Дистанционное зондирование объектов на основе спектрального анализа и эффекта Допплера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Г I о Vм

1 О 1395

КИЕВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ни. ТАРАСА ШЕВЧЕНКО

На правах рукописи

ГЕНИС Владимир Иванович

ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА И ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА

(01. 04. 03 - Радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математичкских наук

Киев 1995

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Киевском политехническом

институте и в Дрексел Университете, Филаделфия, США

Научные руководители-

к. т. н., доцент кафедры акустики и акусго-электроники Киевского политехнического института

Обозненко Игорь Леонидович,

доктор философии, профессор Биомедицинского научно-технического института, Дрексел Университета, Филаделфия, США Джон М. Рид

доктор физико-математических наук, профессор Ляшенко Николай Иванович (Киевский Университет им. Тараса Шевченко)

доктор технических наук, профессор

Красный Леонид Григорьевич

(Ин-т Гидромеханики HAH Украины, г. Киев)

Ведущая организация- НИИ Квант, г. Киев

на заседании проблемного Учёного Совета по радиофизике (01.04. 03) Киевского университета им. Тараса Шевченко (252601, Киев -17 ГСП, ул Владимирская 64)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Официальные оппоненты-

Защита состоится

Мм .1995 г. в

Учёный секретарь Сове-] канд. физ.-мат. наук, доп

Автореферат разослан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обнаружение и определение >аметров объектов на основе регистрации и анализа сеянного ими зондирующего излучения по-прежнему является гой из актуальных задач радиофизики. Особый интерес вставляет разработка дистанционных методов характеризации «логических тканей с патологическими изменениями на ранней дин развития, особенности структуры которых требуют работки целого комплекса методов и средств, использующих личные физические явления при взаимодействии волновых [ей с объектом. При решении этих задач вполне логично ользовать опыт, накопленный в разработке радио и ролокационных методов, таких как применение сложных налов с соответствующей обработкой на приёме, систем 1Ированных излучателей и приёмников, доплеровских систем и

В настоящее время ультразвуковое зондирование широко меняется в медицине. Однако, специфика биообъектов требует (ественного повышения эффективности применяемых методов.

В этой связи пелью работы является разработка [эективных методов и приборов для характеризации объектов с ранними патологическими образованиями на основе ретических и экспериментальных исследований спектрального гава рассеянного излучения, в том числе частотпо-улированного и эффекта Доплера.

В соответсвин с этим основными задачами диссертации чются:

1. Построение физико-математических и биоакустических елей многослойных кровепосных сосудов, в том числе с алогическими включениями, и проведение теоретических и 1ернменталъных исследований их собственных колебаний, а *е особенностей дифракции и рассеяния звука на них.

2. Разработка методики теоретического анализа рассеяния з на объёмных включениях в биоорганах и их териментальный спектральный анализ.

3. Проведение экспериментальных исследований лрального состава рассеянных полей при использовании :йно частотно-модулированного (ЛЧМ) импульса в качестве (ирующего сигнала.

4. Разработка автоматизированного доплеровского томографа с воссозданием цветного изображения доплеровского сигнала, совмещённого с двумерным (В-шоёе) изображением.

5. Разработка алгоритмов обработки, получаемой цифровой информации.

Метопы исследования. Анализ собственных частот и рассеяния волн сосудами базируется на гипотезах Тимошенко, Кирхгофа-Лява, а также на мембранной теории для изотропных и анизотропных оболочек. Классификация неоднородностей требует использования приближений Рэлея-Ганса, Рытова, а также метода интегральных уравнений. Для идентификации рассеивателей и инородностен в биотканях применён ЛЧМ сигнал с последующим спектральным анализом. Во всех экспериментальных исследованиях применялись современные радиофизические принципы цифровой обработки информации. Частотная обработка проводилась с использованием преобразования Фурье комплексного рассеянного сигнала, временная - с помощью автокорреляционного алгоритма.

Научная новизна диссертации состоит в том, что:

1. Впервые проведено систематическое исследование резонансных свойств нормальных и патологических кровеносных сосудов с целью повышения достоверности диагностики сосудистых заболеваний по спектрам многорезонаысных колебаний.

2. Впервые реализована возможность применения импульсных ЛЧМ сигналов для характеризации биологических тканей на основе спектрального анализа рассеянных акустических полей.

3. Впервые проведено систематическое исследование формирования плоской волны, сформулированы критерии для выбора пространственного расположения рассеивателя при проведении модельных испытаний в лабораторных условиях.

4. Впервые разработана автоматизированная сканирующая ультразвуковая система, позволяющая после специальной цифровой обработки радиосигналов получить двумерное изображение молочной железы целиком, точно локализовать опухоль и произвести доплеровский анализ кровотока новых кровеносных сосудов. Это даёт возможность диагностировать опухоли с целью определения злокачественности на ранней стадии развития.

