Закономерности возникновения артефакта псевдопоток в неоднородных средах и его применение в ультразвуковой диагностике
На правах рукописи
Богдан Ольга Павловна ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ АРТЕФАКТА «ПСЕВДОПОТОК» В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКЕ Специальность:
05.11.17 — Приборы, системы и изделия медицинского назначения
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Томск 2012
Работа выполнена на кафедре «Приборы и методы контроля качества» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова» (ФГБОУ ВПО ИжГТУ имени М.Т.Калашникова, г. Ижевск)
Научный консультант: Муравьева Ольга Владимировна доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Авдеева Диана Константиновна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор кафедры «Информационно-измерительная техника» Герасимов Сергей Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения», профессор кафедры «Строительная механика»
Ведущая организация: ФГБУН Институт механики УрО РАН
Защита состоится 4 декабря 2012 г. в 17 ч.00 мин. на заседании диссерта ционного совета Д 212.269.09 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследова тельский Томский политехнический университет» по адресу: 634028, Россия, г.
Томск, ул. Савиных, 7, ауд. 215.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Национального исследовательского Томского политехнического университета по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 55.
Автореферат разослан октября 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.269.09 к.т.н., доцент Винокуров Б.Б.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Ультразвуковая (УЗ) диагностика широко при меняется в современной медицине. В своей практической деятельности при проведении исследований врачи УЗ диагностики встречаются с различными эхографическими артефактами (ложными изображениями), при этом возникает необходимость определения соответствия реальной картине отображаемого на экране сканера сигнала. С одной стороны, неправильная интерпретация арте фактов может привести к ошибочной диагностике, с другой стороны, понима ние физических причин, лежащих в основе происхождения ложных изображе ний, дает дополнительную диагностическую информацию и способствует ус пешному анализу полученных данных, тем самым повышая информативность УЗ исследования.
Под артефактами в УЗ диагностике понимают появление на изображении несуществующих структур, отсутствие существующих структур, неправильное расположение, яркость, очертания и размеры структур. Артефакты можно раз делить на две основные группы: аппаратурные артефакты, возникающие вслед ствие технических причин, в том числе, из-за несовершенства аппаратуры (на пример, алайсинг-артефакт, артефакт ложного отсутствия потока, артефакт рас текания цвета, артефакт широкого луча), и физические артефакты, связанные с взаимодействием УЗ луча и биологической ткани (например, артефакт акусти ческой тени, артефакт мерцания, зеркальный артефакт, артефакт вспышки, ар тефакт поглощения, артефакт «псевдопоток»).
К физическим артефактам относят артефакт «псевдопоток» (ложный или некровяной поток), состоящий в визуализации движения объекта в режиме цветного и энергетического допплера, возникающего в неоднородных жидких средах вследствие внешних воздействий.
Исследования артефакта «псевдопоток», проводимые Камбеллом С., Кал линаном Дж., Рубенсом Д., Громовым А.И., Кубовой С.Ю. и др., показали воз можность его использования для диагностирования различных жидкостных об разований, в медицинской практике.
Артефакт «псевдопоток» имеет место при движении под действием УЗ луча взвешенных в жидкости дисперсных частиц (скопления пигментной взве си или детрита, лизированная кровь, ранее излившаяся в просвет жидкостного образования) или газовых пузырьков (вводимые в кровоток контрастные веще ства и пузырьки, возникшие при газовой эмболии). Причинами возникновения артефакта являются радиационное давление, действующее на неоднородность;
тепловые эффекты, вызванные воздействием УЗ излучения;
кавитация, возни кающая преимущественно в газосодержащих жидкостях. Основной причиной возникновения артефакта «псевдопоток» является действие силы радиационно го давления на неоднородности, находящиеся в жидкой среде в УЗ поле. Также большое значение имеют тепловые эффекты, которые существенно усиливают ся при распространении УЗ волны в неоднородных средах, что может вызвать локальный перегрев тканей. Степень движения неоднородностей в жидкости под действием ультразвука, а следовательно, и выраженность артефакта на эк ране сканера, зависит от уровня интенсивности УЗ излучения. Снижение уров ня интенсивности УЗ излучения может привести к исчезновению отображения движения на экране сканера. Увеличение интенсивности ведет к повышению риска возникновения механических повреждений и локального перегрева био логических тканей. Поэтому одной из актуальных проблем современной меди цинской диагностики является оценка уровня интенсивности УЗ излучения и его распределения в пространстве. Разработанные к настоящему времени мето ды измерения интенсивности УЗ излучения не обладают достаточной чувстви тельностью к диагностическому ультразвуку.
На выраженность артефакта влияют физические свойства среды, в том числе и упругие. В настоящее время активно развивается технология улучше ния визуализации неоднородностей мягких тканей по их сдвиговым характери стикам – метод эластографии. Несмотря на множество схем реализации метода эластографии, они не позволяют количественно определять модули упругости, а лишь повышают контрастность изображения, к тому же устройство эласто графии является довольно дорогостоящим оборудованием. Использование ар тефакта «псевдопоток», вызванного действием внешнего механического давле ния, для реализации метода эластографии имеет большую практическую зна чимость для дифференцирования образований и окружающей их среды.
