автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Система управления формой зондирующего импульса в приборах ультразвуковой диагностики

Введение.

Глава 1. Анализ методов и систем ультразвукового исследования

1.1. Применение ультразвукового зондирования. Основные характеристики и ограничения

1.2. Улучшение характеристик электронных компонентов и систем.

1.3. Математические методы обработки изображения.

1.4. Методы ультразвукового зондирования сигналами специальной формы. 14 1.4.1. Кодовое возбуждение.

1.4.1.1. Линейно частотно модулированные сигналы.

1.4.1.2. Сигналы с нелинейной частотной модуляцией.

1.4.1.3. Префильтрация.

1.4.1.4. Удлинение импульса^^МШвшпоция.

1.4.1.5. Случайные коды.

1.5. Постановка задачи и ее декомпозиция

1.6. Выводы к главе 1.

Глава 2. Моделирование процесса формирования зондирующего ультразвукового импульса.

2.1. Функциональная электронная схема.

2.2. Моделирование работы системы.

2.2.1. Математическое описание электронной системы.

2.2.2. Инверсная фильтрация.

2.2.3. Расчет формирующего фильтра через преобразование Фурье.

2.2.4. Дискретное преобразование Фурье.

2.2.5. Расчет формирующего фильтра методом наименьших квадратов

2.2.6. Рекурсия Тоэплитца.

2.2.7. Показатель качества.;. ].

2.2.8. Фильтры с временной задержкой.

2.2.9. Расчет формирующих фильтров с временной задержкой методом наименьших квадратов.

2.2.10.Расчет через преобразование Фурье.

2.2.11.Область применения фильтров с оптимальной задержкой.

2.3. Оценка необходимой точности ЦАП и АЦП.

2.4. Выводы к главе 2.

Глава 3. Электронная система с управлением формой зондирующего импульса

3.1. Анализ линейности компонентов электронной системы.

3.2. Описание компонентов электронной системы.

3.2.1. Компьютер.

3.2.2. Интерфейсная плата.

3.2.3. Аналоговый блок.

3.2.3.1. Мощный усилитель.

3.2.3.2. Коррекция нелинейности.

3.2.3.3. Приемный усилитель.

3.2.4. Ультразвуковая зондовая головка.

3.3. Выводы к главе 3.

Глава 4. Программное обеспечение.

4.1. Операционные системы и их ограничения.

4.2. Архитектура программного обеспечения (ПО).

4.2.1. Особенности реализации ПО. Команды ММХ™ и 301Чоуу!™.

4.2.2. Драйвер устройства.

4.2.3. Пользовательская программа.

4.3. Реконструкция изображения.

4.3.1. Режим В.

4.3.2. Преобразование растра.

4.3.3. Расчет акустического импеданса (режим Z).

4.4. Выводы к главе 4.

Глава 5. Результаты экспериментального исследования.

5.1. Тест линейности системы.

5.2. Формирование зондирующего импульса различной формы.

5.2.1. УЗ-сигнал в форме одного периода синусоиды.

5.2.2. Электронное демпфирование остаточных колебаний трансдьюсера.

5.2.3. УЗ-сигнал в форме одного всплеска.

5.2.4. УЗ-сигнал произвольной формы.

5.3. Изменение спектра частоты сигнала.

5.4. Работа системы в режиме В.

5.5. Выводы к главе 5.

Ультразвуковая диагностика является одной из наиболее эффективных средств контроля и исследования в технике, биологии, медицине. Большой интерес к УЗ-диагностированию обусловлен фундаментальной недеструктивностью среды исследования, отсутствием негативных эффектов при соблюдении максимально допустимой мощности УЗ-сигнала, широким спектром собираемой диагностической информации и возможностью получения данных в реальном времени.

Существуют различные системы и методы УЗ-диагностирования, различающиеся характером собираемой информации. Наиболее распространенным методом УЗ-диагностирования является эхо диагностика. При эхо диагностике в изучаемый объект посылается УЗ-зондирующий импульс и регистрируются отражения зондирующего импульса внутри объекта. По результатам диагностирования обычно строится одномерный график эхосигнала (А-скан) или двумерное УЗ-изображение (В-скан), визуализирующие информацию о внутренней структуре объекта.

