Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Описание метода исследования и моделей 19
1.1 Обобщенная модель канала распространения 19
1.2 Метод импульсных характеристик в акустике 23
1.3 Описание моделей 35
1.3.1 Модель биологического объекта 35
1.3.2 Модель ультразвукового преобразователя 40
1.3.3 Модель зондирующего сигнала 43
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Исследование свойств системы «ультразвуковой преобразователь — канал распространения» 47
2.1 Импульсная характеристика системы «ультразвуковой преобразователь — канал распространения» 47
2.1.1. Нефокусированный ультразвуковой преобразователь 47
2.1.2. Ультразвуковой преобразователь с фокусировкой 60
2.2 Система «ультразвуковой преобразователь — канал распространения» как фильтр с пространственно-зависимой частотной характеристикой 79
2.3 Применение импульсных характеристик системы «ультразвуковой преобразователь — канал распространения» 81
2.3.1 Исследование широкополосных сигналов при распространении в зоне Френеля ультразвукового преобразователя 82
2.3.2 Исследование распределения поля широкополосного сигнала в зоне Френеля ультразвукового преобразователя 96
Выводы по главе 2 106
Глава 3. Исследование слоя биологической ткани одной природы как стационарной линейной системы 108
3.1 Импульсная характеристика слоя биологической ткани одной природы 108
3.2 Применение импульсной характеристики слоя биологической ткани одной природы . 113
3.2.1 Исследование влияния слоя биологической ткани одной природы на широкополосный сигнал 113
3.2.2 Исследование влияния слоя биологической ткани одной природы на распределение поля широкополосного сигнала в зоне Френеля ультразвукового преобразователя 121
Выводы по главе 3 127
Выводы по работе 129
Заключение 133
Библиографический список 137
- Метод импульсных характеристик в акустике
- Нефокусированный ультразвуковой преобразователь
- Исследование широкополосных сигналов при распространении в зоне Френеля ультразвукового преобразователя
- Исследование влияния слоя биологической ткани одной природы на широкополосный сигнал
Введение к работе
Современная медицина очень широко применяет ультразвуковые системы диагностики (УЗСД). Идея построения подобных систем, работающих по принципу эхолокации, возникла еще в 60-х годах прошлого века, бурно развивалась в 80-е годы и базировалась на идеях гидролокации. В настоящее время УЗСД используются для неинвазивного1 исследования внутренних органов посредством ультразвуковой (УЗ) визуализации, а также для контроля параметров кровотока. Широкое применение ультразвука в медицине объясняется не только его возможностями, но и относительной безопасностью для человека: при уровнях экспозиции, соответствующих заданной степени риска для пациентов, УЗСД способны обеспечить значительно большее отношение сигнал/шум, чем системы медицинской визуализации, основанные на применении ионизирующего излучения [64].
Конечной целью любой медицинской диагностической процедуры является получение достоверной информации об исследуемых органах, тканях и системах организма, на основе анализа которой может быть принято правильное решение о наличии или отсутствии патологии или о методе лечения. Для врачей УЗСД представляет собой инструмент, который должен обеспечивать получение такой информации. При этом применение УЗСД должно обеспечивать возможность получения информации из любой точки человеческого тела, представляющего собой канал распространения ультразвука в виде объемно-распределенной случайно-неоднородной среды, отражающей зондирующие эхосигналы.
1 Неинвазивный (от лат. invasio - вторжение) - термин используется для характеристики методов исследования или лечения, во время которых на кожу не оказывается никакого воздействия с помощью игл или различных хирургических инструментов. Поэтому, в отличие от сходных задач радиолокации и гидролокации, где существует и обычно ставится задача идентификации ограниченного числа точек обзора и целей на фоне возможных мешающих отражений и внешних помех [24, 31, 41, 44, 54, 58, 62, 65, 68, 69, 71-74], в задаче УЗ медицинской локации потенциально все точки исследуемых биологических объектов представляют интерес и заведомо каждая из них является как источником полезного отраженного сигнала, так и источником помех для соседних точек, что характерно для задач зондирования [76, 77, 83].
При использовании УЗ методов исследования биологических объектов информацию о состоянии внутренних органов и тканей получают двумя основными способами:
1) на основе визуального анализа эхограммы - двумерного или трехмерного изображения, полученного эхолокационными методами [36, 57, 59,64,81,98];
2) на основе оценивания количественных параметров органов, тканей и процессов [89, 92, 93, 105].
