Исследование и разработка новых алгоритмических методов для синтеза трехмерных изображений высокого разрешения в ультразвуковой медицинской диагностике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Елизаров, Алексей Борисович
- Специальность ВАК РФ05.13.18
- Количество страниц 170
Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Елизаров, Алексей Борисович
Введение.
Глава 1. Основные соотношения для описания сканирования в декартовых координатах.:.
§1. Вывод волнового уравнения.
§2. Решение волнового уравнения в приближении Борна.
§3. Анализ диаграмм направленности.
§4. Гауссов пучок.
§5. Иллюстрации.
Глава 2. Цифровая обработка сигналов.
§ 1. Переход к дискретному сигналу.
§2. Непрерывное и дискретное преобразования Фурье.
Аналитическое представление сигнала.
§3. Связь дискретных и непрерывных функций.
§4. Вычисления с дискретными сигналами.
Глава 3. Моделирование сигналов.
§ 1. Модель среды.
§2. Алгоритм моделирования сигналов.
§3. Методика универсального физического эксперимента.
Глава 4. Методы построения двумерных изображений.
§ 1. Метод динамической фокусировки на прием и метод синтетической апертуры.
§2. Двумерный метод формирования бездифракционного луча.
§3. Метод 2-х передатчиков.
§4. Результаты экспериментов.
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.13.18 шифр ВАК
Измерение координат объектов в ультразвуковой эходиагностике методами синтезированной апертуры2004 год, кандидат технических наук Тюрин, Дмитрий Владимирович
Повышение информационных возможностей ультразвуковых диагностических систем2006 год, доктор технических наук Осипов, Лев Васильевич
Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации2007 год, кандидат физико-математических наук Смагин, Михаил Александрович
Ультразвуковая интроскопия конструкций из бетона при одностороннем доступе2000 год, доктор технических наук Шевалдыкин, Виктор Гавриилович
Локационное радиовидение с контролируемым сканированием2012 год, кандидат физико-математических наук Федянин, Иван Сергеевич
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка новых алгоритмических методов для синтеза трехмерных изображений высокого разрешения в ультразвуковой медицинской диагностике»
Данная работа посвящена алгоритмическим методам построения трехмерных изображений для целей ультразвуковой медицинской диагностики. В работе исследуются существующие и разрабатываются новые методы синтеза изображений. Актуальность темы
Получение объёмных акустических изображений высокого разрешения представляет собой задачу значительной теоретической и практической важности как для ультразвуковой медицинской диагностики, так и для неразрушающего контроля материалов. В настоящее время трехмерная (3-D) визуализация осуществляется с помощью трех основных методов. Первый метод состоит в сканировании трансдюсером с аннулярной решеткой по азимутальному углу и углу места [1]. Этот метод позволяет получить динамическую фокусировку по обеим поперечным координатам для приемной диаграммы направленности. Однако время сбора данных в этом случае достаточно велико (порядка 2-3 сек.), а размер и вес датчика значительно больше, чем в традиционных медицинских приборах двумерной (2-D) визуализации. Кроме того, область обзора вблизи поверхности трансдюсера невелика по поперечным координатам.
Второй метод заключается в механическом сканировании линейной или конвексной одномерной решеткой вдоль направления, перпендикулярного плоскости электронного сканирования решетки (путем поступательного движения или вращения), с электронным сканированием в плоскости решетки [2], [3], [4]. Для фокусировки в направлении электронного сканирования используются методы, применяемые в 2-D визуализации, дающие достаточно узкую диаграмму направленности. Для обеспечения фокусировки в направлении механического сканирования на поверхность решетки устанавливается цилиндрическая линза с фиксированным фокусным расстоянием. Поперечное разрешение в этом направлении в зонах перед фокусом и за фокусом значительно хуже, чем разрешение в плоскости электронного сканирования. Для улучшения разрешения вдоль координаты движения следует применить метод обработки сигналов, аналогичный методу синтетической апертуры [5].
В одной из работ предлагается вращать фазированную решетку вокруг оси, проходящей через центр решетки перпендикулярно плоскости пьезоэлектрической пластины [6]. В этом случае удается достичь высокой скорости сканирования (до 10 кадров в секунду), однако разрешение по углу вращения оказывается низким (порядка 5 длин волн).