5. Разработаны алгоритмы обработки полученной с мощью автоматизированной сканирующей системы цифровой формации и экспериментально оценены их возможности в зораторных и клинических условиях.

Практическая пепиость работы состоит в том, что на юве проведенных теоретических и экспериментальных :ледований разработаны эффективные методы и соответству-;ие приборы, позволяющие:

1. По наличию характерных многорезонансных колебаний зводить диагностику сосудов с патологиями типа росклеротического обрастания.

2. Диагностировать злокачественные образования в ¡логических тканях на основе многопозиционных фазированных тем излучатель/приёмник по диаграмме рассеяния и спектрам сеянных сигналов.

3. На базе созданной доплеровской локационной системы >азработанных алгоритмов цифровой обработки информации гностировать злокачественные образования молочной железы эанней стадии развития.

Проведены клинические испытания автоматизированной внрующей системы в Институте Ультразвуковой Диагностики «ас Джефферсон Университета-Госпиталя и продемонстри-ана высокая эффективность разработанного метода и системы елом. Продемонстрированы преимущества данной системы в внении с дорогостоящими серийно выпускаемыми ультра-совыми системами.

Разработанные методы дистанционного зондирования ут также применяться в радиолокационных системах для еделения структуры и формы сложных объектов.

На заптиту выносятся следующие основные положения:

1. Модифицированные физико-математические и акустические модели кровеносных сосудов, позволяющие ггь спектральные особенности рассеянного излучения и гделить характерные частоты при наличии патологий.

2. Результаты теоретических и экспериментальных 1едованнн рассеянных полей от кровеносных сосудов и гмных объектов близких по форме, позволяющие на основе 1ичия их временных и спектральных характеристик обеспечить [Ктеризацию биологических тканей.

3. Результаты экспериментальных исследований рассеянных полей при использованни J14M импульса в качестве зондирующего сигнала.

4. Доплеровский томограф с воссозданием цветного изображения доплеровского сигнала, совмещённого с двумерным изображением.

Дпробяпия работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на 6, 7 и 9 Конференциях по Статистической Гидроакустике в 1975, 1977 и 1978 годах соответственно, 121 конференции Acoustical Society of America в 1991 году, на 13 Международной Конференции IEEE Engineering in Medicine and Biology Society в 1991 году. Международной Конференции IEEE Ultrasonic Symposium в 1991 году, Ежегодной Конференции American Institute Ultrasound in Medicine в 1992 году, Международной Конференции IEEE Ultrasonic Simposium в 1993 году, Украинской конференции: Акустические методы в медицине в 1994 году, III Сессии Российского Акустического Общества в 1994 году.

Личный вклап автора писсертапионной работы состоит в;

1. Разработке нового способа диагностики кровеносных сосудов на основе резонансных свойств нормальных и патологических сосудов.

2. Разработке нового способа диагностики объёмных инородных включений в биологических тканях на основе спектрального анализа рассеянных сигналов.

3. Разработке метологии проведения лабораторных исследований рассеянных сигналов с целью формирования плоской волны с заданными вариациями амплитуды и фазы на поверхности рассеивателя.

4. Разработке и создании комплекса аппаратуры для исследования рассеянных сигналов и проведении лабораторных исследований с использованием импульсных ЛЧМ сигналов для диагностики инородностей в однородных органах (печени).

5. Разработке и создании автоматизированной B-mode сканирующей Доплеровской системы для диагностики злокачественных опухолей молочной железы.

6. Проведении лабораторных и клинических испыпаний разработанной системы на базе Томас Джефферсон Университета-Госпиталя, Филаделфня, США.

Публигапии. Основные результаты диссертации ликованы в 15 работах, список которых приведен в конце реферата.

Структура и объём писсертапии. Диссертация состоит из :ния, четырёх глав, заключения и содержит 121 страницу шого текста, списка литературы из 129 наименований, 99 псов, 3 таблиц, 7 приложении. Общий объём работы вляет 212 страниц машинописного текста.

ОСНОВНОЕ. СОГГНРЖ АНИР, РАКОТЫ.

Ввепеиие. Обоснована актуальность темы, сформули-[а цель работы, показана научная новизна полученных ьтатов. Кратко изложено содержание работы по главам.