Основным видом эхограмм, используемых в современных УЗСД, является двумерная В-эхограмма. Для ее получения используется эхо-импульсное зондирование по глубине в сочетании, со сканированием (механическим или электронным) в поперечном направлении. При формировании такого изображения амплитуда принимаемого сигнала определяет яркость в плоскости изображения вдоль линии, соответствующей положению оси УЗ пучка в сечении объекта в данный момент времени [64].
Эхограммы, формируемые УЗСД, позволяют получить количественную информацию двух видов: а) амплитуду отраженного сигнала (распределение яркости по изображению) и б) данные о геометрии взаимного распределения отражателей на исследуемом направлении, исследуемой плоскости или в объеме [2,46, 81]. Дополнительная, но не количественная, а качественная (субъективная) информация может быть извлечена опытным врачом-диагностом из анализа структуры распределения отраженных сигналов и их относительных яркостей (амплитуд) по полю изображений [2]. Извлечение такой качественной информации является своего рода искусством, определяется уровнем профессионализма и носит субъективный характер.
Необъективность при постановке диагноза и большая вероятность постановки неверного диагноза являются основными недостатками УЗ диагностики на основе анализа эхограммы [60]. Так, например, в случае ряда заболеваний печени, таких как цирроз и жировое перерождение, требующих совершенно разного лечения, могут иметь место неотличимые друг от друга эхограммы [38, 64]. С другой стороны, ряд особенностей на эхограмме, которые представляются диагностически значимыми, может появиться в результате неправильной установки предварительных настроек УЗСД. Например, при неправильной установке коэффициента усиления нормальную печень можно идентифицировать как пораженную циррозом [91, 100, 106].
Причиной этому служит тот факт, что амплитуда, форма и длительность принимаемых сигналов, являющиеся основными информационными признаками, служащими основой для построения изображения в виде яркостных отметок, зависят от большого числа факторов, среди которых можно упомянуть следующие [20, 37, 64, 87, 88, 99, 104]:
1) ослабление зондирующего сигнала вдоль линии его акустического пути, вызванное рассеянием на неоднородностях, поглощением и преломлением в биологических тканях;
2) сложный слоисто-неоднородный характер биологического объекта как канала распространения;
3) большой разброс значений одних и тех же акустических параметров органов и тканей у различных людей. Для получения информации о состоянии внутренних органов и тканей с помощью измерения количественных параметров можно использовать акустические параметры тканей, динамические параметры, и геометрические параметры внутренних органов и отдельных областей организма.
Несмотря на успехи в области УЗ медицинской диагностики, достигнутые при использовании существующих УЗСД, измерение и анализ значений акустических параметров биологических тканей до сих пор не является самостоятельным диагностическим методом. К настоящему моменту описано достаточное количество акустических дискриминаторов1, позволяющих от визуального анализа эхограмм перейти к объективной телегистологической диагностике [90, 95, 97, 101, 103]. Среди них:
1) удельный коэффициент акустического ослабления (УКАО),
2) скорость звука,
3) удельный акустический импеданс и др.
В принципе, исследование биологических тканей на основе анализа акустических дискриминаторов может позволить однозначно различать не только ткани разной природы, но и больную и здоровую ткань одной природы, а также разные патологии одной и той же ткани [64]. Однако, для применения телегистологических методов УЗ диагностики в медицинской практике необходимо наличие достоверных численных данных о значениях используемых в качестве дискриминаторов параметров, имеющих место для здоровых органов и тканей и при различных патологиях. В литературе имеется большое количество экспериментальных данных [93, 103] по свойствам и акустическим характеристикам биологических тканей, однако
1 Акустический дискриминатор — акустический параметр биологической ткани, использующийся в качестве информационного признака.
2 Телегистологическая диагностика (характеризация тканей, дистанционное исследование тканей) количественное описание определенной области ткани или органа совокупностью признаков (акустических дискриминаторов), которые можно измерить дистанционными методами (в данном случае — ультразвуковыми). при изучении этих данных сразу обращает на себя внимание большой разброс численных значений исследуемых параметров у разных авторов и тот факт, что полученные результаты зависят от условий, инструментов и метода измерения. Кроме этого, данные, полученные in vitro1, в принципе не совпадают по своим значениям с имеющими место в тканях in vivo2 [94, 96, 102].
Измерение динамических параметров при УЗ диагностике используется при исследовании сердечно-сосудистой системы. Такие измерения основаны на эффекте Допплера и сочетаются в современных УЗСД с визуализацией движущихся структур, которая, однако, для подобных исследований носит вспомогательный характер.
