Способ определения коэффициентов отражения границ биологической ткани и устройство для его осуществления

Способ определения коэффициентов отражения границ биологической ткани и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1397026 А 1 (51)4 А 61 В 8/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4021026/28-14 (22) 10.02.86 (46) 23.05.88. Бюл. ¹ 19 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт токов высокой частоты им. В.П.Вологдина (72) Л.А.Шифрин, Б.Е.Михалев, К.А.Федченков и А.Н.Яблонский (53) 615.475(088.8) (56) Хэвлайс Дж.Ф., Тайнзер Дж.К.

Ультразвуковая визуализация в медицине. — ТИИЭР, 1979, т. 67, № 4, с. 209-234.

Патент США № 4414850, кл. G 01 N 29/00, 1980. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ

ОТРАЖЕНИЯ ГРАНИЦ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение предназначено для ультразвуковых способов исследования, Цель изобретения — повышение точности определения. Устройство содержит пьезопреобразователи 1 2, генераторы

3 4 зондирующих сигналов, избирательные фильтры 5 6, логарифмические усилители .7 8, детекторы 91 10, регистратор 1, схемы запоминания экстремума, сумматор, интегратор и антилогарифмирующее устройство. Исследуемая область облучается ультразвуком с помощью пьезопреобразователя 1 и генератора 3. Ультразвуковые сигналы,отраженные от грани раздела, принимаются тем же преобразователем и после усиления и компенсации затухания в блоке отображаются регистратором 11

Дополнительная частотная селекция эхо-сигналов обеспечивается избирательными фильтрами 5,6. Логарифмическое сжатие амплитуды эхо-сигналов происходит в логарифмических усилителях

7, 8. Способ обеспечивает непосред ственное измерение отражательной спо- С собности исследуемых тканей без применения временной селекции эхо-сигналов и оценки времени их прихода.

2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1397026 где f х— с

Е1-Е!

k-1 Е +Е„

Коэффициент прохождения плоской волны через границу W связан с коэффици2р ентом отражения формулой (2) W=1-k. (8) Изобретение касается ультразвуковых (УЗ) способов и устройств исследования структуры мягких биологических тканей, Цель изобретения — повышение точности определения способа и повышение быстродействия устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 — схематическая иллюстрация работы одномерной УЗ локационной системы; на фиг. 3 — слоистая модель исследуемой среды.

Устройство содержит пьезопреобразователи 1 и 2, генераторы 3 и 4 зондирующих сигналов и избирательные фильтры 5 и 6, работающие на первой и второй частотах соответственно, а также логарифмические усилители 7 и 8,,детекторы 9 и 10, регистратор

11, схемы 12 и 13 запоминания экстремума, сумматор 14 с суммирующим входом и двумя вычитающими входами, интегратор 15, антилогарифмирующее уст- 25 ройство 16, Исследуемая область тела (фиг. 2) представляет собой чередующиеся слои ткани с различными акустическими импедансами Е,, Z, Е . Исследуемая 3р область облучается УЗ с помощью пьезопреобразователя 1 и генератора 3 УЗ сигналы, отраженные от границ !8 и 19 раздела, принимаются тем же преобразователем и после усиления и компенсации затухания в блоке 17 отображаются регистратором 1 1.

I.Каждый иэ слоев слоистой модели среды (фиг. 3) характеризуется тол- 4р щиной d, коэффициентом затухания e(,. а граница раздела между соседними слоями — коэффициентом отражения k; .

При этом предполагается, что направление распространения УЗ волны перпен- 45 дикулярно границам раздела соседних слоев. Процесс образования эхо-сигнала от первой границы раздела представляет собой следующую цепь событий: затухание в первОм слое Отражение 5д

1 от первой границы, вторичное затухание в первом слое, При формировании отраженного сигнала от второй границы происходят следующие явления: затухание УЗ в первом слое, прохождение че- 55 рез первую границу и вторичное затухание во втором и первом слоях.

Отношение амплитуд принятого U и посланного U„ сигналов при нормальном падении УЗ на границу раздела двух сред можно представить в виде

0 г= -- =k ехр(-2 (x), (1)

Um частота УЗ; расстояние до границы; амплитудный коэффициент затухания, дБ см МГц, коэффициент отражения, связанный с акустическим импедансом первой Е, и второй

Е1 сред формулой

Исходя из изложенного, относительное значение амплитуды эхо-сигнала от первой границы раздела может быть представлено в виде

r„pk„exp(2f Ы а ) (3)

Аналогично для второй границы раздела справедливо соотношение

rz=k

h г; =k„U W>)exp(-2f dh d„). (5)

Зондирование на двух частотах позволяет получить две оценки относительной интенсивности эхо-сигналов!!» i-.! !!= i

r,, =k, 11 WÄexp(-2f,, „, ),(6) — W exp{-2, g „),(7)

1 где r °,r — отношение амплитуд при!! 9 1а нятого и зондирующего сигналов на частотах

f и f< соответственно.

Прологарифмировав отношение (6) к (7), получают

И»1

j.nr -1пг -2 < „ (f,-f,).

Подставив (8) в (6), после несложных преобразований получают

I 397026

1п(1, П V„ )= г — — --- 1nr.