Из указанного следует, что изучение механизмов возникновения артефак та «псевдопоток» в зависимости от параметров УЗ волн и характеристик неод нородных сред является актуальным и позволяет оценить безопасность и повы сить информативность методов за счет разработки новых методов УЗ диагно стики.
Работа выполнялась в рамках федеральной целевой программы НК-767П «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- годы, тема НИР «Исследование физических механизмов образования «псевдо потоков» в ультразвуковых допплерографических системах»;
студенческого гранта Американского акустического общества, работа «Закономерности возникновения артефакта ультразвуковой допплерографии «псевдопоток» (2011 г.);
государственного задания Министерства образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012 - 2014 годов в части проведения научно-исследовательских работ, проект № 7.1378.2011 «Исследо вание механизмов взаимодействия физических полей с биосистемами и разра ботка биомедицинских технологий повышения безопасности, эффективности и информативности медицинских приборов и систем»;
проекта ПСР/М2/Н2.5/МВВ Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «Иж ГТУ имени М.Т. Калашникова» на 2012-2016.
Цель работы. Исследование физических закономерностей возникнове ния артефакта «псевдопоток» для повышения информативности и безопасности УЗ диагностики.
Для реализации цели в работе решаются следующие задачи:
1. Моделирование артефакта «псевдопоток» на основе сил радиационного давления.
2. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей возникновения артефакта «псевдопоток» в зависимости от свойств неоднород ных жидких сред, параметров УЗ излучения.
3. Исследование теплового действия УЗ излучения медицинского обору дования в неоднородных средах.
4. Разработка способа оценки уровня интенсивности УЗ излучения меди цинского оборудования с использованием артефакта «псевдопоток» и устрой ства для его реализации.
5. Разработка способа оценки упругих свойств мягких тканей с использо ванием артефакта «псевдопоток» и устройства для его реализации.
Объект исследования: физический артефакт «псевдопоток», связанный с взаимодействием УЗ луча и биологической ткани.
Предмет исследования: физические механизмы возникновения артефак та «псевдопоток», основанные на силах радиационного давления;
тепловое дей ствие ультразвука в неоднородных средах, способы эластографии и оценки ин тенсивности УЗ излучения на основе использования артефакта «псевдопоток».
Методы и средства исследования При исследованиях использованы основные положения теории гидроди намики, теории акустики и теории упругости, методы математического моде лирования на ЭВМ, реализованные в программной среде MathCAD, экспери ментальные исследования на УЗ медицинском диагностическом и терапевтиче ском оборудовании с использованием радиотехнической аппаратуры.
Новые научные результаты 1. Предложена физико-математическая модель возникновения артефакта УЗ допплерографии «псевдопоток», основанная на совместном действии на не однородность силы радиационного давления, выталкивающей силы и силы тя жести, учитывающая влияние физических свойств и размеров неоднородностей и параметров УЗ излучения.
2. Теоретически и экспериментально исследованы основные механизмы возникновения артефакта «псевдопоток» и тепловые механизмы воздействия УЗ излучения на неоднородности в виде сильно- и слабосжимаемых и несжи маемых частиц.
3. Разработан способ оценки интенсивности УЗ излучения медицинского оборудования и визуализации ее распределения в пространстве, основанный на измерении скоростей движения пузырьков фиксированных размеров, или раз меров пузырьков, находящихся в равновесии в жидкости в условиях УЗ воздей ствия, и устройство для его реализации.
4. Разработан способ оценки упругих свойств неоднородности, основан ный на определении ее виброскорости, вызванной внешним механическим воз действием с оптимизированными параметрами, и устройство для его реализа ции.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов под тверждены корректным использованием методов теории гидродинамики, тео рии акустики и теории упругости;
согласованием теоретических и эксперимен тальных результатов;
воспроизводимостью результатов экспериментальных ис следований.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработанные модели и выявленные закономерности возникновения артефакта «псевдопоток» позволяют повысить информативность УЗ исследова ния за счет дифференциации неоднородных образований и оценки их упругих модулей.
2. Теоретические и экспериментальные исследования коэффициентов по глощения УЗ волн в неоднородных средах позволили рассчитать тепловые ин дексы и обосновать предельно допустимые уровни интенсивности и времени озвучивания при проведении УЗ исследований, особенно в случае использова ния контрастных веществ.
3. Разработанный способ оценки интенсивности УЗ излучения обладает расширенными функциональными возможностями за счет повышения чувстви тельности, минимизации искажений акустического поля, вызванных наличием мишени радиометра, возможности измерения интенсивности при наклонном падении УЗ волн.
4. Разработанный способ эластографии позволяет количественно оценить упругие модули неоднородности, увеличить контрастность изображения, и мо жет быть использован в качестве дополнительного способа УЗ доплеровской диагностики неоднородных неподвижных сред.
