультразвукового им­пульса в мягких тканях не сильно варьирует в зависимости от типа тка­ней (как правило, в пределах ±5%) и близка к скорости ультразвука в воде. Поэтому глубину расположения отра­жающего образования по оси луча (акустической строке) можно вычис­лить по формуле
  • L = tС/2,
  • где L - расстояние отражателя до дат­чика, t - интервал времени между на­чалом зондирования и моментом при­хода эхо-сигнала, С - усредненная скорость ультразвука в мягких тканях (обычно принимается С~ 1540 м/с).
  • Деление на 2 учитывает, что за время t сначала расстояние L прохо­дит зондирующий сигнал, а потом эхо-сигнал проходит тот же путь об­ратно. Время t может быть достаточ­но точно измерено, скорость С пола­гается известной, поэтому величина L определяется в приборе для каждого эхо-сигнала, и в соответствии с ре­зультатом этого вычисления яркостная отметка отображается на акусти­ческой строке.
  • Типичный вид В-эхограмм
  • 12111
  • М-режим. М-режим работы ис­пользуется для регистрации измене­ния пространственного положения подвижных структур во времени. От­сюда и название режима - от слова motion - движение (иногда ТМ - от слов time motion - движение во вре­мени). Наиболее часто режим ис­пользуется для исследования движе­ния структур сердца.
  • 66565
  • В М-режиме зондирование перио­дически повторяется в одном и том же направлении акустического луча. При формировании М-эхограммы в каждом зондировании амплитудная информация об эхо-сигналах с раз­личных глубин отображается в виде отметок различной яркости вдоль вертикальной линии на экране (акус­тической строки). Следующему зон­дированию соответствует своя линия, расположенная правее предыдущей, и в процессе перемещения столбца с каждым новым зондированием фор­мируется двухмерная М-эхограмма.
  • Положение яркостных отме­ток по вертикали пропорционально глубине отражающей структуры (на­пример, сердечного клапана). На го­ризонтальной оси меняются моменты зондирования (t1 t2... и т.д.), каждому из которых соответствует новое поло­жение подвижных структур. С помо­щью М-эхограммы можно количест­венно оценивать геометрическое смещение подвижных структур и из­мерять изменение взаимного поло­жения различных структур (например, просвет в клапанах сердца, измене­ние размера желудочка и т.д.).
  • М-режим широко используется в кардиологии, как правило вместе с В-режимом. В процессе сканирова­ния в В-режиме исследователь выби­рает необходимый ракурс наблюде­ния, потом с помощью курсорной линии на В-эхограмме выбирается направление зондирования (направ­ление оси УЗ луча) для М-режима, по­сле чего положение датчика фиксируется рукой и включается режим М. Специальные датчики для М-режима в современных приборах не исполь­зуются, и получение М-эхограмм обеспечивается датчиками, применя­емыми для В-режима.
  • Как правило, используются следу­ющие режимы отображения М-эхо- граммы на экране прибора:
  • -M- режим отображения только М-эхограммы;
  • 7788
  • - В + M - режим одновременного отображения двухмерной В-эхограммы и М-эхограммы.
  • 1321
  • В заключение следует сказать о временных характеристиках получе­ния М-эхограммы. Частота периоди­ческого зондирования составляет не менее 20 Гц. Длительность отобража­емой М-эхограммы во времени - от 1 до 16 с (время развертки).
  •  
  • §2.3 Ультразвуковые преоб­разователи и конвексные датчики