Благодаря прогрессу в областях технологии изготовления фазированных решеток и микроэлектроники в последние 2-3 года на рынке появились новые приборы, реализующие третий метод 3-D визуализации. Он основан на использовании 2-D фазированных решеток [7], [8], [9]. Для фокусировки используется многолучевой (4-8 лучей) метод динамической фокусировки на прием. Для уменьшения количества передающих и приемных каналов (не более 256) используется методика прореженных решеток. Вследствие малой активной площади апертуры для повышения отношения сигнал-шум необходимо излучение длинных кодированных сигналов в сочетании с методами сжатия импульса при обработке данных. Недостатками приборов с 2-D фазированными решетками являются высокая сложность изготовления датчика и сложность электронного оборудования, что обуславливает высокую стоимость прибора, и большое время сканирования для обзора большого сектора 3-D пространства.
В офтальмологии, дерматологии и, возможно, маммографии необходимы очень высокие значения поперечного и аксиального разрешения, которых возможно достичь лишь при использовании достаточно высоких частот (20-100 МГц). Изготовление линейной или фазированной решетки для работы на таких частотах гораздо сложнее, чем для широко используемых в медицине в настоящее время частот (3-7,5 МГц). Для достижения высокого разрешения при одновременном повышении отношения сигнал-шум было предложено использовать сплошной трансдюсер большого размера (порядка 50 длин волн) с фиксированным фокусным расстоянием, который осуществлял бы метод виртуального источника [10].
Этот метод является модификацией метода синтетической апертуры. Точка фокуса излучателя рассматривается как виртуальный излучающий элемент, являющийся источником почти сферических волн с некоторой диаграммой направленности. То же касается и приема сигналов. Формирование изображения осуществляется как в методе синтетической апертуры с той лишь разницей, что вычисляются задержки, соответствующие расстояниям от точек среды не до элементов решетки, а до положений точки фокуса апертуры.
Более подробное описание этого метода для 2-D изображения дано в [11]. Достоинством метода является высокое отношение сигнал-шум и простота вычислений. Однако, будучи основан на приблизительных вычислениях, он не позволяет достигнуть существенного уменьшения уровня боковых лепестков. Для 3-D визуализации алгоритм обработки сигналов требует большого объема вычислений. Кроме того, в работах [10], [11] не рассматривается обработка сигналов для зоны изображения перед точкой фокуса трансдюсера.
Указанный метод позволяет получить фокусировку и в области перед фокусом для всех значений дальности. Однако метод фокусировки на основе задержек сигналов виртуального источника' не является точным в своей основе, причем ошибка возрастает по мере того, как достигаемое поперечное разрешение приближается к длине волны.
Как альтернатива методам динамической фокусировки, основанным на временных задержках, рассматривается метод 2-D визуализации, основанный на пространственном преобразовании Фурье принятых сигналов по координате движения приёмо-передающего элемента небольшого размера (от половины до нескольких длин волн) [12]. Пространственное преобразование Фурье при этом умножается на фокусирующий множитель, г зависящий от глубины, пространственной частоты и временной несущей частоты сигнала. После вычисления обратного преобразования Фурье амплитуда комплекснозначного сигнала дает двумерное изображение. Преимуществом данного метода по сравнению с методом синтетической апертуры является меньший объем вычислений, однако он не позволяет получить оптимальную узкую диаграмму направленности для широкополосных импульсных сигналов и неприменим для трансдюсеров с большой апертурой.
Другим, более совершенным методом, основанным на Фурье-преобразованиях, является так называемый метод формирования бездифракционного луча [13], [14], [15]. Он применяется для сигналов, полученных при сканировании апертурой с фиксированным фокусным расстоянием, и позволяет строить как 2-D, так и 3-D изображения. При синтезе 3-D изображения осуществляется трехмерное преобразование Фурье принятых сигналов как функции времени и двух пространственных координат сканирования. Фокусировка на всём интервале глубин осуществляется путем преобразования временного и пространственного спектров, включающего преобразование временной частоты как функции пространственных частот. Этот метод не накладывает ограничений на размер апертуры и ширину спектра временных частот. В качестве излучателя можно использовать как сплошной излучатель, механически перемещаемый по двум координатам, так и механически перемещаемую линейную решетку. Метод позволяет получить узкую диаграмму направленности (ширину луча) в широком диапазоне дальностей, но для уменьшения уровня боковых лепестков необходимо применять аподизацию апертуры трансдюсера. Усовершенствование и проверка данного метода на данных физического эксперимента являются предметом настоящей работы.