Глава 1. В первой главе построены биоакустические н со-математнческие модели тонкостенных и толстостенных опных и анизотропных цилиндрических многослойных носиых сосудов с учётом возможных патологических ении типа атеросклероза или сахарного диабета. В задаче шия падающей плоской волны кровеносным сосудом всё аемое пространство делится на три области. Первая область-гнносгь сосуда с потоком вязкой крови, скорость которого вторая область- внешняя к сосуду, обладает вязкостью гических тканей. Третья область- сосуд непосредственно, ый описывается одним из уравнений колебании оболочек. В г рассматриваются два типа уравнений: уравнение колебаний отезе Тимошенко и уравнение Кирхгофа-Лява в зависимости тношения толщины стенки сосуда и его срединного радиуса, [и упругости в трех областях считаются комплексными, ение колебаний оболочки в операторной форме имеет вид: [Ц+ЬрЧо+Ьм].[Ч], (1.1)

Ц-, Ц^- являются линейными дифференциальными ■орами, в частности, Ь - структурный оператор оболочки, :ляемый выбором конкретной гипотезы; Ц,- оператор татических и статических давлений и напряжений, уюших на сосуды; Ц^- оператор инерционных сил оболочки;

матрица квазистатнческнх и статических

7*

ок со стороны внешней и внутренних сред; я(чх.яд,4г.0,0) -(а динамических нагрузок со стороны внешней и внутренней

сред, возникающих под действием падающей р;пс, рассеянной р$с, и прошедшей рге{ ультразвуковых волн давления, а также за счёт

Т

посгупательного движения крови \>0 вдоль оси х; Х(и,\>,\д/,7х,70) -матрица неизвестных составляющих вектора перемещения й и углов поворота нормали в плоскостях и гх цилиндрической системы координат оболочки; индекс "Т" означает операцию транспонирования матриц. К уравнению колебания оболочки добавляются законы Навье-Стокса для первой (¿=1) и второй (¡=2) сред:

Т; =[-Дрс-Р1 + 1 = 1,2, (1.2)

Векторы скорости для двух сред имеют вид:

= УУ,- =0, = Ухё^и +7х(Ухёх^), (1.3)

где Фр потенциал колебательной скорости, Ч^- векторный потенциал колебательной скорости. Функции Ф; и 4/21-удовлетворяют уравнениям Гельмгольца с комплексными волновыми числами, а давление в двух средах имеет вид:

Р1 =Р«

--'-А-Чови---

Ф;,1=1,2, (1.4)

Р; Эх

где 5ц -символ Кронекера.

Граничные условия на срединной поверхности оболочки при г=Я, где И- радиус срединной оболочки, имеют вид:

а) кинетические

^ =п + 8иёг«0—■ ,где V; =Еги„ + ё9и0; ч-ё^ ох

б) динамические

Ч = Т(0(Т',0,0,)

Неизвестными величинами являются и.и.Улу^.уд.Ф^Ф^.^ц. Ч,12>Ч'21>^22- Для их определения используем 5 уравнений и 6 граничных условий. Все неизвестные функции разлагаются в ряд Фурье по углу 6. В операторной форме уравнение имеет вид

[А]х[У] = [В], (1.5)

где [А]- матрица оболочки, [В] -матрица возмущения и [У]-матрица компонент Фурье 11 неизвестных. В частности, давление рассеянной волны имеет вид:

-Ро2>

п=0

.пЧ'^Ь^г)

н(в,у(У1)

■»пСУ1>-

2р2с2 / лу} н(а1у(У1)ги_

сс«(п8)хехр(1к12х), (1.6)

где е0 =1. еп =2. п>0,1 = -/Т. У1 = Я-ЬЬ2, = к*2

СО 2 2^ сои-) СО

к12 =-, кгх2 =к2зта0, сЬ2 = с2(1-1--|-),к2 = —.

сЬ2 3 р2с2 с2

2

СЬ2 = Х2 'Р2- Х2"М0ДУЛЬ упругости ткани, ао- угол падения (с^-

угол преломления) относительно нормали к сосуду, п21 = —^-5ша0,

с2

вша] = п2| / (1-Мп21), М = / с] -число Маха в крови.

Суммарный импеданс . входящий в формулу (1.6), состоит из суммы импеданса излучения во внутреннюю вязкую движущуюся среду (кровь), импеданса излучения во внешнюю вязкую среду (мягкие ткани) и собственного механического импеданса кровеносного сосуда (оболочки). Его конкретный вид зависит от выбранной гипотезы описания оболочки.

В работе проведены численные расчёты давления рассеянной волны и трёх импедансов для разных типов сосудов: аорт, артерий, артериол, венул, вен и крупных вен. В работе также рассмотрен вариант двухслойной оболочки, представляющей собой модель атеросклеротического сосуда с дополнительным внутренним слоем, а также ряд других многослойных сосудов. Учитывая, что модуль упругости в стенках сосуда имеет величину 6 я

порядка 10 -10 Па, что значительно меньше, чем у металлической оболочки, кровеносный сосуд обладает более широкой полосой акустического запирания для волн, распространяющихся в крови. Эта полоса для эластичных сосудов более, чем в 20 раз шире, чем для эквивалентных металлических оболочек, что демонстрирует Рис. 1. Заштрихованная линия означает полосу запирания сосуда.