  • 9889Одним из основных узлов любого ультразвукового (УЗ) диагностическо­го прибора является ультразвуковой преобразователь (ultrasound transducег). Он входит в состав датчика, и от него в существенной мере зависит ка­чество получаемой информации.
  • УЗ преобразователь выполняет следующие функции:
  • преобразует электрические сигна­лы в механические (ультразвуко­вые) колебания с последующим из­лучением их в биологические ткани;
  • принимает ультразвуковые эхо- сигналы, отражаемые неоднородностями в биологических тканях, и преобразует эти сигналы в элект­рические для дальнейшего усиле­ния и обработки;
  • обеспечивает формирование УЗ луча требуемой формы как в ре­жиме излучения, так и в режиме приема; выполняет сканирование, т.е. перемещение УЗ луча в обследуемой области с помощью специ­альных переключателей (коммута­торов) и управляющих сигналов. Многообразие УЗ преобразователе велико, однако в большинство из них входят одни и те же компоненты.
  • Пьезоэлемент или решетка пьезоэлементов. Изготавливаются из специального материала (обычно пьезокерамики), обладающего свойст­вом пьезоэффекта. Способность пре­образовывать механические (в част­ности ультразвуковые) колебания в электрическое напряжение называет­ся прямым пьезоэффектом. Изме­нение размеров элемента под дейст­вием электрического напряжения и связанная с этим способность преоб­разовывать колебания электрическо­го напряжения в механические (ульт­развуковые) колебания называется обратным пьезоэффектом. Пьезоэлементы преобразуют электричес­кие сигналы, поступающие из элек­тронного блока прибора, в ультразву­ковые сигналы (обратный пьезоэффект). Это происходит при излучении сигналов. В процессе приема эхо- сигналов пьезоэлементы преобразу­ют приходящие к датчику ультразву­ковые сигналы в электрические сиг­налы (прямой пьезоэффект). На излу­чающую поверхность пьезоэлемента и на противоположную (тыльную) по­верхность наносятся электроды - тонкие слои токопроводящего метал­ла (как правило, серебра), а к ним припаиваются проводники токопроводы. По ним поступают электричес­кие сигналы возбуждения в режиме излучения и с них же в режиме при­ема снимаются эхо-сигналы, преоб­разованные в электрические. От ма­териала и качества изготовления пьезоэлемента прежде всего зависит такая характеристика прибора, как чувствительность. Пьезокерамика, из которой изготавливаются пьезоэле­менты, очень хрупкий материал, по­этому датчики требуют бережного об­ращения. В современных приборах все чаще находят применение пьезоэлементы, изготовленные из пьезокомпозитов - материалов, помимо пьезокерамики включающих в свой состав органические наполнители. Эти материалы позволяют достичь бо­лее высоких характеристик чувстви­тельности и разрешающей способно­сти (понятия чувствительности и раз­решающей способности рассматри­ваются в разделе 3.1). Кроме того, они более технологичны в изготовлении.
  • Можно выделить следующие основ­ные типы пьезоэлементов (рис. 12):
  • одноэлементный (single element);
  • многоэлементная кольцевая ре­шетка (annular array);
  • многоэлементные одномерные ре­шетки (multiple elements 1D array):
  • -         линейная (linear);
  • -          конвексная,или выпуклая (convex);
  • -          микроконвексная, или выпук­лая с малым радиусом кривиз­ны (microconvex);
  • многоэлементная плоская двух­мерная решетка (2D array);
  • многоэлементная конвексная двухмерная решетка.
  • 0909
  • Перечисленные конфигурации ис­пользуются в датчиках, отличающихся между собой видами сканирования.
  • Демпфер. Основное назначение демпфера соответствует его назва­нию - это частичное смягчение (демп­фирование) механических колебаний пьезоэлемента. Делается это для того, чтобы максимально расширить полосу ультразвуковых частот, излучаемых и принимаемых датчиком, что повышает продольную разрешающую способ­ность прибора. Другая обязанность демпфера - поглощать излучение тыльной стороны пьезоэлемента, т.е. той, которая обратна рабочей стороне, контактирующей с телом пациента.
