УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ТОМОГРАФ
ULTRASONIC TOMOGRAPHIC SCANNER

Изобретение относится к области медицинской диагностики и направлено на создание ультразвукового нелинейного томографа, содержащего малое количество приемных и излучающих преобразователей, преобразующих электрическую энергию в акустическую, который предназначен как для визуализации внутренней структуры мягких тканей организма, преимущественно для маммографии, так и для дефектоскопии и неразрушающего контроля различных объектов.
Из уровня техники известно устройство для получения двумерных акустических изображений "по слоям" - ультразвуковой томограф, содержащий последовательно соединенные приемоизлучатель, блок усиления и коммутации, аналого-цифровой преобразователь, блок обработки информации, включающий запоминающие и суммирующие устройства, и устройство отображения - визуализации (RU 2002451 C1, A61B 8/14, 1993). Основным недостатком данного решения является использование одного общего преобразователя для излучения и приема, что требует постоянного его перемещения и усложняет конструкцию томографа.
Кроме того, известен ультразвуковой томограф, содержащий последовательно соединенные антенную решетку из приемоизлучающих пьезопреобразователей, которую размещают в ванне с иммерсионной жидкостью, многоканальные приемопередающий блок и аналого-цифровой преобразователь, блок усиления, блок преобразования и отображения на базе цифрового компьютера, программированный на выполнение преобразования Фурье (US 5305752 A1, A61B 8/00, 1994). При этом антенная решетка состоит из большого количества пьезопреобразователей, соединенных с электронным блоком через многоступенчатый коммутатор, что существенно усложняет всю схему и вносит дополнительные помехи.
Также известен ультразвуковой томограф, включающий приемно-излучающее устройство с кольцевой антенной решеткой с неравномерно размещенными приемоизлучающими преобразователями, преобразующими электрическую энергию в акустическую, к входу которого подключен канал формирования излучаемых сигналов, а к выходу - канал анализа принятых сигналов (RU 2145797 C1, A61B 8/08, 2000). При этом для снижения количества приемоизлучающих преобразователей данный томограф снабжен поворотным столом с программным управлением, что усложняет конструкцию и увеличивает массо-габаритные характеристики томографа.
Наиболее близким аналогом изобретения является ультразвуковой томограф, включающий приемно-излучающее устройство с расположенными по окружности приемоизлучающими электроакустическими преобразователями, преобразующими электрическую энергию в акустическую, к входу которого подключен канал формирования излучаемых сигналов, а к выходу - канал анализа принятых сигналов (US 2003220569 A1, A61B 8/00, 2003). При этом приемоизлучающее устройство состоит из большого количества преобразователей, соединенных с электронным блоком через многоступенчатый коммутатор, что существенно усложняет всю схему и вносит дополнительные помехи.
Технический результат, на получение которого направлено изобретение, заключается в создании компактной конструкции ультразвукового томографа, работающего на принципе нелинейного взаимодействия двух или трех неколлинеарных ультразвуковых волн, обеспечивающего высокую разрешающую способность восстановления и визуализации внутренней структуры мягких биологических тканей и внутренних дефектов различных объектов с низким уровнем шумов и помех, ухудшающих изображение, при существенном уменьшении количества приемоизлучающих электроакустических преобразователей, преобразующих электрическую энергию в акустическую.
Решение поставленной задачи с достижением заявленного результата обеспечивается тем, что в ультразвуковом томографе, включающем приемно-излучающее устройство с расположенными по окружности приемоизлучающими электроакустическими преобразователями, преобразующими электрическую энергию в акустическую, к входу которого подключен канал формирования излучаемых сигналов, а к выходу - канал анализа принятых сигналов, согласно изобретению приемно-излучающее устройство содержит, по меньшей мере, два излучающих плоских электроакустических преобразователя с широкой полосой излучаемых кодированных ультразвуковых сигналов и, по меньшей мере, один приемный плоский электроакустический преобразователь с широкой полосой принимаемого сигнала, рабочая поверхность которых расположена в касательной плоскости к окружности, внутри которой находится томографируемый орган, и ортогональна плоскости этой окружности, а диаметр этой окружности в 1,5÷2,0 раза больше максимального размера томографируемого органа, при этом угол между акустическими осями, перпендикулярными рабочей поверхности плоских электроакустических преобразователей для каждой пары соседних плоских электроакустических преобразователей, лежит в пределах от 30° до 90°.
