Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ существующих методов и средств построения ультразвуковой медицинской диагностической аппаратуры 12
1.1. Предмет исследования 12
1.1.1. Ультразвуковая медицинская диагностическая аппаратура... 12
1.1.2. Медицинская ультразвуковая диагностическая аппаратура на базе персонального компьютера 13
1.2. Исследование структурных схем аппаратуры для ультразвуковой медицинской диагностики 15
1.2.1. Ультразвуковая медицинская диагностическая аппаратура для эхоимпульсной визуализации 15
1.2.2. Сравнительный анализ датчиков для ультразвуковых диагностических медицинских аппаратов 17
1.2.3. Задача преобразования координат для секторного ультразвукового диагностического медицинского аппарата... 21
1.2.4. Задача разработки аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики 22
1.3. Сравнительный анализ ультразвуковых доплеровских приборов и датчиков 23
1.3.1. Существующие ультразвуковые доплеровские приборы 27
1.3.2. Сравнительный анализ датчиков для ультразвуковых доплеровских приборов 28
1.3.3. Задача разработки ВЧ ультразвукового доплеровского прибора 30
1.3.4. Обзор существующих работ 35
1.4. Исследование ультразвуковых медицинских приборов на базе персонального компьютера 35
1.5. Цель и задачи исследования 36
Выводы по главе 37
Глава 2. Анализ алгоритмов преобразования координат для ультразвуковых диагностических приборов на базе персонального компьютера 39
2.1. Влияние параметров ультразвукового диагностического прибора на качество изображения 40
2.2. Существующие алгоритмы преобразования координат 42
2.2.1. Алгоритм интерполяции ближайшим соседним элементом... 43
2.2.2. Алгоритм неравномерного квантования 50
2.2.3. Алгоритм заполнения 54
2.2.4. Алгоритм равномерного квантования 58
2.2.5. АлгоритмШЭ интерполяции 65
2.2.6. Исследование алгоритмов преобразования координат 70
2.2.6.1. Анализ ошибки восстановления 70
2.2.6.2. Моделирование алгоритмов для оценки времени обработки... 73
2.2.6.3. Парето-анализ исследуемых алгоритмов 74
2.3. Модифицированный алгоритм R0 интерполяции 75
Выводы по главе 79
Глава 3. Разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе персонального компьютера 80
3.1. Синтез аппаратного и программного обеспечения аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе персонального компьютера 80
3.1.1. Синтез аппаратного обеспечения на основе анализа задачи ввода и обработки сигнала аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики 80
3.1.2. Синтез программного обеспечения аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики с учетом специфики разработанной структурной схемы 88
3.2. Исследование зависимости глубины проникновения ультразвука от частоты излучаемого сигнала 91
3.3. Реализация ультразвукового доплеровского блока 94
3.4. Разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе персонального компьютера 98
Выводы по главе 100
Заключение 102
Список используемой литературы 103
Приложение
- Ультразвуковая медицинская диагностическая аппаратура для эхоимпульсной визуализации
- Сравнительный анализ ультразвуковых доплеровских приборов и датчиков
- Синтез программного обеспечения аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики с учетом специфики разработанной структурной схемы
- Разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе персонального компьютера
Введение к работе
В последнее время медицинское приборостроение является наиболее динамично развивающейся отраслью. Новые медицинские технологии и соответствующие новые виды средств медицинской техники являются результатом коллективных усилий специалистов из различных областей науки и техники - т.е. междисциплинарной сферой знаний и практического опыта, в которой активно используются последние достижения на границах традиционных научно-технических областей [32].
Одним из приоритетных направлений в данной области является ультразвуковая медицинская диагностика. Ультразвук стал применяться в медицине сравнительно недавно. За последние 40 лет ультразвук стал важной диагностической методикой. Его потенциал как лидера в отображении медицинской диагностики был признан в 1930-ых и 1940-ых, когда Теодор Дуссик и его брат Фридрих попытались использовать ультразвук для того, чтобы диагностировать опухоли мозга. Однако только в 1970-ых, работа этих и других пионеров исследований ультразвука реально принесла плоды.
