Введение к работе
Введение. Среди известных средств медицинской визуализации (медицинской интроскопии) ультразвуковые диагностические методы занимают особое место, что объясняется их существенными достоинствами.
Из всех методов ультразвуковых (УЗ) исследований наибольшее распространение получил эхолокационный метод, при котором могут быть получены различные виды акустических изображений: одномерные (М и А-эхограммы), двумерные (В-эхограммы) и трехмерные (ЗД-изображения), а также изображения на основе использования допплеровских режимов.
Разработка и производство УЗ диагностических систем сконцентрированы в относительно небольшом количестве фирм-производителей. За рубежом лидирующие позиции в разработке, производстве и продаже УЗ систем занимают такие фирмы, как General Electric Medical Systems, Philips, Aloka, Toshiba, Siemens, Esaote Biomedica, Medison, Fukuda Denshi, Hitachi, Shimadzu, Medelcom.
В России имеется несколько фирм, где ведется разработка УЗ диагностических систем: "Спектромед", "ИзоМед" и "БИОСС". Следует сказать, что объем производства и продаж российских приборов уступает зарубежному. Объясняется это, прежде всего, отсутствием поддержки отечественных производителей со стороны государственных структур. Общее количество УЗ диагностических приборов, поставляемых ежегодно в медицинские учреждения России, составляет более 2000 шт. Доля отечественных приборов в этом объеме, к сожалению, не превышает 10%.
Вопреки обстоятельствам, отечественные разработчики сумели добиться определенных успехов в разработке и производстве УЗ приборов, предназначенных для массового использования.
Номенклатура моделей УЗ систем, производимых и поставляемых в медицинские учреждения в настоящее время, чрезвычайно разнообразна — от простых переносных приборов до сложных и дорогих приборов экспертного
класса. Общий годовой объем продаж УЗ диагностических систем в мире превышает 2,5 млрд. долл. США.
Несмотря на большие финансовые возможности крупных зарубежных компаний, многие серьезные технологические достижения в области создания новых моделей УЗ диагностических систем были получены в небольших фирмах, университетских лабораториях и венчурных компаниях.
Широкое применение УЗ исследований обусловлено следующими основными преимуществами перед другими методами медицинской визуализации.
Высокая диагностическая информативность во многих областях медицинского применения, что объясняется чувствительностью УЗ полей рассеяния к физическим различиям и физиологическим изменениям характеристик биологических тканей.
Способность оценивать динамические характеристики движущихся структур, прежде всего кровотока.
Практическая безвредность УЗ исследований для пациента и врача, что обеспечивается лимитированным уровнем излучаемой мощности ультразвука.
Относительно небольшие размеры и вес аппаратуры.
Известны проблемы и ограничения существующих УЗ систем диагностики:
невозможность получения информации приемлемого качества о га-зосодержащих структурах (легкие, кишечник), а также об органах и тканях, находящихся за газосодержащими структурами;
трудность получения диагностических данных при наблюдении через структуры со значительным отражением, а также с большим затуханием или неоднородностями, приводящими к аберрациям изображения;
недостаточная способность выявления диагностически значимых изменений в биологических тканях в тех случаях, когда эти изменения не вызывают заметных различий акустических характеристик.
Кроме указанных принципиальных проблем имеются и другие трудности, препятствующие получению качественной информации в УЗ диагностических системах и обусловленные физическими и технологическими ограничениями.
В последние годы имел место заметный рост технического уровня аппаратуры для УЗ диагностики, что привело к более широкому применению этого вида исследований, как за рубежом, так и в нашей стране. В силу большой популярности УЗ диагностических исследований накоплен и постоянно пополняется внушительный экспериментальный материал, на базе которого совершенствуются возможности УЗ визуализации. Кроме того, в силу естественного соперничества между производителями УЗ приборов, непрерывно разрабатываются новые аппаратные и программные решения, а также создаются новые технологии, позволяющие существенно улучшить качество получаемой информации.
Тем не менее, далеко не все потенциальные возможности метода УЗ визуализации исследованы и найдены наилучшие технические и идеологические решения с целью реализации их на практике.
