На правах рукописи

Акатов Максим Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ПОВЫШЕННОЙ

ТОЧНОСТИ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ

Специальность 05.13.05 – элементы и устройства

вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва – 2007 2

Работа выполнена на кафедре "Электронно-вычислительная аппаратура" Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Азаров В.Н.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится “_”_ 2007 г. в час. мин. на заседании диссертационного Совета в Московском государственном институте электроники и математики техники (техническом университете) по адресу:, Москва, _, МИЭМ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭМ (ТУ).

Автореферат разослан “_” 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Диссертация посвящена разработке принципов построения и исследованию технических характеристик аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики, отличающийся высокой точностью, быстродействием и широким диапазоном диагностических функций.

Решение задачи, поставленной в диссертации, позволит:

• создать аппаратуру повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики;

• уменьшить номенклатуру используемой элементной базы и стоимости разрабатываемой аппаратуры;

• увеличить диапазон проводимых диагностических исследований.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики.

Рассматриваемые в диссертации задачи:

1. Исследование существующих методов и средств построения ультразвуковой медицинской диагностической аппаратуры.

2. Исследование и определение основных составляющих задач проектирования ультразвукового доплеровского узла.

3. 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 заключается:

• Принципы построения аппаратуры и базовые алгоритмы 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:

• улучшено разрешение формируемого изображения, что позволяет увеличивать размер отдельных участков изображения, либо частоту кадров для отображения динамических структур организма человека – сердечно-сосудистая система;

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.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы внедрены автором в процессе разработки аппаратуры повышенной точности УУДС "Эходиасакн-02" в ФГУП НПЦ АП имени академика Н.А. Пилюгина. Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами.

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.);

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 3 научных докладах на научно-технических конференциях и 1 статье.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из наименований и _ приложений. Общий объем работы составляет _ страниц, в том числе рисунков и таблиц.

Во введении обуславливается актуальность темы диссертационной работы, формулируются общие цели исследования. Показывается роль УЗ диагностической аппаратуры.

В первой главе проводится оценка состояния медицинского приборостроения в России, анализ существующих методов и средств построения УЗ медицинских диагностических приборов, в частности, ультразвуковых доплеровских приборов, а также УЗ сканеров на базе персонального компьютера (далее – ПК). Определяются цели и задачи исследования.

Применение ПК в медицинской диагностической аппаратуре не только имеет своей целью универсализацию используемого врачами оборудования, но и снижение его стоимости, что особенно актуально для российской медицины. Главная проблема, которую решает применение ПК в разрабатываемом приборе – это возможность построения аппаратуры обработки данных с минимальными затратами. Одновременно решаются проблемы выбора конструктива, средства отображения, программного обеспечения и др. Возможности современных процессоров позволяют производить сложные вычисления в реальном масштабе времени, что раньше было под силу только специализированным цифровым процессорам обработки сигналов (далее – ЦПОС).

В настоящее время большинство алгоритмов обработки информации аппаратуры повышенной точности УЗ медицинских диагностических приборов, включая рассмотренное преобразование координат, решается на аппаратном уровне – так называемыми сканконвертерами. Их применение позволяет производить не только отображение преобразованных данных на стандартном мониторе, но и постобработку, в том числе наложение различной графической информации с применением фильтрации.

Такому решению присущи следующие недостатки:

• фиксированный размер изображения на экране монитора;

• аппаратные ограничения разрешения формируемого изображения;

• сложность реализации режима кинопетли;

• сложность реализации многооконного режима.

Вместе с тем сохраняющаяся в последнее время тенденция значительного увеличения производительности процессоров ПК приводит к тому, что реализация алгоритмов преобразования координат и последующей постобработки на аппаратном уровне является не единственным решением задачи обработки информации УЗ сканера.

