Способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов
METHOD FOR ULTRASONIC EXAMINATION OF LIVE BIOLOGICAL OBJECTS

Изобретение относится к области высокочастотной ультразвуковой визуализации и характеризации биологических объектов in vivo.
Известны приборы и методы ультразвуковых исследований живых биологических объектов с помощью ультразвуковых волн частотного диапазона до 20 МГц. Как правило, эти устройства построены на базе решеток ультразвуковых преобразователей. Электронное управление положением и сканированием ультразвукового поля в таких системах позволят производить регистрацию данных со скоростью, достаточной не только для визуализации неподвижных органов биологических объектов, но для наблюдения и измерения параметров движения отдельных элементов, например, крови. Вместе с тем, для исследования малых животных или отдельных органов требуется более высокое пространственное разрешение и, соответственно, более широкий частотный диапазон. Однако, ультразвуковые решетки с рабочими частотами более 20 (50) МГц в силу ряда технологических ограничений имеют неудовлетворительные параметры и являются малодоступными. Поэтому в высокочастотных устройствах ультразвуковой визуализации используются одиночные сфокусированные преобразователи. Было предложено несколько конструкций высокочастотных устройств визуализации, в которых используется одиночный сфокусированный ультразвуковой преобразователь [Маслов К.И., Маев Р.Г., Левин В.М. Акустический микроскоп.// Патент RU №2011194 приоритет 26.06.1992; Денисов А.В., Левин В.М., Маев Р.Г., Маслов К.И., Пышный М.Ф., Соколов Д.Ю. Малогабаритный акустический микроскоп. // Патент RU №2112969 приоритет 11.04.1995; Меньших О.Ф. Ультразвуковой микроскоп. // Патент RU 2451291 приоритет 22.02.2011; Дементьев В.Б., Шелковников Ю.К., Ермолин К.С., Осипов Н.И., Кизнерцев С.Р. Акустический микроскоп. // Патент RU 2613339 приоритет 20.11.2015; R. Lezzi. Scanning control system for ultrasound biomicroscopy. // US patent US 5551432 A приоритет 03.09.1996].
В этих устройствах сфокусированный ультразвуковой преобразователь, возбуждаемый электрическим сигналом, излучает через иммерсионную жидкость ультразвуковую волну в исследуемый образец. Рассеянная образцом ультразвуковая волна также принимается ультразвуковым преобразователем, и преобразуется в электрический сигнал, который после необходимой радиотехнической аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования поступает в блок накопления и отображения данных. С целью формирования изображения преобразователь перемещается относительно образца с помощью механического сканера, а регистрация ультразвуковых сигналов осуществляется в различных точках, расположенных в исследуемой области образца. Данные устройства позволяют строить ультразвуковые изображения с пространственным разрешением, близким к дифракционному пределу. Однако в силу медленности процесса регистрации данных, основанного на механическом сканировании, эти устройства не позволяют визуализировать быстропротекающие процессы в живых организмах в режиме реального времени.
Были предложены решения по увеличению скорости сканирования и регистрации данных [L.W. Kessler. Acoustic micro imaging device having at least one balanced linear motor assembly. // US patent US 7584664 B2 приоритет 07.02.2006; L. Sun, X.C. Xu, W.D. Richard, C. Feng, J.A. Johnson, K.K. Shung. A high-frame rate duplex ultrasound biomicroscopy for small animal imaging in vivo. // IEEE Transactions on biomedical engineering, 2008. V. 55(8). P. 2039-2049; S. Choi, J.Y. Kim, H.G. Lim, J.W. Baik, H.H. Kim, C. Kim. Versatile Single-Element Ultrasound Imaging Platform using a Water-Proofed MEMS Scanner for Animals and Humans. // Scientific reports, 2020. V. 10(1). №6544]. Данные решения не позволяют формировать изображения значительных объемов объекта в режиме реального времени и корректного отображения временных изменений его свойств в различных точках. В связи с этим были предложены решения по ультразвуковой визуализации объектов, в которых происходят повторяющиеся изменения типа работы сердечнососудистой системы, заключающиеся в синхронизации процесса регистрации ультразвуковых данных в разных точках объекта этими изменениями, детектируемыми с помощью дополнительных средств.