Почти постоянное разрешение на большом интервале глубин можно также получить для случая цилиндрически-симметричного возбуждения на апертуре трансдюсера. Методы, основанные на решении волнового уравнения при этих условиях, называются, как и вышеописанный метод, методами бездифракционного луча (т. е. луча с ограниченной дифракцией). Подобные исследования для случая ультразвуковой визуализации описаны, например, в [16], [17]. Этот метод использует аннулярную решетку с различными функциями аподизации. Он может использоваться для 3-D визуализации, подобно описаиному в [1]. Поперечное разрешение на всём интервале глубин примерно равно рэлеевскому пределу для обычного сферического трансдюсера с фокусным расстоянием, равным максимальной глубине исследуемой области. Преимуществами, метода, описанного в [16], [17], являются простота реализации и возможность увеличения скорости формирования 3-D изображения за счет параллельного осуществления излучения-приема и обработки сигналов. К недостаткам относятся более высокий уровень боковых лепестков диаграммы направленности и более низкое разрешение, чем в методах, основанных на построении синтетической апертуры, при равном размере активной поверхности датчика.
Развиваются и другие подходы к получению ультразвуковых изображений (например, для задач дефектоскопии [18]), однако они пока не способны давать 3-D изображения высокого разрешения в области медицины. Методы акустической голографии не используются в медицинской диагностике, т. к. они обладают низким разрешением по дальности и требуют сложного оборудования [19]. Методы фокусировки ультразвуковых пучков, основанные на обращении волнового фронта, применяются в терапии (литотрипсия). В диагностике прямое их использование невозможно ввиду того, что исследуемая среда является весьма однородной. Тем не менее, обращение волнового фронта используется в ряде разработанных методов коррекции фазовых аберраций [20], [21], являющихся основным источником ухудшения качества изображения при обследованиях «трудных» пациентов [22].
Цель работы
Целью данной работы является разработка методов формирования ультразвуковых 3-D изображений для медицинской диагностики, обеспечивающих высокое разрешение по трем пространственным координатам и малое время обзора пространства. В соответствии с этим в работе ставятся и решаются следующие задачи:
1) теоретическое исследование излучения и приёма ультразвуковых сигналов, их распространения и рассеяния в биологической среде с целью нахождения подходов к построению новых методов сканирования и их обоснования;
2) математическое моделирование и экспериментальная проверка метода формирования бездифракционного луча при использовании одноэлементной апертуры, сканирующей по узлам регулярной сетки в декартовых координатах;
3) построение и экспериментальная проверка новых схем излучения и приема сигналов и соответствующих алгоритмов обработки сигналов, позволяющих уменьшить время получения данных для одного кадра 3-D изображения по сравнению с существующими методами.
Для определения качества получаемые изображения будут оцениваться по следующим показателям: разрешение по 3 пространственным координатам, уровень боковых лепестков диаграммы направленности, отношение сигнал-шум, время съёма данных, необходимых для построения одного 3-D изображения, влияние движения объектов. Также важным показателем будет являться вычислительная сложность алгоритма и оценка времени обработки данных одного 3-D изображения на современных вычислительных средствах. Методы исследования
В работе предлагаются новые конфигурации ультразвуковых датчиков и последовательности осуществления сканирования, а также различные варианты алгоритмов обработки данных. Все методы основаны на цифровой обработке сигналов, многие основаны на использовании дискретных быстрых преобразований Фурье.
В работе использовались методы цифровой обработки сигналов, линейной алгебры, теории волн, теории случайных процессов, теории уравнений математической физики и теории обобщенных функций. Структура диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы.