Предпочтительно, чтобы приемно-излучающее устройство дополнительно содержало, по меньшей мере, один излучающий плоский электроакустический преобразователь монохроматического или широкополосного ультразвукового сигнала.
При этом высота рабочей поверхности плоских электроакустических преобразователей составляет 15÷20 мм, а ее ширина на 1÷2 см больше максимального размера томографируемого органа и составляет 5÷7 см.
Кроме того, канал формирования излучаемых сигналов содержит последовательно включенные блок цифровой генерации излучаемых сигналов, цифроаналоговый преобразователь, блок фильтров излучаемых сигналов, усилители излучаемых сигналов, выход которых подключен к излучающим преобразователям приемно-излучающего устройства, а канал анализа принятых сигналов содержит последовательно включенные фильтр принимаемого сигнала, вход которого подключен к приемному плоскому преобразователю, усилитель принимаемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь и запоминающее устройство, блок анализа принятого сигнала и томографического отображения, ко второму входу которого подключен выход блока цифровой генерации излучаемых сигналов.
Заявленное конструктивное выполнение томографа, приемно-излучающее устройство которого содержит, по меньшей мере, два излучающих плоских электроакустических преобразователя с широкой полосой излучаемых кодированных ультразвуковых сигналов сложной заданной формы (ширина частотной полосы составляет 0,3÷1,0 октавы) и, по меньшей мере, один приемный плоский электроакустический преобразователь с широкой полосой принимаемого сигнала, реализует принцип нелинейного взаимодействия двух неколлинеарных ультразвуковых волн и в сочетании с заявленной схемой расположения излучающих и приемного электроакустических преобразователей обеспечивает возможность регистрации ультразвукового рассеянного в томографируемом объекте (преимущественно, в биологической ткани) поля, порожденного изменениями нелинейного параметра объекта (нелинейный параметр - это величина, характеризующая свойство среды, в которой распространяются ультразвуковые волны, генерировать нелинейно рассеянную вторичную ультразвуковую волну на частотах, отличных от частот первичных волн) и несущего информацию об изменении величины нелинейного параметра второго порядка, что, при существенном уменьшении количества приемоизлучающих электроакустических преобразователей, позволяет получить на экране дисплея персонального компьютера высококачественную двумерную картину количественного распределения изменений нелинейного параметра второго порядка в виде участков объекта с различной яркостью. При наличии третьего излучающего плоского электроакустического преобразователя монохроматического или широкополосного ультразвукового сигнала реализуется принцип нелинейного взаимодействия трех неколлинарных ультразвуковых волн и за счет этого обеспечивается возможность регистрации ультразвукового рассеянного в томографируемом объекте поля, порожденного полными значениями нелинейных параметров объекта и несущего информацию о полной величине нелинейного параметра второго и третьего порядка, что позволяет получить на экране дисплея двумерную картину количественного распределения численных значений нелинейных параметров второго и третьего порядка в виде участков с различной яркостью, характеризующих внутреннюю структуру объекта (например, мягких биологических тканей) или дефектов исследуемого объекта при неразрушаюшем контроле. При этом экспериментально определенное заявленное соотношение геометрических параметров плоских электроакустических излучающих и приемного преобразователей и их взаимное расположение является оптимальным и обеспечивает эффективное проведение процесса томографии небольших объектов, преимущественно маммографии, с высокой разрешающей способностью (0,5÷2,0 мм) и низким уровнем шумов и помех.
На Фиг.1 представлена блок-схема ультразвукового томографа; на Фиг.2 - схема расположения преобразователей приемно-излучающего устройства.