Измерение геометрических параметров тканей и органов проводится по эхограмме с помощью специальных маркеров, формируемых на изображении. В этой связи достоверность информации о геометрических параметрах исследуемых объектов зависит, в том числе, от качества эхограммы.
Таким образом, анализ эхограммы на данный момент остается основным способом получения информации при УЗ зондировании биологического объекта. Поэтому требование повышения достоверности получаемой информации непосредственно связано с необходимостью повышения качества изображения.
В этом случае идеальным инструментом неинвазивного исследования биологических объектов с помощью ультразвука являлась бы УЗСД, обладающая бесконечно тонким лучом и бесконечно коротким сигналом, т.е.
1 In vitro (лат. «в стекле», т.е. в пробирке) — технология выполнения экспериментов, когда опыты проводятся в пробирке, либо, в более общем смысле, вне живого организма.
2 In vivo (лат. «в живом») - данный термин используется для описания биологических процессов, происходящих внутри живых организмов. обеспечивающая наилучшие значения разрешающей способности по дальности и в поперечном направлении. Однако сама по себе даже такая система не обеспечит получения абсолютно достоверной диагностической информации, так как существует ряд факторов, влияющих на сигнал, приходящий в приемное устройство из некоторой точки исследуемого пространства и служащий источником информации об этой точке. Среди них можно назвать следующие известные факторы:
1) принципиально неизвестное и подлежащее оценке частотно-зависимое и различное для разных органов и тканей затухание в канале распространения;
2) неизвестная (или известная с ограниченной точностью) и неодинаковая на разных участках скорость звука в канале распространения;
3) неизвестное соотношение волновых сопротивлений соприкасающихся сред и структур, притом, что именно различия в волновых сопротивлениях являются причиной возникновения отраженных сигналов;
4) форма отражателей с их неизвестными диаграммами обратного рассеяния и пр.
Проблема изучения и устранения влияния неопределенности, вызванной этими факторами, а также выявление и исследование других неизвестных факторов является не только технической, но и этической, так как сопряжена с необходимостью вторжения в человеческое тело, поскольку, как уже упоминалось, значения акустических параметров биологических органов и тканей, полученные in vitro, отличаются от значений, имеющих место in vivo.
Поэтому очевидно, что эффективность процедур и алгоритмов, направленных на увеличение достоверности данных, получаемых о биологических объектах неинвазивными методами УЗ эхолокации в условиях априорной неопределенности параметров биологического объекта, непосредственно, зависит от полноты и достоверности информации о свойствах УЗСД как инструмента исследования.
В системах УЗ диагностики устройством, обеспечивающим излучение и прием акустических сигналов, а также формирующим направленные акустические пучки, является УЗ преобразователь (УЗП). Вопросы, связанные с изучением направленных свойств УЗП, давно находятся в поле зрения исследователей [17, 26, 27, 39, 59, 86]. Однако, в отличие от обычно рассматриваемых случаев — работы в дальней зоне с использованием монохроматического излучения, УЗСД медицинского назначения работают с коротким (а, следовательно, существенно немонохроматическим широкополосным) зондирующим сигналом в зоне Френеля УЗП относительно несущей частоты сигнала.
Сочетание двух указанных факторов — немонохроматический характер зондирующего сигнала и работа в зоне Френеля — означает, что зондирующие сигналы при распространении в биологическом объекте подвергаются значительным пространственно-зависимым изменениям во временной и частотной области [3, 16, 21, 45, 51, 61, 75]. В частности, имеет место пространственно-зависимое удлинение зондирующего сигнала в биологическом объекте, а, следовательно, и ухудшение реальной разрешающей способности по глубине. В литературе имеются упоминания о неизбежности этих изменений, но практически значимых методик их оценки не приводится.
Использование широкополосных сигналов приводит также к тому, что становится некорректным применение известных формул расчета диаграмм направленности для оценки пространственной избирательности УЗП. А работа в зоне Френеля означает, что пространственную избирательность УЗП необходимо оценивать в зависимости от дальности [48]. При этом само использование термина «диаграмма направленности» применительно к УЗСД становится некорректным. В конечном итоге, неучитываемые изменения и искажения пространственно-временных характеристик УЗСД в канале распространения становятся источниками ошибок и ложных изображений на эхограмме, что снижает диагностическую эффективность УЗСД.
Поэтому исследование пространственно-частотных свойств сигналов в системах ультразвуковой диагностики биологических объектов является актуальной научно-технической задачей.
