книги / Применения ультразвука

Обратное движение при механическом сканировании с помо­ щью линейного массива элементов порождает проблемы вибра­ ции, присущие всем преобразователям, кроме наиболее легких. Поэтому ограничиваются использованием высокочастотных пре­ образователей, не ниже 10 МГц. При частотах выше 15 МГц на­ иболее предпочтительным является применение линейного или секторного механического сканирования, поскольку изготовле­ ние высокочастотных многоэлементных преобразователей сопря­ жено со значительными трудностями.

9 .3 .2 . Матрицы

Матрица преобразователей представляет собой несколько пре­ образователей, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Сигналы, поступающие от этих преобразователей, под­ вергаются некогерентной обработке. Следует отличать данную конструкцию от преобразующей матрицы, которая представляет собой преобразователь из нескольких преобразующих элементов с когерентной обработкой сигналов от них. Матрицы преобразо­ вателей применяются для создания преобразователя с большой апертурой, который избавляет от необходимости сложного ска­ нирования. Что касается преобразующих матриц, то они исполь­ зуются для формирования и направления ультразвуковых лучей путем учета фаз сигналов от каждого элемента.

9.3.3. Кольцевые матрицы

Кольцевые матрицы были разработаны для того, чтобы преодо­ леть проблему разрешения по плоскости, свойственную одно­ элементным преобразующим системам. Разрешение по плоскос­ ти — это способность отличать две точки, находящиеся на одном расстоянии от преобразователя, но разнесенные в плоскости, па­ раллельной поверхности преобразователя. Разрешение по плос­ кости, как правило, на порядок меньше осевого разрешения. На практике, низкое разрешение по плоскости приводит к плохому распознаванию целей, расположенных вдоль луча.

Разрешение по плоскости можно улучшить двумя способами: либо с помощью линзы (рис. 9 .2 Ь), либо с помощью перестраи­ ваемой фокусируемой системы, в которой используется кольце­ вая матрица. Она состоит из центрального диска и нескольких коаксиальных колец (рис. 9.4). Можно осуществить фокусиров­ ку в нужном интервале на центральной оси путем введения эле­

Для осуществления фокусировки применяются техники запаз­ дывания, аналогичные вышеописанным (см. рис. 9.3). Однакозапаз­ дывание выбирается таким образом, чтобы создать один или нес­ колько фокусов для излучаемого сигнала и много фокусов приема, плотнорасположенныхвдольлиниисканирования, которая, какправило, ориентирована под некоторым углом к главной оси (рис. 9 .8 ). Таким образом, обеспечиваются фокусировка и ориентация луча.

Сигналы

Рис. 9.8. Фокусировка луча и его ориентация выполняются путем введения соответствующих временных запаздываний

Сделать выбор между фазированными многоэлементными сек­ торными сканерами и механическими весьмазатруднительно. Фази­ рованные многоэлементные системы очень дорогостоящие, а элек­ троника, необходимая для синхронизации механической системы, сложная. Боковые лепестки обычно не являются проблемой для вра­ щающихся преобразователей, но создают трудности в случае приме­ нения фазированных матриц. В будущеммногоэлементный фазиро­ ванный секторный сканер станет общепринятым инструментом.

9.3.6. Гибридные линейно-секторные трапецеидальные форматы сканирования

Некоторыелинейные многоэлементные системы обеспечиваюттра­ пецеидальную область обзора посредством управления поворотом лучей в небольших областях у каждого из краев линейной разверт­ ки (рис. 9.9). Это порождает проблемы дифракционного максиму­ ма решетки, что обусловлено относительно большой высотой эле­ ментов (~2 Х), обычно используемых в линейном многоэлементном зонде. Однако для криволинейной матрицы данный фактор создает определенное преимущество, обеспечивая большую область обзора и при этом не вызывая проблемы сжатия тканей на поверхности.

9.4.1. Обработка сигнала и вывод на экран

Существование целого ряда механизмов взаимодействия ультра­ звука с биологическими и другими средами приводит к глубокой зашифровке информации, содержащейся в эхо-сигналах. В пос­ ледние десятилетия удалось добиться значительного прогресса в изучении компонентов сканеров, ответственных за обработку сигнала и изображения, чтобы по максимуму использовать их воз­ можности. К примеру, часто возникает необходимость разделить информацию нескольких типов, компенсировать взаимодействие между переменными, разобраться с обширным динамическим диапазоном и представить информацию в форме, наиболее при­ емлемой для наблюдателя. Для того чтобы это реализовать, не­ обходима соответствующая обработка, которая производится на одном или нескольких уровнях (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Уровни обработки сигнала и изображения

9 .4 .2 . Обработка передаваемого сигнала

Обработка сигнала в ультразвуковом сканировании начинает­ ся с формирования и задержки импульсов возбуждения, посту­ пающих от каждого элемента матрицы, с целью генерирования фокусированной направленной и аподизированной импульсной волны. Так, стандартное формирование импульса включает ре­ гулировку длины импульса для различных линз в зависимости от того, как возвращающиеся эхо-сигналы в конечном счете бу­ дут способствовать режимам сканирования и визуализации. Не менее важна центральная частота импульса, которая в современ­ ных широкополосных преобразователях может перестраиваться в широком диапазоне в зависимости от того, какая часть тела будет сканироваться. Из-за показателя отношения сигнала к шуму и по ряду других причин данный фактор часто взаимосвязан с полосой пропускания фильтра в приемнике.

Новым поводом для совершенствования формы передаваемых импульсов явилась необходимость улучшить визуализацию газо­ вых микропузырьков, основанную на ультразвуковом контрасте.