-f

1 (9)

Из (9), учитывая (2), следует, что коэффициент отражения УЗ от i-й границы можно представить в виде г2 50 ехр(- — -- inr; — — — -1пг! ) 2- 1 1 (1О)

П (! k„) В усилительном тракте с логариф!

5 мической амплитудной характеристикой сигналы U=lnr могут быть получены непосредственно, Проиллюстрируем полученное соотношение следующим примером: расстояние до первой границы (i=1) x=5 см и зондирование ведется на двух частотах f 2 МГц и f =4 МГц. Коэффициент отражения УЗ волны от рассматриваемой границы k 0,05 . Усредненная величина затухания УЗ в мягких тканях

4= 1 дБ МГц см . Тогда затухание УЗ на низкой частоте 20 дБ, т.е. эхосигнал ослаблен в 10 раз. Аналогично на высокой частоте ослабление равно 40 дБ или 100 раз.

Таким образом, относительная интенсивность эхо-сигнала на низкой частоте равна r« -5 .IO . Соответст— -3 венно, г,2=5.10, Подставив полученные значения в,(9), получают ink„=

=-2,99 или иначе k 0,05. Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает непосредственное измерение отражательной способности исследуемых 40 тканей без применения временной селекции эхо-сигналов и оценки времени их прихода. Коррекция результатов глубинных слоев достигается при

Этом интерационным характером фор" 4i цулы (10), а именно знаменателем

he!-1

П (1-kh}

Пример. В исследуемую область 5( тела одновременно с помощью преобразователей l и 2 и генераторов 3 и 4 излучают два пакета УЗ колебаний первой и второй частоты..Акустическая энергия, частично QTpGKGHcb oT границ 55 раздела соседних слоев с различными импедансами, принимается преобразователями 1 и 2 в соответствиис их резонансными частотами. Дополнительная частотная селекция эхо-сигналов обеспечивается избирательными фильтрами

5 и 6. Логарифмическое сжатие ампли тудЫ эхо-сигналов IlpoHcxo T в логарифматоре 7 и 8. В детекторе 9 и !0 сигналы детектируются ° Максимумы продетектированных сигналов находятся в схеме 12 и 13 запоминания. Сумматор !

4 обеспечивает алгебраическое суммирование амплитуд логарифмированных эхо-сигналов с заданным весом 2 f1 и — - - и 2. Дпя автоматичесf 1 f2 f

2 T. 1 кого учета потерь энергии при прохождении границ в состав устройства введен интегратор !5 и цепь обратной связи, замкнутая на вычитающий в ход сумматора 14.

Принцип действия этого контура автоматического управления может быть пояснен, исходя из следующих преобразований выражения (9). Логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей. Кроме того, при k (i справедливо приближение ln(l-k) -k.

Величина. коэффициента отражения в мягких тканях не превышает значений

0,1. Это позволяет представить выражение (9) в следующем приближенном виде:

f Г2

ink = --- -- 1nr,, — -- - 1nr + 2 Г -Г

+2,> k„.

Соотношению (11) соответствует структурная схема контура управления, состоящая из сумматора, интегратора, антилогарифматор а, охваченных цепью обратной связи,как показано на (фиг. 1)

Возможность практического использования предлагаемого изобретения вытекает из того, что при большом чнсh= i-1 ле п в слагаемом, k „операция

1 суммирования может быть заменена интегрированием. В результате устройство фиг. 1) обеспечивает точную реализацию предлагаемого способа измерений.

Формула изобретения

l. Способ определения коэффициентов отражения границ биологической ткани путем излучения двух пакетов

1397026 акустических сигналов разных частот, приема эхо-сигналов, их селекции по частоте, логарифмического усиления амплитуды сигналов и детектирования, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения, измеряют максимальные значения продетектированных сигналов и вычисляют коэффициент отражения от границы . биологической ткани по формуле

exp(f -f Ä ) (Г., 1пц; -f

" 1где k., — коэффициент отражения от

i-й границы биологической ткани;

f,, f — частоты двух пакетов, аку2 стических сигналов;

U»U; — максимальные значения продетектированных эхо-сигналов соответственно частот

f1 и Г1.

2. Устройство для определения коэффициентов отражения границ биологической ткани, включающее два приемопередающих канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные генератор, пьезопреобразователь, избирательный фильтр логарифмический усилитель и амплитудный детектор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродей10 ствия, приемопередающие каналы содержат блок выделения максимума амплитуды, выходы приемопередающих каналов соединены с суммирующим и первым вычитающим входами сумматора, выход которого додключен к последовательно г соединенным антилогарифмическому блоку и интегратору, причем регистратор соединен с входом интегратора, его выход — с вторым вычитающим входом

2О сумматора, коэффициенты передачи сум" матора по суммирующему, первому и второму вычитающим входам соответственно равны частному от деления частоты второго генератора на разность 5 частот генераторов, .частному от деления частоты первого генератора на разность частот генераторов и двум.

I 397026

Составитель Ю.Порецкий

Редактор Н.Рогулич Техред Л.Олийнык Корректор Л. Пилипенко

Заказ 2544/3 Тираж 655 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, .4