Похожие диссертационные работы по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.13.18 шифр ВАК
Исследование пространственно-частотных свойств сигналов в ультразвуковых системах диагностики биологических объектов2009 год, кандидат технических наук Бакшеева, Юлия Витальевна
Электродинамические модели и исследование ФАР из продольных микрополосковых излучателей2008 год, кандидат технических наук Мушников, Валентин Вячеславович
Разработка программно-аппаратных средств ультразвуковой томографии крупногабаритных сложноструктурных изделий из бетона2011 год, кандидат технических наук Тимофеев, Дмитрий Валерьевич
Импульсная сверхширокополосная томография леса2009 год, кандидат физико-математических наук Клоков, Андрей Владимирович
Обнаружение и измерение координат движущихся наземных объектов в многопозиционной просветной радиолокационной системе2012 год, кандидат технических наук Смирнова, Дарья Михайловна
Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Елизаров, Алексей Борисович
§5. Выводы
Характерной особенностью приведенных методов обработки сигналов является построение сигналов так называемой 2-D виртуальной решетки, осуществляющей 2-D сканирование по методу синтетической апертуры и имеющей вдвое меньший шаг, чем исходные линейные решетки датчика.
При разработке данного метода впервые были выведены формулы преобразования сигналов, позволяющие построить сигналы 2-D виртуальной решетки при использовании раздельных передающих и приемных апертур. На данном этапе применимость формул ограничена случаем гауссовых лучей, ширина спектра пространственных частот которых существенно меньше волнового числа к = со/с, и случаем малых расстояний между передающей и приемной субапертурами. Вообще, вопрос эквивалентности сканирования раздельными передающими и приемными апертурами и одной приемо-передающей апертурой в настоящее время недостаточно изучен [42], [43].
Предложенная схема позволяет сократить время съёма данных для получения 3-D изображения до времени съёма данных в современных приборах 2-D визуализации (около 2-Ю-2 сек. для 100 элементов в 2 передающих решетках и максимальной дальности в среде 15 см). При этом обеспечивается высокое разрешение в продольном и поперечном направлениях. По сравнению с методом бездифракционного луча из гл. 5, даже при условии, что перемещение излучателя происходит мгновенно, выигрыш во времени будет составлять 50-100 раз. В отличие от метода комбинированного электронно-механического сканирования (гл. 6) в данной схеме не требуется механического перемещения датчика, что значительно упрощает задачу обеспечения надежного акустического контакта датчика с исследуемой средой, не требует точных механических позиционирующих устройств.
Полное разделение передающих и приемных каналов позволяет применять для повышения отношения сигнал-шум длинные кодированные последовательности импульсов [44] с длительностью порядка времени распространения сигнала до максимальной дальности в среде, что невозможно в традиционных схемах. Кроме того, разделение каналов несколько упрощает конструкцию многоканальной приемо-передающей части прибора.
Для увеличения излучаемой мощности и повышения отношения сигнал-шум формирование передающих субапертур можно осуществлять ап-паратно. При этом усложняется электроника передающей части прибора. В алгоритме фокусировки формирование субапертур в этом случае необходимо осуществлять только на прием (в (7.4) пропадает второй экспоненциальный член и суммирование по передающим элементам, т. к. эта операция реализована аппаратно).
Для изготовления датчика возможно использовать пьезоэлектрические пластины, используемые в датчиках серийно выпускаемых приборов 2-D диагностики, однако на них необходимо устанавливать дефокусирую-щие цилиндрические линзы с коротким отрицательным фокусным расстоянием, которые в настоящее время не используются в приборах в силу иных требований к виду диаграммы направленности решетки. Возможен вариант использования пьезоэлектрика цилиндрической формы (ось цилиндра параллельна продольной оси решетки) без дополнительных линз, но такие решетки в настоящее время не изготавливаются серийно. Данные обстоятельства препятствуют изготовлению оборудования для проведения физических экспериментов.
Количество приёмных каналов и АЦП в приборе будет весьма большим (порядка 50-300), однако это количество примерно равно количеству приемных каналов в разрабатываемых приборах, использующих 2-D решетки [7], [8]. Количество приемных каналов можно уменьшать за счет проигрыша во времени сканирования.
Все предложенные методы фокусировки требуют проведения большого количества вычислений для получения одного 3-D кадра изображения, что, несмотря на высокую скорость получения физических данных, делает невозможным синтез 3-D изображения в реальном времени на компьютерах персонального класса («Pentium 4», «Power Мае» и т. п.) и архитектурах, использующих процессоры цифровой обработки сигналов (DSP). Но возможно в реальном времени синтезировать несколько (2-4) 2-D сечений для наведения датчика при помощи какого-либо более простого с вычислительной точки зрения алгоритма фокусировки, после чего снятые один или несколько кадров 3-D данных будут обработаны за несколько минут каким-либо из предложенных алгоритмов для получения 3-D изображения высокого разрешения.