Указанные выше ограничения УЗ метода диагностики приводят к тому, что для принятия правильных диагностических заключений на основе УЗ исследований во многих случаях требуется большой практический опыт врача-диагноста и зачастую хорошая интуиция. Неоднозначность толкования наблюдаемых изображений, а иногда их недостаточная информативность или невозможность получения требуемых данных для точной своевременной диагностики, приводят к тому, что УЗ исследования в ряде случаев "проигрывают" рентгеновским и магнитно-резонансным методам диагностики.
Например, имеются значительные проблемы при УЗ исследованиях "трудных" (difficult to image) пациентов, к которым относятся лица с избыточным весом, послеоперационными рубцами, гипертрофированной мышечной массой и т.д.
Известно, что рентгеновские методы диагностики очень часто позволяют выявлять опухолевые образования на более ранней стадии их возникновения, чем УЗ метод.
Так же хорошо известно, что для исследований головного мозга наиболее эффективной является магнитно-резонансная томография. Транскраниальные (через черепную кость) УЗ исследования не обеспечивают хорошее качество В-изображения.
Усилия исследователей направлены на то, чтобы преодолеть перечисленные трудности и предложить новые или улучшить известные способы повышения качества получаемой информации.
Для проведения эффективных ультразвуковых исследований надо обеспечить выполнение следующих информационных требований.
-
Получение необходимого энергетического уровня сигналов и разрешающей способности акустического изображения, т.к. только в этом случае можно рассчитывать на успешное выполнение задачи диагностики. При этом должны обеспечиваться хорошая контрастность изображения и высокий темп обзора.
-
Устранение, компенсация или учет мешающих биофизических явлений, которые не позволяют получить пригодную для анализа информацию или затрудняют получение требуемых энергетических параметров и разрешения.
-
Проведение дифференциации тканей, т.е. определение принадлежности тканей тому или иному органу или типу биологической ткани, и, самое главное, выделение патологических структур или других изменений на фоне здоровых тканей.
-
Обработка информации в выделенных областях интереса с целью получения количественных характеристик и уточнения диагностического заключения.
Теоретический анализ связи и зависимости между основными параметрами биологических тканей и результатами УЗ исследований далеко не всегда дают возможность преодолеть имеющиеся многочисленные трудности.
Поэтому, существенная роль в предлагаемой работе отведена не только теоретическим, но и эвристическим методам решения задач там, где теоретические подходы, используемые для анализа и синтеза проектируемых систем, не дают нужного результата.
Актуальность работы обусловлена высокой важностью задачи совершенствования ультразвукового метода визуализации и поиска принципиально новых решений, позволяющих справиться с трудностями и проблемами, ограничивающими сферы применения перспективного метода медицинской диагностики.
Цель диссертационной работы — проведение теоретических и экспериментальных исследований, поиск новых решений и технологий, а также создание аппаратных и программных средств повышения диагностических возможностей метода УЗ визуализации.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие теоретические и практические задачи.
-
Провести анализ процесса распространения УЗ волн в биологических тканях с целью определения связи между полем рассеяния и характеристиками биологических тканей с учетом затухания в среде и нелинейных эффектов.
-
Исследовать характеристики рассеяния биологических тканей, в том числе зависимости характеристик рассеяния от частоты.
-
Рассмотреть направления повышения информативности УЗ систем диагностики, а также принципиальные возможности преодоления имеющихся на этом пути ограничений и проблем.
-
Исследовать искажения акустических изображений, а также артефакты изображений, с целью разработки способов компенсации искажений и снижения влияния артефактов.
-
Исследовать возможные методы дифференциации биологических тканей с целью повышения эффективности УЗ диагностики.
-
Уточнить основные соотношения, определяющие принципы получения информации о движении биологических структур с помощью цветового допплеровского картирования.
-
Рассмотреть возможности практической реализации разрабатываемых предложений, технических средств и алгоритмов, а также оценить их эффективность.
В процессе решения поставленных задач использовались теоретические методы исследований, экспериментальные исследования и численное моделирование.
При выполнении теоретических исследований использовались подходы, разработанные в теории волн, акустике и статистической радиотехнике.
Научная новизна Научная новизна диссертационной работы определяется следующими конкретными результатами, полученными в процессе работы.
-
На основе волнового уравнения получены соотношения, позволяющие связать сигналы на выходе устройства обработки УЗ сканера с характеристиками биологической среды. Введено и определено понятие характеристической функции биологических тканей, которая может быть использована для дифференциации тканей.
