Введение к работе
Актуальность темы
Одной из актуальных задач современной медицины является борьба с онкологическими заболеваниями. По статистике всемирной организации здравоохранения, наиболее распространенным видов онкологических заболеваний у женской половины населения в последнее время является рак молочных желез (16% среди общего количества раковых заболеваний по статистике за 20Юг). Ежегодно рак молочной железы в мире обнаруживается примерно у 500 тысяч человек. Очень важно обнаружить заболевание на ранней стадии его развития, т.к. при этом значительно увеличивается вероятность успешного лечения. Во многих странах органы здравоохранения настоятельно рекомендует проведение для женского населения ежегодной диспансеризации, включающей в себя проверку на рак молочной железы. Поэтому важно иметь доступные, безопасные и, в то же время, достоверные способы диагностики патологий на ранних стадиях.
В настоящее время основными видами диагностики, используемыми в медицине, является рентгеновская компьютерная томография, в которой происходит многоракурсное облучение низкой интенсивности, а также магнито-резонансная томография. Данные способы исследования, несмотря на высокую информативность (особенно МРТ) весьма сложны, требуют наличия дорогостоящего оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, рентгеновское излучение, используемое в компьютерной томографии, небезопасно и может послужить причиной появления раковых клеток или прогрессии болезни. Вышеперечисленные факторы не позволяют применять эти методы для общей плановой диспансеризации населения.
В качестве альтернативы вышеописанным методам, в представляемой диссертационной работе предлагаются методы ультразвуковой томографии, обладающие свойством полной безвредности (как и у УЗИ-систем), но позволяющие с высоким разрешением получать количественные распределения линейных акустических характеристик (скорость звука и поглощение), а также нелинейного параметра. В настоящее время в мире существует 4 научные группы, занимающиеся разработкой акустических томографов для восстановления скорости звука и поглощения. Ими созданы экспериментальные образцы томографов, каждый со своей архитектурой строения антенной решетки и алгоритмами обработки экспериментальных данных. В диссертации дано подробное описание и сравнительный анализ состояния дел в этих группах. В то же время, прототипов томографов для восстановления распределения акустического нелинейного параметра в мире пока не существует.
Несмотря на неплохие результаты отдельных научно-исследовательских групп, томографические установки, применимые для целей медицинской диагностики и способные восстановить количественное пространственное распределение скорости звука и поглощения, в настоящее время находятся еще в стадии разработки. Именно картина количественного распределения искомых характеристик может позволить не только с высокой степенью судить о наличии
болезни, но и определить тип опухоли. Поэтому, получение количественных распределения значений традиционных акустических характеристик, а также нелинейного параметра представляет очень важную и актуальную задачу для медицины на сегодняшний день.
Основная цель работы заключается в разработке схемотехнической реализации и программного обеспечения функционирования ряда акустических томографических систем, работающих на разных принципах выделения диагностической информации в процессе обследования пациентов.
Задачи диссертационной работы состояли в следующем:
-
Создание экспериментального образца акустической томографической системы с использованием кольцевой антенной решетки с неравномерным распределением преобразователей, предназначенного для восстановления скорости звука и поглощения. Относительно небольшое количество преобразователей в сочетании с вращением антенны позволяет обеспечить практически тот же набор данных, что и в неподвижной многоэлементной решетке с большим числом преобразователей.
-
Создание экспериментального образца томографа распределения нелинейных акустических характеристик с малым числом преобразователей в сочетании с фокусирующей зеркальной системой, позволяющих за счет сложного кодирования сигналов обеспечить объем данных, эквивалентный объему в многоэлементной решетке с большим числом преобразователей, использующей явления нелинейного рассеяния, а также существенно сократить время съема экспериментальных данных.
-
Проведение численных и модельных экспериментов по восстановлению пространственного распределения искомых характеристик (скорости звука, коэффициента поглощения и нелинейных параметров 2-го и 3-го порядков) в исследуемых объектах.
-
Создание программ для фильтрации экспериментальных сигналов и получения данных, пригодных для использования в томографических алгоритмах. Разработка методов отображения результатов работы этих алгоритмов.
-
Проектирование интерфейса передачи данных от антенной решётки к вычислительной системе.
-
Проведение анализа возможности распараллеливания томографических алгоритмов с использованием технологии параллельных вычислений CUD А, что вызвано большой вычислительной сложностью и, как следствие, большим временем обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы
1. Экспериментально было обнаружено влияние отклонений геометрии антенны
от идеальной (эксцентричность, неточность позиционирования) на
разрешающую способность томографа и предложены методы компенсации
этих погрешностей. Показано, что в томографе классической схемы требуется учет многократных рассеяний от сильных крупномасштабных рассеивателей. Последнее может быть осуществлено через измерение параметров сигналов, характеризующих эти неоднородности, во времяпролетном алгоритме.
