СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В МЯГКИХ ТКАНЯХ
METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING AVERAGE ULTRASONIC ATTENUATION COEFFICIENT IN SOFT TISSUES

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к системам и способам ультразвуковой медицинской диагностики, которые используют ультразвуковое зондирование для определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При ультразвуковом зондировании тканей амплитуда сигнала ультразвукового отклика отображает уровень интенсивности падающих волн, величину отражательной способности тканей, уровень спекл-шумов в измерительных объемах и средний коэффициент затухания в ткани. Уровень интенсивности падающих ультразвуковых волн в данном измерительном объеме зависит от глубины его расположения и среднего коэффициента затухания.
Определение затухания ультразвука в мягких тканях биологических органов является важным при диагностике ряда заболеваний и поэтому используется во многих предложенных диагностических способах и приборах (см. US 5627906, US 8781202, US 10206661). Например, если в печени наблюдается сильное затухание принятого ультразвукового сигнала, то есть основания подозревать наличие большого количества липидных капелек, что является признаком ожирения печени (см. US 7068827, Japanese Patent Application 2015-230901).
В подавляющем большинстве известных ультразвуковых способов и устройств для определения величины коэффициента затухания ультразвука общим является то, что информация о величине коэффициента затухания получается с помощью ультразвуковых сигналов отклика мягкой ткани от измерительных объемов, расположенных на разной глубине (см. US 4389893, US 4534359, US 5524626, US 5627906, WO 2014/113442 A1, US 2013/0345565 А1, Japanese Patent Application 2015-230901).
0
Известны способы и устройства для измерения коэффициента затухания ультразвука (см. US 4621645, US 4534359, US 5524626), которые основаны на излучении и приеме ультразвуковых волн, которые имеют разную частоту, или на использовании широкополосных зондирующих импульсов. Суть этих методов заключается в учете зависимости коэффициента затухания ультразвука от частоты. Как известно, коэффициент затухания возрастает с повышением частоты ультразвуковых волн. Так же высокочастотные спектральные компоненты ультразвукового импульса затухают сильнее, чем низкочастотные, в результате чего коэффициент затухания при распространении волн постепенно уменьшается. Путем анализа затухания зондирующего импульса с гауссовским спектральным распределением мощности или узкополосных импульсов с разной частотой возможно определение коэффициента затухания α (дБ/МГц⋅см), который не зависит от пройденного волнами расстояния и частоты. Кроме того, возможно повышение точности измерений путем усреднения коэффициентов затухания, полученных для разных частот.
Постепенное уменьшение коэффициента затухания приводит к нелинейной зависимости логарифмической амплитуды ультразвукового отклика от расстояния. Недостатком этих способов является то, что независимо от спектра зондирующих импульсов к такой же зависимости могут приводить также неоднородности отражательной способности тканей, которые не зависят от пройденного волнами расстояния и частоты. Кроме того, возможно повышение точности измерений путем усреднения коэффициентов затухания, полученных для разных частот. При наличии как мелкомасштабных, так и крупномасштабных неоднородностей, связанных со строением биологического органа, точность определения коэффициента затухания существенно ухудшается. В отдельных случаях достоверное определение коэффициента затухания становится вообще невозможным независимо от спектра зондирующих сигналов.
Наиболее близким по техническому решению к способу и устройству, которые предлагаются, является способ и устройство для измерения коэффициента затухания ультразвука в реальном времени (Патент  №111234.  Зареестровано 11.04.2016). Способ реализуют путем задания множества направлений зондирования и излучения вдоль каждого из направлений множества зондирующих ультразвуковых импульсов, приема множества ультразвуковых сигналов отклика биологической ткани на множество зондирующих ультразвуковых импульсов, вычисления амплитуды сигналов отклика и определения по этим данным значения логарифмической амплитуды для всех измерительных объемов во всех направлениях зондирования и на всех глубинах расположения, получения изображения пространственного распределения коэффициента затухания в выбранной области интереса, установления наиболее вероятной линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины в выбранной области интереса, получения среднего коэффициента затухания на основе зависимости логарифмической амплитуды от глубины, извлечения с помощью полученного среднего коэффициента затухания тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости, формирования нового массива данных для логарифмических амплитуд в выбранной области интереса, применения итерационной процедуры для вычисления конечной величины среднего коэффициента затухания.