Ультразвуковой томограф сдержит приемно-излучающее устройство 1, включающее, по меньшей мере, два излучающих плоских электроакустических преобразователя 2 и 3, преобразующих электрическую энергию в акустическую (электрические сигналы в акустические ультразвуковые импульсы излучения), с широкой полосой излучаемых кодированных сигналов - импульсов излучения и, по меньшей мере, один приемный плоский преобразователь 4, преобразующий акустическую энергию в электрическую (нелинейно рассеянную вторичную ультразвуковую волну в эквивалентный электрический сигнал), с широкой полосой принимаемого сигнала, рабочая поверхность которых расположена в касательной плоскости к окружности, внутри которой находится томографируемый орган, и ортогональна плоскости этой окружности, а диаметр этой окружности в 1,5÷2,0 раза больше максимального размера томографируемого органа. Кроме того, приемно-излучающее устройство 1 дополнительно содержит, по меньшей мере, один излучающий плоский преобразователь 5 монохроматического или широкополосного ультразвукового сигнала. При этом угол между акустическими осями, перпендикулярными рабочей поверхности плоских преобразователей для каждой пары соседних плоских преобразователей (2-4; 4-5; 5-3), лежит в пределах от 30° до 90°.
При этом высота рабочей поверхности плоских преобразователей 2, 3, 4 и 5 составляет 15÷20 мм, а ее ширина на 1÷2 см больше максимального размера томографируемого органа и составляет 5÷7 см.
В качестве плоских электроакустических излучающих преобразователей 2, 3, 5 (преобразующих электрическую энергию в акустическую) и приемного преобразователя 4 (преобразующего акустическую энергию в электрическую) могут быть использованы пьезокерамические (наиболее распространенные из них: ЦТС, т.е. цирконат-титонат свинца, и ЦТБС, т.е. цирконат-титонат бария свинца), емкостные (металлизированная пленка), пьезокристаллические (кварц или ниобат лития).
К входу приемно-излучающего устройства 1 подключен канал формирования излучаемых сигналов, который содержит последовательно электрически включенные блок 6 цифровой генерации излучаемых сигналов, цифроаналоговый преобразователь 7, блок 8 фильтров излучаемых сигналов, блок 9 усилителей излучаемых сигналов, выход которых подключен к плоским излучающим преобразователям 2, 3 и 5 приемно-излучающего устройства 1, при этом к выходу приемно-излучающего устройства 1 подключен канал анализа принятых сигналов, который содержит последовательно электрически включенные фильтр 10 принимаемого сигнала, вход которого подключен к приемному плоскому преобразователю 4, усилитель 11 принимаемого сигнала, аналого-цифровой преобразователь и запоминающее устройство 12, блок 13 анализа принятого сигнала и томографического отображения, ко второму входу которого подключен выход блока 6 цифровой генерации излучаемых сигналов.
Приемно-излучающее устройство 1 размещается в ванне 14, заполненной иммерсионной жидкостью, плотность которой соответствует средней плотности исследуемого объекта, например водой.
Блок цифровой генерации излучаемых сигналов 6 конструктивно объединен с цифроаналоговым преобразователем 7 и включает микросхемы семейства программируемой логики Altera МАХ, которая создает цифровые кодированные широкополосные модулированные сигналы, различные для каждого широкополосного излучателя. Фильтры блока 8 излучаемых сигналов собраны на дискретных элементах (катушки индуктивности, конденсаторы) в виде многокаскадной пассивной схемы. Усилители излучаемых сигналов блока 9 собраны на дискретных элементах электроники - микросхемах, выходных транзисторах, выходных согласующих трансформаторах. Фильтр 10 принимаемого сигнала собран из нескольких каскадов полосовых фильтров М-типа. Усилитель 11 принимаемого сигнала собран на малошумящих операционных усилителях. Аналого-цифровой преобразователь и запоминающее устройство 12 реализованы таким образом, что данные с аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав многофункциональной платы сбора-вывода данных NI pxi-6115, передаются в режиме реального времени на жесткий диск персонального компьютера, используемого в качестве запоминающего устройства. Блок анализа принятого сигнала и томографического отображения 13 реализован с помощью персонального компьютера, который усилен сопроцессором TESLA С1060, использующим технологию CUDA. При этом для отображения распределения нелинейного параметра и итогового томографического отображения используют дисплей 15 персонального компьютера.
Заявленный ультразвуковой томограф работает следующим образом.