  • Согласующие слои. Наносятся на рабочую (излучающую и принимаю­щую сигналы) поверхность пьезоэле­мента поверх электрода. Служат для согласования акустических сопротив­лений материала пьезоэлемента и биологических тканей. Хорошее со­гласование совершенно необходимо для того, чтобы обеспечить передачу с минимальными потерями акустиче­ских (ультразвуковых) сигналов от пьезоэлемента в биологическую сре­ду и наоборот, а следовательно, по­высить чувствительность датчика.
  • Акустическая линза. Изготовлен­ная из материала со специально по­добранными свойствами, акустичес­кая линза фокусирует УЗ луч, т.е. обес­печивает минимальную ширину луча в определенном диапазоне глубин и, следовательно, улучшает разрешаю­щую способность. Одновременно аку­стическая линза выполняет роль про­тектора - защитного слоя, предохра­няющего пьезопреобразователь от повреждений в процессе работы.
  • Для изготовления УЗ преобразова­теля используются высококачествен­ные материалы и сложное современ­ное технологическое оборудование. Вот почему УЗ преобразователи - это дорогие изделия, и в мире можно бук­вально по пальцам пересчитать фир­мы, которые умеют их делать на необ­ходимом уровне.
  • Поэтому многие производители УЗ приборов применяют в своих прибо­рах датчики с УЗ преобразователями, изготовленными специализирован­ными фирмами. Надо сказать, что абсолютное большинство производите­лей УЗ диагностической техники ис­пользует в своих приборах датчики, которые могут применяться в прибо­рах только этой фирмы, хотя по ос­новным характеристикам датчики различных фирм часто очень близки или просто одинаковы, но отличаются конструкцией, формой, электричес­ким разъемом и т.д.
  • Несмотря на общие принципы по­строения УЗ преобразователей, су­ществует большое количество раз­личных конфигураций пьезоэлементов, которые применяются в соответ­ствующих типах датчиков.
  • Конвексные датчики
  • 898Типы датчиков и их названия опре­деляются использованием в них раз­личных ультразвуковых преобразова­телей и способов сканирования.
  • Рассмотрим использующийся в УЗ установке конвексный датчик.
  • В конвексных датчиках зона обзо­ра определяется двумя характерными размерами - длиной дуги Η (иногда ее хорды), соответствующей выпуклой рабочей части, и угловым размером сектора сканирования α в градусах. Пример маркировки конвексного датчика: 3,5 МГц/60°/60 мм. Реже для маркировки используется радиус R кривизны рабочей поверх­ности, например: 3,5 МГц/60R (ради­ус - 60 мм).
  • В режиме В (2D-режиме) использу­ется несколько видов сканирования, рассмотрим более подробно принци­пы реализации конвексного ска­нирования.
  • На фотографии изображен конвексный датчик УЗ сканера KX2000G.
  • Конвексное (выпуклое) элек­тронное сканирование. Этот метод отличается от линейного сканирова­ния тем, что использует УЗ преобразо­ватель в виде конвексной одномерной решетки. Управление сканированием аналогично управлению при линейном сканировании, для чего применяется такой же коммутатор «т из л». В силу геометрии решетки, отличной от ли­нейной, лучи не параллельны друг другу, а расходятся веером в некото­ром угловом секторе.
  • Конвексное сканирование сочетает преимущества линейного и секторно­го сканирования.
  • Широкая зона обзора возле по­верхности датчика и еще более широкая зона обзора на средней и большой глубинах.
  • Расходимость осей из лучей с глуби­ной при конвексном сканировании меньше, чем при секторном, поэто­му плотность акустических строк на больших глубинах выше и, следова­тельно, несколько лучше попереч­ная разрешающая способность, чем при секторном сканировании.
  • Недостатки конвексного сканиро­вания
  • Выпуклая рабочая поверхность датчика при контакте с телом па­циента деформирует структуры, лежащие близко к поверхности, что иногда нежелательно и вынуж­дает применять датчик с линей­ным сканированием
  • Большой размер рабочей поверхно­сти затрудняет использование в кар­диологии, где более целесообразно применять секторные датчики. Несмотря на указанные недостат­ки, конвексное сканирование являет­ся самым распространенным в насто­ящее время видом сканирования.
  • §2.4 Подключение аппарата УЗИ к компьютеру и сохранение изображений