В связи с предложенной задачей, реальным представляется возможность реализации вышеперечисленных этапов обработки информации программным путем. Это позволило бы значительно сократить время разработки аппаратного обеспечения, роль которого в данном случае сводилась бы просто к вводу сигнала с выхода блока приемопередатчика УЗ медицинского диагностического прибора в ПК, с другой стороны наличие современных средств моделирования и программирования позволит с максимальной гибкостью осуществлять отладку и модернизацию разрабатываемого оборудования.

Другая решаямая задача – разработка ВЧ ультразвукового доплеровского прибора. В настоящее время применяется УЗ с частотами до 20 МГц. Так, например, при УЗ обследовании головы используют самые низкие частоты порядка 0.5 – 2 МГц, при обследовании периферических сосудов – до 10 МГц, в офтальмологии – до МГц чем выше частота, тем ниже минимальная регистрируемая скорость, поэтому применяемые в настоящее время ултразвуковые доплеровские приборы имеют ограничения на минимальную регистрируемую скорость.

Ограничения:

• доплеровский сдвиг от частоты излучения;

• необходимость фильтрации принимаемого сигнала.

Допплеровский сдвиг прямо пропорционален частоте УЗ сигнала, на которой проводится исследование кровотока – т.е. чем ниже частота УЗ, тем меньше допплеровский сдвиг, получаемый при обследовании одного и того же кровотока на различных частотах.

Необходимость низкочастотной фильтрации вызвана наличием мощных низкочастотных составляющих в спектре принимаемого УЗ сигнала, обусловленным различными артефактами, а именно колебаниями стенок сосудов, так называемым "пролезанием" сигнала с выхода передатчика на вход приемника, что особенно характерно для прибора, работающего в непрерывном режиме.

Так, среднее значение минимальной регистрируемой скорости для УЗДП, работающего на частоте 8 МГц, составляет 2 см/с, что, как минимум, вдвое больше величины, характерной для кровотока в малых венах и венулах, и более чем на порядок превышает скорость кровотока в капиллярах (табл.1).

Таблица 1. Средняя скорость движения крови в различных сосудах.

Исходя из этого необходима разработка ВЧ ультразвукового доплеровского прибора для аппаратуры повышенной точности для медицинской диагностики, позволяющей снизить минимальную регистрируемую скорость кровотока.

Одной из главных задач при разработке ВЧ ультразвукого доплеровского прибора является создание УЗ датчика. Применяемая в настоящее время в качестве активного элемента пьезокерамика не может быть использована в разрабатываемом датчике.

Известно, что на частотах свыше 10 МГц толщина активного элемента, изготовленного из пьезокерамики, должна быть меньше 0.2 мм. Обработка материала такой толщины затруднена из-за хрупкости образца.

Таким образом, для повышения точности необходимо решить следующие задачи:

• разработать тракт обработки сигнала УЗДМК. Для этого необходимо провести анализ и рациональный выбор алгоритмов обработки. Особое внимание необходимо уделить алгоритму преобразования координат, обеспечивающего обработку УЗ сигнала различных датчиков как секторных, так и линейных, работу на различных глубинах, а также при различных начальных смещениях;

• провести анализ и разработку требований к устройству сопряжения для разрабатываемого УЗ медицинского диагностического прибора на базе ПК;

• исследовать зависимость глубины проникновения УЗ от частоты УЗ сигнала для ультразвукового доплеровского прибора и обосновать выбор рабочей частоты • разработать методику проектирования ВЧ ультразвукового доплеровского прибора;

• разработать ВЧ УЗ доплеровский датчик для ВЧ ультразвукового доплеровского прибора.

Во второй главе исследуются существующие алгоритмы и их модели преобразования координат для ультразвукового медицинского диагностического прибора. Анализируются модели данных алгоритмов.

Основные модели алгоритмов преобразования координат: алгоритм интерполяции ближайшим соседним элементом (NNIA), алгоритм неравномерного квантования (NULA), алгоритм заполнения (FIA), алгоритм равномерного квантования (ULA), алгоритм билинейной интерполяции (R) и модифицированный алгоритм R интерполяции. Проводится анализ математических моделей данных алгоритмов по критерию минимальной ошибки восстановления:

где – плотность энергии (мощности) идеально интерполированного изображения, F (w) – плотность энергии (мощности) реально интерполированного изображения, процессе реальной интерполяции, ws – период F (w) и F (w).