При исследовании свойств УЗП и УЗСД в целом особое значение имеют следующие факторы, недостаточно изученные применительно к немонохроматическим сигналам и работе в зоне Френеля:
1) влияние конфигурации УЗП и его параметров на распределение поля и временную форму сигнала, . «озвучивающего» каждую точку исследуемого биологического объекта;
2) влияние затухания в биологических тканях на распределение поля и временную форму сигнала для каждой точки исследуемого биологического объекта;
3) влияние геометрического положения отражателя на форму принимаемого сигнала.
В литературе имеется чрезвычайно мало упоминаний о совместном влиянии перечисленных факторов на зондирующий сигнал и распределение поля в системах УЗ диагностики биологических объектов. Имеются работы, посвященные вопросам анализа полей широкополосных сигналов в дальней зоне для электромагнитного излучения [4, 22, 23, 30, 32, 33, 42, 79, 80, 85], а таюке ограниченный круг работ о распределении поля монохроматической акустической волны в зоне Френеля [66, 67, 78, 86, 87]. В связи с вышеизложенным целью диссертационной работы является системный анализ и исследование основных параметров ультразвукового преобразователя, биологического объекта и зондирующих сигналов, направленное на повышение эффективности и потенциально достижимых характеристик ультразвуковых систем диагностики. v
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
1) анализ канала распространения в системах УЗ диагностики биологических объектов; выбор и обоснование математических моделей основных элементов исследуемой системы;
2) обоснование метода анализа источников искажений, снижающих достоверность диагностической информации, для зондирующего сигнала произвольной формы без ограничения на рабочие дальности для произвольной конфигурации УЗП;
3) исследование и проведение серии имитационных экспериментов для анализа влияния конфигурации УЗП и пространственного положения точки наблюдения в канале распространения на временную и спектральную структуру зондирующих сигналов и на распределение поля в зоне Френеля УЗП при использовании немонохроматических сигналов без учета свойств биологических объектов;
4) исследование и проведение серии имитационных экспериментов для анализа влияния слоя биологической ткани одной природы (БТОП) с затуханием на временную и спектральную структуру зондирующих сигналов и на распределение поля в зоне Френеля УЗП при использовании немонохроматических сигналов.
Для реализации поставленных задач и достижения цели исследования автором использовались следующие методы исследования: методы системного анализа, методы теории распространения акустических волн в случайно-неоднородных средах, методы теории локации, методы теории линейных систем, методы теории специальных функций.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Метод исследования пространственно-частотных свойств сигналов в ультразвуковых системах диагностики биологических объектов.
2. Результаты исследования и имитационных экспериментов по анализу совместного влияния конфигурации УЗП и местоположения точки наблюдения на пространственно-частотные свойства сигналов УЗСД без учета влияния акустических свойств биологических объектов.
3. Результаты аналитического исследования и имитационных экспериментов по анализу влияния слоя биологической ткани одной природы с затуханием на пространственно-частотные свойства сигналов УЗСД.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
1. Показана и обоснована конструктивность применения в акустике, для задач анализа параметров УЗП и каналов распространения немонохроматических сигналов в биологических средах, аппарата импульсных характеристик во временной, частотной и пространственной областях.
2. Показано, что в случае применения немонохроматических ультразвуковых сигналов малой мощности, биологический объект - как канал распространения - может рассматриваться в допущении линейной системы.
3. Предложен и обоснован критерий оценки пространственной избирательности УЗП по зависимости средней импульсной интенсивности от координат. Показано, что такая оценка применима для УЗП произвольной конфигурации, без ограничения на диапазон рабочих дальностей и при использовании зондирующих сигналов произвольной формы. 4. Получены замкнутые аналитические выражения для пространственно-импульсной характеристики системы «УЗП — канал распространения» для УЗП с линейной апертурой. Показано, что такая система является пространственно-зависимым фильтром, частотные свойства которого определяются конфигурацией УЗП и взаимным расположением УЗП и точки наблюдения.
5. Получено замкнутое аналитическое выражение для пространственной комплексно-частотной характеристики системы «УЗП -канал распространения» в фокальной плоскости для. УЗП с линейной апертурой при наличии фокусировки. Показано, что это выражение одновременно описывает пространственную избирательность УЗП в фокальной плоскости для монохроматического сигнала.
6. Получено замкнутое аналитическое выражение для комплексно-частотной и импульсной характеристик слоя БТОП с затуханием. Показано, что слой БТОП с затуханием является пространственно-зависимым фильтром нижних частот, ширина полосы пропускания которого обратно пропорциональна толщине слоя и величине УКАО.
Практическая новизна выполненной работы заключается в следующем:
1. Выявлены основные особенности немонохроматического сигнала при распространении в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой. Описаны основные виды и причины искажений зондирующего сигнала в канале распространения.