Вместе с технологическими усовершенствованиями, ультразвук прогрессировал от большой, громоздкой машины, воспроизводящей неоптимальные изображения к переносному, удобному для использования, и сложному прибору. Такая эволюция потребовала тесного единения физики, физиологии, медицины, техники, и управления.
Амплитудный режим или режим "А" ультразвука был одномерным изображением, которое отображало амплитуду или силу волны по вертикальной оси, а время - по горизонтальной оси; поэтому, чем больше был сигнал, возвращавшийся на датчик, тем выше "всплеск". Яркость или режим "В", широко используемый сегодня, является двумерной характеристикой ткани, таким образом, каждая точка или пиксель на экране представляет индивидуальный амплитудный всплеск. Режим "В" ультразвука привязывает яркость изображения к амплитуде ультразвуковой волны. Ранние сканеры производили "бистабильные"
изображения, то есть, высоко-амплитудные сигналы представлены белыми точками, а более слабые эхо-сигналы отображаются на экране черными точками, без каких бы то ни было оттенков между ними. В моделях со шкалой серого, используемых в настоящее время, амплитудам различной интенсивности соответствуют различные оттенки от черного до белого, таким образом, значительно улучшая качество изображения. Режим "М" или режим действия ультразвука привязывает амплитуду ультразвуковой волны к отображению действующих структур, например, сердечной мышцы. Поскольку объекты действуют ближе или дальше от датчика, точка, соответствующая границе ткани, перемещается на изображении на экране. Эти передвигающиеся точки затем регистрируются, и их структура анализируется.
Огромное значение имеет возможность получения и обработки информации, закодированной в ультразвуковом сигнале, в результате взаимодействия излучаемого сигнала с исследуемой средой. Ценность такой информации в том, что она получена в результате исследования живого организма без привнесения инородных тел и оказания повреждающего действия (плотность потока энергии ультразвукового излучения, применяемого в медицинской диагностике, на порядок ниже, чем в терапевтических комплексах) [28].
Другой областью применения ультразвука в медицинской диагностике является исследование параметров кровотока, в основе которого лежит эффект Допплера [37]. Эффект Допплера, как теория, стал известным и определяется как "наблюдаемые изменения частоты передаваемых волн, когда существует относительное перемещение между источником волны и наблюдателем" [24]. Эффект Допплера заключается в том, что изменение частоты сигнала, отраженного от движущихся частиц, пропорционально скорости движения последних. Это изменение называется допплеровским сдвигом.
Наибольший интерес для медицинской диагностики представляет задача измерения параметров кровотока, когда ультразвук отражается от движущихся эритроцитов [64].
Среди множества приборов ультразвуковой медицинской диагностики наиболее широко представлены ультразвуковые сканеры, позволяющие визуализировать внутренние структуры человеческого организма [23]. Применяются также ультразвуковые допплеровские приборы, позволяющие диагностировать состояние сердечно-сосудистой системы человека путем регистрации спектра распределения скоростей в исследуемом сосуде. Наиболее широкими диагностическими возможностями обладают ультразвуковые медицинские диагностические комплексы, объединяющие блоки и узлы ультразвуковых сканеров и ультразвуковых доплеровских приборов, и обладающие, таким образом, возможностью не только визуализации, но и регистрации кровотока в выбранной области [23].
Существующие в настоящее время и широко представленные на российском рынке ультразвуковые медицинские диагностические комплексы таких фирм, как Acuson, Toshiba, Siemence, Hewlett-Packard и др., наряду с широчайшими диагностическими возможностями обладают достаточно высокой ценой, в результате чего они являются недоступными для подавляющего большинства российских учреждений здравоохранения.
Исследование и разработка ультразвуковых медицинских диагностических комплексов, включающих основные функции таких приборов и превосходящих существующие приборы по критерию эффективность/стоимость, является актуальной задачей именно для российской медицины.