Одним из наиболее важных показателей качества УЗ-изображения является пространственное разрешение. Пространственное разрешение характеризует предельно малые пространственные изменения в структуре или свойствах исследуемого объекта обнаруживаемые диагностической установкой. Требования по минимальному разрешению зависят от конзфетной диагностической цели и накладывают жесткие ограничения на область применения УЗ-диагностики.

Традиционные системы и методы ультразвукового диагностирования используют возбуждение пьезокерамического акустического излучателя (трансдыосера) коротким импульсом напряжения. Длительность зондирующего импульса и напрямую связанное с этим разрешение обусловлено временем затухания механических колебаний трансдыосера. Улучшение разрешения за счет повышения частоты зондирующего сигнала и его мощности во многих

-ёпрактических случаях исчерпано из-за ограничений безопасности применения. В этой связи интенсивно развивается направление в которых используются длинные сигналы с управлением их формы. Это направление получило название «кодовое возбуждение». Управление формы достигается за счет подачи на трансдьюсер серии коротких электрических импульсов разной полярности -кода. Разработаны математические методы кодирования/декодирования сигналов, выделяющие информацию об объекте.

В данной работе преложена ультразвуковая система, которая позволяет управлять формой зондирующего сигнала в пределах каждого периода колебаний. В предложенном методе управления трансдьюсер возбуждается сложной формой напряжения, соответствующей формирующему фильтру с оптимальной временной задержкой, в то время как в традиционных методах УЗ-диагностики УЗ-трансдьюсер обычно возбуждается коротким импульсом напряжения или кодовой последовательностью коротких однотипных импульсов разной полярности.

Основным преимуществом предложенного метода является возможность создания короткого УЗ-зондирующего сигнала разнообразной формы. л

Разработанная электронная система позволяет оперативно менять форму и /или частотные параметры сигнала в зависимости от условий среды исследования, глубины зондирования. Имеется возможность варьировать параметры каждого зондирующего сигнала, добиться устойчивости к дисперсии в среде. Следствием этого является повышение разрешения на всей глубине диагностирования.

В данной работе проведен анализ методов и систем ультразвукового диагностирования, связанных с управлением формой зондирующего импульса (глава 1).

Во второй главе проведено математическое моделирование процесса формирования зондирующего импульса. Предложена методика расчета формы электрического сигнала возбуждения трансдьюсера, позволяющая получить 7 наиболее близкое соответствие желаемой и фактической формы зондирующего сигнала. Определены требования к электронной системе, которая обеспечивает управление формой зондирующего сигнала.

В третьей г лаве приведено описание электронной системы, разработанной для практической реализации и экспериментальной верификации предложенного метода управления формой УЗ-зондирующего импульса. Обоснован выбор структуры системы, комплектующих электронных компонентов. Рассмотрены проблемы и способы решения при построении такой системы на базе персонального компьютера.

В четвертой главе рассмотрены проблемы сопряженные с разработкой программного обеспечения для реализации метода управления зондирующим импульсом и контроля электронной системы.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования. Показано, что электронная система и метод управления позволяют эффективно изменять форму коротких зондирующих импульсов. За счет формирования коротких зондирующих импульсов удалось получить более высокое разрешение в А и В режимах.

В приложении приводятся документы, подтвеждающие новизну и практическую значимость работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [ 27-30, 33, 37-39 ].

5.5, Выводы к главе 5.

1. Проведены экспериментальные исследования работы системы управления формой зондирующего импульса. Получены эхо сигналы в виде двух первых периодов собственных колебаний трансдьюсера, одного периода синусоиды, однополярного одиночного импульса, однополярного импульса с провалом в центре.

2. Показано, что система позволяет управлять центральной частотой и спектром частот зондирующего сигнала.

