АКУСТИЧЕСКИЙ ТЕРМОМЕТР ДЛЯ ПАССИВНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОТОМОГРАФИИ

Акустотермометрия [1] считается одним из перспективных методов контроля температуры в медицине. Перспективность акустотермометрии при решении медицинских задач [2] обусловлена уникальными физическими характеристиками метода. Чувствительность акустотермометрии составляет до 0.1 градуса, глубина диагностики свыше 5 см. Неинвазивность и пассивность измерений обуславливает возможность осуществлять термометрию без хирургического вмешательства и в отсутствие внешнего воздействия на организм. Слабое поглощение ультразвука миллиметрового и субмиллиметрового диапазона в биологической ткани позволяет создавать компактные фокусируемые антенны [3], осуществляющие измерения в одной или даже нескольких точках исследуемой среды.
Однако в современной медицине требуются более сложные системы (термотомографы), которые осуществляли бы картирование температуры в как можно более обширной области диагностируемого организма с миллиметровым пространственным разрешением. Возможностям построения акустических термотомографов было посвящено несколько работ [4-7]. При этом, перспективы создания пассивных акустических термотомографов связывались, прежде всего, с использованием большого количества антенн, осуществляющих сканирование объекта вдоль различных направлений с записыванием результатов измерений в память компьютера, после чего производится восстановление глубинного профиля температуры при помощи алгоритмов реконструктивной томографии (APT).
Основными недостатками таких систем являются: необходимость осуществления сканирования, техническая сложность размещения большого количества акустических датчиков на поверхности объекта, а также невозможность контролировать достоверность картирования температуры при применении АРТ-алгоритмов. Таким образом, описанные термотомографические системы [4-7] не смогли продемонстрировать свою эффективность при решении реальных медицинских задач.
-1
-1
-1
В настоящей заявке предлагается использовать принципиально другой подход к пассивной акустической термотомографии, основанный на многочастотном акустическом приеме. Поскольку коэффициент акустического поглощения в биологической ткани зависит от частоты γ(f)≈0.23(смМГц)f(МГц) [8], то при осуществлении независимых акустических измерений на нескольких частотах появляется возможность определять температуру на нескольких характерных глубинах γ(f). Наиболее близким аналогом предлагаемого подхода является принцип мультиспектральной акустотермометрии, предложенный в [9]. Существенным недостатком принципа мультиспектральной акустотермометрии [9] является наличие «слепых» частотных промежутков вблизи антирезонансных частот пьезопреобазователя (поскольку в [9] предлагается использовать только кратные резонансные гармоники пьезопреобразователя). К примеру, датчик с резонансными гармониками на 1, 3, 5 МГц позволял бы определять температуру на трех характерных расстояниях 4.5, 1.5, и 0.9 см соответственно. Температура на промежуточных глубинах, соответствующих антирезонансным частотам (в том числе и в весьма широком диапазоне глубин от 1.5 см до 4.4 см) оставалась бы, вообще говоря, неизвестной. Кроме того, предложенный принцип мультиспектральной акустотермометрии с использованием резонансных гармоник пьезопреобразователя [9] исключает возможность использования пьезопреобразователей с четвертьволновыми просветляющими слоями [10] (что означает относительную потерю чувствительности через уменьшение КПД антенны на величину до 50%).
Более эффективным техническим решением, лишенным перечисленных недостатков, будет являться акустический термотомограф на основе пьезопреобразователя, представленного на фиг.1. В схеме используется широкополосный акустический датчик с одним или несколькими просветляющими слоями (обеспечивающими КПД датчика на уровне до 90%), осуществляющий измерения теплового акустического шума в сплошном спектральном диапазоне. К примеру, современные технические средства позволяют изготовить широкополосный акустический датчик с рабочим частотным диапазоном от 0.5 МГц до 4 МГц. Использование датчика с такой полосой рабочих частот в схеме акустического термотомографа означает, что в спектре сигнала, измеренного из биологической ткани, будет содержаться информация о распределении температуры в непрерывном диапазоне глубин от 1 до 9 см (без «слепых» промежутков на этом интервале).