Выявлены основные закономерности распределения поля в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой при использовании немонохроматического сигнала. 2. Получены оценки значений частоты и величины первого минимума АЧХ системы «УЗП - канал распространения» для УЗП с линейной апертурой.
3. Найдена связь.между частотой первого минимума АЧХ системы «УЗП - канал распространения» и положением побочных максимумов в распределении поля» в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой при использовании немонохроматического сигнала.
4. Выявлены основные закономерности влияния БТОП с затуханием на немонохроматический сигнал при распространении в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой.
Показано, что характер искажений временной структуры немонохроматического сигнала слоем БТОП с затуханием зависит от формы огибающей сигнала при одинаковой ширине спектра. Получена оценка нижней границы, коэффициента широкополосности, при- которой импульсный сигнал с гауссовой огибающей подвергается искажениям в слое БТОП с затуханием независимо от толщины слоя и величины УКАО.
5. Выявлены основные закономерности влияния БТОП с затуханием на распределение поля в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой при использовании немонохроматического сигнала.
Показано, что характер искажений распределения поля немонохроматического сигнала в зоне Френеля слоем БТОП зависит от формы- огибающей зондирующего сигнала при одинаковой ширине спектра. Описан качественный характер этих искажений. Получены точные оценки смещения границы зоны Френеля, смещения побочных максимумов и расширения основного луча под действием БТОП с затуханием при использовании импульсного сигнала с гауссовой огибающей.
Теоретическая значимость полученных результатов заключается в том, что в выполненной работе расширены и уточнены положения основ акустики жидких сред, основ теории распространения акустических волн, основ ультразвуковой локации в связи с обоснованием конструктивности применения в этих дисциплинах для задач в допущении стационарной линейной системы практически- не применявшегося там ранее аппарата импульсных характеристик.
Прикладная ценность полученных результатов- обусловлена тем, что предложен универсальный" инструмент, позволяющий исследователям, разработчикам УЗ медицинской техники и другим специалистам проводить анализ- структуры сигналов и полей дляг УЗП любой конфигурации при использовании зондирующих сигналов- произвольной формы для произвольной точки наблюдения или на произвольной дальности-. Для УЗП с линейнош апертурой исследованы качественно и описаны количественно основные закономерности и характер искажений немонохроматических сигналов1 в канале распространения и распределения поля широкополосных сигналов, в зоне Френеля. Выявлены дополнительные источники ошибок и ложных изображений- на эхограмме. Это позволит разработчикам использовать результаты данного исследования непосредственно при проектировании новых УЗСД для улучшения разрешающей способности по глубине и в поперечном направлении, а также для формулировки и успешного решения новых задач, связанных как с улучшением качества и достоверности эхограмм, так и с реализацией алгоритмов, позволяющих осуществлять телегистологическую диагностику.
Личный вклад автора. Даннуюработу автор выполнил самостоятельно при поддержке научного руководителя. В ходе работы автором было сделано 10 публикаций, апробация работы проводилась на 6 научных и научно-технических конференциях [5-14, 49, 50].
По структуре диссертационная работа состоит из введения, трех глав с выводами, заключения, списка использованных источников (106 наименований) и вспомогательного материала, представленного в пяти приложениях.
Метод импульсных характеристик в акустике
Применение в УЗСД широкополосных сигналов приводит к необходимости отказаться от методов, используемых традиционно.для анализа локационных сигналов и систем. При анализе сигналов становится, невозможным применять математическую модель узкополосного - сигнала, а именно пользоваться упрощенным комплексным представлением сигнала, основанным на замене преобразования Гильберта простым сдвигом сигнала по фазе, приводящим в случае широкополосных сигналов к значительным погрешностям [3].
Поэтому представление о канале распространения, как о линейной стационарной системе дает основание для? описания его5 свойств с помощью аппарата импульсных характеристик.
Импульсные характеристики как- аппарат описания линейных систем во временной, области универсальны и могут применяться не только при анализе систем, но и в обратных задачах рассеяния. — определении параметров рассеивателя по измеренному полю [84]. Выявление фундаментальной связи между импульсной характеристикой рассеивателя-и его1 формой, размерами и ориентацией позволяет ставить и решать обратную1 задачу рассеяния на качественно новом уровне. Полезность использования импульсной характеристики рассеивателя (сигнала; отраженного рассеивателем при падении на него-волны в форме 5-импульса) для описания собственных свойств рассеивателей была- впервые отмечена в 1965 г. [84]. Такое представление удобно по ряду причин. Во-первых, в импульсной характеристике содержится вся информация.о рассеивающих свойствах исследуемых объектов. Во-вторых, частотная характеристика может быть получена из импульсной характеристики с помощью преобразования Фурье. В-третьих, отклик рассеивателя при любом профиле падающей волны может быть получен из импульсной характеристики с помощью простой процедуры свертки. Таким образом,, импульсная характеристика становится универсальным инструментом, позволяющим как проводить анализ систем, так и ставить и решать задачи классификации и распознавания.