  • В УЗ сканере KAIXIN KX2000G отсутствует возможность прямой передачи цифрового сигнала на компьютер. Для получения изображения на компьютере УЗ сканер через композитный видео выход, экранированным кабелем, подключается к композитному видео входу ТВ тюнера. В ТВ тюнере происходит обработка аналогового сигнала в цифровой. Полученный цифровой сигнал обрабатывается программным обеспечением ТВ тюнера и выводится на экран.
  • 009Интерфейс ПО.
  • ПО ТВ тюнера позволяет сохранять и распечатывать изображения, вести видеозапись.
  •  
  • §2.5 Основные характеристики УЗ сканера

  • Качество изображения и диагнос­тическая информативность УЗ прибо­ра зависят от его аппаратурных воз­можностей и определяются рядом технических характеристик, основны­ми из которых являются следующие.
  • 1. Пространственная разреша­ющая способность (разрешение). Служит важнейшей характеристикой прибора, так как от нее зависит спо­собность различать малые объекты и структуры, близко расположенные друг к другу. В качестве меры разре­шающей способности принимается минимальное расстояние между дву­мя малыми отражающими объектами, при котором, наблюдая изображение на экране, можно их видеть раздель­но, т.е. принять решение о наличии двух элементов. Для того чтобы ис­ключить влияние размеров объектов на оценку разрешающей способнос­ти, в качестве элементов принимают­ся точечные отражающие объекты.
  • На практике для определения ми­нимального расстояния различимос­ти используется классический крите­рий, при котором полагается, что точечные объекты разрешаются (т.е. воспринимаются раздельно), если в суммарном сигнале от них есть про­вал (двугорбость). На рисунках изобра­жены типичные случаи:
  •  3009aase1
  • а) хорошего разрешения - сигналы от точечных отражателей воспринимаются раз­дельно;
  •  
  •  
  • б) предельного разрешения - сигналы от отражателей воспринима­ются раздельно, но при дальнейшем сближении отражателей сигналы от них сливаются, т.е. провал между ни­ми исчезает, и тогда имеет место слу­чай
  • в) разрешения нет.
  • В процессе практической работы было получено изображение с более крупными, но близко расположенными структурами, создавшими ложную плотность между ними из-за низкого разрешения.
  •  
  • 2. Чувствительность. Наряду с разрешающей способностью чувстви­тельность является важнейшей харак­теристикой, определяющей диагнос­тическую эффективность УЗ сканера. Чувствительностью называется спо­собность обнаруживать и наблюдать малые элементы структуры на фоне мешающих сигналов (помех) и собственных шумов системы. Любая элек­тронная система, принимающая и отображающая сигналы, подвержена влиянию внешних помех (от посторон­них источников), внутренних помех (так называемых «наводок» на прием­ные цепи от других блоков системы) и, самое главное, собственных тепловых шумов приемного тракта, вызванных хаотическими движениями носителей электрического заряда в проводни­ках; интенсивность этих движений за­висит от температуры. Прием сигна­лов от отражающих структур в глубине обследуемого объекта происходит на фоне этих помех и шумов.
  • Типичный вид осциллограммы сме­си сигнала и шума на выходе приемно­го тракта УЗ сканера показан на рисунке, где видны случайные шумы, хаотичес­ки изменяющиеся по амплитуде, и на их фоне полезные эхо-сигналы (выде­лены жирной линией). Полезные сиг­налы малого уровня (1 и 4) практически не отличаются от шумовых импульсов. Относительно сигна­лов 2 и особенно 3 можно более или менее уверенно принять, что они явля­ются полезными сигналами. На экране монитора этим амплитудам соответст­вуют отметки различной яркости, по­этому, чтобы не отображать отметки от шумовых импульсов, устанавливается некоторый амплитудный порог, ниже которого сигналы не ото­бражаются на экране. Выбор этого по­рога является компромиссом между стремлениями отсечь как можно боль­шее количество шумов и обнаружить малые полезные сигналы.
  • Визуальный анализ полученных снимков показывает сильную зашумленность изображений, что говорит о плохой шумовой фильтрации аппарата и некачественном пороговом отсечении сигналов.
  • 3. Динамический диапазон. Этот параметр характеризует способность УЗ системы отображать одновремен­но малые и большие сигналы, переда­вая различие в их уровне. Количест­венно динамический диапазон опре­деляется отношением максимального сигнала к минимальному сигналу, ото­бражаемому системой. Минимальным сигналом является сигнал, превыша­ющий порог чувствительности, о чем подробно говорилось выше. Макси­мальным отображаемым сигналом считается такой, который еще не «об­резается» сверху, проходя через сис­тему, т.е. изменения этого сигнала на входе приводят к изменению яркости соответствующей отметки на экране. С динамическим диапазоном свя­зано понятие контрастной разреша­ющей способности, которая опреде­ляет способность прибора передавать малые различия в уровне сигналов. Особенно важна эта способность для выявления небольших диагностически значимых изменений в характерис­тиках биологических тканей. Приборы с высокой контрастной разрешающей способностью имеют изображение с «мягкой» картиной, передающей лег­кие полутоновые различия яркостных отметок. Что практически полностью отсутствует на данном приборе, практически не передающем переходов в структурах малого размера.
  • 4 Временная разрешающая способность характеризует способ­ность системы воспринимать и отоб­ражать с достаточной скоростью из­менение акустических характеристик биологических структур во времени. Особенно важна эта способность при исследовании работы сердца и сосудов в динамике. Временная раз­решающая способность определяет возможность получать информацию о движущихся структурах в реаль­ном времени. Прежде всего вре­менная разрешающая способность зависит от максимальной частоты кадров прибора в секунду. Так, для исследования работы сердечнососудистой системы в динамике часто­та кадров должна быть не менее 16-20 Гц.
  • Количество кадров в секунду, у данного УЗ сканнера порядка 25-30Гц, что вполне достаточно для анализа динамических изменений, но из-за низкой разрешающей способности и отсутствия специальных микроконвексных кардио датчиков невозможно производить исследования сердца и сосудов.
  •  
  • §2.6 Практическая работа в режиме В

