книги / Применения ультразвука
..pdfОбратное 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