Методы компьютерной обработки визуальной информации УЗ-сканеров

Star InactiveStar InactiveStar InactiveStar InactiveStar Inactive
 

Выпускная квалификационная работа

 

МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ВИЗУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ УЗ-СКАНЕРОВ

 

Выполнил: Сорокин Д.Д.

 

 

Оглавление
Введение
Глава I. Ультразвук и особенности его распространения в биологических тканях.
§ 1.1. Ультразвуковые волны и акустический сигнал
§ 1.2 Физические характеристики биологических сред
Глава II: Работа на ультразвуковых диагностических приборах, компьютерная обработка и анализ полученных данных.
§2.1 Классификация ультразвуковых приборов
§2.2 Основные режимы работы: режим В (2D) и режим Μ
§2.3 Ультразвуковые преобразователи и конвексные датчики
§2.4 Подключение аппарата УЗИ к компьютеру
§2.5 Основные характеристики УЗ сканера
§2.6 Практическая работа в режиме В
§2.7 Оценка качества изображения УЗ сканера
§2.8 Анализ акустических плотностей УЗ снимка

Заключение
Приложение

Библиографический список

 

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.

UZ-Skaner1

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.

UZ-Skaner2

В 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.

 

UZ-Skaner3

Плоские волны имеют плоский фронт волны.

 

UZ-Skaner4

Кроме плоских волн могут быть сферические волны, возбуждаемые точечным или сферическим источником. Фронт волны в этом случае имеет сферическую форму.

 

UZ-Skaner5

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.

UZ-Skaner6

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).

UZ-Skaner7

UZ-Skaner8

UZ-Skaner9

Простое гармоническое колебание характеризуется всего одной частотой f, 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.

UZ-Skaner10

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:

UZ-Skaner11

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 ρс/ρв (ρс - 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

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

 

В 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

UZ-Skaner12

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:

UZ-Skaner13

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.

UZ-Skaner14

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).

UZ-Skaner15

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

UZ-Skaner16

 

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.

UZ-Skaner17

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;

UZ-Skaner18

- В + M - режим одновременного отображения двухмерной В-эхограммы и М-эхограммы.

UZ-Skaner19

 

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

 

UZ-Skaner20

Одним 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.

UZ-Skaner21

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

Типы 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.

UZ-Skaner22

UZ-Skaner23

 

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

 

Схема подключения

UZ-Skaner24

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.

UZ-Skaner25

Интерфейс 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:

UZ-Skaner26

UZ-Skaner27

а) хорошего разрешения - сигналы от точечных отражателей воспринимаются раздельно;

 

UZ-Skaner28

UZ-Skaner29

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.

UZ-Skaner30UZ-Skaner31

 

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.

UZ-Skaner32

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.

UZ-Skaner33

 

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.

UZ-Skaner34

 

§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.

UZ-Skaner35

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.

UZ-Skaner36

 

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.

UZ-Skaner37

Уровень сглаживания можно регулировать и добиваться более качественных результатов, чем при использовании стандартизированной функции без возможности настройки.


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.

UZ-Skaner38

UZ-Skaner39

 

§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;

UZ-Skaner40

 

Мертвой 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.

UZ-Skaner41

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.

UZ-Skaner42

UZ-Skaner43

Фантом 2 состоит из твердых пластиковых лесок диаметром 1.5 мм, они располагаются на большей глубине, чем структуры фантома 1. Стенки сосуда сделаны из оргстекла.

UZ-Skaner44

 

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.

UZ-Skaner45

По 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.

UZ-Skaner46

По 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.

UZ-Skaner47

На 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.

UZ-Skaner48

Два 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.

UZ-Skaner49

В 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:

UZ-Skaner50

Вырежем интересующий нас участок изображения.

UZ-Skaner51

 

С помощью программы MathСad произведем цветовое кодирование и анализ процентного соотношения акустических плотностей.

UZ-Skaner52

Ткани 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)

 

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.

UZ-Skaner53

UZ-Skaner54

 

Первый диапазон яркости

UZ-Skaner55

UZ-Skaner56

Второй диапазон яркости

UZ-Skaner57

UZ-Skaner58

Третий диапазон яркости

UZ-Skaner59

UZ-Skaner60

 

Обработанное изображение

UZ-Skaner61

 

Сглаживание.
Исходное изображение (используется результат контрастной обработки):

UZ-Skaner62

 

Функция сглаживания.

UZ-Skaner63

 

Параметры функции указывают степень сглаживания

UZ-Skaner64

UZ-Skaner65

UZ-Skaner66

Обработанное изображение

 

Цветовое кодирование.
Чтение изображения в формате BMP c переводом в двухмерную матрицу.

UZ-Skaner67

UZ-Skaner68

 

Выделение первого диапазона яркости на канал красного цвета.

UZ-Skaner69

UZ-Skaner70

UZ-Skaner71

 

Выделение второго диапазона яркости на канал зеленого цвета.

UZ-Skaner72

UZ-Skaner73

UZ-Skaner74

 

Выделение третьего диапазона яркости на канал синего цвета.

UZ-Skaner75

UZ-Skaner76

UZ-Skaner77

 

Так как это самый низкий по яркости диапазон, его яркость повышена для лучшего различения структур.

 

Совмещение трех полученных изображений в цветное.

UZ-Skaner78

 

Анализ плотности.
Чтение изображения в формате BMP c переводом в двухмерную матрицу.

UZ-Skaner79

UZ-Skaner80

 

Подсчет количества пикселей с заданным диапазоном яркости.

UZ-Skaner81

 

Вычисление процентного соотношения:

UZ-Skaner82

 

Контрольная сумма: UZ-Skaner83 UZ-Skaner84

 

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.

Сейчас читают

08 May 2011