В то же время, применение аппарата импульсных характеристик в акустике до сих пор не получило широкого распространения, отдельные упоминания встречаются в работах Бреховских [20], Кайно [37], Хилла [64] и др. Применение аппарата импульсных характеристик в данной задаче обосновано представлением канала распространения в допущении линейной системы. Теоретической основой предлагаемого метода вычисления импульсных характеристик (ИХ) системы «УЗП — точка наблюдения» является формула Грина, позволяющая получить выражение для потенциала скоростей срл в произвольной точке А(Х, у, z) = А(Г) области, ограниченной замкнутой поверхностью S [67, 70]: Допуская известные упрощения [39], а именно: 1) большой радиус кривизны излучающей поверхности S по сравнению с рабочей длиной волны, 2) выполнение условия кг»\ для расстояний между излучающей поверхностью S и точкой наблюдения А, 3) малые углы между нормалями к излучающей поверхности S и направлениями на точку наблюдения А (приближение Кирхгофа); можно получить упрощенное выражение для потенциала скоростей, известное как формула Рэлея [70]: Последнее выражение имеет простой физический смысл: суммирование в исследуемой точке пространства полей элементарных сферических источников, расположенных на поверхности излучателя, что выражает принцип Гюйгенса-Френеля [1, 19, 25]. Предполагая, что каждым элементарным излучателем на поверхности УЗП излучается сферическая волна в виде 8 -импульса и суммируя поля элементарных излучателей в точке наблюдения, получим в точке наблюдения форму возмущения, вызванного излученным УЗП -импульсом, т.е., по сути, импульсную характеристику (ИХ) системы «УЗП — .точка наблюдения» [53]. Совокупность ИХ для различных точек наблюдения даст пространственно-импульсную характеристику (ПИХ) системы «УЗП - канал распространения», которой в частотной области соответствует пространственная комплексно-частотная характеристика (ПКЧХ) системы «УЗП — канал распространения»:
Нефокусированный ультразвуковой преобразователь
Получены; замкнутые аналитические выражения для ПИХ, длительности ПИХ и ПКЧХ системьг «УЗП — канал распространения» для УЗП с линейной- апертурой:. Получены оценки для: частоты и величины первого минимума ПАНХ системы: «УЗП — канал: распространения»- для. УЗП с непрерывной! линейной; апертурой: Получены точные аналитические? выражения; для: ПИХ w ПАЧХ "системы; «УЗП — канал распространения» в, плоскости:фокуса УЗП с линейной апертурой.при наличии-фокусировки. 2. УЗП в зоне Френеля действует как фильтре пространственно-зависимой КЧХ:. 3:. При распространении в; пределах зоны Френеля короткие импульсные сигналы подвергаются: пространственно-зависимым- искажениям под действием; пространственно-зависимого фильтра системы «УЗП — канал распространения», основными из которых являются следующие:: 1) увеличение длительности зондирующего сигнала, вызывающее ухудшение PC по дальности; 2) искажение формьг зондирующего сигнала, вызывающее уменьшение достоверности эхограммы; 3) появление копий зондирующего сигнала, способное вызвать появление: на эхограмме нескольких ложных изображений одного и того же объекта; 4) смещение временного положения зондирующего сигнала в, точках наблюдения расположенных за фокальной плоскостью, способное вызвать на эхограммехмещение изображения отражателя относительно его фактического Для случая 3) получены выражения определяющие условия отсутствия копий зондирующего сигнала в точке наблюдения. 106 Отсутствие искажений временной структуры зондирующего сигнала имеет место только в точке фокуса. 4. С использованием метода импульсных характеристик получены точные выражения для распределения поля монохроматической волны в плоскости фокуса. Метод импульсных характеристик позволяет рассчитывать поле монохроматической волны для произвольной дальности, в том числе в зоне Френеля. 5. Описаны качественные и количественные особенности распределения поля широкополосного сигнала в зоне Френеля. Показано, что граница зоны Френеля поля широкополосного сигнала определяется длиной волны на несущей частоте зондирующего сигнала и совпадает с границей поля монохроматической волны. Структура поля немонохроматической волны в зоне Френеля зависит от. длительности импульса и его формы. Описан эффект появления боковых максимумов в распределении поля УЗП с непрерывной линейной апертурой. Предложено объяснение и количественное описание данного эффекта на основе компьютерного моделирования с использованием метода импульсных характеристик. Наличие боковых максимумов в распределении поля уменьшает достоверность эхограмм, так как может привести к появлению ложного изображения при наличии бокового отражателя. 6. Выявление и количественное описание условий проявления вышеописанных факторов, способных вызвать искажение и уменьшение достоверности эхограммы, дает разработчикам возможность свести к минимуму или учесть их влияние, подобрав соответствующим образом количество и величину зон фокусировки, режим обзора по глубине и другие параметры УЗСД.