Например, известны способы регистрации, в котором для синхронизации ультразвукового канала использовались сигналы электрокардиограммы [Е. Cherin, R. Williams, A. Needles, G. Liu, С.White, A.S. Brown, Y.Q. Zhou, F.S. Foster. Ultrahigh frame rate retrospective ultrasound microimaging and blood flow visualization in mice in vivo. // Ultrasound in Medicine and Biology, 2006. V. 32(5). P. 683-691; J.H. Liu, G.S. Jeng, Т.К. Wu, P.C. Li. ECG triggering and gating for ultrasonic small animal imaging. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2006. V. 53(9). P. 1590-1596], однако для организмов малых размеров (например, эмбрионов рыб) измерение сигналов электрокардиограммы либо невозможно либо являются травмирующими.
Наиболее близким к предлагаемому методу является способ, описанный в [Е.С, Weiss, P. Anastasiadis, G. Pilarczyk, R.M. Lemor, P.V. Zinin. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2007. V. 54(11). P. 2257-2271]. Это устройство фокусирующего одиночного ультразвукового преобразователя, который излучает в объект ультразвуковые волны и принимает рассеянные волны в эхо-импульсном режиме. Преобразователь возбуждается электрическими сигналами, производимыми генератором, а прием отраженных сигналов осуществляется приемным блоком с последующим аналого-цифровым преобразованием и передачей в компьютер. Формирование ультразвуковых изображений производится за счет механического перемещения преобразователя относительно исследуемого объекта, осуществляемого механическим прецизионным сканером. Управление возбуждением и приемом сигналов, движением преобразователя производится посредством контроллера. Особенностью данного решения является наличие оптического блока, позволяющего формировать оптические изображения. Оптический блок в прототипе используется в двух режимах. В первом режиме с помощью блока формируют качественные оптические изображения, анализируют их, выделяют интересующие области объекта и запоминают их положения. Впоследствии, зная положения этих областей, осуществляют подвод к ним ультразвукового преобразователя и формируют ультразвуковые изображения. Во втором режиме оптические изображения используются для юстировки вертикального и поперечного положения оси ультразвукового преобразователя относительно исследуемого объекта. Таким образом, одновременное получение оптических и ультразвуковых изображений в прототипе не предусмотрено, а получаемая видеоинформация не используется для синхронизации работы приемо-передающего тракта.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.
Техническим результатом изобретения является возможность исследования и визуализации повторяющихся быстропротекающих процессов в живых организмах с помощью высокочастотных ультразвуковых устройств и синхронного формирования оптических и ультразвуковых изображений объекта и изменений в нем.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов, заключающийся в излучении ультразвуковых волн в объект с помощью ультразвукового преобразователя, возбуждаемого генератором электрического сигнала периодически при различных положениях ультразвукового преобразователя относительно объекта, задаваемых с помощью механического сканера; приеме рассеянных объектом ультразвуковых волн с помощью ультразвукового преобразователя и преобразовании их в электрический сигнал; усилении, фильтрации и аналого-цифровом преобразовании принятого сигнала; повторении указанных процедур излучения и приема ультразвуковых волн при различных положениях преобразователя относительно объекта; освещении исследуемого объекта; формировании оптического изображения объекта посредством оптических элементов; записи последовательности получаемых изображений объекта на протяжении всего времени исследования одновременно с приемом ультразвуковых данных, сохранении, обработке, отображении и анализе полученных оптических и ультразвуковых данных.
При этом на основе непрерывной регистрации и анализе оптического изображения объекта осуществляется определение моментов времени, в которые интенсивность достигает заданного порога, и в эти моменты времени для каждого положения преобразователя относительно объекта инициализируется сбор ультразвуковых данных.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный метод, где 1 - исследуемый объект; 2 - ультразвуковой преобразователь; 3 - генератор зондирующих сигналов; 4 - приемный блок с аналого-цифровым преобразователем; 5 - контроллер; 6 - механический сканер; 7 - блок записи, хранения, обработки, визуализации и анализа данных (компьютер); 8 - оптический блок.
На Фиг. 2 показана временная диаграмма, поясняющая описанный метод, где А - получаемая временная зависимость интенсивности оптического сигнала в выделенной области, Б - вырабатываемый синхросигнал, задающий начало регистрации ультразвуковых данных в текущей точке объекта, В - сигналы запуска приемо-передающего тракта устройства, Г - сигналы синхронизации механического сканера.
Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из фокусирующего ультразвукового преобразователя 2, электрический порт которого соединен с выходом генератора зондирующего сигнала 3 и входом приемного блока 4; механического сканера 6, обеспечивающего перемещение преобразователя относительно исследуемого объекта 1; контроллера 5, управляющего работой блоков 3,4, 6; оптического блока 8, формирующего оптические изображения объекта 1; и блока записи, хранения, обработки, визуализации и анализа данных 7, принимающего ультразвуковые и видео данные с блоков 4 и 8, соответственно, и связанного с контроллером 5.
Отличием изобретения является то, что оптические изображения объекта формируются и анализируются одновременно с регистрацией ультразвуковых данных, измеряется интенсивность принятого оптического излучения в выбранных областях изображений, и по изменениям интенсивности осуществляется синхронизация процесса регистрации ультразвуковых данных в зависимости от времени, привязанного к началу повторяющихся процессов в живом объекте. В результате предлагаемый метод позволяет регистрировать не только ультразвуковые изображения стационарных объектов, но и визуализировать повторяющие изменения их пространственной структуры.
В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант метода, в котором в качестве оптического блока 8 используется оптический микроскоп с видеокамерой с кадровой частотой, достаточной для корректной регистрации изменений структуры исследуемого объекта. Блок записи, хранения, обработки, визуализации и анализа данных 7 представляет собой компьютер с графическим сопроцессором, который с помощью стандартных интерфейсов связан с контроллером 5 и выходом аналого-цифрового преобразователя приемного блока 4. Контроллер 5, выполненный на базе микропроцессора, управляет драйверами двигателей механического трех координатного сканера 6 и формирует управляющие сигналы генератором 3 и приемником 4. В качестве генератора зондирующих сигналов 3 используется высокочастотный мощный электронный ключ с драйвером, а приемное устройство 4 состоит из схемы защиты от мощных зондирующих импульсов, малошумящего широкополосного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и аналого-цифрового преобразователя с достаточными частотной полосой и быстродействием. Генерация ультразвуковых волн, а также преобразование рассеянных образцом волн в электрический сигнал осуществляется с помощью иммерсионного фокусирующего ультразвукового преобразователя, состоящего из пьезоэлемента и акустической линзы. Метод реализуется следующим образом.
Последовательность оптических изображений объекта, регистрируемая с помощью оптического блока 8, вводится в компьютер 7, где происходит сравнение последовательных кадров обнаружение и выделение областей в них, где наблюдаются повторяющиеся изменения интенсивности, вызванные жизнедеятельностью исследуемого объекта. Выбирается область, в которой такие изменения являются наиболее выраженными, и интенсивность в этой области регистрируется в виде зависимости от времени Т (Фиг. 2, А). Путем сравнения сигнала А с порогом вырабатывается синхросигнал Б, который привязан к ритму процессов в объекте. Порог устанавливается таким образом, чтобы скорость изменения сигнала А в точке пересечения была бы максимальной. Синхросигнал Б, поступает в контроллер 5, который в свою очередь формирует последовательность N сигналов запуска В. Каждый из этих импульсов осуществляет запуск генератора зондирующих сигналов и инициализирует аналого-цифровое преобразование принятых ультразвуковых сигналов, которые в цифровом виде сохраняются в блоке 7. Таким образом, для текущего положения преобразователя 2 относительно образца 1 записываются N ультразвуковых откликов, отражающих изменение структуры объекта в данной точке с течением времени. Число импульсов N выбирается таким образом, чтобы сигналы были бы записаны на достаточно большом временном интервале. После окончания пачки импульсов В, контроллером 5 формируется сигнал синхронизации Г (Фиг. 2), дающий команду на механический сканер 6 для перемещения преобразователя 2 в новую позицию. После окончания перемещения преобразователя ищется момент достижения сигналом А заданного порога (Фиг. 2, А) и процесс регистрации ультразвуковых данных повторяется для нового положения преобразователя. В результате в блоке 7 накапливается массив ультразвуковых данных, показывающий временные зависимости сигналов для каждой исследованной точки объекта, синхронизированные с повторяющимся процессом в нем, и массив соответствующих видеоданных.