В работе показано, что скорость течения крови влияет на фазовую скорость акустических волн, замедляя их движение при движении крови против распространения волны и ускоряя их при совпадении скоростей. Эти изменения могут достигать 30% для крупных кровеносных сосудов. Соответсвующнм образом будут

Рис.1

повышаться или понижаться частоты гобственных колебаний сосудов, что позволяет производить их клиническое диагностирование.

Также продемонстрировано, что наличие патологий типа атеросклеротического обрастания кровеносного сосуда может быть зарегистрировано наличием многорезонансных колебаний сосуда в информативном диапазоне частот, который составляет: для артериол и венул 1 кГц-1 МГц, для артерий и вен- 300 Гц-120 кГц, для аорт и крупных вен 30 Гц-15 кГц. Наиболее информативным и наиболее экспериментально наблюдаемым диапазоном для указанных кровеносных сосудов является низкочастотная область диапазонов, где сконцентрированы главные резонансы и антирезонансы сосудов в отдельности и системы сосуд-кровь в целом.

Глава 2. Во второй главе рассматривается рассеяние волп на объемных патологических включениях в биоорганах. Продемонстрировано, что использование приближённых методов в задачах ультразвуковой диагностики патологических включений в биологических тканях имеет определённые ограничения. Рэлеевское приближение правильно описывает поле в мозговой среде в диапазоне частот от 1 до 10 МГц при наличии патологического включения размером не более 0,1-0,2 мм. Борновское приближение хорошо описывает рассеянное поле от патологического включения с волновым сопротивлением, слабо отличающимся от волнового сопротивления окружающей среды для углов вблизи прямого и обратного эхосигналов. Метол интегральных уравнений точно описывает все отмеченные ситуации, однако для патологических включений размером е

несколько сантиметров требуется либо численное решение системы уравнений, либо прменение' итераций в несколько порядков. Решение задачи при этом сводится к системе интегральных уравнений Фредгольма 2-го р°Да с неизвестными потенциалами двойного w(y), у е S и простого v(y) слоев, с функцией Грина трёхмерного свободного пространства и интегральными операторами в форме Фредгольма: (1 + m)w(z) + (К - тК0) w(z) + р(Т - m2T0) v(z) = -2uinc (z),

(2 1)

(1 + m)v(z) - (К' - шК;) v(z) - (Т - Т0) w(z) = iiHiBS.,

р dn(z)

y.zeS

Здесь ш = р0/р, п = с/сс гдер0с0- волновое сопротивление рассеивателя, а рс- волновое сопротивление окружающей среды; черта сверху над интегральными операторами К, Kq, Т, Т0> К', К^ указывает на то, что они действуют между точками у и z, потенциал падающей волны, п(г)-внешняя к рассенвателю нормаль. На Рис. 2 изображена диаграмма рассеяния патологического включения в мозговой среде.

Анализ диаграмм рассеяния показывает, что увеличение размера рассеивателя в 2 раза приводит к увеличению прямого и зеркального рассеяния на величину порядка 10 дБ; увеличение волнового сопротивления рассеивателя в 1,5 раза приводит к увеличению общего рассеяния на 40-50 дБ. На высоких частотах (порядка 10 МГц) более чётко проявляется выделение зеркального прямого и аномального рассеяния. Изменение вытянутости

включения в 10 раз (по эксцентриситету от ОД до 1) приводит к изменению обратного и прямого эхосигналов на 40 дБ. При изменении размера рассеивателя в 10 раз диаграмма становится многолепестковой, при этом, уровень сигнала в обратном направлении увеличивается на 20 дБ, а в прямом и зеркальном направлениях до 40 дБ.

Анализ амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и спектров эхосигналов показал, что АЧХ обратного эхосигнала существенно зависит как от волнового размера включения, так и его вытянутости по отношению к сферическому. Число максимумов и минимумов в АЧХ существенно зависит от размеров включения.

Аналих АЧХ и спектров эхосигналов в ВКБ-приблнжении показал, что изменение размера включения от 0,5 мм до 10 мм при его волновом сопротивлении слабо отличающемся от волнового сопротивления окружающих тканей приводит к заметному изменению эхосигнала, особенно в прямом направлении. Это позволяет установить наличие инородности в тех случаях, когда стандартные методы ультразвуковой диагностики не дают возможности локализовать опухоль.

Вопрос идентификации инородностей с малыми волновыми размерами представляет интерес с точки зрения диагностики опухолей на ранней стадии развития. В этот период размер инородности составляет доли миллиметра. В диапазоне частот ультразвуковой диагностики 1-10 МГц волновой размер инородности лежит в прееделах 0,5-3. Для объектов с такими волновыми размерами возможно применение строгих решений волнового уравнения.