Исследование широкополосных сигналов при распространении в зоне Френеля ультразвукового преобразователя
Получены выражения для КЧХ и ИХ слоя БТОП. Они зависят от толщины слоя (пройденного сигналом расстояния), следовательно, являются пространственно-зависимыми — ПКЧХ и ПИХ. Слой БТОП действует как пространственно-зависимый ФНЧ. Величина ПП ФНЧ слоя БТОП обратно пропорциональна дальности и УКАО. Длительность ПИХ ФНЧ слоя БТОП прямо пропорциональна дальности и УКАО. 2. В общем случае, воздействие слоя БТОП на сигнал заключается в увеличении длительности сигнала и искажении формы сигнала, что проявляется в большей мере при увеличении дальности (толщины слоя биологической ткани). Увеличение длительности вызывает ухудшение PC по дальности, искажение формы может приводить к появлению ложных изображений. Существует форма сигнала, относительно устойчивая к действию БТОП -ВЧ импульс с гауссовой огибающей. При соблюдении условия узкополосности гауссова импульса воздействие БТОП выражается в кажущемся смещении центральной частоты спектра сигнала при сохранении ширины спектра (а следовательно, и длительности). Найден закон смещения центральной частоты спектра в узкополосном приближении. Определена верхняя граница {aR)Kp, при соблюдении которой не нарушается линейная зависимость смещения центральной частоты спектра. Определено предельное значение коэффициента широкополосности q, при котором линейный характер смещения не наблюдается при любых значениях {pcR) и /0. Импульсы любой другой формы подвергаются более сильному воздействию БТОП с затуханием. Конкретный характер воздействия определяется формой спектра зондирующего импульса. Можно предположить, что для импульсов любой формы существует диапазон значений (аЛ)є[0,(аЛ)к_], в котором смещение максимума спектра сохраняет линейный характер зависимости от (ccR). 3. БТОП с затуханием влияет на структуру распределения поля немонохроматического сигнала. Основными эффектами являются приближение границы зоны Френеля, приближение дальности боковых максимумов, увеличение ширины луча. Данные эффекты сильнее проявляются для широкополосных сигналов с негауссовой огибающей. Для сигналов с гауссовой огибающей получены аналитические выражения для количественной оценки указанных эффектов. В процессе выполнения работы были получены следующие результаты. 1. Показано, что в случае применения немонохроматических ультразвуковых сигналов малой мощности, биологический объект - как канал распространения - может рассматриваться в допущении линейной системы. 2. Показана и обоснована конструктивность применения в акустике, для задач анализа параметров УЗП и каналов распространения немонохроматических сигналов в биологических средах, аппарата импульсных характеристик во временной, частотной и пространственной областях. 3. Предложен и обоснован критерий оценки пространственной избирательности УЗП по зависимости средней импульсной интенсивности от координат. Показано, что такая оценка применима для УЗП произвольной конфигурации, без ограничения на диапазон рабочих дальностей и при использовании зондирующих сигналов произвольной формы. Показано, что распределение поля как зависимость средней импульсной интенсивности от координат стремится к диаграмме направленности по мощности при увеличении дальности до зоны Фраунгофера и увеличении длительности простого импульсного сигнала до монохроматического. 4. С использованием аппарата импульсных характеристик получены замкнутые аналитические выражения для импульсной характеристики системы «УЗП - канал распространения» для УЗП с линейной апертурой. Показано, что такая система является фильтром с пространственно-зависимой КЧХ, параметры которой определяются конфигурацией УЗП и взаимным расположением УЗП и точек наблюдения в канале распространения. 5. Проведена серия имитационных экспериментов с использованием полученных импульсных характеристик для исследования широкополосных сигналов при распространении в зоне Френеля УЗП с линейной апертурой. Выяснено, что при распространении в пределах зоны Френеля широкополосные сигналы подвергаются пространственно-зависимым искажениям, основными из которых являются следующие: - увеличение длительности зондирующего сигнала; - искажение формы зондирующего сигнала; - появление копий зондирующего сигнала; - смещение временного положения зондирующего сигнала в точках наблюдения, расположенных за фокальной плоскостью. Получено количественное описание выявленных эффектов, которые являются источниками появления возможных ошибок и ложных изображений на эхограмме. 6. Проведена серия имитационных экспериментов с использованием полученных импульсных характеристик для исследования распределения поля УЗП с линейной апертурой в зоне Френеля при использовании широкополосного сигнала. Показано, что граница зоны Френеля поля широкополосного сигнала определяется длиной волны на несущей частоте зондирующего сигнала и совпадает с границей зоны Френеля поля монохроматической волны.