  • Специалист УЗ диагностики в сво­ей практической работе постоянно сталкивается с проблемами правиль­ного выбора параметров, режимов функционирования и технических проблем, связанных с качеством полученного изображения УЗ прибора, с помощью которого проводится иссле­дование.

  • В этом разделе работы будут проведены практические доработки и анализ полученных изображений для получения более удобных для восприятия.
  •  
  • Предварительная настройка изображения. Настройка изображения производится после подключения вы­бранного датчика и включения режима В. На мониторе прибора имеются руч­ки управления «яркость» (brightness) и «контрастность» (contrast), с помощью которых следует наилучшим образом настроить изображение. Эти регули­ровки не представляют особых трудно­стей, так как они аналогичны тем, кото­рые имеются в домашних телевизорах. Если на экране в режиме В отобража­ется так называемая «серая шкала», то с ее помощью настройка существенно облегчается, так как можно контроли­ровать правильность настройки, доби­ваясь, чтобы все градации серого, на­чиная от самой темной и до самой светлой, были видны и мягко перехо­дили одна в другую по всей шкале.
  • Настройки яркости и контрастности и гаммы есть почти во всех приборах. Но в некоторых случаях необходим дополнительный постпроцессинг и сложная гамма коррекция слабых и сильных сигналов уже после получения изображения,
  • Гамма-коррекция служит для со­гласования полученных яркостных отметок с особенностями восприятия человеческим глазом, чтобы обеспечить более равномер­ное наблюдение сигналов во всем ди­апазоне изменения их амплитуд.
  • Под постпроцессингом понимается обработка изображения после его принятия и сохранения в исходном виде на компьютере.
  •  007
  • Произведем  с помощью Mathcad изменении контраста и частичную коррекцию яркости по трем диапазонам плотностей: высокой плотности (кожа, кость), средней и низкой (мышцы).  После коррекции на изображении стал более четко выделен овал среза плеча, с поверхностью кожи и жировым слоем, плотной костной структурой в середине и мышечной тканью между ними.
  • 6575
  • (См .приложение стр.43 )
  • Сглаживание.  В некоторых при­борах есть возможность включения и изменения функции сглаживания изо­бражения (smooth), которая реализу­ется за счет учета корреляции между значениями амплитуд эхо-сигналов на соседних акустических строках. В некоторых случаях, например при наблюдении сердца с использовани­ем фазированных секторных датчи­ков, эта функция может несколько улучшить качество изображения. В нашем УЗ сканере отсутствует возможность сглаживания, реализуем функцию через mathcad.
  • В предыдущем пункте мы получили более контрастное изображение теперь имеет смысл сгладить его для боле удобного восприятие картинки.
  • Уровень сглаживания можно регулировать и добиваться более качественных результатов, чем при использовании стандартизированной функции без возможности настройки. (См .приложение стр. 45 )
  • Цветовое кодирование изобра­жений. В ряде случаев вместо черно- белого отображения используется цветовое кодирование двухмерного изображения в В-режиме.
  • При наличии цветного монитора обычное серошкальное изображение может быть представлено окрашен­ным в один из цветов: светло-голубой, желтый, красный и т.д., а также в виде комбинации цветов (например, голубого с желтым) в зависимости от уровня яркости.
  • Конечно, такое кодирование не дает дополнительной информации, но иногда облегчает восприятие изобра­жения, подчеркивая контраст или со­здавая ощущение большей четкости.
  • Поведем цветовое кадрирование по трем цветовым каналам с частичным смешиванием цветов.
  • 3345   0678
  • (См .приложение стр. 47)
  •  
  • §2.7 Оценка качества изоб­ражения УЗ сканера