5. Разработанный способ и устройство оценки упругих свойств ткани прошли апробацию в условиях БУЗ УР «ГКБ №2 МЗ УР» на фантомах неодно родных сред с использованием УЗ диагностического оборудования. Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бакалавров по направ лению 200100 «Приборостроение» в виде лабораторных работ по курсу «Аку стические методы и средства медицинской диагностики и лечения».
Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Физико-математическая модель появления артефакта УЗ допплерогра фии «псевдопоток», основанная на воздействии сил радиационного давления, и исследованные механизмы его возникновения в неоднородных средах с учетом их физических свойств и геометрических размеров неоднородностей при раз личных параметрах УЗ излучения.
2. Способ расчета теплового индекса в неоднородных средах в дуплекс ном режиме УЗ исследования.
3. Способ оценки интенсивности УЗ излучения, основанный на определе нии скорости движения и размеров пузырьков в жидкости под воздействием УЗ излучения.
4. Способ оценки упругих свойств неоднородности, основанный на изме рении виброскорости неоднородности, вызванной дополнительными механиче скими колебаниями, в режиме УЗ допплерографии.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждались на 15-й Всероссийской межвузовской научно-технической кон ференции «Микроэлектроника и информатика-2008» (Зеленоград, 2008г.);
Все российской научной конференции «Наука. Технологии. Инновации» (Новоси бирск, 2008г.);
Конкурсе инновационных проектов программы «У.М.Н.И.К.» (Новосибирск, 2008г.);
2-ой Международной студенческой научно-технической конференции «Новые направления развития приборостроения» (Минск, 2009г.);
II форуме молодых ученых, организованном в рамках 4-й Международной кон ференции «Технические университеты: интеграция с европейскими и мировы ми системами образования» (Ижевск, 2010г.);
Республиканском конкурсе «Мо лодой изобретатель Удмуртской Республики» (Ижевск, 2010г.);
ХXII и XXV Сессии Российского акустического общества (Москва, 2010г., Таганрог, 2012г.);
V, VI и VII Всероссийской научно-технической конференции «Прибо ростроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (Ижевск, 2008г., 2010г. и 2011г.);
I и II Всероссийской научно-технической конференции «Измерение, контроль и диагностика» (Ижевск, 2010г. и 2012г.);
Научно-технической конференции «Молодые ученые – ускорению научно технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2011г.);
молодежном конкурсе инновационных работ «Инновационное стремление» (Ижевск, 2012г.) и др. Ре зультаты работы отмечены 19 дипломами различного уровня.
Публикации. Основные теоретические и практические результаты дис сертации опубликованы в 24 печатных работах, среди которых 3 статьи в веду щих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 11 статей в сборниках трудов и материалах конференций и 8 тезисов конферен ций различного уровня, 1 учебно-методическое издание, 1 заявка на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 192 на именования, 11 приложений. Основная часть диссертации изложена на страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок и 17 таблиц.
Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и за дачи исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость рабо ты, приведены научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ существующих методов УЗ диагности ки;
показаны возможности и причины негативных последствий проведения УЗ диагностического исследования;
приведена классификация аппаратурных и фи зических артефактов УЗ диагностики. Большой вклад в данную область внесли следующие ученые: группы ученых под руководством О.В.Руденко (МГУ име ни М.В.Ломоносова), под руководством Л.В.Осипова (МГТУ имени Н.Э.Баумана), под руководством Л. Розенберга (Акустический институт имени академика Н. Н. Андреева), К.Т. и Ф. Дуссик (США), Д.Д.Уайлд (США), Д.Хаури (США), Я.Дональд (Великобритания), И.Эдлер и К.Х.Герц (Швеция), Ш.Сатомура, Я.Нимура и К.Като (Япония), Ф.А.Фирестоун (США), Д.Спрул (Англия), M.Айд (Япония), Бейкер (США), Л.Поурселот (Франция), К.Баба (Япония) и Д.Кинг (США), и др. Наибольшее распространение в современных УЗ медицинских сканерах, получил дуплексный режим излучения, состоящий в одновременном отображении на экране сканера изображения В-режима и изо бражения режима цветного допплеровского картирования (CMF-режим), в ко тором наилучшим образом наблюдается артефакт «псевдопоток».
Рассмотрены варианты неоднородных жидкостей, которые имеют место в организме человека, в которых может возникнуть артефакт «псевдопоток». Ус тановлено, что в качестве неоднородных жидкостей могут выступать суспензии (жидкость с несжимаемыми частицами), эмульсии (жидкость со слабо сжимае мыми частицами) и газовзвеси (жидкость с сильно сжимаемыми частицами пузырьками). На основе анализа литературы сформулированы цель и задачи ис следования.
Во второй главе предложена и исследована физико-математическая мо дель возникновения артефакта «псевдопоток» для различных неоднородностей (несжимаемых, сильно и слабо сжимаемых), находящихся в жидкости, в УЗ по ле. Модель артефакта основана на результирующем действии силы радиацион ного давления FR, силы тяжести FT и выталкивающей силы FV (рис. 1):
F FR FV FT. Результирующая сила F вызывает направленное движение неоднородности, скорость которого определяется по формуле Стокса:
v F (6r ), где – вязкость среды, r – радиус неоднородности.