R
Томографируемый орган, преимущественно, для проведения ранней диагностики доброкачественных и злокачественных новообразований мягких биологических тканей (например, молочных желез) помещают в рабочую зону приемно-излучающего устройства 1, размещенного в ванне 14 с иммерсионной жидкостью. Блок цифровой генерации излучаемых сигналов 6 формирует кодированные во времени цифровые широкополосные сигналы заранее известной сложной формы, с шириной частотной полосы 0.3÷1,0 октавы, например модулированные сигналы в виде бинарной псевдослучайной фазовой последовательности {0; π}, различной для каждого из широкополосных излучающих плоских преобразователей 2, 3 и 5 (или монохроматический сигнал для излучающего преобразователя 5), которые преобразуются в аналоговый сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя 7, подвергаются частотной фильтрации с помощью фильтров излучаемых сигналов 8, усиливаются с помощью усилителей излучаемых сигналов 9 и подаются на излучающие плоские электроакустические преобразователи 2, 3 и 5 приемно-излучающего устройства 1, которые генерируют ультразвуковые сигналы - импульсы, направленные на исследуемый орган. При этом приемный плоский преобразователь 4 настроен на регистрацию сигнала s(t), нелинейно рассеянного от всего томографируемого органа (прошедшего через исследуемый орган). Для медицинской диагностики мягких биологических тканей (например, для ультразвуковой маммографии) значения рабочих частот излучаемых широкополосных сигналов и принимаемого сигнала, предпочтительно, должны лежать в диапазоне 0,7÷3,0 МГц (частота монохроматического сигнала может, например, составлять 2,2 МГц).
R
Принимаемый от томографируемого органа приемным плоским преобразователем 4 рассеянный сигнал s(t) на комбинационных частотах (комбинированные частоты представляют собой суммарные или разностные комбинации частот излучаемых сигналов) после предварительной аналоговой фильтрации в фильтре принимаемого сигнала 10 и усиления в усилителе принимаемого сигнала 11 подается на аналого-цифровой преобразователь с запоминающим устройством 12 и далее с запоминающего устройства 12 подается на блок анализа принятых сигналов и томографического отображения 13. Одновременно на блок анализа принятых сигналов и томографического отображения 13 подаются все излучаемые сигналы с блока цифровой генерации излучаемых сигналов 6, на основании которых синтезируется сигнал сравнения, пропорциональный произведению:
δ
где s(t) - сигнал сравнения;
1
2
s(t), s(t) - два первичных кодированных сигнала в момент времени t с учетом их искажений в приемно-излучающем тракте;
Δτ - взаимный временной сдвиг между этими сигналами;
del
del
τ - задержка времени приема рассеянного сигнала относительно времени излучения первого сигнала, причем паре значений (Δτ, τ) однозначно сопоставляется точка с координатами (х. y) восстанавливаемого двумерного распределения нелинейного параметра.
R
δ
При этом в блоке анализа принятых сигналов и томографического отображения 13 осуществляется взаимно корреляционное сравнение принятого сигнала s(t) с сигналом сравнения s(t) (использующее быстрое преобразование Фурье), что позволяет получить на экране дисплея 15 двумерную картину количественного (при наличии предварительной тарировки - калибровки степени яркости) распределения изменений нелинейного параметра второго порядка в виде участков исследуемого органа с различной яркостью. При наличии третьего излучающего плоского электроакустического преобразователя 5 монохроматического или широкополосного ультразвукового сигнала обеспечивается возможность регистрации ультразвукового рассеянного в томографируемом органе поля, порожденного полными значениями нелинейных параметров объекта и несущего информацию о полной величине нелинейных параметров второго и третьего порядка, что позволяет получить на экране дисплея 15 двумерную картину количественного (при наличии предварительной тарировки - калибровки степени яркости) распределения численных значений нелинейных параметров второго и третьего порядка в виде участков с различной яркостью, отображающих внутреннюю структуру исследуемого органа (например, мягких биологических тканей) с высокой разрешающей способностью (0,5÷2,0 мм).
Кроме того, заявленное аппаратурное выполнение ультразвукового томографа с плоскими преобразователями 2, 3, 4 и 5 приемно-излучающего устройства 1, реализующего процесс нелинейного томографирования второго или третьего порядков, обеспечивает возможность получения на основе зарегистрированных согласно изобретению экспериментальных данных в виде принятых нелинейно рассеянных сигналов на комбинационных частотах, используемых для формирования томографических изображений распределения нелинейных параметров исследуемого органа, общей картины кровоснабжения органа, а также направления и величины скорости кровотока по восстановленной сети кровеносных сосудов.