На Рис. 1а приведен пример зависимости от глубины логарифмической амплитуды отклика. Данным на каждой из вертикальных линий соответствуют амплитуды от измерительных объемов, которые расположены на одинаковой глубине зондирования, но в разных направлениях зондирования. Коэффициент затухания α (дБ/см) определяет зависимость логарифмической амплитуды от глубины следующим образом:
i
i
j
i
j
j
i
j
j
j
где u(х,y) - амплитуда отклика от измерительного объема, который расположен на глубине х и имеет координату y в направлении, перпендикулярном к направлению зондирования, х - глубина расположения измерительного объема с номером j. При идеальных условиях уравнение (3) является одинаковым для всех направлений зондирования, то есть lg u(x+х,y) = lg u(x+х), lg u(x,y) = lg u(x). Согласно описанному способу находится оценка параметров lg u(x) и α такой линейной зависимости (3), которая является наиболее вероятной с учетом данных для K глубин зондирования и N направлений зондирования, которые соответствуют выбранной области интереса. На Рис. 1а показан случай, когда K=4 и N=6 (d - расстояние между смежными измерительными объемами). Уточнение полученного параметра lg u(x) и среднего коэффициента затухания α проводится после извлечения значений логарифмической амплитуды, имеющих наибольшее отклонение
Отбрасываются те значения логарифмической амплитуды, для которых отклонение превышает заранее заданную величину или заранее заданный процент логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение. Сформированный таким образом новый массив данных по логарифмическим амплитудам служит для второго шага итерационного метода.
Описанное исчисление среднего коэффициента затухания ультразвука с учетом данных от множества объемов на разных глубинах расположения и на разных направлениях зондирования повышает точность его определения благодаря уменьшению влияния спекл-шумов. Оно позволяет также уменьшить влияние локальных неоднородностей отражательной способности тканей, обусловленных, в частности, мелкими кровеносными сосудами. Недостатком описанного способа является то, что при наличии крупномасштабных неоднородностей ткани, связанных со строением биологического органа, точность определения коэффициента затухания существенно ухудшается. Например, в печени к искажению линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины приводят кровеносные сосуды, капсула печени, подкожная жировая клетчатка и прочее.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение, которое предлагается, направлено на повышение точности и достоверности измерений среднего коэффициента затухания ультразвука с учетом влияния неоднородностей отражательной способности мягких тканей.
Поставленная задача решается с помощью способа для определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях, который включает:
задание множества направлений зондирования и излучение вдоль каждого из направлений множества зондирующих ультразвуковых импульсов,
прием множества ультразвуковых сигналов отклика биологической ткани на множество зондирующих ультразвуковых импульсов,
вычисление амплитуды сигналов отклика и определение по этим данным значения логарифмической амплитуды для всех измерительных объемов на всех направлениях зондирования и глубинах расположения,
получение изображения пространственного распределения коэффициента затухания в выбранной области интереса,
установление наиболее вероятной линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины в выбранной области интереса,
получение среднего коэффициента затухания на основе зависимости логарифмической амплитуды от глубины,
извлечение с помощью полученного среднего коэффициента затухания тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости,
формирование нового массива данных для логарифмических амплитуд в выбранной области интереса,
применение итерационной процедуры для вычисления конечной величины среднего коэффициента затухания,
в котором дополнительно проводят
определение параметра квадратичной нелинейности зависимости логарифмических амплитуд от глубины в выбранной области интереса на основе найденного среднего коэффициента затухания.
В варианте воплощения изобретения, которому отдается предпочтение, получение среднего коэффициента затухания на основе зависимости логарифмической амплитуды от глубины включает в себя:
задание по крайней мере двух значений, которые определяются на основе полученного среднего коэффициента затухания,
сравнение полученного параметра квадратичной нелинейности с по крайней мере двумя заданными значениями,
если величина параметра нелинейности принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается достоверным,
если величина параметра нелинейности не принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается недостоверным и его определение производят в другой области интереса.
В варианте воплощения изобретения, которому отдается предпочтение, извлечение с помощью полученного среднего коэффициента затухания тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости, производится с учетом полученного параметра нелинейности.