Нами продемонстрировано, что АЧХ рассеяния при малых волновых размерах включений позволяют определить незначительные изменения их формы и размеров. Рассмотрим рассеяние плоской волны на упругом эллипсоиде, незначительно отличающемся от сферы. Представим падающую и рассеянную волну в виде разложений по сферическим волновым функциям и используем метод малого параметра. В качестве малого параметра примем эксцентриситет эллипса V = 1 - а2 / Ь2, где а и Ь- полуоси эллипса. Выражение для падающей волны имеет вид:

Р. = Ро = ££еш • Апш Р>оз80), (2.2)

т = 0п = т

где е0 = 1, ет = 2 для т > 0, Р™(со5в0) - присоединённая функция Лежандра, г и 8 - сферические координаты в плоскости <р = 0. По аналогии с падающей волной, разложим рассеянную и прошедшую волну в ряд по сферическим волновым функциям:

= ■ (апш + ^ь^) • Ьп(кг) • РЛ«*ео) (2.3)

Р = " ^ + ' •"-(кг)' ^«^о) (2-4)

ш=0 п=ш

Неизвестные коэффициенты могут быть определены исходя из граничных условий на поверхности эллипсоида:

Чи, +Чт|г=Г(в) = ч1г=гсв). (2-6)

где р^Цщ- давление и нормальная компонента скорости во внешней среде для падающей волны, р, и - то же для рассеянной волны, а р и я - во внутренней среде, соответственно.

Как правило, волновое сопротивление злокачественной опухоли меньше, чем волновое сопротивление окружающей среды. В этом случае, для опухолей на ранней стадии развития, когда волновой размер опухоли лежит в пределах 0,5-3, выражение для давления рассеянной волны имеет вид:

-36г - у(12г + г3 + Зг3 со5(29))

Р»(в) =-~-+

з б (2'7)

г3(1 + -у)со58со5б0 + г3(1 +—У)5Ш85Ш0о

Индикатрисы рассеяния на сфере и эллипсоиде при падении волны под углом 30° к оси а приведены на Рис. 3.

Приведенные результаты демонстрируют, что для патологических включений, волновое сопротивление которых меньше волнового сопротивления окружающей среды, амплитуда рассеянного поля в прямом направлении значительно превышает

амплитуду рассеянного сигнала в обратном направлении. Это означает, что на ранних стадиях развития злокачественной опухоли двухпозиционные (многопозиционные) ультразвуковые

Рис.3

диагностические системы значительно более эффективны, чем однопозиционные.

Глава 3. Для объектов сложной формы достаточно точных методов расчёта рассеянных сигналов не существует. Информация об их рассеивающих свойствах может быть получена только с помощью приближённых методов вычислений и экспериментально. Точность измерения временных и спектральных характеристик рассеянных сигналов зависит от того, насколько падающая волна близка к плоской.

В работе приведена методика оптимизации расстояния между излучателем и рассеивателем, при котором сформированная квазиплоская волна обеспечивает требуемую точность экспериментов с заданной погрешностью. Основными параметрами, влияющими на выбор минимального расстояния между излучателем и рассеивателем, являются вариации амплитуды ДАи фазы Дф на поверхности рассеивателя. При этом, одновременно должны выполняться следующие условия:

Дф £ Дф допустимая ^

ДА 5 ДА допустимая Удовлетворительную точность при измерении частотных характеристик рассеивателей можно получить в том случае, когда вариации амплитуды не превышают 1 дБ, а вариации фазы-л/8. Анализ для Дф = я/8 и ДА = 1 дБ показывает, что при

отношении сЮ<0,95 Ятт ограничено вариациями фазы, а при

(1ЛЭ>0,95 ограничено вариациями амплитуды (с!-раэмер

излучателя, Э-размер рассеивателя).

Моделирование в незаглушенных резервуарах имеет свою специфику, обусловленную наличием многократных отражений зондирующего сигнала от дна поверхности и стенок резервуара. В этом случае должно быть выбрано в соответствии с (3.1) и откорретировано с учётом условий, приведенных в диссертации, для предотвращения совпадения по времени приходящих на приёмник сигналов от рассеивателя и границ резервуара. При этом, выбор зависит от периода следования н длительности мимпульса.

Руководствуясь приведенной методикой выбора оптимального расстояния между излучателем и рассеивателем, нами проведены экспериментальные исследования рассеяния импульсного ЛЧМ сигналов на цилиндрической оболочке. Этот сигнал имеет ряд существенных преимуществ для идентификации инородностей в биологических тканях. Импульсный ЛЧМ сигнал обладает наименьшим отношением пикового значения сигнала к эффективному, а частотная полоса, в которой сконцентрировано до 99% энергии сигнала, может быть чётко обозначена.