3. Получены растровые изображения среды в режиме В с использованием коротких зондирующих сигналов.

4. Возможность управления формой зондирующего импульса позволяет оперативно адаптировать работу системы к параметрам исследуемой среды и требованиям /получаемой . - информации. Сокращениедлительности: зондирующего импульса позволило получить на тестовых объектах увеличение продольного разрешения с 0.8 мм до 0.3 мм. Управление формой импульса дает возможность так же создавать оптимальные условия для совмещенного режима: высокого пространственного разрешения и определения скорости потоков внутри исследуемой среды.

Зондирующий импульс традиционной формы Зондирующий импульс специальной формы

Рис. 5.4.1. Повышение разрешающей способности ультразвуковой диагностики при использонии зондирующих импульсов специальной формы. Режим работы системы - А.

Заключение

В результате проведенных научных и технических исследований создана на базе персонального компьютера ультразвуковая система, способная управлять формой зондирующего импульса. При разработке системы были решены перечисленные ниже задачи и получены основные результаты:

1. Проведен анализ методов и систем ультразвукового исследования объектов. Показано, что управление формой зондирующего сигнала является эффективным направлением улучшения потребительских характеристик ультразвуковых систем. Обоснована целесообразность управления электрической мощностью возбуждения трансдьюсера для получения эхо сигнала требуемой формы в пределах полосы пропускания трансдьюсера.

2. Предложен метод управления и концепция электронной системы, которые позволяют управлять формой зондирующего сигнала в пределах каждого периода колебаний. На метод управления и систему формирования зондирующего импульса подана заявка на патент США № 09/177,346 от 10 октября 1998 г. [39] и получен патент США №и86167758 от 2.01.2001.

3. Рассмотрены варианты расчета сигнала возбуждения трансдьюсера методом Фурье и методом наименьших квадратов. Показано, что метод наименьших квадратов дает лучшее соответствие желаемой формы сигнала и фактической.

4. Показано, что задача расчета импульса возбуждения (формирующего фильтра) сводится к решению системы линейных уравнений лпорядка. Где п- число временных интервалов при дискретном задании фильтра. Разработан алгоритм решения системы уравнений с использованием метода Тоэпдица.

5. Для повышения адекватности желаемой и фактической формы эхосигнала предложено использовать формирующие фильтры с временной задержкой. Показано, что коэффициент качества для различных форм сигнала при использовании временной задержки увеличивается с 0.1 „.0.4 до 0.9.0.95.

6. Обоснованы требования к характеристикам электронной ультразвуковой системы. Показано, что для получения соответствия выше 0.9 желаемого и фактического сигнала с основной частотой 3. .4 МГц, необходимо иметь частоту цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования в диапазоне 16.33 МГц. Обоснованы критерии линейности всех звеньев электронной системы.

7. Разработаны электронные блоки системы, которые позволяют реализовать алгоритм управления формой зондирующего сигнала.

8. Предложен алгоритм и реализована практическая схема коррекции нелинейных искажений мощного усилителя сигнала возбуждения трансдьюсера.

9. Обоснован выбор операционной системы комплекса Microsoft Windows 9х / NT. Разработано программное обеспечение, которое позволяет выполнять все необходимые функции системы при ее максимальной производительности. Формирование луча, обработка эхосигнала и реконструкция изображения осуществляются программно в реальном времени с использованием специализированного программного обеспечения, оптимизированного для архитектуры процессоров семейства х86 поддерживающих команды ММХ и 3DNow!.

Программа реконструкции изображения получила в 1999 году гранд приз компании AMD.

10. Проведены экспериментальные исследования работы ультразвуковой системы и возможности метода управления формой зондирующего импульса. Получены эхо сигналы в виде двух первых периодов собственных колебаний трансдьюсера, одного периода синусоиды, однополярного одиночного импульса, однополярного импульса с провалом в центре.

Показано, что система позволяет управлять центральной частотой и спектром частот зондирующего сигнала.