Другим объектом изобретения является для определения среднего коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях, которое содержит:
ультразвуковой преобразователь, приемо-передатчик,
вычислитель амплитуды отклика,
блок вычисления коэффициента затухания, который содержит вычислитель коэффициента затухания и дискриминатор,
блок накопления и усреднения данных,
устройство отображения информации, где
блок вычисления коэффициента затухания с вычислителем коэффициента затухания и дискриминатором дополнительно содержит:
вычислитель квадратичной нелинейности, первый вход которого соединен со вторым выходом вычислителя амплитуды отклика, второй вход с первым выходом вычислителя коэффициента затухания, первый выход подключен ко второму входу вычислителя коэффициента затухания, а второй выход ко входу входу компаратора,
компаратор, выход которого соединен с третьим входом вычислителя коэффициента затухания.
Введение в известное устройство указанных дополнительных элементов и связей позволяет реализовать предложенный способ определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях и тем самым обеспечить повышение точности и достоверности измерений коэффициента затухания ультразвука с учетом влияния неоднородностей отражательной способности тканей.
ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ
На Рис. 1 приведен пример зависимости от глубины логарифмической амплитуды отклика (а) и получения параметра квадратичной нелинейности от глубины (b).
На Рис. 2 приведен пример извлечения в дискриминаторе логарифмических амплитуд отклика с наибольшим отклонением от линейной зависимости (а) и новый массив данных после извлечения (b).
На Рис. 3 показана блок-схема устройства для определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях.
На Рис. 4 приведен пример отображения результатов определения коэффициента затухания в печени.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с изобретением способ определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях включает в себя задание направлений зондирования. Вдоль каждого из направлений излучается множество зондирующих ультразвуковых импульсов и принимается множество ультразвуковых сигналов отклика биологической ткани на множество зондирующих ультразвуковых импульсов. Вычисляются амплитуды сигналов отклика и определяются по этим данным значение логарифмической амплитуды для всех измерительных объемов на всех направлениях зондирования и глубинах расположения и проводится логарифмическое преобразование данных об амплитуде. Строится изображение пространственного распределения коэффициента затухания в выбранной области интереса. Устанавливаются параметры наиболее вероятной линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины в выбранной области интереса и проводится оценка среднего коэффициента затухания. Определяется параметр квадратичной нелинейности зависимости логарифмических амплитуд от глубины в выбранной области интереса на основе найденного среднего коэффициента затухания. Задаются по крайней мере два значения, которые определяются на основе полученного среднего коэффициента затухания, и проводится сравнение полученного параметра квадратичной нелинейности с этими заданными значениями. Если величина параметра нелинейности принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается достоверным. Если величина параметра нелинейности не принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается недостоверным и его определение производят в другой области интереса. С помощью полученного среднего коэффициента затухания и полученного параметра нелинейности проводится извлечение тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости. После извлечения части логарифмических амплитуд формируется новый массив данных для логарифмических амплитуд в выбранной области интереса. В дальнейшем для вычисления конечной величины среднего коэффициента затухания и параметра квадратичной нелинейности применяется итерационная процедура.
Блок-схема устройства для ультразвукового определения коэффициента затухания мягких тканей, которая показана на Рис. 3, содержит ультразвуковой преобразователь 310, приемо-передатчик 320, вычислитель амплитуды отклика 330, блок вычисления коэффициента затухания 340, вычислитель коэффициента затухания 345, дискриминатор логарифмических амплитуд 350, вычислитель квадратичной нелинейности 355, компаратор 360, блок накопления и усреднения данных 370 и устройство отображения информации 380.
При реализации предложенного способа устройство работает следующим образом. Приемо-передатчик 320 генерирует импульсный периодический сигнал, который преобразуется в ультразвуковом преобразователе 310 в последовательность зондирующих ультразвуковых импульсов, излучаемых в каждом из заданных направлений зондирования. Ультразвуковые сигналы отклика биологической ткани из выбранной области интереса на множество зондирующих ультразвуковых импульсов принимаются ультразвуковым преобразователем 310 и превращаются в электрические сигналы отклика, которые поступают в приемо-передатчик 320, где усиливаются до величины необходимой для дальнейшей обработки в вычислителе амплитуды сигналов 330.
В приемо-передатчике 320 с использованием комплексного сигнала гетеродина осуществляется квадратурная демодуляция радиочастотных сигналов отклика, в результате чего формируются низкочастотные комплексные I-Q сигналы отклика в виде двух квадратурных составляющих для зондирующих импульсов каждого направления зондирования. В приемо-передатчике 320 осуществляется также аналого-цифровое преобразование сигналов, в результате чего на вход вычислителя амплитуды сигналов 330 поступают дискретные комплексные I-Q сигналы отклика из всех измерительных объемов на всех направлениях зондирования и глубинах расположения.