Задача снижения стоимости с одновременным расширением диагностических возможностей существующих приборов может быть решена путем применения в качестве ядра системы персонального компьютера для обработки поступающей ультразвуковой информации.
Аппаратный механизм обработки ультразвуковой информации, существующий в настоящее время, приводит к неизбежному компромиссу между аппаратными и, соответственно, массогабаритными и стоимостными затратами и диагностическими возможностями аппаратуры.
Разработка программно-аппаратного УЗ сканера позволит рационально решить задачу обработки информации на базе современного ПК.
Современные ультразвуковые медицинские диагностические комплексы успешно решают проблему одновременного отображения информации о состоянии внутренних органов и кровеносной системы. В то же самое время, обследование поверхностно расположенных сосудов и низкоскоростных кровотоков до сих пор вызывает определенные трудности, так как существующие приборы не позволяют проводить такие исследования.
Возможность неинвазивной, объективной и динамической оценки кровотока по сосудам малого калибра остается одной из актуальных задач современной ангиологии и смежных специальностей. Не менее важным аспектом проблемы эхолокации низкоскоростных потоков крови является мониторинг проходимости микрососудистых анастомозов при реимплантации сегментов конечностей, трансплантации тканевых лоскутов и органов. В качестве отдельной задачи можно выделить ультразвуковую допплерографию. С помощью ВЧ в ультразвуковой допплерографии открываются перспективы в определении жизнеспособности тканей при критической ишемии, обширных ожогах и обморожениях.
Таким образом, исследование и разработка ультразвукового медицинского диагностического комплекса на базе ПК, на основе программно-аппаратной обработки с допплеровским индикатором низкоскоростных кровотоков является актуальной задачей для современной медицины и предопределяет цели и задачи диссертационного исследования, его предмет и объект.
Актуальность темы диссертации. Диссертация посвящена разработке принципов построения и исследованию технических характеристик аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики, отличающейся высокой точностью, быстродействием и широким диапазоном диагностических функций. Решение поставленной в диссертации задачи позволит:
создать аппаратуру повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики;
уменьшить номенклатуру используемой элементной базы и стоимость разрабатываемой аппаратуры;
увеличить диапазон проводимых диагностических исследований.
Целью диссертации является исследование и разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики. Рассматриваемые в диссертации задачи:
исследование существующих методов и средств построения ультразвуковой медицинской диагностической аппаратуры;
исследование и определение основных составляющих задач проектирования ультразвукового доплеровского узла;
разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики.
Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленных задач в качестве основного инструмента исследований использовались методы математического анализа, теории вероятностей, теории информации и метрологии. Экспериментальные исследования выполнялись на испытательных стендах с использованием методов оптимизации проектирования.
Достоверность научных положений, выводов подтверждается результатами моделирования и обсуждением докладов на научно-технических конференциях, актами внедрения и Патентом.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
Принципы построения аппаратуры и базовых алгоритмов обработки информации в реальном масштабе времени для приборов ультразвуковой медицинской диагностики.
Метод повышения точности диагностики состояния сосудистой системы человека при использовании ультразвукового доплеровского прибора.
Структура аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе ПК.
Практическая значимость состоит в следующем:
улучшено разрешение формируемого изображения, что позволяет увеличивать размер отдельных участков изображения, либо частоту кадров для отображения динамических структур организма человека, например сердца;
расширенна сохраняемая последовательность кадров для более детального исследования динамических структур в режиме кинопетли;
реализован многооконный режим, обеспечивающий одновременное представление на экране монитора ультразвуковых изображений, полученных для разных положений УЗ датчика.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными лабораторными и клиническими испытаниями. Автором исследований получен Патент на изобретение № 2221494 "Ультразвуквое диагностическое устройство" по заявке № 2002102779 от 05.02.02.
Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, МИЭМ, 2001 г., 2002 г, 2003 г.).
Публикация. По теме диссертации опубликовано 1 статья и 3 научных доклада на научно-технических конференциях.
