СПОСОБ ЧАСТОТНО-ДИНАМИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ НА ИЗЛУЧЕНИЕ И ПРИЕМ В МЕДИЦИНСКИХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СКАНЕРАХ
METHOD OF FREQUENCY-DYNAMIC EMISSION AND RECEPTION FOCUSING IN MEDICAL ULTRASONIC DETECTION SCANNERS

Изобретение относится к ультразвуковой медицинской диагностике и может быть использовано в акушерстве и гинекологии, кардиологии, сосудистой диагностике, маммографии, онкологии, педиатрии и других медицинских областях, где применяются ультразвуковые исследования.
Одной из проблем, затрудняющих получение хорошей поперечной разрешающей способности во всем диапазоне глубин исследования, является ограниченный размер зоны фокусировки по глубине в режимах излучения и приема. За пределами этой зоны ширина диаграмм излучения и приема увеличивается и, соответственно, ухудшается поперечная разрешающая способность.
Известен способ фокусировки на излучение и прием, используемый в применяемых в настоящее время ультразвуковых диагностических системах, при котором в режиме излучения несколько раз переключают фокус на передачу на различную глубину. Для фокусировки на каждую из глубин: малую (ближняя зона), среднюю (средняя зона) и большую (дальняя зона), формируют соответствующий амплитудно-фазовый фронт излучаемых сигналов на апертуре многоэлементного широкополосного датчика, для чего устанавливают необходимые значения задержек сигналов возбуждения, подаваемых на каждый из элементов датчика. В качестве сигналов возбуждения применяют так называемые простые сигналы, у которых произведение ширины спектра частот сигнала на его длительность примерно равно единице. После излучения с фокусировкой на малую глубину принимают сигналы только в ближней зоне, после излучения с фокусировкой на среднюю глубину принимают сигналы только в средней зоне и после фокусировки на большую глубину принимают сигналы только в дальней зоне. При приеме в каждой зоне осуществляют динамическую фокусировку, при которой фокус на прием переключают, как правило, с меньшим интервалом по глубине, чем при излучении, в соответствии с движением излучаемых сигналов вглубь исследуемых структур. Кроме того, при приеме осуществляют динамическую фильтрацию в каждой зоне в отдельности в зависимости от глубины приема эхо-сигналов. После этого формируют составной кадр изображения исследуемых структур из кадров, полученных для отдельных зон фокусировки на излучение по глубине: ближней, средней и дальней. В обоих режимах - излучения и приема - с помощью электронных коммутаторов используют метод динамической апертуры, т.е. изменяют размер апертуры: для малых глубин - малая апертура, для больших глубин - апертура увеличивается. С целью уменьшения уровня боковых лепестков диаграмм излучения и приема применяют аподизацию - управление амплитудами сигналов, излучаемых и принимаемых отдельными элементами многоэлементного датчика (Осипов Л.В. «Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей», М., «Видар», 1999 г., стр.77-90).
Недостатком описанного способа является то, что для достижения приемлемой разрешающей способности во всем диапазоне глубин необходимо переключать фокус на излучение. По этой причине частота кадров уменьшается во столько раз, сколько фокусов на излучение необходимо установить (чаще всего от трех до пяти). Такое снижение частоты кадров существенно ограничивает возможность получения качественных изображений динамических структур, например, сердца. Это же ограничение снижает эффективность такого перспективного метода, как получение трехмерных изображений, где требование уменьшения времени получения кадра является особенно актуальным.
Настоящее изобретение решает задачу обеспечения фокусировки на излучение и прием во всем диапазоне глубин при одном излучении. Достигаемый технический результат заключается в улучшении поперечной разрешающей способности в указанном диапазоне глубин без снижения частоты кадров ультразвукового изображения в несколько раз.
Решение поставленной задачи достигается следующим образом.
В способе фокусировки на излучение и прием в ультразвуковых диагностических сканерах, включающем формирование амплитудно-фазового фронта излучаемого сигнала на апертуре многоэлементного широкополосного датчика для фокусировки при излучении на различные глубины исследуемой области, динамическую апертуру вместе с аподизацией при излучении и приеме, динамическую фокусировку при приеме, динамическую фильтрацию эхо-сигналов в зависимости от глубины при приеме, согласно настоящему изобретению при излучении на отдельные элементы многоэлементного датчика подают сложные сигналы возбуждения, каждый из которых является суммой простых сигналов с частотными спектрами, которые находятся в пределах полосы частот широкополосного датчика, и сдвинуты относительно друг друга по частоте так, что один из них соответствует нижним частотам, другой - средним частотам, а третий - высоким частотам в полосе частот датчика, при этом амплитудно-фазовый фронт простых сигналов на высоких частотах формируют для фокусировки на малую глубину, фронт простых сигналов на средних частотах формируют для фокусировки на среднюю глубину, фронт простых сигналов на низких частотах формируют для фокусировки на большую глубину, а при приеме в процессе динамической фокусировки по глубине осуществляют динамическую фильтрацию, выделяя на малой глубине сигналы на высоких частотах, на средней глубине - сигналы на средних частотах, а на большой глубине - сигналы на низких частотах.
Согласно настоящему изобретению сложные сигналы возбуждения, которые подают на отдельные элементы датчика, являются суммой четырех и более простых сигналов с частотными спектрами, которые находятся в пределах полосы частот широкополосного датчика, сдвинуты друг относительно друга по частоте и могут перекрываться по частоте.