Вычисленные логарифмические амплитуды сигналов поступают в блок накопления и усреднения данных 370. В блоке 370 формируется массив данных для отображения в устройстве отображения информации 380.
Вычисленные логарифмические амплитуды сигналов поступают также в блок вычисления коэффициента затухания 340. Вычислитель 345 определяет локальные значения коэффициента затухания в выбранной области интереса следующим образом
Эти данные передаются в блок накопления и усреднения данных 370 с последующим отображением в устройстве отображения информации 380.
j
Для точного определения среднего коэффициента затухания в выбранной области интереса, размеры которой определяются параметрами K и N, находится оценка параметров lg u(x) и а для такой линейной зависимости (3), которая является наиболее вероятной с учетом данных для всех K глубин зондирования и всех N направлений зондирования. Нахождение этих параметров возможно, например, по признаку минимального среднеквадратичного отклонения и другими известными способами.
j
Из вычислителя 345 найденный параметр lg u(x) и средний коэффициент затухания а передаются в вычислитель квадратичной нелинейности 355. Сюда же из вычислителя амплитуды отклика 330 поступают данные о логарифмических амплитудах. Это дает возможность оценить параметры а и b следующей квадратичной функции
Согласно предложенного способа определяются такие параметры функции f(x) (Рис. 1b), которые являются наиболее вероятными. Такая оценка может проводиться, в частности, по критерию наименьшего среднеквадратичного отклонения с учетом данных для K глубин зондирования и N направлений зондирования.
С вычислителя квадратичной нелинейности 355 параметры а и b поступают в вычислитель 345, а параметр b дополнительно в компаратор 360, где он сравнивается с заданными величинами.
В некотором варианте воплощения изобретения таких заданных величин две:  Если параметр нелинейности удовлетворяет двойному неравенству
то независимо от причины появления квадратичной нелинейности в зависимости от глубины (тканевая неоднородность и/или уменьшение коэффициента затухания), измерения среднего коэффициента затухания являются достоверными. Таким образом, двойное неравенство (5) определяет диапазон таких значений параметра нелинейности, для которых измерения являются достоверными.
0
В некотором варианте воплощения изобретения для определения среднего коэффициента затухания используют узкополосные зондирующие импульсы с несущей частотой f. В этом случае можно пренебречь уменьшением среднего коэффициента затухания с глубиной вследствие затухания высокочастотных составляющих. В некотором варианте изобретения заранее заданные значения можно выбрать следующим образом:  где с>0 - заранее заданная постоянная величина. Такой выбор должен нормировать относительную погрешность измерений среднего коэффициента затухания, обусловленную тканевыми неоднородностями. По результатам измерений определяется величина среднего коэффициента затухания α = α/f (дБ/МГц⋅см), который не зависит от частоты и пройденного волнами расстояния.
В некотором варианте воплощения изобретения для определения среднего коэффициента затухания используют широкополосные зондирующие импульсы. Если параметр нелинейности положительный и удовлетворяет двойному неравенству (5), то независимо от причины появления квадратичной нелинейности в зависимости от глубины (тканевая неоднородность и/или уменьшение коэффициента затухания), измерения среднего коэффициента затухания являются достоверными.
Результат измерений отражает среднее значение коэффициента затухания в области интереса, и именно это значение является диагностическим параметром. Например, при отсутствии тканевых неоднородностей в печени без ожирения величина параметра нелинейности, обусловленного затуханием высокочастотных составляющих широкополосного зондирующего импульса, должна быть небольшой так же, как и средний коэффициент затухания. В печени с ожирением (стеатоз) параметр нелинейности будет значительно больше, чем в печени без ожирения, но и средний коэффициент затухания будет значительно больше. Это обстоятельство объективно позволяет по величине среднего коэффициента затухания устанавливать уровень ожирения печени.
1
С другой стороны, из вышеизложенного следует, что величина  которая задается, также должна зависеть от среднего коэффициента затухания. В некотором варианте воплощения изобретения такая зависимость является линейной:  где с > 0 - заранее заданная постоянная величина.