Исследование влияния слоя биологической ткани одной природы на широкополосный сигнал
Предложенный в данной работе подход оказался конструктивным для исследования как аппаратной части (глава 2), так и свойств биологического объекта (глава 3). Кроме того, отсутствие ограничений на рабочие дальности и свойства используемых сигналов в предлагаемом к использованию методе (кроме приближения Кирхгофа) позволило получить с помощью единого подхода и увязать между собой совершенно различные параметры УЗСД, до этого исследовавшиеся разными методами.
Исследование, проведенное в данной работе, выявило новые связи между этими параметрами, в том числе, связи между временными и пространственными параметрами УЗСД.
В результате у разработчиков появляется новый инструмент, позволяющий более точно рассчитывать реальные параметры УЗСД медицинского назначения (используя единый подход для расчета всех параметров), более обоснованно выбирать значения различных параметров на этапе конструирования, а также формулировать новые задачи на этапе исследования.
Предложения автора по использованию полученных результатов сводятся к применению их на различных этапах разработки УЗСД медицинского назначения, а также для телегистологических исследований биологических объектов.
Основные задачи, которые могут быть сформулированы и решены с использованием результатов данного исследования на различных этапах разработки УЗСД медицинского назначения, условно можно разделить на три группы: 1) общие (системные) задачи; 2) инженерные задачи; 3) частные задачи. В группе общих (системных) задач решаются проблемы общего характера, связанные с обоснованием и выбором той или иной структуры УЗСД для работы с конкретной группой биологических объектов. В качестве исходных данных здесь служит модель биологического объекта, на основе которой могут быть получены ПИХ и ГЖЧХ модели биологического объекта. В свою очередь, это позволяет сформулировать обоснованные требования к параметрам зондирующего сигнала и предложить структуру системы обработки сигнала.
В группе инженерных задач решаются проблемы, связанные с обоснованием и выбором конструкции передающего и приемного УЗП, окончательным выбором зондирующего сигнала, обоснованием режима и способа обзора исследуемого пространства. Здесь формулируются требования к разрешающей способности в продольном и поперечном направлении,(к структуре сигнала и распределения поля), подходящие для работы с выбранной группой биологических объектов. Использование метода импульсных характеристик позволит в этом случае провести подробное конкретное исследование для поиска наилучшего решения. В частности, на этом этапе применение метода импульсных характеристик позволяет рассчитывать распределение поля для конкретной выбранной структуры сигнала при заданной модели биологического объекта и оценивать эволюцию параметров зондирующего сигнала, связав ее с выбранными параметрами УЗП и параметрами биологического объекта в выбранной модели. Кроме этого, к группе инженерных задач можно отнести оценку параметров существующих УЗСД.
В группе частных задач может формулироваться и решаться большой спектр конкретных задач, направленных на улучшение параметров существующих или разрабатываемых УЗСД с использованием результатов данного исследования. Например, в главе 2 настоящей работы было показано, что принимаемые сигналы имеют различный спектральный состав в зависимости от направления прихода, а в распределении поля линейного УЗП имеют место боковые максимумы, которые могут служить источником ложных изображений. На основе этой информации может быть сформулирована задача отсева внеосевьтх отражений по анализу спектрального состава принимаемого сигнала [18].
Результаты данной работы также могут быть использованы для разработки алгоритмов классификации биологических объектов телегистологическими методами. Улучшение качества изображения позволит увеличивать достоверность измерения геометрических параметров биологических объектов. Обоснованный выбор зондирующего сигнала и исследование изменения его свойств в биологическом объекте под действием различных факторов позволит с большей точностью измерять акустические параметры биологических объектов по параметрам принятого сигнала и использовать полученную информацию для идентификации и диагностики биологических объектов.