-
Показано, что процесс учёта рассеяния на мелких деталях структуры рассеивателя нуждается в переопределении функции Грина введением двухшагового алгоритма с целью предварительной оценки крупных неоднородностей.
-
Показано, что такой двухшаговый алгоритм позволяет решить обратную задачу томографии с достаточным для практических целей разрешением.
-
Показано, что двухшаговая схема томографии позволяет применить высокопараллельные методы обработки. Применение SIMD технологии параллельной обработки данных на графических процессорах CUDA позволяет сократить время обработки экспериментальных данных на 2-3 порядка.
Степень разработанности темы. В теорию обратных задач большой вклад внесли A.J. Devaney, Л.Д. Фаддеев, Р.Г. Новиков, в практическую реализацию -А.В. Осетров, И.Б. Рубашов. Что касается акустической томографии, то из-за сложности создания таких систем до недавнего времени работ по этой теме не было. За последние 10 лет в мире появились 3 научные группы, занимающиеся исследованиями и созданием прототипов акустических томографов: в Carmanos Cancer Institute, США, руководитель Neb Duric; в университете Калифорнии, руководитель Johnson S.A.; в Карлсруэ, Германия. Эти группы разрабатывают различные системы томографирования, отличающиеся как по конструкции, так и методами обработки. В России задачей акустической томографии занимается научная группа физического факультета МГУ под руководством профессора В.А. Бурова.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач
использовались следующие методы: разработки ультразвуковых
преобразователей, разработки интерфейсов системного окружения, а также методы математического моделирования, вычислительной математики и параллельного программирования.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается решением обратных модельных задач, давших оценки, близкие к исходным характеристикам искусственных двумерных рассеивателей, использованных при синтезе тестовых данных рассеяния.
Возможность достаточно быстрого томографического восстановления распределения нелинейных характеристик третьего порядка продемонстрирована на разработанном экспериментальном образце нелинейного томографа с использованием аппаратного и программного обеспечения, полученного в процессе выполнения диссертационной работы.
Практическая ценность работы:
-
Показана на практике реализуемость линейного и нелинейного акустических томографов с заявленным разрешением вплоть до долей миллиметра, что дает возможность запускать их в серийное производство и провести работу по внедрению этих устройств в медицинскую практику.
-
Показано, что рассматриваемые в работе томографические алгоритмы обладают высокой степенью параллелизма, что позволяет сокращать время их обработки до значений, пригодных на практике.
Реализация и внедрение результатов исследований:
Результаты диссертации были внедрены в научно исследовательскую работу кафедры акустики МГУ. Разработанные экспериментальные образцы используются при написании дипломных работ, ультразвуковых томографов. Применение библиотеки параллельного программирования позволило сократить время обработки ряда сложных вычислений в сотни раз, что принципиально важно для применения в практических условиях.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Двухшаговый алгоритм обеспечивает восстановление пространственного
распределения количественных значений скорости звука и амплитудного
коэффициента поглощения с разрешением около четверти длины волны
использованного излучения.
-
Алгоритмы предварительной фильтрации и обработки импульсных сигналов от антенных приёмоизлучающих преобразователей и алгоритмы их сопряжение с параллельной вычислительной системой, позволяющие исключить влияние неоднородностей 26-ти каналов измерения на точность окончательного результата.
-
Применение для обработки данных технологии CUD А, позволяющей получать итоговые томографические изображения формата 1024x1024 не более чем за нескольких минут.
-
Экспериментальный образец линейного томографа, работоспособность которого подтверждена результатами восстановления характеристик рассеивателей как на основе модельных данных, так и на реальных объектах.
-
Функциональный алгоритм, позволяющий восстановить полную структуру рассеивателя без разделения на крупно- и мелкомасштабные части, как альтернативу двухшаговому алгоритму обработки экспериментальных томографических данных.
Апробация работы
Вошедшие в диссертацию результаты докладывались на XIII Всероссийской школе - семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (Звенигород, Моск. обл., 2012), на 53 и 55 научной конференции МФТИ (Москва-
Долгопрудный: МФТИ, 2010 и 2012) , на конференции "Медицинская Физика и Инновации в Медицине" (г.Троицк, 2012), на 5-й Международной конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (ARMIMP-2012), на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов 2011» (Москва, 2011), а также обсуждались на научном семинаре кафедры математики под рук. проф. Боголюбова физического факультета МГУ и на семинаре Лаборатории геометрических методов математической физики механико-математического факультета МГУ (февраль 2012).
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в шестнадцати работах (четыре из них - в рецензируемых журналах), список которых приводится в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