  •  
  • Качество изображения УЗ прибора определяет диагностические воз­можности прибора, позволяет срав­нивать различные приборы между со­бой, а также судить о работоспособ­ности прибора и правильности наст­ройки.
  • Качество изображения зависит от совокупности характеристик, основны­ми из которых являются: разреша­ющая способность (продольная и поперечная); чувствительность; дина­мический диапазон; контрастная раз­решающая способность; временная разрешающая способность, определя­емая частотой кадров в секунду.
  • Перечисленные характеристики подробно рассматривались в §2.5.
  • К ним следует добавить такие ха­рактеристики, как: мертвая зона; раз­решающая способность по толщине;
  • 418Мертвой зоной (dead zone) назы­вается часть изображения, прилегаю­щая непосредственно к рабочей по­верхности датчика, где практически невозможно выделить эхо-сигналы, так как они не видны на фоне «хвоста» мощного излучаемого импульса или его переотражений (ring-down) внут­ри датчика . Чем меньше мертвая зона по глубине, тем лучше можно наблюдать ткани и структуры на малых глубинах (при условии хоро­шей разрешающей способности на этих глубинах).
  •  
  • Разрешающая способность по толщине (elevation resolution) харак­теризует возможность наблюдать раздельно малоразмерные структу­ры в толщинной плоскости, т.е. плос­кости, перпендикулярной плоскости сканирования. Эта характеристика зависит от ширины УЗ луча в толщинной плоскости. Все три разрешающие способности(продольная, попе­речная и по толщине) вместе опреде­ляют пространственную разреша­ющую способность, или объем раз­решения (resolution volume) - мини­мальную пространственную область (ячейку), которой соответствует один элемент изображения на экране при­бора.
  • От степени постоянства разре­шающей способности в зоне изоб­ражения в наибольшей мере зависит однородность качества изображения в кадре, наблюдаемом на экране при­бора. Пространственная разрешаю­щая способность, как правило, лучше в зоне фокусировки и ухудшается на очень малых и больших глубинах, по­этому изображение воспринимается как неоднородное. Чем выше качест­во прибора, тем больше степень од­нородности изображения.
  • Оценка качества изображения с помощью фантомов
  • Для оперативной и корректной оценки качества изображения при по­купке прибора и в процессе эксплуа­тации в медицинском учреждении лучше всего использовать УЗ ткане- эквивалентный фантом.
  • УЗ фантом - это устройство, ими­тирующее условия прохождения ульт­развуковых сигналов в биологических тканях.
  • Для анализа изготовили 2 фантома, их внутренние структуры залиты гелем, имитирующим водоподобную среду организма.
  • Фантом 1 состоит из полых пластиковых трубок внешним диаметром 4 мм и внутренним 2.5 мм, расположенных в нескольких положениях и большой полости диаметром  15 мм и длинной 40 мм, емкость сделана из плотного картона.
  • 7490
  • 0009Фантом 2 состоит из твердых пластиковых лесок диаметром 1.5 мм, они располагаются на большей глубине, чем структуры фантома 1. Стенки сосуда сделаны из оргстекла.
  •  
  •  
  • Для облегчения восприятия изображений будем использовать цветовое кодирование. Красным цветом обозначенные структуры, обладающие наибольшим акустическим сопротивлением. Зеленым цветом обозначены структуры, обладающие средней и низкой акустическим сопротивлением. Синим цветом обозначены структуры, обладающие наименьшим акустическим сопротивлением.
  • Геометрические размеры изоб­ражения можно оценить с помощью отражающих поверхностей, расположенных вертикально и горизонтально.
  • Для этого подойдут картонные стенки фантома 1, хорошо отражающие УЗ сигнал.
  • 7321По изображению видно что УЗ сканер передал геометрию стенок фантома достаточно точно, сохранив их перпендикулярное расположение.
  • .С профессиональными фантомами значительно больших размеров можно определить угловой размер сектора сканирова­ния.
  •  
  • Поперечная разрешающая способность оце­нивается с помощью фантома 2 по ре­зультатам наблюдения группы точечных отражателей, расположен­ных  на небольших расстояниях друг от друга и перпендикулярно пересекающие плоскость сканирования.
  • 6759По полученному изображению видно, что сканер вывел несколько размытые и искаженные по форме точеные отражатели, что говорит о низкой разрешающей способности.
  • Все отражатели на экране на­блюдаются отдельно, не сливаясь или создавая между собой ложные плотности, то продольную разрешающая способ­ность прибора можно считать удовлетворительной.
  • Оценка продольной разрешаю­щей способности осуществляется так же, как и поперечной, но по той части тестовые структуры в основном ориентированы горизон­тально совпадая с плоскостью сканирования.
  • 5588На полученном изображении достаточно хорошо выделился продольно расположенный сосуд (синий цвет), А также его практически не исказили поперечно проходящие сверху и снизу сосуды. Что говорит о достаточно хорошем продольном разрешении.
  •  
  • Глубина мертвой зоны или прак­тически равная ей глубина множест­венных начальных переотражений оп­ределяется с помощью группы точеч­ных отражателей в верхней части фантома.
  • 7770Два поперечно распложенных пластиковых сосуда находятся на глубине примерно 1см и их контуры слабо выделены, но вполне различимы. Глубина мертвой зоны у данного УЗ сканера находится в пределах 1 см, что является хорошим показателем.
  •  
  •  
  • Имитация крупных полостей заполненных воздухом в фантоме дает возможность оценить спо­собность прибора обнаруживать и определять форму практически непроницаемых для УЗ областей. Произведем сканирование вдоль полости в фантоме диаметром  15 мм.
  • 0550В полученном изображении можно различить две области. Верхняя область показывает высокое акустическое сопротивление, что отражает реальный характер акустического сопротивления на границе с воздухом.
  • Нижняя зона показывает низкое акустическое сопротивление и является артефактом «тени» созданным структурой с высокой плотностью.
  •  
  • §2.8 Анализ акустических плотностей УЗ снимка