Получены растровые изображения среды в режиме В с использованием коротких зондирующих сигналов.

11. Возможность управления формой зондирующего импульса позволяет оперативно адаптировать работу системы к параметрам исследуемой среды и требованиям получаемой информации. Сокращение длительности зондирующего импульса позволило получить на тестовых объектах увеличение продольного разрешения с 0.8 мм до 0.1 мм при резонансной частоте трансдьюсера 3.5 МГц. Управление формой импульса дает возможность так же создавать оптимальные условия для совмещенного режима: высокого пространственного разрешения и определения скорости потоков внутри исследуемой среды.

1. Mackovski, A., Medical Imaging Systems, Prentice Hall, 1983.

2. AIUM-NEMA, Safety Standard for Diagnostic Ultrasound Equipment, Journal of Ultrasound in Medicine, Vol. 2, p. 51, 1983.

3. McDicken, W. N.; Diagnostic Ultrasonics: Principles and Use of Instruments, Churchill Livingstone, New York 1991, p.349.

4. Takeuchi, Y., Coded Excitation For Harmonics Imaging, 1996 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, Vol. 2, 1996, pp. 1433-1436.

5. Burckhardt, С. В., Speckle in UltrasoundB-mode Scans, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. 25, November 1978, pp. 1-6.

6. US Patent № 4,608,507, Damping device for focused piezoelectric transducer, Neubauer, Werner G.; Mingo, Jon J., Aug. 26, 1986.7. http://www.gemedicalsystems.com/medical/ultrasound/index.html

7. Sapia, M. A.; Fox, M. D.; Loew, L. M.; Schaff, J. C., Ultrasound Image Deconvolution Using Adaptive Inverse Filtering, 12th IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems Proceedings, 1999, pp. 248-253.

8. Kaaresen, K. F.; Bolviken, E., Blind Deconvolution of Ultrasonic Traces Accounting for Pulse Variance, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferrorelectronics, and Frequency Control, Vol. 46, issue 3, Mayl999, pp. 564-574.

9. Амербаев В. M., Метод моментов для деконволюций, Вестник АН Респ. Казахстан, № 1, 1992, с. 52-56.

10. Amerbaev, V. М.; Kim Chil; Рак, I.T., Theoretical Basis of Computing Arithmetics, Seul, 1995, p. 220.

11. Amerbaev V. M.; Kim Chil, Arithmetization of Rid-Solomons Codes, Доклады АН Респ. Казахстан, 1995, № 5.

12. Mandersson, В.; Salomonsson, G., Weighted Least-Squares Pulse-Shaping Filters With Application to Ultrasonic Signals, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectronics and Frequency Control, Vol. 36, issue 1, January 1989, pp. 109113.

13. Passmann, C.; Ermert, HAdaptive 150 MHz Ultrasound Imaging Of The Skin And The Eye Using An Optimal Combinatibn Of Short Pulse Mode And Pulse Compression Mode, 1995 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1995, Vol. 2, pp. 1291-1294.

14. Fowle, E. N., A General Method For Controlling The Time And Frequency Envelopes OfFM-Signals, Technical Report 41G-0008, MIT Lincoln Laboratory, Lexington, MA, June 1961.

15. Haider, В.; Lewin, P. A.; Thomenius, К. E., Pulse Elongation AndDeconvolution Filtering For Medical Ultrasonic Imaging, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 45, issue 1, January 1998, pp. 98-113.

16. Shen, J.; Ebbini. E. S., A New Coded-Excitation Ultrasound Imaging System. I. Basic Principles, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 43, issue 1, January 1996, pp. 131-140.

17. Shen, J.; Ebbini. E. S.,^4 New Coded-Excitation Ultrasound Imaging System. II. Operator Design, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 43, issue 1, January 1996, pp. 141-148.

18. Welch, L. R., Pulse Compression Ultrasound For Minimization Of Transmitted Peak Power, 20th Annual Northeast Bioengineering Conference proceedings, 1994, pp. 88-91.