Рис.1 Силы, действующие на неоднородность находящуюся в жидкости в УЗ поле Выталкивающая сила FV:
4r 3 0 g FV, (1) где 0 – плотность среды, g – ускорение свободного падения. В дуплексном ре жиме на тело, помещенное в УЗ поле действует суммарная радиационная сила:
FR FR1 FR 2 cos, (2) где FR1 и FR2 – сила радиационного давления УЗ волны в В-режиме и в CMF режиме, – угол, под которым излучается УЗ волна, в CMF-режиме. Вид ра диационной силы зависит от материала неоднородности. В частности, для сильно сжимаемой сферы (газового пузырька) сила радиационного давления равна:
4r 2 kr4 I FR, C0 kr6 3 2 kr (3) где =0/, – плотность сферы, k=2f/C0 - волновое число, f – частота излуче ния УЗ волны, C0 – скорость звука в среде, µ=С/С0, С - скорость звука в неодно родности, I – интенсивность УЗ излучения. В дуплексном режиме используют интенсивность, осредненную по времени, равную:
1 + I SPTA 2 2, I SPTA = I SPTA1 + I SPTA 2 = I SPTA 1 (4) T1 T где ISPTA–1, ISPTA–2 – интенсивности, осредненные по времени следования им пульсов в пачке, ISPTA1, ISPTA2 – интенсивности, осредненные по времени сле дования пачек импульсов, 1, 2 – длительность пачек импульсов, Т1, Т2– пе риоды повторения пачек импульсов В-режима и CMF-режима соответственно.
вода с пузырьками вода с пузырьками молоко молоко вода с тальком вода с тальком (1) и глицерин с тальком (2) глицерин с тальком Рис. 2 Модель артефакта «псевдопоток» в различных Рис. 3 Визуализация артефакта средах:
- экспериментальные результаты «псевдопоток» в различных средах Разработанная модель позволяет исследовать закономерности возникно вения артефакта «псевдопоток» в зависимости от частоты и интенсивности УЗ излучения, физических свойств неоднородных сред, размеров и физических свойств неоднородностей. Результаты расчета скорости движения пузырька в воде в УЗ поле представлены на рис. 2. Сплошной линией показано движение частиц «от датчика», когда сила радиационного давления превышает выталки вающую, пунктирной - «к датчику». Проведены экспериментальные исследова ния артефакта на УЗ медицинском сканере MyLab15 в дуплексном режиме на различных модельных средах (вода с газовыми пузырьками, молоко с содержа нием частиц молочного жира, вода и глицерин с частицами медицинского таль ка). Наблюдается удовлетворительное согласование теоретических результатов с экспериментальными (рис. 3).
Исследовано тепловое действие УЗ излучения в неоднородных средах.
Теоретически показано существенное преобладание коэффициента поглощения УЗ колебаний в неоднородной среде по сравнению с однородной. Для экспери ментального подтверждения разработан способ измерения коэффициента по глощения в жидкостях, основаный на сравнительном анализе температурных кривых в процессе облучения ультразвуком исследуемой и опорной (вода) сред.
Опорная среда, поглощение в которой пренебрежимо мало, используется для исключения влияния на результаты повышения температуры, обусловленного нагревом УЗ излучателя и возможного теплообмена с окружающей средой.
Блок-схема установки представлена на рис. 4.
Рис. 4 Блок-схема экспериментальной установки для измерения коэффициента поглощения УЗ волн: 1 – УЗ терапевтический аппарат УЗТ-1.01 Ф, 2 – УЗ излучатель, 3 – исследуемая жидкость, 4 – термокамера, 5 – крышка термокамеры, 6 – датчик температуры, 7 –пирометр Optris MS Pro, 8 – компьютер с программным обеспечением Optris Connect 1.3. Исследуемая жидкость 2, находящаяся в термокамере 4, облучается УЗ терапевтическим аппаратом УЗТ 1.01 Ф 1 (частота излучения f= 880 кГц, ин тенсивность I=1 Вт/см2, режим излучения: непрерывный). Датчик температуры 6 (термопара), подключенный к пирометру Optris MS Pro 7 (диапазон измере ния:
-32 + 420 °C, погрешность измерения температуры 0,1 °C), регистрирует изменение температуры T. Повышение температуры T, обусловленное по глощением в процессе воздействия УЗ излучения на исследуемую жидкость, равно:
p I SPTA t T =, (5) 0 C p где t – время воздействия ультразвуком, Сp – удельная теплоемкость при по стоянном давлении, р=t++r – коэффициент поглощения, – коэффициент поглощения обусловленный вязкостью среды, t – коэффициент поглощения обусловленный теплопроводностью среды, r – коэффициент релаксационного поглощения, обусловленный наличием неоднородностей:
V p me 1 0 2 0 0 r =, (6) 2C0 m p 0 1 + 0 где me – масса частицы, – частота, mр – масса жидкости, вытесненной части цей, 0 – частота «релаксации», Vp - – объемная концентрация взвешенных час тиц.