  • Цветовое кодирование позволяет выделить цветом диапазоны акустических плотностей, улучшив визуальное восприятие УЗ изображения. Аналогичным образом осуществляется многодиапазонное разбиение уровней яркости. Яркость каждой точки изображения (пикселя) пропорциональна акустической плотности в данной точке изображения. Таким образом, можно получить необходимые для анализа диапазоны плотностей, соответствующие определенным биологическим структурам.
  • Произведем анализ распределения плотности по трем диапазонам в срезе плеча.
  • Исходное изображение:                                                                       Вырежем интересующий нас участок изображения.
  • 6777  3321
  •  
  • С помощью программы  MathСad произведем цветовое кодирование и анализ процентного соотношения акустических плотностей.
  • 1119Ткани с высокой акустической плотностью:
  • 16% (кожа, жировая ткань, кости)
  • Ткани средней и низкой акустической плотности:
  • 71,6% (на среде плеча в наибольший объем занимает мышечная ткань)
  • Ткани с наименьшим акустическим сопротивлением близкие по плотности к воде:
  •  12,5% (сосуды, мышечная ткань с большим содержанием жидкости)
  • (См .приложение стр. 50)
  • УЗ сканеры являются диагностическим оборудованием, в них отсутствуют функции анализа физических параметров. Анализ снимков на компьютере, в математическом ПО, решает проблему функциональности и предоставляет широкие возможности для дальнейших разработок.
  • Заключение