19. Redwood, M., Transient Performance of a Piezoelectric Transducer, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 33, issue 4, April 1961, pp. 527-536.

20. Castleman, K., Digital Image Processing, Prentice Hall, 1996, pp. 180-186, pp. 228-230, pp. 230-232, p. 173.

21. Robinson, E.; Treitel, S., Geophysical Signal Analysis, Englewood Cliffs, N. J. Prentice-Hall, 1980, pp. 163-169, pp. 175-190.

22. Fomitchev, M. I.; Grigorashvily, Y. E.; Volkov, S., Ultrasonic Pulse Shaping with Optimal Lag Filters, International Journal of Imaging Systems and Technology, 1999, Vol. 10, issue 5.

23. Fomitchev, M. I.; Grigorashvily, Y. E.; Volkov, S., Cost-Effective Ultrasound Imaging Apparatus that Uses Optimal-Lag Pulse Shaping Filters, 1999 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings, 1999 Vol. 1, pp. 691-694.

24. Fomitchev, M. I., Introduction to Wavelets, Математическая морфология, том 3, выпуск 1, 1998.

25. Fomitchev, M. I., 3DNow! Code Optimization and Porting, Dr. Dobbs Journal, Vol. 314, August 2000.31. www. Analog, com./prodacts

26. Rumack, С. M.; Wilson, S. R.; Charboneau, J. W., Diagnostic Ultrasound, Mosby-Year Book, 1998, pp. 44-47, pp. 71-75, pp. 57-71.

27. Fomitchev, M. ., MMXCode Optimization, Dr. Dobbs Journal, Vol. 303, September 1999.

28. Shreekant Thakkar, Tom Huff, Internet Streaming SIMD Extensions, Computer, Vol. 32, No. 12, December 1999, pp. 26-34.

29. Letcher, J., An Imaging Device that Uses the Wavelet Transformation as the Image Reconstruction Algorithm, International Journal of Imaging Systems, Vol. 4, 1992, pp. 98-108.

30. Letcher, J., An Imaging Device that Uses the Wavelet Transformation as the Image Reconstruction Algorithm, International Journal of Imaging Systems, Vol. 5, 1994, pp. 33-38.

31. Григорашвили Ю. E., Фомичев M. И., Ультразвуковая система с управляемой формой зондирующего импульса, Известия вузов, Электроника, №2, 2000, с.70-74.

32. Григорашвили Ю. Е., Фомичев М. И., Ультразвуковая система с управлением формой зондирующего сигнала, В сб. трудов международная конференция «Датчик-2000», Судак, 2000, с. 112.

33. Fomitchev, М. I., Ultrasound Imaging Device that Uses Optimal Lag Pulse Shaping Filters, патентная заявка США № 09/177,346, 10 октября 1998.

34. Hacioglu, К., Re-Optimisation ofLPC Filters for Multi-Pulse Coded Excitation, Electronics Letters, Vol. 36, Issue 12, 8 June 2000, pp. 1082-1083.

35. Palomar, D.P.; Price, M.; Sandler, M., Re-Optimisation of LPC Filters for MultiPulse Coded Excitation, Electronics Letters, Vol. 35, Issue 13, 24 June 1999, pp. 1058-1059.

36. Misaridis, T.X.; Jensen, J. A., An Effective Coded Excitation Scheme Based on a Predistorted FM Signal and an Optimized Digital Filter, 1999 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1999, Vol. 2, pp. 1589-1593.

37. Kourtiche, D.; Chitnalah, A.; Nadi, M., Comparison Between First and Second Harmonic Imaging in Ultrasound Tomography, The Journal of the Acoustical Society of America, February 1999, Vol. 105, Issue 2, p. 1015.

38. Смоленской государственнойинской академии,1. Щси^ в. Г.ПЛЕШКОВ1. АКТ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИИ

39. Заведующий кафедрой терапии и УЗ диагностикипрофессор В. А. МилягинÎ23

40. AMD Know the Code Contest Winners1. Orp. 1 H3 1