2
2
Если полученная величина b < 0, то квадратичная зависимость функции f(x) обусловлена преимущественно тканевой неоднородностью. В этом случае результат определения коэффициента затухания будет считаться достоверным, если выполняется двойное неравенство (5) и заданная величина  Такое задание величины  вполне допустимо, если, например, полученный средний коэффициент затухания небольшой. В этом случае задается такой небольшой по модулю параметр  при котором невозможно получить большую погрешность измерений среднего коэффициента затухания в сторону его увеличения. В некотором варианте воплощения изобретения при всех значениях среднего коэффициента затухания зависимость параметра  от среднего коэффициента описывается формулой:  где с > 0 i α > 0 - заранее заданные постоянные величины.
Если параметр нелинейности принадлежит диапазону значений (5), то в вычислителе 345 формируется массив данных для разностной логарифмической амплитуды следующим образом:
(-)
j
i
j
i
j
20 lg u(x+x,y) = 20 lg u(x+x,y) - a - bx[x-(K-1)d]. Эти данные вместе с параметрами lg u(x) и полученным средним коэффициентом затухания α передаются в дискриминатор 350, где вычисляется отклонение
для всех K⋅N измерительных объемов и отбрасываются значения разностной логарифмической амплитуды, для которых отклонение превышает заранее заданную для первого шага итерации величину или заранее заданный процент логарифмических амплитуд с наибольшим отклонением. Такое извлечение должно удалить из дальнейшего анализа ложные измерения амплитуды. В результате с помощью дискриминатора 350 в вычислителе 345 формируется новый массив данных по логарифмическим амплитудам отклика, который показан на Рис. 2а, необходимый для выполнения второго шага итерации. Второй шаг, как и все последующие шаги, полностью повторяет описанный выше первый итерационный шаг. В некотором варианте воплощения изобретения конечной считается та итерация, после которой не остается значений логарифмической амплитуды с отклонением (6), превышающем заранее заданную величину. В некотором варианте воплощения изобретения итерационная процедура продолжается до тех пор, пока массив данных по логарифмическим амплитудам не уменьшается до заранее заданной величины.
Если на каком-то шаге итерационной процедуры двойное неравенство (5) не выполняется, то измерение среднего коэффициента затухания прекращается, поскольку не является достоверным. В таком случае измерение среднего коэффициента затухания по описанной итерационной процедурой необходимо проводить в другой по расположению и/или форме области интереса.
j
Результат определения среднего коэффициента затухания ультразвука и параметра lg u(x), полученный на последнем шаге итерационной процедуры, передается в блок накопления и усреднения данных 370 для построения линейной зависимости (3), которая отображается устройством отображения информации 380.
Наконец, устройство отображения информации 380 реализует индикацию результатов ультразвукового измерения коэффициента затухания ультразвука, как показано на Рис. 4, в виде полученного среднего коэффициента затухания 410, среднеквадратичного отклонения 420 этого значения, а также минимального 430 и максимального 440 значений в выбранной области интереса 450, где проведенные измерения были достоверными. Кроме того, отображается зависимость логарифмических амплитуд от глубины 460 для всех измерительных объемов и график полученной линейной зависимости 470 в выбранной области интереса.
Для визуализации пространственного распределения коэффициента затухания в области интереса могут применяться как черно-белые, так и цветные изображения. В некотором варианте воплощения изобретения при кодировании коэффициента затухания применяется зелено-красная шкала 480, в которой относительно большие значения α≅3.5 дБ/см кодируются красным цветом, в то время как низкие значения α≅1 дБ/см кодируются зеленым цветом.
ПРИМЕР
В заявленном способе и устройстве для определения среднего коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях блок вычисления коэффициента затухания 340 может быть реализован, например, на базе персонального компьютера с процессором Intel(R) Core(TM) i5-8400. Этот процессор способен осуществлять все необходимые вычисления в вычислителе коэффициента затухания 345, дискриминаторе логарифмических амплитуд 350, вычислителе квадратичной нелинейности 355 и компараторе 360 в реальном времени. Для обработки данных из области интереса с количеством измерительных объемов K×N = 64×40, с помощью которых вычисляется средний коэффициент затухания ультразвука по описанной итерационной процедурой, нужно время порядка 1 мс, что позволяет обновлять данные по коэффициенту затухания с частотой до 1000 Гц. Эта частота больше частоты повторения кадров во всех режимах ультразвуковой медицинской диагностики, которые реально применяются.