Разработанный способ дает возможность прямого измерения коэффици ента поглощения с погрешностью не более 10-15% и позволяет оценить тепло вые эффекты при УЗ облучении различных сред (in vitro) в условиях отсутствия тепловых потерь для оценки эффективности как при использовании терапевти ческого ультразвука, так и при оценке безопасности использования диагности ческого ультразвука.
Исследования коэффициента поглощения для неоднородных сред исполь зованы при расчетах теплового индекса, на основе которого можно судить о безопасности диагностического ультразвука. Тепловой индекс TI определяется по формуле:
I SPTA К1 p1 + К 2 p2 t I SPTA TI = =, (7) I SPTA1 С 0C p Т где ISPTA1°C – интенсивность, осредненная по времени следования пачек им пульсов, необходимая для увеличения температуры среды на Т=1°С;
К1, К2 – доли интенсивностей ISPTA1 и ISPTA2 в суммарной интенсивности ISPTA. Увели чение времени озвучивания, интенсивности и коэффициента поглощения ульт развука в среде может приводить к существенному превышению предельно до пустимых уровней тепловых индексов особенно на высоких частотах и в случае неоднородных сред. В частности, показано, что значение теплового индекса TI для некоторых неоднородных сред может превышать в 1,52 раза установлен ные стандартами значения (BMUS: TI=0,7 (сканирование плода), TI=3,0 (иссле дование плода), TI=1,0 (офтальмологические исследования)) и существенно от личаться от отображаемых на экране УЗ сканера значений.
В третьей главе представлены разработанные способ и устройство оцен ки интенсивности УЗ излучения медицинского оборудования и способ визуали зации акустического поля преобразователя, основанные на использовании ар тефакта «псевдопоток».
На рис. 5 представлена схема экспериментальной установки, реализую щей способ оценки интенсивности излучения УЗ терапевтического аппарата УЗТ-1.01 Ф (частота излучения f= 880 кГц, интенсивность I 0,05;
0,2;
0,4;
0,7;
Вт/см2). На дне прозрачной (стеклянной) емкости (30х16х20 см3) с дегазиро ванной водой 3, покрытой поглотителем 8, установлен формирователь пузырь ков 4, который под действием компрессора (давление 0,012 МПа) создает га зовые пузыри. Излучатель 2 излучает УЗ волну в направлении противополож ном направлению всплытия газовых пузырьков, движение которых регистриру ется с помощью фото- или видеосъемки 7 или УЗ сканером.
Рис. 5 Блок-схема установки для измерения интенсивности УЗ излучения:
1 - УЗ терапевтический аппарат УЗТ-1.01 Ф, 2 – УЗ излучатель, 3 – емкость с дегазированной водой, 4 – формирователь пузырьков, 5 – регулятор размеров пузырьков, 6 – компрессор, 7 – фото- или видеокамера, 8 – поглотитель Способ оценки интенсивности УЗ излучения основан на измерении ско рости движения v пузырька заданного диаметра в воде, находящегося в УЗ по ле. Согласно разработанной в главе 2 модели действие сил может приводить к направленному движению пузырька от датчика, к датчику или к состоянию равновесия в зависимости от радиуса пузырька, уровня интенсивности, среды распространения ультразвука. Зависимости интенсивности УЗ излучения I от скорости движения пузырька v и радиуса пузырька r, находящегося в равнове сии (v=0 м/с, FR=FV) по которым определяется величина интенсивности, пред ставлены на рис. 6, а и 7, а.
а б Рис. 6 Скорость движения пузырька в поле УЗ излучения 1 – 0,88 МГц, 2 – 1,5 МГц, 3 – 2, МГц, 4 – 3,5 МГц, 5 – 5 МГц, 6 – 7,5 МГц, 7 – 10 МГц, 8 – 12,5 МГц:
а - теория, б - эксперимент В зависимости от исследуемого ультразвукового устройства для регист рации скорости движущегося в УЗ поле пузырька используют видеокамеру (по грешность измерения скорости 4%) или измеряемый УЗ сканер с допплеров ским режимом (погрешность измерения скорости 110%). На рис. 6, б пред ставлены результаты экспериментальных измерений интенсивности УЗ излуче ния терапевтического аппарата, погрешность которой не превышает 12,5 %.
Также способ позволяет определять интенсивность УЗ излучения (рис. 7) и ее пространственное распределение (рис. 8) по измерению радиусов газовых пузырьков, находящихся в равновесии, появление которых обусловлено аку стической кавитацией.
а б Рис.7 Зависимость интенсивности УЗ излучения I от радиуса пузырька r, находящегося в равновесии (v=0) 1 – 0,88 МГц, 2 – 1,5 МГц, 3 – 2,5 МГц, 4 – 3,5 МГц, 5 – 5 МГц, 6 – 7,5 МГц, 7 – 10 МГц, 8 – 12,5 МГц: а - теория, б - эксперимент теория эксперимент (погрешность 13%30%) Рис. 8 Визуализация акустического поля преобразователя УЗ терапевтического аппарата УЗТ 1.01Ф ( f=880 кГц, I=1 Вт/см2) В случае плоского преобразователя радиусы газовых пузырьков в про странстве изменяются в соответствии с распределением интенсивности в аку стическом поле преобразователя. В дальней зоне наблюдается плавное умень шение радиусов пузырьков находящихся в состоянии равновесия пропорцио нально ослаблению интенсивности УЗ излучения (рис. 8). Таким образом, за фиксировав размеры газовых пузырьков в акустическом поле преобразователя, можно визуально оценить распределение интенсивности акустического поля.