-
Предложен новый метод формирования излучаемых сигналов и приема эхо-сигналов, названный методом частотно-динамической апертуры. Метод позволяет обеспечить одновременную многофокусность излучения и приема, в результате чего существенно повышается частота кадров.
-
Предложен способ повышения контрастной разрешающей способности с помощью декорреляции боковых лепестков приемной диаграммы датчика УЗ сканера.
-
Предложена осесимметричная неэквидистантная конфигурация двумерной антенной решетки, которая позволяет значительно упростить по-
строение датчиков для перспективных УЗ диагностических систем. Предложен метод оптимизации построения таких решеток и оценены возможности метода.
-
Систематизированы артефакты акустического изображения и проанализированы обуславливающие их физические причины. Рассмотрены способы выявления и устранения артефактов.
-
Предложен новый метод компенсации аберраций акустического изображения, возникающих вследствие неоднородностей биологической среды. Экспериментально подтверждена возможность использования этого метода для существенного повышения качества акустического изображения головного мозга при транскраниальных УЗ исследованиях.
-
Предложены новые методы дифференциации биологических тканей:
-на основе анализа локальной частоты эхо-сигналов
- путем оценки амплитудно-частотного спектра эхо-сигналов.
Проведены экспериментальные исследования, подтверждающие перспективность использования этих методов для улучшения качества диагностики.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Под руководством автора диссертационной работы было проведено несколько научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в результате которых созданы модели ультразвуковых сканеров: "Эхоскан-1" и "Эхоскан-3". Серийное производство этих приборов освоено на Первом Московском приборостроительном заводе. В дальнейшем при участии автора была разработана серия более совершенных компьютеризованных приборов: "Эхоскан-10", "Эхоскан-1 Оп" и "Эхоскан-1 Од".
Эти модели производятся серийно на предприятии НПО КП (г. Москва). Общее количество произведенных приборов, поставленных в отечественные медицинские учреждения и проданных за рубеж, составило более 500 шт.
По результатам эксплуатации приборов были получены положительные отзывы от медицинских специалистов.
В настоящее время в активной стадии разработки находятся две перспективные модели приборов: "Эхоскан-100" и "Эхоскан-100п", в которых реализуется ряд новых результатов, полученных в диссертационной работе.
Результаты систематизации и сравнительной оценки эффективности новых методов повышения эффективности УЗ диагностических систем входят в программу учебных курсов, подготовленных автором и регулярно докладываемых студентам МИРЭА и МГТУ им. Н.Э. Баумана, а также курсантам факультета усовершенствования врачей ММА им. Сеченова и медицинского факультета Международного университета им. П. Лумумбы. Положения, выносимые на защиту
Основными результатами, полученными автором в процессе проведения НИР и ОКР в ВНИИМП и впоследствии на предприятии "ИзоМед",, являются следующие.
-
Теоретическое рассмотрение полей рассеяния в биологических тканях в результате воздействия ультразвуковых волн, анализ связи между характеристиками тканей и результатами оценки полей рассеяния с помощью УЗ сканеров.
-
Эффективность предложенных автором методов повышения информационных возможностей УЗ диагностических систем, а также способов оптимизации построения систем.
-
Новые технологические решения, позволяющие существенно повысить качество акустического изображения головного мозга при транскраниальном УЗ исследовании.
-
Новые методы дифференциации тканей для повышения качества диагностики при проведении УЗ исследований, а также алгоритмы их реализации.
Апробация работы Результаты работы были доложены на нескольких конференциях, симпозиумах и научно-технических семинарах в НИИ медицинского приборостроения, в НЦХ им. Б.В. Петровского, на симпозиумах по новым технологиям в ультразвуковой диагностике в Пензе (1999г.) и в Тюмени (2004г.), на между-
народном конгрессе "Человек и лекарство" в 2003г., международной конференции "Медицинская физика" в 2005г. Содержание диссертационной работы отражено в 28-ти печатных работах и в 3-х патентах на изобретения.
Выпущена одна авторская монография и две коллективных монографии с участием автора, а также два учебных пособия, в которых нашли отражение результаты работы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 128 наименований и приложения; содержит 316 страниц текста и приложения, 58 рисунков и 16 таблиц.