Структура диссертации. Диссертации состоит из введения, 3 глав, заключения и 4 приложений. Включает 41 рисунок, 8 таблиц и 14 формул. Во введении обуславливается актуальность темы диссертационной работы, формулируются общие цели исследования. Показывается роль ультразвука в диагностической аппаратуре.
В первой главе проводится оценка состояния медицинского приборостроения в России, анализ существующих методов и средств построения ультразвуковых медицинских диагностических приборов, в частности, ультразвуковых доплеровских приборов, а также ультразвуковых сканеров на базе персонального компьютера. Определяются цели и задачи исследования.
Во второй главе исследуются существующие алгоритмы и их модели преобразования координат для ультразвукового сканера. Анализируются модели данных алгоритмов.
На основе данного анализа решается задача выбора алгоритма преобразования координат и выбора модели аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики.
В третьей главе рассматриваются технические вопросы проектирования и реализации УЗ медицинского диагностического прибора и обосновываются принятые решения.
На основе проведенных исследований обосновывается структура аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики, и анализируются результаты экспериментальных исследований опытного образца.
В заключении приведены кратко сформулированные основные результаты и выводы, полученные в ходе работы над диссертацией.
В приложении представлены характеристики и параметры прибора предыдущего поколения и разработанного устройства, документ о внедрении результатов диссертационной работы, протоколы клинических испытаний.
Ультразвуковая медицинская диагностическая аппаратура для эхоимпульсной визуализации
Простейшими приборами, основанными на способности УЗ отражаться от границ раздела двух сред с различными плотностями на пути своего распространения, являются УЗ диагностические эхоимпульсные одномерные приборы. Данный стандарт подразделяет эти приборы на классы в зависимости от функционального назначения, способа отображения и способа представления информации. Например, приборы на базе ПК, с выводом диагностической информации на монитор, разделяются на следующие классы: эхоэнцефалоскопы - приборы, предназначенные для исследования головного мозга, эхоофтальмоскопы - приборы, предназначенные для исследования глаза, эхосинускопы - приборы, предназначенные для гайморовой и фронтальной пазух в отоларингологии, эховазоскопы - приборы, предназначенные для исследования сосудов, и эхокардиоскопы - приборы, предназначенные для исследования сердца.
Одномерные приборы для эхоимпульсной визуализации часто называют приборами А типа, отображающими изменение амплитуды отраженного сигнала по глубине. Линейная зависимость времени распространения сигнала от глубины зондирования позволяет рассчитать эту глубину при известной скорости распространения УЗ.
Развитием методов эхоимпульсного сканирования является разработка медицинских УЗ диагностических эхоимпульсных сканирующих приборов (по классификации ГОСТ 26831-86). Структурная схема таких приборов приведена нарис. 2 [23].
Формирователь луча. Эхо-сигналы, принятые датчиком и преобразованные им в электрические сигналы, поступают в электронный блок на вход формирователя луча. Основное его значение - обеспечивать необходимую форму луча на передачу и приём.
Коммутатор. Выполняет роль устройства, обеспечивающего сканирование УЗ луча в датчиках линейного и конвексного типа. Сканирование осуществляется по сигналам устройства управления сканированием.
Передатчик. Передатчик, генерирующий сигналы для излучения внутрь исследуемого тела, является многоканальным устройством, которое по каждому из каналов должно передавать на формирователь луча короткие электрические импульсы.
Приёмник. Приёмник, который получает от формирователя луча эхо-сигналы по многим каналам, одновременно должен усиливать эти сигналы, подвергать их определённым преобразованиям, суммировать сигналы всех каналов и подавать суммарный сигнал на сканконвертер.
Сканконвертер. Сканконвертер - это цифровое устройство, которое служит для преобразования информации, получаемой в процессе сканирования с выхода приемника. Сканконвертер выполнен в виде одной или нескольких печатных плат и устанавливается в слот ПК. Качество и функциональность УЗ сканера во многом определяется сканконвертером [23]. Кроме синхронизации и отображения информации, сканконвертер берет на себя ряд дополнительных функций, таких как: преобразование аналогового сигнала в цифровой код, подавление шума, интерполяция - преобразование координат из входной системы УЗ датчика в систему координат монитора включая заполнение пустых элементов, цифровая фильтрация изображения, управление усилением, управление двигателем секторного механического датчика, управление внешней клавиатурой; обеспечение режимов В, В+М, В+В, М, обеспечение стандартного телевизионного выхода и т.д. [3].