Погрешность измерения интенсивности УЗ излучения не превышает 15 %.
Разработанный способ оценки интенсивности, в отличие от известных способов с большой мишенью, прост в реализации, обладает расширенными функциональными возможностями за счет повышения чувствительности, ми нимизации искажений акустического поля, вызванных наличием мишени ра диометра, возможности измерения интенсивности при наклонном падении УЗ волн.
В четвертой главе представлены способ и устройство количественной оценки и визуализации упругих свойств среды (эластография). Эластография представляет собой технологию улучшения визуализации неоднородностей мягких тканей по их сдвиговым характеристикам за счет наложения дополни тельного давления на исследуемую область, создаваемого вручную или меха ническим способом, вызывая в исследуемом органе вибрации с определенной частотой. Суммарная виброскорость, регистрируемая УЗ сканером (рис. 9) при воздействии на неоднородность механическим давлением хх с частотой f опре деляется выражением:
V Vxx V yy cos, 2 (8) где Vxx=2fхх/E, Vyy=2fхх/E, хх - механическое давление, меняющееся по гармоническому закону с частотой f, Е – модуль Юнга, – длина УЗ волны, – коэффициент Пуассона. Определение значения упругого модуля среды производится по регистрируемой виброскорости V под воздействием меха нических напряжений с известными параметрами ххf (рис. 10).
Рис. 9 К расчету относительных де- Рис. 10 Зависимость виброскорости v от модуля сдвига формаций и абсолютных смещений, G для различных значений произведения ххf: 1– Па·Гц, 2–106 Па·Гц, 3–107 Па·Гц, возникающих в среде под влиянием 4–108 Па·Гц, 5–109 Па·Гц механических напряжений Представленные на рис. 10 зависимости позволяют оптимизировать со отношение давления и частоты механических колебаний для повышения кон трастности изображения при минимальном давлении. С увеличением частоты уменьшается значение давления, необходимого для достижения значения виброскорости в пределах чувствительности УЗ доплеровского сканера.
Рис. 11 Установка для визуализации упругих свойств среды: 1 – УЗ допплеровский сканер, – УЗ датчик, 3 – контактная среда, 4 – исследуемый объект, 5 – излучатель механических ко лебаний, 6 – усилитель, 7 – генератор Для реализации способа разработано устройство оценки упругих свойств тканей (рис. 11). С генератора 7 через усилитель 6 подается синусоидальный сигнал на низкочастотный излучатель механических колебаний электродина мического типа 5, который создает механические колебания в исследуемом объекте 4 с неоднородными упругими свойствами среды. УЗ допплеровский сканер 1 регистрирует виброскорости, вызванные воздействием низкочастотно го ультразвука, за счет использования эффекта Допплера (погрешность оценки скорости 0,1 см/с). Излучатель механических колебаний электродинамического типа, развивает давление хх от 20 до 140 кПа в диапазоне частот fподкачки от 1 до 100 Гц, 10 Гц 30 Гц 50 Гц 100 Гц Рис. 12 Эластограмма фантома при различных частотах механических колебаний Для апробации способа оценки упругих свойств ткани разработан фантом мягких тканей с неоднородностью, обладающий следующими параметрами: не однородность - скорость продольной УЗ волны C=1750 м/с, плотность = кг/м3, коэффициент затухания =1 дБ/см;
окружающая среда - скорость про дольной УЗ волны С=1665 м/с, плотность =1050 кг/м3, коэффициент затухания =0,45 дБ/см. Рис. 12 иллюстрирует возможности повышения контрастности изображения за счет изменения частоты подкачки. Получены следующие зна чения модулей сдвига G: неоднородность G=37 кПа, среда вокруг неоднород ности G=49 кПа.
В приложение вынесены зависимости скорости движения неоднородно стей от параметров излучения для различных чисел Рейнольдса, таблицы с ре зультатами расчетов, характеристики и сборочные чертежи излучателя механи ческих колебаний электродинамического типа, имитатора виброскорости, то чечного приемника УЗ колебаний, акты о внедрении, дипломы выставок и кон ференций.
Общие выводы по работе 1. Разработана физико-математическая модель возникновения артефакта УЗ допплерографии «псевдопоток», основанная на совместном действии на не однородность силы радиационного давления, выталкивающей силы и силы тя жести, учитывающая влияние физических свойств сред (плотность, вязкость, скорость УЗ волн), размеров неоднородностей и параметров УЗ излучения (ин тенсивность, частота, режим излучения, направление озвучивания). Основные закономерности возникновения артефакта «псевдопоток» исследованы теоре тически с использованием разработанной модели и подтверждены эксперимен тально на ряде модельных сред с неоднородностями в виде сильно- и слабо сжимаемых и несжимаемых частиц.