Для моделей алгоритмов проводится временной анализ. Проводится Паретоанализ данных алгоритмов по двум параметрам: минимальной ошибки восстановления УЗ изображения и минимального времени обработки УЗ сигнала.

По результатам анализа наилучшим качеством изображения, среди входящих в множество Парето, обладает алгоритм R-интерполяции. Однако, его непосредственная реализация показывает неудовлетворительную скорость обработки входного сигнала УЗ сканера (менее 10 Гц), что позволяет исследовать работу сердечно-сосудистой системы в динамике.

В свою очередь модификация алгоритма R-интерполяции, разработанная фирмой Спектромед, позволяет в 2,5 раза увеличить производительность алгоритма путем уменьшения количества операций, выполняемых в реальном масштабе времени.

Таким образом, оптимизация обработки информации алгоритма в реальном времени зависит от нескольких факторов:

• количества операций в алгоритме;

• времени выполнения каждой операции;

• количество обрабатываемых операндов;

• время выборки операндов из памяти и записи в память;

• степени распараллеливания данных операций и др.

Соответственно, по каждому из приведенных выше пунктов можно предложить решения, ускоряющие вычисления, заложенные в реализуемом алгоритме, и, таким образом, повысить скорость обработки сигнала УЗ сканера.

На основе данного анализа решается задача рационального выбора алгоритма преобразования координат и выбора модели программно-аппаратной системы управления УЗ медицинским диагностическим прибором.

Для реализации алгоритма R-интерполяции в реальном масштабе времени были использованы практически все из перечисленных выше решений. Основное внимание уделялось уменьшению количества выполняемых в реальном времени операций алгоритма. Задача сокращения цикла выполнения исходного алгоритма была решена путем его разбиения на два этапа, один из которых является подготовительным, и ко времени его выполнения не предъявляется никаких требований, второй же этап выполняется в режиме реального времени.

Для априорного сопоставления производительности предложенной модификации алгоритма R-интерполяции со своим предшественником было проведено моделирование этих алгоритмов с использованием системы Matlab. Эти результаты свидетельствуют о значительном (в 2.5 раза) снижении времени вычисления и, соответственно, повышения производительности предложенной модификации алгоритма R- интерполяции по сравнению со своим предшественником.

необходимых для работы предложенной модификации алгоритма (процедура RThetaNewPP), можно не принимать во внимание, так как это время затрачивается на единовременное вычисление таблиц для всех датчиков, включая таблицы геометрии с учетом различных сдвигов по глубине, и не относится к процессу работы программы в реальном времени.

Рис. 1. Сравнение времени выполнения модифицированного алгоритма R-интерполяции (RTnPP – этап предобработки, RTn – этап реального времени) и исходного алгоритма (RT) для разных глубин исследования.

Исследования показали, что разработанная модификация алгоритма билинейной интерполяции позволяет создавать программный сканконвертер для реализации тракта обработки сигнала приемопередатчика УЗ медицинского диагностического прибора на базе ПК в реальном масштабе времени с производительностью свыше кадров в секунду.

В третьей главе рассматриваются технические вопросы проектирования и реализации УЗ медицинского диагностического прибора и обосновываются принятые решения.

На основе анализа существующих УЗ датчиков для системы управления УЗ медицинским диагностическим прибором показывается преимущество применения в разрабатываемом УЗ датчике, в качестве активного элемента, монокристалла.

Исследуется зависимость глубины проникновения излучаемого сигнала f. Величина интенсивности отраженного от исследуемого кровотока УЗ сигнала I отр ( f ) определяется следующим выражением:

где B – коэффициент рассеивания, E – интенсивность падающего УЗ, коэффициент затухания, зависящий от типа ткани (рис.1).