Высокое поперечное и продольное разрешение на 3-D изображении позволят поднять информативность и достоверность медицинской ультразвуковой диагностики. Малое время съема данных позволит получить трехмерное изображение быстро движущихся органов, таких как сердце. Постоянный прогресс в области средств вычислительной техники позволяет рассчитывать в недалеком будущем на возможность осуществления фокусировки сигналов и построения 3-D изображения в реальном времени.
§6. Иллюстрации
Рис. 7.1. Схема датчика в методе сканирования с формированием двумерной виртуальной решетки. Слева дана схема расположения одномерных решеток в датчике. Точками обозначены центры формируемых субапертур. Справа дан трехмерный вид схемы сканирования и используемых систем координат. Схематически указан сектор обзора. б) у, у ^ L 2-L -2 L а-9
-4+Н L 2 +3 -I
Rx2 ооооооооооооооооооо
Т»1
Tx1-Rx2 Tx2-Rx2
С D
УЛШ '. "Л К ,
Tx1-Rx3 Tx2-Rx3
Е Rx3 F
9//М ,
А в
Tx1-Rx1 Tx2-Rx1
Т*2
I о о*» о 6 о о о о о о о о о о о
L1 ' L
2 "Г3
I I I
-а 0 а
Т X. X
L х, X 2 3 2 L' ' L X, X
2 2
Рис. 7.2. Формирование виртуальной решетки, а) базовая схема датчика из 2 передающих и 2 приемных решеток, б) схема с дополнительной приемной решеткой РЯ1. Пунктиром обозначены контуры исходных решеток, белыми кругами —- центры исходных субапертур, черными кругами— центры субапертур виртуальной решетки (середины отрезков, соединяющих центры исходных субапертур передающих и приемных решеток). а) ул
2N-1
3 -1
1 . 2N
Тх1
Rx2
1 . 2N
Rx3
Тх2
1.2N Rx1
- 2N 4 2 б) уф
2N+2M+1 . 4N+2M
2N+2M+2N-1 2N-1
2N+2M-1
2N+3 2N+1
2N+2M+3 2N+2M + 1
Rx2
2N+1 . 2N+2M
Тх1
Rx3 Тх2
2N
1 . 2N
Rx1
2N+2M+2N
2N+2M
2N+4 2N+2
2N+2M+4 2N+2M+2
Рис. 7.3. Последовательность коммутации элементов передающих и приемных решеток при оценке влияния движения отражателей. Числа обозначают порядковые номера излучений. а) 1-я схема-— каждый передающий элемент используется 1 раз, прием осуществляется одновременно всеми элементами 3 приемных решеток, б) 2-я схема — каждый передающий элемент используется 2 раза (с 1-го по и с (N + М + })-го по jV-й элементы) или 3 раза (с (jV-A/+l)-ro по (N + М)-ц), прием осуществляется по очереди решетками fol, Rx3, Rx2. а)
ДфЖ
L(L-2a) 0
L-2a) б)
Лф Ф 0
42L-a)
L'
I I г -a 0 a
2 3
2+a
I I — -a 0 a t-a f 2 a
Рис. 7.4. Графики зависимости набега фазы принятого сигнала от координаты у виртуальной решетки при движении отражателя по z . Здесь v. — скорость движения отражателя, vv -И/2Тй — скорость сканирования, а) 1-я схема коммутации элементов (см. рис. 7.3), б) 2-я схема.
Рис. 7.6. Результаты обработки данных компьютерного моделирования алгоритмом с когерентным сложением (данные те же, что и на рис. 7.5). а) Положение отражателей по поперечной координате при моделировании, б-г) Изображение фантома— сечения плоскостями XY для различных z : б) z = 4 см, в) z - 6 см, г) z = 10 см. Динамический диапазон 60 дБ.
Рис, 7.5. Результаты обработки данных компьютерного моделирования алгоритмом с когерентным сложением. Изображение фантома— сечения плоскостями XZ ( у = 0) и YZ (ж = 0). В верхней части изображений указано положение отражателей по поперечной координате при моделировании, повторяющееся на каждой дальности. Динамический диапазон 60 дБ.