2. Теоретически и экспериментально исследованы тепловые механизмы воздействия УЗ излучения в неоднородных средах и предложен новый способ расчета теплового индекса в неоднородных средах в дуплексном режиме УЗ ис следования, позволяющий обосновать предельно допустимые уровни интен сивности и времени озвучивания при проведении УЗ исследований, особенно в случае использования контрастных веществ.
4. Разработан новый способ оценки интенсивности УЗ излучения меди цинского оборудования и визуализации ее распределения в пространстве, осно ванный на модели поведения газового пузырька в жидкости, по измеренным значениям скоростей движения пузырька и размеров пузырьков в условиях УЗ воздействия. Разработанный способ оценки интенсивности УЗ излучения обла дает расширенными функциональными возможностями за счет повышения чувствительности, минимизации искажений акустического поля, вызванных наличием мишени радиометра, возможности измерения интенсивности при на клонном падении УЗ волн, с погрешностью оценки не более 15%.
5. Разработан новый способ количественной оценки упругих свойств не однородности, основанный на определении ее виброскорости, вызванной внешним механическим воздействием и устройство для его реализации. Опти мизированы параметры механического воздействия (частота, давление) для достижения максимальной чувствительности метода. Разработанный способ эластографии позволяет оценить упругие модули неоднородности, увеличить контрастность изображения, и может быть использован в качестве дополни тельного способа УЗ доплеровской диагностики неоднородных неподвижных сред.
6. Разработанный способ и устройство оценки упругих свойств неодно родности прошли апробацию в БУЗ УР «ГКБ №2 МЗ УР» на фантомах неодно родных сред с использованием медицинского УЗ диагностического оборудова ния. Результаты исследований внедрены в учебный процесс подготовки бака лавров по направлению 200100 «Приборостроение» в виде лабораторных работ по курсу «Акустические методы и средства медицинской диагностики и лече ния».
Публикации автора в изданиях, рекомендованных ВАК России 1. Коробейникова О.В., Кузнецов Е.П., Богдан О.П. Исследование физи ческих механизмов артефакта ультразвуковой допплерографии «псевдопоток» // журнал «Медицинская физика». – 2009. – № 3 (43). – С. 64–70.
2. Коробейникова О.В., Кузнецов Е.П., Богдан О.П., Фостик Е.А. Разра ботка методики визуализации упругих свойств ткани с использованием ультра звуковой допплерографии // журнал Вестник Ижевского государственного тех нического университета. – 2010. - № 2 (45). – С. 97-100.
3. Богдан О.П. Влияние артефактов на результаты ультразвуковых доп плеровских исследований // научно-практический журнал «Интеллектуальные системы в производстве». – 2009. – № 1 (13). – С. 173-180.
Публикации автора в других изданиях 4. Богдан О.П., Муравьева О.В., Аббакумов К.Е., Коновалов Р.С. Влияние параметров ультразвукового излучения и физических свойств среды на воз можность возникновения артефакта «псевдопоток» // Сборник научных трудов «Поисковые научные исследования молодых ученых по техническим наукам в научно-образовательных центрах Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» имени В.И.Ульянова (Ленина)». – Санкт-Петербург, 2010. – С. 91-97.
5. Богдан О.П., Овчинникова М.А. Исследование электроакустических параметров пьезопластин на основе ЦТС-19 и ПВДФ // Измерение, контроль и диагностика. Сборник статей. – Ижевск: Проект, 2010. – С. 210–215.
6. Korobeynikova O.V., Bogdan O.P. Verification method of ultrasound inten sity of medical equipment //
Abstract
proceeding 32nd International Spring Seminar on Electronics Technology. Brno, Czech republic on May 13-17, 2009. – Brno: Brno University of Technology, 2009. – 294-295 pp.
7. Korobeynikova O.V., Bogdan O.P. Verification method of ultrasound inten sity of medical equipment // Proceeding 32nd International Spring Seminar on Elec tronics Technology "Hetero System Integration, the path to New Solutions in the Modern Electronics". Brno, Czech republic on May 13-17, 2009. – Brno: Brno Uni versity of Technology, 2009. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
8. Korobeynikova O.V., Kuznetsov E.P., Bogdan O.P. Investigations of Arti fact «Pseudo-flow» Physical Mechanisms in Ultrasound Dopplerography // World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7 - 12, 2009, Munich, Germany. Vol. 25/2 Diagnostic Imaging. – Munich: Springer, 2009. – 11- pp.
9. Korobeynikova O.V., Bogdan O.P., Khudyakova E.B., Budanova E.A. The Investigation Of Ultrasonic Waves’ Absorption Coefficient In Organic Media // Second Forum of Young Researchers. In the framework of International Forum Education Quality – 2010: Proceedings (April 22, 2010, Izhevsk, Russia). – Iz hevsk: Publishing House of ISTU, 2010. – 347–353 pp.