Спектр рассеянного сигнала можно представить в виде:

5.(со) * К(со) = К(<о) Jf.it) - ехр(-]со1)<И. (3.2)

о

где Г(1)- временная характеристика излучённого сигнала. Если спектр излучённого ЛЧМ сигнала имеет вид:

5_(ш) ЛАДлясо.^со.+Дш (3.3)

[О для других со

то

5,(со) = К(со) (3.4)

То есть, в заданной полосе частот спектр рассеянного сигнала от инородного тела представляет собой частотную характеристику рассеивателя. Эта характеристика после аналогово-цифрового преобразования и последующей цифровой обработки может храниться в библиотеке базы данных ЭВМ для идентификации инородностей. На Рис. 4 представлены спектральная и временная характеристики рассеянного ЛЧМ сигнала от цилиндрической оболочки при угле падения волны относительно продольной оси оболочки В=45°.

Идентификационным признаком является периодичность максимумов и минимумов частотных и временных характерисик и эта периодичность может быть использована в обратных задачах рассеяния для определения параметров рассеивателей.

с®

------Ц-П-М^ тг^.Ь-т-г- ■ --

—к \! 1 11,'' :, || 1/ г .-V—

—#

-

5,0»), в-43»

¡■■ГСЯЯМ

Рис.4

Глава 4. Злокачественные опухоли груди являются наиболее опасным заболеванием у женщин. Более половины случаев диагностируются уже на этапе распространения метастазов. Предварительные исследования показали, что существует корреляция между злокачественными патологическими изменениями биологических тканей и образованием новых кровеносных сосудов вокруг и внутри опухоли (явление васкуляризации). Базируясь на этих результатах, нами был разработан комплекс аппаратуры и алгоритмы для локализации инородностей и их диагностики с целью определения злокачественности. Исследования проводились на основе эффекта Доплера и продемонстрировали существенные различия между параметрами доброкачественных и злокачественных инородностей уже на ранней стадии развития опухоли. Непрерывный рост злокачественной опухоли, начиная с клеточных новообразований, зависит от подачи крови к инородности через образующиеся кровеносные сосуды, что может быть зафиксировано с помощью чувствительной ультразвуковой системы.

С целью обеспечения ранней диагностики злокачественных опухолей груди нами было разработано и создано автоматизированное двухмерное сканирующее Доплеровское устройство (ультразвуковой томограф), позволяющее получить изображение груди целиком, точно локализовать опухоль и определить наличие количественных показаний кровотока путём воссоздания цветного изображения Доплеровского сигнала, совмещённого с двухмерным (B-mode) изображением.

В системе применены три фокусных пьезопреобразователя с различными фокусными растояниями (812 см, 12-16 см, 16-20 см) и шириной луча в фокусной зоне 0,5-1 мм. Преобразователи установлены в водяном резервуаре на вращающемся барабане, и выбираются в зависимости от глубины опухоли в груди. Сканирование производится слоями в вертикальной плоскости. Каждый слой сформирован из 128 одномерных линий (A-mode), а каждая линия состоит из 512 точек, полученных в результате дискретирования каждого одномерного изображения. Частота выборок дискретирования- 10 МГц. Излучение и приём сигнала производится при остановке барабана, что позволяет увеличить отношение сигнал/помеха за счёт исключения паразитных Доплеровскнх сигналов. При этом производится 16 последовательных излучений и приёмов ультразвукового сигнала, т.е. происходит сбор данных для 16 А-mode изображений за каждый шаг барабана. 4 первых и 4 последних A-mode изображений удаляются, а по 8 средним производится усреднение. Таким образом формируется одна из 128 A-mode изображений.

Принятый сигнал подвергается квадратурной обработке для выделения действительной I и мнимой Q составляющих сигнала, которые затем поступают на 12-битные аналогово-цифровые преобразователи, и затем записываются в память ЭВМ.

Полученная цифровая информация изображения биологической ткани груди используется для получения совмещённого B-mode и цветного Доплеровского изображения кровотока. При этом использованы алгоритмы частотной и временной обработки.

Частотная обработка заключается в выделении частотных составляющих Доплеровского сдвига с использованием преобразования Фурье комплексного отражённого сигнала. При

этом, средняя частота н дисперсия Доплеровского сигнала могут быть найдены из выражений:

<аТП

ш = Jcoxp(co)dco

-<V2

(4.1)

<г\П

varfco] = J

шг xp<cö)dco —caJ,

(4.2)

-<n,/2

где p(co)- вероятность того, что функция f(t) имеет среднюю мощность S(co)dco в диапазоне частот (со, ан-dco), ш,-угловая частота квантования.

Временная обработка производится с помощью I/Q или автокорреляционного алгоритма. Автокорреляционный алгоритм определения средней частоты Доплеровского сигнала описывается выражением:

ш = — xAictg-1^-

At (IiXlj-.+QiXQi-i)

(4.3)

На Рис. 5 приведено B-mode изображение груди со злокачественной опухолью.

; I» ■ \ 4 \

"V

Рис.5

Диагностика злокачественности производится по цветным Доплеровским изображениям, приведенным в диссертационной работе. Система позволяет осуществить сбор данных для 20 последовательных слоев. Эти данные могут быть использованы для реконструции объёмного (З-О) изображения опухолей.