Рис. 7.7. Результаты обработки данных компьютерного моделирования алгоритмом с некогерентным сложением, у = 0 (данные те же, что и на рис. 7.6). Изображение фантома— сечения плоскостями xy для различных z: a) z = 3 см, б) z=4 см, в) z = 6 см, г) z = 8 см. Динамический диапазон 60 дБ.
Заключение
Для решения задачи получения объёмных акустических изображений высокого разрешения в медицинской диагностике в настоящей работе предложены 3 метода, использующие различные датчики и методы сканирования. Все методы требуют осуществления цифровой обработки сигналов, оцифрованных на радиочастоте, по алгоритмам, приведенным в соответствующих главах.
Корректность предложенных методов следует из использования при их построении анализа решения волнового уравнения, приведенного в гл. 1. Корректность перехода от аналитических вычислений к цифровым обосновывается в гл. 2. Методика компьютерного моделирования и универсального физического эксперимента обоснованы в гл. 3.
По своим характеристикам предложенные методы отличаются друг от друга.
Метод сканирования гл. 5 является наиболее простым с точки зрения аппаратной реализации датчика (может быть использован одноэлементный трансдюсер с фиксированным фокусом) и приемо-передающей части прибора (требуется один приемо-передающий канал, позволяющий оцифровывать принятый сигнал на радиочастоте). Он позволяет получить высокое отношение сигнал-шум, однако требует большого времени обзора пространства ввиду большого количества излучений сигнала и механического перемещения датчика. В большом диапазоне дальностей поперечное разрешение будет равно разрешению в фокусе трансдюсера.
Предложенный в гл. 6 метод позволяет в несколько десятков раз уменьшить количество излучаемых ультразвуковых импульсов, однако требует механического перемещения датчика. Отношение сигнал-шум в данном методе ниже, чем в методе гл. 5, и электронная часть прибора сложнее.
В гл. 7 излагается метод сканирования, использующий неподвижный датчик. По количеству излучений сигналов для одного кадра 3-D изображения данный метод аналогичен методу гл. 6, но при этом он не требует механического перемещения датчика. В отличие от разрабатываемых в настоящее время двумерных фазированных решеток количество элементов в датчике мало (порядка 200-500) и уровень боковых лепестков в сфокусированном сигнале невысок по сравнению с 2-D разреженными решетками при высоком пространственном разрешении. В результате обработки приведенным алгоритмом фокусировки (с когерентным сложением) можно достичь поперечного разрешения, превосходящего разрешение одноэлементного сфокусированного трансдюсера с размером, равным размеру предложенного датчика. Недостатком метода является низкое отношение сигнал-шум.
Разделение передающих и приемных каналов в датчиках гл. 6 и гл. 7 позволяет для повышения отношения сигнал-шум использовать длинные кодированные последовательности импульсов с большим коэффициентом сжатия (100-1000).
Достоверность всех методов, изложенных в работе, доказана путем компьютерного моделирования, а методов глав 5 и 6, кроме того, путем физического эксперимента.
Методы гл. 6 и гл. 7 решают проблему сокращения времени сканирования при 3-D визуализации. При этом показано, что предложенные методы обеспечивают высокое пространственное разрешение по всем направлениям, причем поперечное разрешение может быть выше, чем у современных приборов 2-D изображения.
В соответствии с характеристиками методов можно предложить следующие области медицинского применения. Для метода бездифракционного луча гл. 5 — маммография, офтальмология, дерматология; для метода комбинированного электронно-механического сканирования гл. 6 — маммография, абдоминальные исследования, исследования малых органов; для метода 2-D виртуальной решетки гл. 7 — исследования малых органов, кардиология. Малое время съема данных в последнем методе должно позволить получать «мгновенное» 3-D изображение движущегося сердца с высоким разрешением (без использования приемов накопления данных с синхронизацией по сердечному ритму), что невозможно осуществить другими известными методами. Указанные методы могут также найти применение в неразрушающем контроле материалов.
Поскольку размер синтезируемой апертуры в предложенных методах фокусировки велик, для исправления изопланатических фазовых аберраций при исследованиях «трудных» пациентов необходимо использовать методы, основанные на вычислении функции взаимной корреляции сигналов или на обращении волнового фронта. Большинство описанных в литературе методов могут быть использованы в предложенных схемах сканирования гл. 6 и гл. 7, а также гл. 5 в случае использования в качестве датчика линейной решетки.