Устройство памяти. С выхода сканконвертера информация, подготовленная для отображения, поступает в цифровое устройство памяти, где записывается в том темпе, с которым происходит сканирование. С выхода устройства памяти информация считывается в том темпе, который необходим для получения изображения в телевизионном стандарте.
Одним из главных этапов обработки сигнала УЗ сканера является именно преобразование координат. Так как это преобразование является непременным атрибутом всех без исключения УЗ сканеров, то от алгоритма этого преобразования непосредственно зависит качество восстановленного изображения.
Поэтому главной задачей при разработке программно-аппаратного сканконвертера УЗМДК на базе ПК является исследование существующих алгоритмов, схем построения, их выбор и, при необходимости, разработка новых схем. различных ультразвуковых преобразователей и способов сканирования. В зависимости от вида преобразователей можно выделить следующие типы датчиков: секторные механические датчики - с одноэлементными или многоэлементными кольцевыми решётками; линейные датчики - с многоэлементными линейными решётками; конвексные и микроконвексные датчики - с конвексными и микрокон-вексными решётками соответственно; фазированные секторные датчики - с многоэлементными линейными решётками; датчики с двумерной решёткой, линейные, конвексные и секторные.
Рабочая частота является важнейшей характеристикой датчика. Выбор частоты датчика обусловлен максимальной глубиной расположения органов и структур, представляющих интерес для врача-диагноста. В ряде случаев при обследовании тучных пациентов приходиться применять датчики с частотой 2,5 МГц, у которых максимальная рабочая глубина «240 мм, однако разрешающая способность при использование таких датчиков и, следовательно, качество изображения хуже, чем при частоте 3,5 МГц. С другой стороны, для структур, расположенных на очень малых глубинах, применяются датчики с частотой более 10 МГц.
Внешний вид датчиков очень разнообразен, но большинство наиболее часто используемых видов датчиков в приборах различных фирм похожи и отличаются несущественными конструктивными элементами и размерами рис. 3.
В секторных механических датчиках (рис. З.а, З.б) рабочая поверхность (защитный колпачок) закрывает объём, в котором находится перемещающийся по углу одноэлементный или кольцевой УЗ преобразователь. Объём под колпачком заполнен акустически прозрачной жидкостью для уменьшения потерь при прохождении УЗ сигналов. Основной характеристикой секторных механических датчиков является угловой размер сектора сканирования а, который указывается в маркировке датчика. Пример маркировки: 3,5 МГц/90.
В линейных датчиках характерной является длина рабочей области L (рис. З.в), так как именно она определяет ширину прямоугольной зоны обзора. Пример маркировки линейного датчика: 7,5L64 (7,5 МГц, 64мм). Следует иметь в виду, что ширина зоны обзора в линейном датчике всегда меньше на 20-40% длины апертуры. Таким образом, если указан размер рабочей области 64 мм, ширина зоны обзора - не более 52 мм.
В конвексных датчиках зона обзора определяется двумя характерными размерами - длиной дуги Н (иногда её хорды), соответствующей выпуклой рабочей части, и угловым размером сектора сканирования а в градусах (рис. З.г). Пример маркировки конвексного датчика: 3,5С60 (3,5 МГц, 60). Реже для маркировки используется радиус R кривизны рабочей поверхности, например: 3,5 МГц/бОЯ (радиус - 60 мм). Аналогичная маркировка в микроконвексных датчиках (рис. З.д). Пример маркировки: 3,5 МГц/2011 (радиус - 20 мм).
Для фазированного секторного датчика даётся угловой размер сектора электронного сканирования в градусах (рис. З.е). Пример маркировки: 3,5 МГц/90.