Разработанная система прошла успешные лабораторные н клинические испытания в Институте Ультразвуковой Диагностики Томас Джефферсов Университета-Госпиталя, Филацелфия, США и получила высокую оценку специалистов. В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В Приложения» А-Ж приведены выводы математических выражений, используемых в работе, а также результаты расчётов и экспериментов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОПЫ РАБОТЫ.

1. Построены биоакустические и физико-математические модели тонкостенных и толстостенных, изотропных и анизотропных многослойных кровеносных сосудов с учётом их патологических изменений. Произведена оценка применимости известных гипотез колебаний оболочек к задачам рассеяния волн.

2. Показано, что кровеносный сосуд (по сравнению с жёсткими металлическими оболочками) обладает более широкой полосой акустического запирания для волн, распространяющихся в крови. Эта полоса для эластичных сосудов более, чем в 10-20 раз шире, чем у эквивалентных металлических оболочек.

3. Течение крови влияет на фазовую скорость акустических волн, замедляя их движение при движении крови против распространяющейся волны и ускоряя их при совпадении скоростей. Эти изменения могут достигать 30% для крупных кровеносных сосудов, приводя к повышению или понижению частоты собственных колебаний.

4. Наличие патологий типа атеросклеротического обрастания кровеносного сосуда может бьггь зарегистрировано наличием многорезонансных колебаний сосуда в информативном диапазоне частот.

5. Среди различных приближённых методов исследования рассеянных полей в задачах ультразвуковой диагностики патологических включений в биологических тканях наиболее приемлемым является метод интегральных уравнений, так как точно описывает все явления при размерах патологических включений вплоть до нескольких сантиметров.

6. Анализ диаграмм рассеяния в широком диапазоне частот показывает, что изменение размеров, формы, плотности и

скорости звука инородного включения в биологических тканях существенно влияет на уровень и форму (от дипольной до многолепестковой) диаграммы рассеяния, что может быть использовано при диагностике злокачественности.

7. Для включений с малыми волновыми размерами (ка=0,5-3), волновое сопротивление которых меньше волнового сопротивления окружающих тканей, рассеянный сигнал в прямом направлении превышает рассеянный сигнал в обратном направлении на величину порядка 6-40 дБ в зависимости от размера включения (с увеличением волнового размера эта разница увеличивается). Полученный результат позволяет сделать вывод о целесообразности применения двухпозиционных (многопозиционных) систем излучатель-приёмник для диагностики злокачественных опухолей.

8. Результаты, полученные при исследовании рассеянных ЛЧМ сигналов свидетельствуют о том, что такие сигналы могут быть успешно использованы для идентификации инородностей в биологических тканях. Идентификационным признаком спектральных и временных характеристик является периодичность максимумов и минимумов и её постоянство для данного рассеивателя.

9. Так как спектр излучённого ЛЧМ сигнала имеет прямоугольную форму в заданной полосе частот, то измеренный спектр рассеянного сигнала от инородного объекта предсталяет собой его частотную характеристику, присущую данному конкретному объекту.

10. Разработанная автоматизированная сканирующая В-гпоёе система позволяет фиксировать наличие злокачественности на ранней стадии развития опухоли за счёт локализации новообразованных кровеносных сосудов.

11. Система позволяет сканировать 20 слоёв для каждого пациента, а также точно определить пространственное расположение и размер опухоли и получить панорамное изображение васкуляризации груди. В дальнейшем, данные сканирования всех слоёв могут бьггь использованы для воссоздания объёмного изображения.

12. В целом, материалы диссертационной работы позволяют получить дополнительную количественную информацию для ультразвуковой диагностики биоорганов и их патологий используя современные радиофизические методы обработки эхосигналов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО РАБОТЕ

. В. И. Генис, И. Л. Обозненко. Рассеяние плоской волны на кустически жёстком эллипсоиде с малым эксцентриситетом, естник Киевского Политехнического Института, серия адиотехники и электроакустики, 9,108-110,1972.

В. И. Генис, И. Л. Обозненко. Полярные характеристики ассеяния плоской волны сплюснутым и вытянутым жёстким тлипсоидом с малым эксцентриситетом. Вестник Киевского политехнического Института, серия радиотехники и 1ектроакустики, 10,92-95,1973.

В. И. Генис, И. Л. Обозненко, Л. Я. Тараданов. Оптимизация :ловнй экспериментальных исследований при гидрофизи-ческом эделировании. Труды Шестой Всесоюзной школы-семинара по атлетической гидроакустике. Изд-во ин-та Математики С. О. АН ССР, Новосибирск, 45-53,1975.

В. И. Генис. Диффракция плоской акустической волны на [ругом эллипсоиде с малым эксцентриситетом. Вестник аевского Политехнического Института, серия радитехники и ектроакустики, 13,73-76,1976.