Для выделения сигналов, ответственных за температуру на различных глубинах, можно (как в [9]) использовать набор независимых подстраиваемых аналоговых полосовых фильтров и связанных с ними детекторов и интеграторов (рис.2). При этом важно понимать, что для получения более точных данных о распределении температуры на различных глубинах, требуется большее количество независимых частотных каналов, осуществляющих фильтрацию, детектирование, интегрирование. Однако, изготовление подобной схемы в аналоговом исполнении даже для малого числа независимых частотных фильтров, весьма сложная техническая задача. Кроме того, изготовление большого количества каналов ведет к существенному увеличению веса и размеров термотомографа.
Современный уровень развития техники позволяет существенно упростить принцип построения вспомогательного блока (фиг.2). Для этого предлагается реализовать фильтрацию, интегрирование, детектирование сигнала не в аналоговом, а в цифровом исполнении с использованием современных компьютерных средств, то есть осуществить аналогово-цифровое преобразование сигнала на выходе антенного блока (фиг.1).
Задача, которую призвано решать устройство, предлагаемое в качестве полезной модели, заключается в измерении акустического шума в нескольких частотных диапазонах при помощи современных технических средств, а также в осуществлении записи измеренных сигналов в компьютер в режиме реального времени. Наличие достоверных данных о спектре акустического шума нагретой среды позволяет осуществлять восстановление неизвестного распределения температуры в этой среде при помощи того же компьютера посредством решения обратной задачи акустотермометрии, сформулированной, например, в [11] на основе алгоритмов решения подобных задач [12].
Схема предлагаемого устройства для осуществления пассивной акустической многочастотной термотомографии, представленная на фиг.1, включает в себя: акустический приемник излучения (1) в виде заполненной жидкостью камеры (2) с входным окном (3), содержащей широкополосный пьезопреобразователь (4) с согласующими слоями (5), усилитель (6); полосовой фильтр (7), термостабилизатор камеры (8); сигнал с выхода акустического приемника (1) подается на один из каналов аналогово-цифрового преобразователя (9), с соответствующего выхода которого снимается уже оцифрованный сигнал и подается в компьютер (10), который осуществляет вычисление спектра временного сигнала, а также восстановление пространственного распределения температуры по измеренному спектру сигнала с возможностью использования также данных с контактных датчиков (11) для повышения точности определения внутренней температуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Passechnik V.I., Anosov A.A., Isrefilov M.G. // Ultrasonics V.34 1996, pp.511-512.
2. Воробьев Л.П., Шестаков В.А., Эгильская В.И. Тепловидение в медицине. М. Знание 1985 64 с.
3. Рейман A.M., Кротов Е.В., Субочев П.В. // Акуст.журн. 2007. Т.53. №6. С.779-78
4. Гуляев Ю.В., Бограчев К.М., Боровиков И.П. и др. // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43. №9. C.1140-1146.
5. Ксенофонтов С.Ю., Мансфельд А.Д., Рейман A.M. // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1997. Т. 40. №6. С.752-760.
6. Burov V.A., Kasatkina E.E., Rumyantseva O.D. et al. // Acoust. Imaging. N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers. 2002. V. 26. P. 265-280, P. 231-238.
7. Миргородский В.И., Герасимов В.В., Пешин С.В. // Акуст.Журн. 2006. Т. 52. №5. С.702-709.
8. Kruger R.A., Kiser W.L., Romilly A.P. etc // Proc. SPIE. 2001. V. 4256, P. 1-5.
9. Аносов A.A., Пасечник В.И., Шаблинский В.В. // Патент РФ. 1996. №2061408.
10. Санин А.Г., Чичагов П.K., Рейман A.M. // Ультразвуковая диагностика. Горький: ИПФ РАН СССР. 1983. С.21-36.
11. Резник А.Н., Субочев П.В. // Акуст.Журн. 2009. Т.55. №6. С.1-11.
12. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола В.В. Численные методы решения некорректных задач. М: Наука 1990 115 С.