Цель заключается в том, чтобы воспользоваться нелинейностью рассеяния от газовых включений и, к примеру, поочередно пере­ давать импульсы с инверсией фазы 180“ Опять же, все это долж­ но быть привязано к соответствующей обработке в приемнике, чтобы воспользоваться преимуществами, которые дает новая ин­ формация, потенциально генерируемая при использовании таких импульсов. Другие примеры включают ограничение полосы про­ пускания переданного импульса таким образом, чтобы фильтра­ ция в приемнике выявляла нелинейное генерирование гармоник в эхо-сигнале и вариации пикового давления импульса и, следо­ вательно, обнаруживала нелинейное изменение амплитуды эхосигнала.

9 .4 .3 . Обработка принимаемого сигнала

Обработка эхо-сигналов, принятых каждым элементом матрицы, обычно начинается с применения функций аподизации, динами­ ческого фокусирования или управления задержками, обработки смешанных фонограмм, чтобы снизить стоимость разработки. Здесь важно знать скорость звука. И наоборот, в некоторых экс­ периментальных сканерах неоднократно использовалось среднее значение звуковой скорости, а резкость полученного изображе­ ния использовалась для оценки реальной скорости звука в-среде. Данное свойство обычно не выделяется в повседневном приме­ нении ультразвуковых сканеров, но оно оказалось полезным для решения проблем диагностирования.

В других экспериментальных системах предпринимались попытки применить корректировку фазовых искажений, чтобы улучшить разрешение по плоскости, контрастность и/или отно­ шение сигнал—шум (SNR), которые страдают от эффектов иска­ жения волны, возникающих при распространении в негомоген­ ной среде, и от некогерентных рассеивающих структур. Методы, изученные для выведения корректирующих функций, включали применение геометрической информации, полученной из изоб­ ражений, в сочетании со знаниями о скоростях звука, исполь­ зование алгоритмов регулировки итеративной фазы на уровне канала, которые задействуют весовые функции, включающие яркость пятен или измерение когерентности сигналов в разных каналах, и так называемый временной интервал. Была исследо­ вана как способ устранения шумов обработка сигналов в каналь­ ных интервалах.

Инструментарий 475

9.4.4.Формирование луча

Внастоящее время используются аналоговые и цифровые фор­ мирователи луча. Формирование когерентного луча улучшает зернистость и SNR за счет разрешения по плоскости и в то же самое время полезно для выявления малоконтрастных телесных поражений. Другими важными методами являются однолиней­ ная и многолинейная обработка радиочастотных сигналов, пре­ образование сканирующей развертки, завершающая обработка

ит.д.

9.4.5. Выбор частоты

Как обсуждалось ранее в разделе 9.2, ультразвук затухает при прохождении через ткань в процессе рассеяния, частичного от­ ражения и тепловой конверсии (поглощения). Различные ткани по-разному ослабляют звук. Например, степень затухания в мыш­ цах больше, чем в жире. Кроме того, затухание повышается с час­ тотой, а выбор ультразвуковой частоты является компромиссом между разрешением и проникновением, поскольку первое требу­ ет высокой частоты, а второе —низкой. В результате этого комп­ ромисса высокие частоты применяются для получения изображе­ ний органов, расположенных вблизи поверхности, а низкие —для рассмотрения более глубоко залегающих структур.

9.4.6. Эхо-импульсная визуализация

Когда ультразвук падает на границудвух тканей, он частично про­ ходит внутрь, а остальная его часть отражается таким же образом, как свет от поверхности стекла. Степень остаточного отражения обусловлена акустическими импедансами обеих тканей, кото­ рые, в свою очередь, зависят от плотности и сжимаемости тканей. Сильные различия акустических импедансов приводят к высокой степени отражения. К примеру, на границах мягкой ткани и кости или разных видов мягких тканей (например, мышц и жира) отра­ жение невелико. Если ультразвук попадает на грубую поверхность или на мелкие объекты, то он скорее рассеивается, чем отражается. Винструментах эхо-импульсной визуализации на преобразователь периодически подается электрический импульс, что приводит к передаче ультразвукового импульса, который принимается преоб­ разователем после отражения или рассеяния на поверхностях тка­ ней. Для оценки глубины залегания отражателя инструмент может использовать время с момента передачи до прихода эхо-сигнала.

Преобразователь передает и принимает ультразвук по лучу, имеющему форму карандаша. Толщина луча определяется разме­ ром преобразователя, операционной частотой и настройками фо­ кусировки. Таким образом, если инструмент принимает эхо-сиг­ нал, то понятно, что поверхность, его генерирующая, находится в пределахультразвуковоголуча, а глубина ее залегания определяет­ ся исходя из времени прихода эхо-сигнала после передачи. Ясно, что ориентация ультразвукового луча и время прихода позволяют рассчитать и вывести на экран местоположение этой поверхнос­ ти. Поскольку амплитуда эхо-сигнала обусловлена структурой и физическим строением отражателя или рассеивателя, она играет важную роль в диагностике и используется для регулировки ярко­ сти изображения эхо-сигнала на экране.

9.5. Различные виды сканеров

Методы сканирования можно обобщенно разделить на простые и составные. Простое сканирование включает две разновидности, которые проиллюстрированы рисунками 9.12а и 9.12Ь.

Рис. 9.12. Методы сканирования — эхо-импульсная визуализация

Для простейшего линейного сканера (рис. 9.12а) при обследова­ нии тела требуется большое окно обзора, однако он дает наилучшее изображение с обширной областью обзора вблизи кожи. Что каса­ ется простейшего секторного сканера (рис. 9.12Ь), то его преиму­ щество заключается в том, что он позволяет легко передвигать луч с большой скоростьюи использовать более узкое окно обзора. Вкачес­ тве примера визуализации такого плана можно привести получение изображения сердца через межреберные пространства. Составное