В. И. Генис, И. Л. Обозненко, Л. Я. Тараданов. Влияние раметров волноводов на структуру акустического поля при >делированни Труды Восьмой Всесоюзной школы-семинара по атистической гидроакустике. Изд-во ин-та Математики С. О. АН :СР, Новосибирск, 55-62,1977.

В. И. Генис, И. Л. Обозненко, Л. Я. Тараданов. К вопросу о >рмировании волнового фронта в плоскопараллельном лнлводе. Труды Девятой Всесоюзной школы-семинара по атистической гидроакустике. Изд-во ин-та Математики С. О. АН :СР, Новосибирск, 27-31,1978.

V. Genis, I. Oboznenko, J. Reid, R. Raghavan, K. Soetanto, H. ing, X. M. Lu. Optimization of the distance between transducer and itterer in hydroacoustical modelling. J. Acoust. Soc. Am., Vol. 89, i 4, Pt. 2,1951,1991.

V. Genis, I. Oboznenko, J. Reid, P. Lewin. Swept frequency hnique for classification of the scatterer structure. 13th Annual ernational Conference IEEE Engineering in Medicine and Biology :iety, 167-168,1991.

9. H. Oung, J. Reid, V. Genis, R. Raghavan, K. Soetanto, H. Ortega, B. Goldberg, F. West. Study of breast pathology using a 2-D color flow system. IEEE Ultrasonic Symposium, 1269-1271, 1991.

10. V. Genis, I. Oboznenko, J. Reid, P. Lewin, K. Soetanto. Chirp technique approach for objects' identification. IEEE Ultrasonic Symposium, 1239-1242,1991.

11. H. Ortega, A. Kessler, B. Goldberg, A. Rosenberg, V. Genis, H. Oung. Mapping of breast vascularity using automated color Doppler correlated with real-time duplex scanning. Journal of Ultrasound in Medicine, Vol.11, No3, 62-63,1992.

12. Обозненко И. Л., Обозненко Е. И. Генис В. И. Дифракция эластичных акустических волн на толстостенной цилнндри-ческой оболочке, заполненной вязкоупругой жидкостью. Украинская конференция: Акустические методы в медицине, Киев, 1994 (в печати).

13. Обозненко И. Л., Обозненко Е. И. Генис В. И. Свободные колебания изотропных и анизотропных цилиндрических оболо-чек (кровеных сосудов) в акустических средах. Украинская конференция: Акустические методы в медицине, Киев, 1994 (в печати).

14. Обозненко И. Л., Обозненко Е. И., Хилько А.И., Генис В.И. Колебание сосудов в окружении вязких биологичесуих сред. III Сессия Российского акустического общества, 16-19,1994.

15. Обозненко И. Л., Обозненко Е. И., Хилько А.И., Генис В.И. Влияние движения крови на собственные колебания сосудов. III Сессия Российского акустического общества, 19-21,1994.

/ladimir I. Genis. Remote Probing of the Objects Based on Spectral md Doppler Analysis.

Dissertation for Ph. D. Degree in Physics and Mathematics, Major: 11.04.03- Radiophysics , Kiev University after Tarasa Shevchenko, 995.

t has been demonstrated that oscillation theory of thin elastic shells an be applied to blood vessels diagnosis based on their resonance properties. Chirp Technique approach for objects' identification has een developed. This technique allows to create a data library of the ackscattered signals for future identification of tumors. Research has lso demonstrated that multipositional transmitter/receiver system has dvantages in comparison with an unipositional system for detecting nd diagnosis of malignant tumors. Automated Doppler B-mode Jltrasound Breast Imaging System has been developed. It allows xamination of the whole breast with concurrent indication of the imor location and diagnosis.

^ey Words: Elastic Shell, Scattergram, Spectral Characteristics, •oppler Analysis, Chirp Signal.

енис В. И. Дистанционное зондирование объектов на основе юктрального анализа и эффекта Доплера.

иссертация на соискание учёной степени кандидата физико-атематических наук по специальности 01.04. 03- Радиофизика, невский Университет им. Тараса Шевченко, Киев, 1995.

работе продемонстрировано, что теория колебаний тонких гастичных оболочек может быть применена при диагностике ювеносных сосудов на основе их резонансных свойств, шработана методика идентификации объектов с помощью JI4M [гналов. Такой подход позволяет создать библиотеку баз данных юсеянных сигналов для дальнейшей диагностики опухолей, сследования также продемонстрировали, что многопозиционные стемы излучатель/приёмник имеют преимущества в сравнении с [нопозиционными системами для локализации и диагностики окачественных опухолей. Разработана Автоматизированная )плеровская B-mode ультразвуковая система для изображения аней груди с одновременной локализацией и диагностикой ухоли.

1ючевые слова: Эластичная оболочка, диаграмма рассеяния, ектральные характеристики, эффект Доплера, импульсный 1М сигнал.