При построении методов 3-D сканирования разработана теория анализа сигналов на основе их пространственно-временных спектров. Разработана теория построения 2-D виртуальной решетки для случая гауссовых лучей.
Разработанные методы позволят повысить диагностическую способность медицинской сонографии, особенно для быстро движущихся органов, таких как сердце. Реализация аппаратной части приборов технически возможна уже в настоящее время. Получение 3-D изображения большой области пространства в реальном времени, однако, в медицинском приборе на настоящее время невозможно, т. к. это требует вычислительных комплексов, в несколько десятков раз превосходящих по производительности системы класса персональных компьютеров, построенных на базе процессоров типа «Intel Pentium 4», или системы с несколькими процессорами цифровой обработки сигналов.
В настоящее время возможно осуществлять в реальном времени синтез изображений нескольких 2-D сечений объема среды, по которым можно осуществлять наведение датчика, после чего отснятые один или несколько кадров 3-D изображения будут обработаны в течение нескольких минут по алгоритму 3-D фокусировки и станут доступны для просмотра. Для предварительной фокусировки в реальном времени следует использовать алгоритмы, построенные на основе методов динамической фокусировки или синтетической апертуры. Их рассмотрение выходит за рамки настоящей работы.
Учитывая постоянный прогресс в области средств вычислительной техники, следует ожидать возможности реализации синтеза 3-D изображения в реальном времени предложенными методами в медицинском приборе средней ценовой категории через 8-12 лет.
Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Елизаров, Алексей Борисович, 2004 год
1. D. Kirbach, Т. A. Whitlingham. "3D Ultrasound — the Kretztechnic Volu-son® Approach". Eur. J. Ultrasound, vol. 1, pp. 85-89, 1994.
2. T. R. Nelson, D. H. Pretorius. "Three-Dimensional Ultrasound Imaging". Ultrasound in Med. Biol., vol. 24, no. 9, pp. 1243-1270, 1998.
3. S. Berg, H. Torp, D. Martens, E. Steen, S. Samstad, I. Hoivik, B. Olstad. "Dynamic Three-Dimensional Freehand Echocardiography Using Raw Digital Ultrasound Data". Ultrasound in Med. Biol., vol. 25, no. 5, pp. 745-753, 1999.
4. R. Canals, G. Lamarque, P. Chatain. "Volumetric Ultrasound System for Left Vertical Motion Imaging". IEEE Trans. UFFC, vol. 46, no. 6, Nov. 1999.
5. P. O. Corel, C. S. Kino. "A Real-Time Synthetic Aperture Imaging System". Acoust. Imaging, vol. 9, pp. 341-355, 1970.
6. S. I. Nikolov, J. A. Jensen, R. Dufait, A. Schoisswohl. "Three-Dimensional Real-Time Synthetic Aperture Imaging Using a Rotating Phased Array Transducer". Proc. IEEE Ultrason. Symp., pp. 1509-1517, 2002.
7. S. W. Smith, W. Lee, E. D. Light, J. T. Yen, P. Wolf, S. Idriss. "Two-Dimensional Arrays for 3-D Ultrasound Imaging". Proc. IEEE Ultrason. Symp., pp. 1509-1517,2002.
8. J. T. Yen, S. W. Smith. "Real-Time Rectilinear 3-D Ultrasound Using Receive Mode Multiplexing". Abstracts IEEE Ultrason. Symp., p. 66, 2003.9. http://www.medical.philips.com.
9. C. Passmann, H. Ermert. "A 100 MHz Ultrasound Imaging System for Der-matologic and Ophthalmologic Diagnostics". IEEE Trans. UFFC, vol. 43, pp. 545-552, July 1996.
10. С. H. Frazier, W. D. O'Brien, Jr. "Synthetic Aperture Techniques with a Virtual Source Element". IEEE Trans. UFFC, vol. 45, pp. 196-207, Jan. 1998.
11. J. T. Ylitalo, H. Ermert. "Ultrasound Synthetic Aperture Imaging: Monostatic Approach". IEEE Trans. UFFC, vol. 41, pp. 333-339, May 1994.