Сравнительный анализ ультразвуковых доплеровских приборов и датчиков
В настоящее время наиболее распространенным способом исследования кровотока является УЗДГ. УЗДП представляет собой локационное устройство, принцип работы которого заключается в излучении зондирующих сигналов в тело пациента, приеме и обработке эхосигналов, отраженных от движущихся элементов кровотока в сосудах (главным образом, красных кровяных телец) (рис. 5).
Функционирование УЗДП аналогично работе любого другого локационного устройства движущихся объектов для самых различных применений, например, радиолокатора обнаружения и сопровождения самолетов, сонара для определения перемещения подводных лодок и пр.
Особенность УЗДП состоит в использовании в качестве зондирующего сигнала механических вибраций, передаваемых в тело человека. В процессе работы прибора производятся механические колебания элементов ткани на поверхности тела. Циклическое движение элементов тканей на поверхности тела вызывает в свою очередь силовые воздействия на элементы тканей с более глубоких слоев и, соответственно, их циклическое перемещение и т.д. Таким образом, за счет передачи силовых воздействий сжатия-растяжения между соседними элементами тканей возникает передача механических вибраций в тело человека, называемая УЗ волной.
Являясь результатом упорядоченных осциллирующих перемещений частиц среды, УЗ волна подобна обычному звуку, распознаваемому ухом человека. Однако частота УЗ волны, определяемая как число циклов колебаний частиц среды в единицу времени, существенно больше частоты звука. Так в настоящее время в УЗДГ используется УЗ, имеющий частоту в диапазоне от 2 МГц до 20 МГц, что на 2 - 3 порядка больше частоты звука, различаемого ухом человека, которая не превышает величины 20 кГц.
Возбуждение УЗ колебаний и прием эхосигналов при работе УЗДП выполняется датчиком, в состав которого входит один или несколько УЗ преобразователей. УЗ преобразователь представляет собой пластину из пьезоэлектрического материала и предназначен для преобразования поступающих на него электрических сигналов в УЗ волны при излучении зондирующего сигнала и, соответственно, для обратного преобразования УЗ волн в электрические сигналы в процессе приема эхосигналов.
Широкий спектр УЗ исследований сосудов современным УЗДП обеспечивается за счет применения датчиков различного назначения, отличающихся между собой характеристиками излучаемого УЗ (непрерывным или импульсным типом излучения, плотностью и частотой излучения), а также конструктивными параметрами (датчики для скрининговых обследований, датчики со специальными держателями для мониторинга, плоские датчики для хирургических применений). Принцип работы допплеровских приборов основан на использовании эффекта Допплера, суть которого состоит в изменении частоты принимаемой волны из-за взаимного движения источника и приемника волны. В данном случае в роли источников и приемников волны поочередно выступают датчик и элементы кровотока. Первоначально источником волны является датчик, который обеспечивает излучение исходной УЗ волны в ткани. Затем элементы кровотока, рассеивающие излученную датчиком УЗ волну, выступают в качестве приемника исходной УЗ волны от датчика и источника обратной УЗ волны, принимаемую в свою очередь датчиком.
Если отражающий элемент кровотока движется к датчику со скоростью V под углом 0 относительно направления распространения волны от датчика, то за счет движения отражающего элемента увеличивается число отраженных периодов исходной волны в единицу времени, или, другими словами, увеличивается частота отраженной волны. При этом допплеров f ское смещение частоты отраженной волны Jomp, поступающей на датчик, зависит от частоты излученной УЗ волны, скорости распространения волны, скорости движения элемента v, угла 9 между направлением вектора скорости и направлением излучения волны от датчика. Разность между частотой ощ и частотой й называется допплеровским сдвигом и задается соотношением: где с - скорость распространения УЗ в тканях.
При движении отражающего элемента в направлении от датчика -частота принимаемой датчиком отраженной волны уменьшается на величину, определяемую вышеприведенной формулой. Поскольку скорость движения отдельных элементов крови изменяется в течение сердечного цикла, то отраженный сигнал содержит изменяющийся во времени набор допплеровских частот.