  • Современные ультразвуковые сканеры представляют собой гибридную систему  из компьютера и  аналогового блока УЗ датчиков. Такая система теоретически позволяет осуществлять очень широкий спектр обработки УЗ сигнала и возможностей его вывода. Но УЗ сканеры разрабатываются для проведении медицинской диагностики и часто узко специализированны.
  • УЗ сканеры с большими набором датчиков и широким набором возможностей малодоступны из-за  очень высокой стоимости. Даже в самых широкопрофильных установках, как правило, отсутствуют возможности анализа изображений по качественным характеристикам.
  • Несмотря на наличие компьютерной составляющей в УЗ сканерах, она нацелена только на предоставление удобного интерфейса управления и непосредственное формирование изображений УЗ сканирования.
  • В более простых и доступных УЗ сканерах функционал минимален и отсутствуют даже возможности хранения визуальной информации.
  • Подключив УЗ сканер к персональному компьютеру (ПК), в первую очередь мы получили объемное хранилище для снимков и видеозаписей. Даже простой УЗ сканер стоит  на порядок дороже ПК. Это дает значительную экономию средств и увеличивает возможности для каталогизации данных, полученных в процессе диагностики.
  • Простые УЗ сканеры обычно обладают низкой разрешающей способностью и неточными датчиками, что дает размытую, зашумленную картинку с множеством артефактов. Решением проблемы может стать покупка оборудования более высокого класса или доработка изображений на компьютере с помощью специального ПО. В процессе работы было показано, что обработка изображений на компьютере дает хорошие результаты.
  • Компьютерная обработка изображений позволяет значительно улучшить качество и визуальную воспринимаемость структур на УЗ изображении.
  • Компьютер в отличии от УЗ сканера не ограничен встроенным ПО и имеет широкий выбор программ для обработки анализа изображений, что позволяет воспроизвести отсутствующий функционал УЗ сканера и дополнить его неспецифическими возможностями, которые не используются в УЗ диагностике.
  • Наличие математического ПО на компьютере, например программы MathCad, позволяет осуществлять практически любые математические операции с матрицей полученных изображений. Это создает основу для сложного научного анализа полученных данных.
  • Итогом этой работы является демонстрация простоты и выгодности подключения ПК к УЗ сканеру, как универсального инструмента для хранения, обработки н анализа данных.
  •  
  • Приложение:
  •  
  • Регулировка контрастности по диапазонам яркости.
  • Чтение изображения в формате BMP c переводом в двухмерную матрицу.
  • Первый диапазон яркости
  • Второй диапазон яркости
  • Третий диапазон яркости
  • Обработанное изображение
  •  
  • Сглаживание.
  • Исходное изображение (используется результат контрастной обработки):
  • Функция сглаживания.
  • Параметры функции указывают степень сглаживания
  • Обработанное  изображение
  •  
  • Цветовое кодирование.
  • Чтение изображения в формате BMP c переводом в двухмерную матрицу.
  • Выделение первого диапазона яркости на канал красного цвета.
  • Выделение второго диапазона яркости на канал зеленого цвета.
  • Выделение третьего диапазона яркости на канал синего цвета.
  • Так  как это самый низкий по яркости диапазон, его яркость повышена для лучшего различения структур.
  • Совмещение трех полученных изображений в цветное.
  • Анализ плотности.
  • Чтение изображения в формате BMP c переводом в двухмерную матрицу.
  • Подсчет количества пикселей с заданным диапазоном яркости.
  • Вычисление процентного соотношения:
  • Контрольная сумма:     
  • Библиографический список
  • Осипов Л.В.,Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руко­водство для пользователей. — М.: Видар, 1999. — 256 с.: ил.
  •     Ультразвук: Маленькая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия, 1979. — 400 с.
  •     Домаркас В.И., Пилецкас Э.Л. Ультразву­ковая эхоскопия. Л.: Машиностроение, 1988. — 276 с.
  • Применение ультразвука в медицине: Фи­зические основы: Пер. с англ. / Под ред. Хилла Κ. — М.: Мир, 1989. — 568 с.
  • Шипулло Μ.Г. Практическое руководство по ультразвуковой диагностике. Кн. 1. — М.: Высш. школа, 1995. — 240 с.
  • Демидов Β.Η., Зыкин Б.И. Ультразвуковая диагностика в гинекологии. —М.: Медицина, 1990. —224 с.
  •      Жариков Л.А. Загадочные аббревиатуры (PACS, DICOM, RSNA и другие...) // Меди­цинская визуализация. —1996. —№ 2. —С. 35-40.
  • Емелин И.В. Стандарт электронного обме­на медицинскими изображениями DICOM // Компьютерные технологии в медицине. —1996. —№3. —С. 56-59.
  • Зубарев A.B., Гажонова B.E., Кислякова Μ.В. Контрастная эхография // Медицинская визуализация. —1998. —№ 1. —С. 2-26.
  •  
  • ГОСТ 26831-86. Приборы медицинские ультразвуковые диагностические сканиру­ющие. Общие технические требования. Методы испытаний. —М., 1986.
  •  
  •  

 



       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
   
   
   
   
   
   
   
   
   




 

Схема подключения

 
 
 
 
 
 

 







Недавно добавили

Сейчас читают