12. M. Бененсон, H. С. Кульберг. Алгоритмический синтез дифракционно-ограниченного луча для получения трехмерных изображений высокого разрешения. Доклады Академии наук, т. 352, № 5} Сс. 606609, Москва, 1997.
13. Z. М. Benenson, N. S. Kulberg, Т. Т. Kasumov. "A New Approach to Obtain Non-Diffraction Beam with Near-Field Resolution on Linear and Convex Arrays". Acoust. Imaging, vol. 23, pp. 303-308, 1997.
14. J.-Y. Lu, M. Fatemi, J. F. Greenleaf. "Pulse-Echo Imaging With X-Waves". Acoust. Imaging, vol. 22, pp. 191-196, 1996.
15. J.-Y. Lu. "2D and 3D High Frame Rate Imaging With Limited Diffraction Beams". IEEE Trans. UFFC, vol. 44, no. 4, pp. 839-856, July 1997.
16. X. Yin, S. A. Morris, W. D. O'Brien, Jr. "Experimental Spatial Sampling Study of the Real-Time Ultrasonic Pulse-Echo BAI-mode Imaging Technique". IEEE Trans. UFFC, vol. 50, pp. 428-440, 2003.
17. Г. Кайно. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. М.: Мир, 1990.
18. D. Rachlin. Direct Estimation of Aberrating Delays in Pulse-Echo Imaging Systems. J. Acoust. Soc. Am., vol. 88, no. 1, pp. 191-198, July 1990.
19. J.-F. Aubry, D. Cassereau, M. Tanter, T. Pellegrini, M. Fink. Skull Surface Detection Algorithm to Optimize Time Reversal Focusing Through a Human Skull. Proc. IEEE Ultrason. Symp., pp. 1419-1422, 2002.
20. M. O'Donnell, S. W. Flax. Phase Aberration Measurements in Medical Ultrasound: Human Studies. Ultrasonic Imaging, vol. 10, pp. 1-11, 1988.
21. J. A. Jensen. "A Model for the Propagation and Scattering of Ultrasound in Tissue". J. Acoust. Soc. Amer. vol. 89, no. 1, pp. 182-190, 1991.
22. Л. M. Бреховских, О. А. Годин. Акустика слоистых сред. М.: Наука, 1989.
23. Под ред. К. Хилла. Применение ультразвука в медицине. Физические основы. М.: Мир, 1989.
24. Под ред. С. Уэбба. Физика визуализации изображений в медицине. Том 2. М.: Мир, 1991.
25. J. W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics", New York: McGraw Hill Book Company, 1968.
26. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1973.
27. Л. Ф. Лепендин. Акустика. М.: Высшая школа, 1978.
28. A. Penttinen, М. Luukkala. "The Impulse Response and Pressure Near-Field of a Curved Ultrasonic Radiator". J. Phys. D 9, pp. 1547-1557, 1976.
29. M. Б. Виноградова, О. В. Руденко, А. Н. Сухоруков. Теория волн. М.: Наука, 1979.
30. У. Прэтт. Цифровая обработка изображений (в 2-х кн.). Кн. 1. М: Мир, 1982.
31. Дж. Гудмен. Статистическая оптика. М.: Мир, 1998.
32. Д. Даджион, Р. Мерсеро. Цифровая обработка многомерных сигналов. М.: Мир, 1988.
33. Р. Эдварде. Ряды Фурье в современном изложении. Том 1. М.: Мир, 1985.
34. J. A. Jensen, P. Munk. "Computer Phantoms for Simulating Ultrasound B-Mode and CFM Images". Acoustical Imaging, vol. 23, pp. 75-80, 1997.38. http://bul.eecs.umich.edu.
35. P. Г. Придэм, P. А. Муччи. Цифровой интерполяционный метод формирования луча для низкочастотных и полосовых сигналов. ТИИЭР, т. 67, июнь 1979.
36. J1. В. Осипов. Ультразвуковые диагностические приборы. М.: Видар, 1999.
37. G. R. Lockwood, J. R. Talman, S. S. Brunke. "Real-Time 3-D Ultrasound Imaging Using Sparse Synthetic Aperture Beamforming". IEEE Trans. UFFC, vol. 45, no. 4, July 1998.
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.