При предлагаемом способе излучения и приема достигается необходимая фокусировка во всем диапазоне глубин в одном акте излучения-приема и не требуется формировать составной кадр из нескольких кадров, в каждом из которых фокусировка на излучения осуществляется в определенной зоне по глубине: ближней, средней и дальней.
Это позволяет в несколько раз повысить частоту кадров получаемого ультразвукового изображения при сохранении высокой разрешающей способности во всем диапазоне глубин.
Сущность настоящего изобретения поясняется примером реализации патентуемого способа частотно-динамической фокусировки на излучение и прием в ультразвуковых диагностических сканерах, результатами моделирования, таблицами и чертежами, на которых представлены:
Фиг.1 - излучаемые импульсы и их спектры при реализации предлагаемого способа частотно-динамической фокусировки;
Фиг.2 - изображения фантома с точечными отражателями и вид диаграмм излучения-приема при фокусировке с одним фокусом и при частотно-динамической фокусировке: изображения фантома (вверху) и диаграммы излучения-приема (внизу). В левой колонке представлены диаграммы с фиксированным фокусом при излучении, в правой - с применением частотно-динамической фокусировки. Даны поперечные срезы диаграмм для глубин 2,5; 6,5 и 11,5 см
Для реализации предлагаемого способа элементы апертуры многоэлементного датчика при излучении возбуждают сложным сигналом, который является суммой простых сигналов и имеет вид:
n
n
Здесь первый множитель определяет осцилляцию каждого простого сигнала на его несущей частоте ω, второй - форму импульса, третий - аподизацию на апертуре, x - координата элемента датчика, N - количество интервалов фокусировки, n - номер интервала глубин, ω - частота, соответствующая выбранному интервалу глубин,
n
τ
n
n
- задержки, определяющие фокусировку на глубину F, К - коэффициент, определяющий сужение полосы сигнала; ξ - коэффициент, определяющий ширину области аподизации, пропорциональную F.
n
После излучения при приеме сигналов осуществляют динамическую фильтрацию, в ходе которой для глубин, расположенных в окрестности F, оставляют только частоты из диапазона .
При фильтрации учитывают частотно-зависимое затухание сигнала, которое в общем случае определяется величиной коэффициента ослабления сигнала ,
где α - коэффициент затухания (дБ/см×МГц), , z - глубина.
Для сравнения в известном способе фокусировки на излучение (без использования частотно-динамической апертуры) точка линейной апертуры решетки датчика с координатой x возбуждается простым сигналом следующего вида:
Принципиальная основа способа иллюстрируется на примере линейной решетки, хотя сказанное можно распространить и на другие типы решеток: конвексную, микроконвексную и фазированную.
Пример использования предлагаемого способа
min
I
В качестве примера выбран и промоделирован вариант построения системы с датчиком в виде линейной фазированной решеткой, имеющей диапазон рабочих частот от 2,5 до 10 МГц. Такой диапазон может быть реализован при современном уровне технологии производства датчиков. Выбор указанного варианта обусловлен тем, что он представляет интерес для эхокардиографии, где особенно важно иметь высокую частоту кадров. Набор центральных частот  для отдельных элементов излучаемого сигнала и фокальных глубин F определен исходя из практического опыта и представлен на фиг.1. Указаны значения тех сочетаний частоты/глубины фокуса, которые должны остаться после фильтрации в приемном устройстве. На фиг.1 показаны импульсы и их спектры, используемые при реализации частотно-динамической апертуры. Задавались биполярные прямоугольные импульсы возбуждения длительностью 0,7 мкс с числом колебаний от 2 до 7 в зависимости от несущей частоты (в качестве примера для частоты 3,6 МГц вид такого импульса и его спектра изображен пунктиром). Далее прямоугольные импульсы подвергались фильтрации с помощью полосового фильтра, пропускающего только сигнал главного лепестка спектра. В качестве параметров моделируемой фазированной решетки, сканирующей в секторном режиме, выбраны следующие: размер апертуры решетки а=2,5 см, шаг решетки δa=λ/2=0,01 см, количество элементов - 250. Сканирование осуществлялось в секторе шириной 22,5° с шагом 0,35° (64 луча). Параметр ξ, определяющий аподизацию, был выбран равным 1,15 см, что соответствует сужению эффективной апертуры примерно в 2 раза. Длительность импульса τ составляла 0,7 мкс.
2
Для оценки диаграмм излучения, а также результирующей диаграммы излучения-приема, характеризующей поперечную разрешающую способность, использовалась модель фантома, состоящего из 10 одинаковых отражателей, расположенных на глубинах 2,5-11,5 см с шагом 1 см. При моделировании к принятым сигналам добавлялся шум на уровне - 60 дБ относительно самой яркой точки. Для компенсации затухания применялось динамическое усиление сигнала с коэффициентом, пропорциональным z (z - глубина).
Результаты моделирования описанного варианта реализации предлагаемого способа сравнивались с результатами моделирования известного способа фокусировки с одним фиксированным фокусом при излучении, с несущей частотой 3,5 МГц и длительностью импульса 0,7 мкс. Фокусное расстояние при излучении составляло 6,5 см.
Сравнение результатов моделирования показало заметное преимущество частотно-динамического метода фокусировки: при более низком уровне боковых лепестков поперечная разрешающая способность в этом случае почти в два раза лучше, чем при фиксированном фокусе на передачу во всем диапазоне исследуемых глубин. Это подтверждает преимущество предлагаемого способа частотно-динамической фокусировки, позволяя отказаться от переключения фокуса на излучение и формирования составного кадра и, следовательно, увеличивая в несколько раз частоту кадров.