Таким образом, главной функцией УЗДП является преобразование информации о состоянии исследуемого кровотока, закодированной в виде допплеровского сдвига, в форму, пригодную для непосредственного восприятия человеком. Конечной целью исследования кровотока является определение совокупности его параметров, показывающих наличие или отсутствие той или иной патологии. Структурная схема УЗДП приведена на рис. 6. Здесь СД - синхронный детектор, работающий на частоте излучаемых импульсов.
Применение синхронного детектора обусловлено невозможностью детектирования принимаемого сигнала на фоне шумов другими методами. Для современных допплеровских приборов характерно выделение информации о направлении кровотока - поэтому детектор строится по схеме квадратурного, т.е. состоящего из двух идентичных каналов, управляемых квадратурными сигналами. Таким образом, на выходе детектора присутствуют два сигнала - прямой и квадратурный. Оба канала обрабатываются полосовыми фильтрами (ПФ) с идентичными характеристиками для подавления высокочастотных и низкочастотных компонентов результата синхронного детектирования, а также низкочастотных составляющих при нимаемого сигнала, обусловленных отражением от неподвижных или малоподвижных структур в исследуемом объекте.
Далее два отфильтрованных сигнала поступают для расчета спектральной плотности мощности (СПМ) каким-либо из известных методов [22, 25]. Наиболее распространенным является алгоритм БПФ. Результаты расчета СПМ отображаются в виде спектрограммы на экране монитора. Также, по результатам расчета СПМ, рассчитываются так называемые индексы, представляющие собой численные характеристики исследуемого кровотока.
Эти же два сигнала с выхода ПФ поступают на вход блока обработки звукового канала, где происходит разделение каналов прямого и обратного кровотока. Разделенные сигналы затем воспроизводятся посредством стереосистемы.
Синтез программного обеспечения аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики с учетом специфики разработанной структурной схемы
Среди множества существующих в настоящее время операционных систем наиболее предпочтительными следует считать многозадачные и достаточно широко распространенные как с точки зрения необходимости работы в реальном масштабе времени, так и с точки зрения создания дружественного и знакомого большинству пользователей интерфейса.
Этим критериям в наибольшей степени удовлетворяет WindowsNT [9]. Преимуществом указанной операционной системы является также ее повышенная надежность по сравнению с Windows 95/98.
В то же время, недостатком указанной системы является относительная сложность написания и отладки программ нижнего уровня - драйверов внешних устройств, одним из которых и является разработанное УС.
Программное обеспечение разработанного УЗ сканера можно рассматривать как комплекс взаимодействующих компонентов, состоящих из элементов различных уровней. На самом нижнем уровне этой иерархии находится программное обеспечение, обеспечивающее работу УС. Уровень развития ПЛИС, примененной в качестве ядра УС, позволяет говорить об отсутствии сколько-нибудь радикальных отличий между методологией проектирования устройства на ПЛИС и контроллере. Это отличие еще более нивелируется в свете появления высокоуровневых средств программирования и отладки для ПЛИС (языки VHDL, AHDL и др.), а также библиотек стандартных функций (включая функции цифровой обработки сигналов), реализуемых аппаратным способом на ПЛИС. Рационально, таким образом, рассматривать разработанное программное обеспечение как четырехуровневую структуру, на нижнем уровне которой находится "прошивка" ПЛИС, реализующая регистры, различные автоматы состояния для формирования временных диаграмм управления соответствующими блоками приемопередатчиков, а также интерфейс с контроллером PCI. На втором уровне рассматриваемой иерархии находится компонент ядра операционной системы WindowsNT - драйвер устройства ввода-вывода, работающий в так называемом нулевом кольце защиты операционной системы. Третьим компонентом является библиотека функций API, реализующая интерфейс драйвера с программами высокого уровня и маскирующая, таким образом, драйвер. И на последнем, верхнем, уровне находится прикладная программа, взаимодействующая с пользователем.