Iотр(f), мВт/см Рис. 1. Зависимость интенсивности отраженного сигнала от частоты излучаемого УЗ.

Как видно из графика, для каждой глубины расположения исследуемого сосуда существует определенная частота УЗ сигнала, при которой на приемник возвращается максимум излученной энергии. Эту частоту можно найти, продифференцировав (1) по f, и приравняв полученное выражение к нулю. Ненулевой корень последнего уравнения имеет вид:

Из (2) следует, что для значений, изменяющихся для мягких тканей от 0.2 дБ/МГц·см до более чем 2 дБ/МГц·см для существующих в настоящее время ультразвуковых доплеровских приборов, работающих на частотах до 20 МГц, предпочтительными являются глубины более 0,5 см. В то же время, оптимальной для ВЧ ультразвукового доплеровского прибора, с точки зрения соотношения сигнал/шум и получения максимальной мощности отраженного сигнала, является глубина расположения исследуемых сосудов, меньшая, чем 0,5 см.

Разрабатывается структурная схема ВЧ блока, позволяющая создавать ВЧ диагностических приборов, которые находятся в эксплуатации, проводится расчет и выбор элементной базы в соответствии с полученной структурой, её обоснование, а также рассматриваются технические вопросы реализации данного блока.

На основе проведенных исследований обосновывается структура аппаратуры анализируются результаты экспериментальных исследований опытного образца.

Полученные данные свидетельствует о том, что предложенные методы диагностические возможности обследования организма человека с помощью УЗ.

ВЧ УЗДП

НЧ УЗДП

Рис. 2. Сопоставление нижних границ диапазонов средних скоростей кровотока в различных сосудах сердечно-сосудистой системы человека и нижних границ диапазонов регистрируемых скоростей для современных и разработанного УЗДП.

В заключении приводятся основные результаты и выводы, полученные в ходе работы над диссертационной работы.

В приложении приведены технические характеристики существующих и разработанного с участием диссертанта приборов.

Основные результаты:

1. Проведено исследование существующих методов и средств построения ультразвуковой медицинской диагностической аппаратуры.

2. Установлено, что непосредственное влияние на качество отображаемой модифицированный алгоритм, позволяющий сократить количество операций при обработке в реальном масштабе времени.

3. Разработан аппаратно-программный сканконвертер на основе выбранного алгоритма, позволяющий обрабатывать УЗ сигнал УЗМДК в реальном масштабе времени с производительностью более 20 кадров в секунду.

4. Предложена методика проектирования блока УЗДП, позволяющая конструировать новые приборы на базе существующих.

5. Предложена методика построения системы управления УЗМДК позволяющая добиться расширения функциональных возможностей при существенном сокращении аппаратной реализации.

6. Обосновывается структура аппаратуры повышенной точности для ультразвуковой медицинской диагностики на базе ПК.

1. Акатов М.С. Контроль температурных процессов устройств на основе современных компьютеров// Информационные технологии в системах вычислительной техники: Сб. науч. трудов кафедры ЭВА. Вып. 2. М.: МИЭМ, 2. Акатов М.С. Система контроля температурных процессов на базе современных компьютеров// Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем: Сб. статей. Ч. 4. Серпухов, 3. Акатов М.С. Программно-аппаратный УЗ медицинский диагностический комплекс на основе нейрокомпьютерной системы// Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов института, посвященная 40-летию МИЭМ: Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 2002. 395 с.

ультразвукового сканера// Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ: Тезисы докладов. М.: МИЭМ, 5. Акатов М.С. Ультразвуковое диагностическое устройство// Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели»: Бюллетень № 2. 2004.

6. Акатов М.С. Применение современных компьютеров для повышения качества задач контроля и повышения эффективности диагностики в системе управления информацией ультразвуковых медицинских диагностических комплексов// Качество. Инновации. Образование. 2007. № 1. С. 43-46.