10. Коробейникова О.В., Богдан О.П., Буданова Е.А. Исследование тепло вых эффектов ультразвуковой допплерографии // Сборник трудов XXII сессии Российского акустического общества и сессии Научного совета РАН по акусти ке. Т. 3. Акустика речи. Медицинская и биологическая акустика. (Москва, 15 17 июня 2010г.). М.: ГЕОС, 2010. – С. 121–125.
11. Богдан О.П., Коробейникова О.В. Разработка методики калибровки приемника ультразвукового излучения по уровню интенсивности // Тез. докл. 2 й международной студенческой н.-т. конф. Минск, 22-24 апр. 2009г. – Минск:
Изд-во БНТУ, 2009. – С. 51.
12. Богдан О.П. Методика поверки интенсивности излучения ультразву кового медицинского оборудования // Тез. докл. Всерос. науч. конф. молодых ученых: В 7 ч. Ч. 1. Новосибирск, 4-7 декабря 2008 г. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. – С. 247-249.
13. Богдан О.П. Оценка интенсивности ультразвукового излучения меди цинских диагностических сканеров // Тез. докл. 15-й Всерос. межвуз. н.-т. конф.
студентов и аспирантов. Зеленоград, 23-25 апр. 2008 г. – М.: МИЭТ, 2008. – С.
254.
14. Богдан О.П. Допплеровский артефакт, вызванный стриминг-эффектом // Тез. докл. IX Всерос. науч. конф. студентов и аспирантов: В 3 т. Т. 2. Таган рог, 23-24 окт. 2008 г. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2008. – С. 72-74.
15. Богдан О.П., Худякова Е.Б., Буданова Е.А Тепловые эффекты ультра звукового излучения в неоднородных жидкостях // ВНКСФ-16: Шестнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, г.
Волгоград, 22 - 29 апреля 2010 г.: материалы конф., информ. Бюл.: в 1 т. – Т. 1.
– Екатеринбург, Волгоград: Изд-во АСФ России, 2010. – С. 423–424.
16. Муравьева О.В., Богдан О.П., Караваев Р.В., Богдан А.А. Методика измерения интенсивности излучения акустического поля ультразвуковых пре образователей медицинской аппаратуры // Сборник трудов Интеграция науки, образования и производства – 2010. Приборостроение в XXI веке: сборник ма териалов VI Всероссийской научно-технической конференции (Ижевск, Иж ГТУ, 7-9 декабря 2010г.). Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. – С. 155-160.
17. Худякова Е.Б., Богдан О.П. Влияние структуры среды на закономер ности появления артефакта ультразвуковой допплерографии «псевдопоток» // «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке»:
сб. тр. науч.-техн. конф. аспирантов, магистрантов и молодых ученых (Ижевск, 15 – 18 марта 2011 г.). в 3 т. Т.1. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. – С. 15-21.
18. Муравьева О.В., Богдан О.П., Овчинникова М.А. Разработка методики эластографии с использованием В-режима ультразвукового диагностирования // Приборостроение в XXI веке - 2011. Интеграция науки, образования и произ водства: сб. материалов VII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, посвященной 50-летию приборостроительного фа культета (Ижевск, 15-17 ноября 2011 г.). – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2012. – С.
194-197.
19. Богдан О.П. Теоретические и экспериментальные исследования арте факта ультразвуковой допплерографии «псевдопоток» // Акустика речи. Меди цинская и биологическая акустика. Архитектурная и строительная акустика.
Шумы и вибрации. Аэроакустика. Сборник трудов Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акусти ческого общества» Т. 3. – М.: ГЕОС, 2012. – С. 70-73.
20. Богдан О.П., Овчинникова М.А. Сравнительные исследования воз можностей методик эластографии в статическом и динамическом режимах // Измерения, контроль и диагностика – 2012: сб. материалов II Всероссийской науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, с междунар. уча стием, посвященной 60-летию Ижевского государственного технического уни верситета имени М.Т. Калашникова (Ижевск, 14–16 мая 2012 года). — Ижевск:
Союз. – C. 35-39.
21. Богдан О.П., Караваев Р.В., Богдан А.А. Разработка методики и уст ройства оценки интенсивности излучения ультразвукового медицинского обо рудования // Сборник инновационных проектов выставки сессии ИжГТУ, про ходящей в рамках II Республиканского инновационного форума (Ижевск, 23- ноября 2010г.). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
22. Богдан О.П., Медведева Е.В. Методика и устройство ультразвуковой эластографии // Сборник инновационных проектов выставки сессии ИжГТУ, проходящей в рамках II Республиканского инновационного форума (Ижевск, 23-24 ноября 2010г.). 1 электрон. опт. диск (CD-ROM).
23. Муравьева О.В., Богдан О.П. Устройство измерения интенсивности ультразвукового излучения. Заявка на полезную модель № 2012135871 от 24.08.2012г.
Учебно-методические издания 24. Муравьева О.В., Богдан О.П., Кулешова Д.С. Акустические методы и средства медицинской диагностики и лечения: методические указания по вы полнению лабораторных работ для бакалавров по направлению 200100 «При боростроение». Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2011. – 48 с.