Сканер "Эходиаскан УУДС-02" предназначен для проведения многоцелевых ультразвуковых исследований на основе электронного линейного и конвексного (линейно-выпуклого) сканирования. Большой набор предлагаемых с прибором датчиков обеспечивает широкий спектр исследований в терапии, хирургии, акушерстве, гинекологии, урологии, онкологии, мам-малогии и педиатрии. Прибор имеет модульную конструкцию на базе стандартного компьютера IBM PC, что позволяет изменять конфигурацию системы, осуществлять гибкую модернизацию программных и аппаратных средств, подключать дополнительное диагностическое оборудование. В отличие от существующих изделий в приборе "Эходиаскан УУДС-02" впервые применена современная компьютерная технология Multimedia, на основе которой пользователю предоставляется возможность работать в единой программной среде с информацией различного типа: изображениями, звуковой и текстовой информацией.
Использование стандартного компьютера IBM PC придало прибору качественно новые свойства, среди которых: удобный и простой в освоении графический интерфейс управления прибором; формирование и регистрация изображений с использованием стандартных средств персональных компьютеров: дисковой памяти, CD-ROM, лазерного или струйного принтера; унифицированная база данных с возможностью ее интеграции в базу данных всего медицинского учреждения; подключение компьютерных атласов ультразвуковых изображений; простота формирования протоколов обследований в произвольной форме; передача результатов обследований с помощью встраиваемых в прибор модемов, сетевых карт. Технические характеристики прибора приведены в приложение 1. Дальнейшее увеличение производительности системы на базе шины PCI возможно путем применения механизма ПДП, что заложено в будущих разработках. Разработанное УС может найти применение в системах ввода и обработки сигналов в диапазоне до нескольких мегагерц.
Разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе персонального компьютера
Разработанная стуктура ВЧ и предложенный алгоритм обработки информации позволили разработать базовую структуру аппаратуры повышенной точности на базе ПК, которая обеспечивает функциональные возможности известного диагностического устройства [92], а также позволила существенно расширить диагностические возможности при диагностики сердечно-сосудистой системы человека.
Базовая структура устройства содержит следующие основные блоки Рис. 3.4: персональный компьютер 1, функциональную клавиатуру 2, первый блок пьезодатчиков 3 с пьезодатчиками 3/1...3/т, второй блок пьезодатчиков 4, блок идентификации 5, первый коммутатор перестройки каналов 6, второй коммутатор перестройки каналов 7, блок пространственной коммутации 8, блок формирования зондирующего импульса 9, блок коррекции по зонам глубины 10, блок фокусировки эхо-сигнала 11, блок формирования видеосигнала 12, блок цифрового преобразования УЗ информации 13, блок синхронизации 14, блок управления параметрами видеосигнала 15, блок селекции зон фокусировки 16, блок формирования допплеровского сигнала 17, блок обработки информации 18 [102].
Анализ проведенных исследований данной структура аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики и полученные данные свидетельствует о том, что предложенная структура значительно расширила диагностические возможности обследования организма человека с помощью УЗ.
На основе анализа задачи ввода и обработки сигнала УЗ сканера показано, что рациональной является реализация УС блока приемопередатчика УЗ сканера с ПК посредством шины РСІ с применением специализированной БИС контроллера данной шины и ПЛИС, реализующей функции синхронизации и формирования временных диаграмм для управления УЗ сканером. Разработано УС с ПК по шине РСІ на основе специализированной БИС контроллера.
Разработан блок УЗДП, позволяющий проводить исследования на частоте 22,5 МГц низкоскоростных кровотоков на базе НЧ четырех-мегагерцового канала существующего УЗДП, что позволило уменьшить границы минимальной регистрируемой скорости более чем в три раза по сравнению с существующими УЗДП, т.е. расширить диапазон диагностируемых патологий и, таким образом, улучшить диагностические возможности УЗДП.
Разработанные устройства позволяют решить проблему разработки аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе ПК, обеспечивающего одновременную визуализацию внутренних органов и исследование низкоскоростных кровотоков с помощью разработанного ВЧ блока УЗДП.
