Способ измерения коэффициента затухания ультразвука в биологических тканях Советский патент 1988 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к спортив ной медицине.

Цель изобретения повышение точности измерения в многослойных био логических тканях.

На чертеже представлена многослойная биологическая ткань.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от существующее го способа ультразвукового исследования биологических объектов на двух произвольных частотах, в предлагаемом способе эхографическоеI исследование производят на двух определенны частотах ультразвука, когда разность фаз эхорадиоимпульсов от передней и задней границ исследуемого участка ткани равна О или 1Г. ,

-

Исследуемьш участок 1 ткани с вол новым сопротивлением Zj находится между прилежащими тканями 2 (волновое сопротивление Z,) и 3 (волновое corf. противление Z), будучи отграничу от них соответственно промежуточными слоями 4 (волновое сопротивление Z и 5 (волновое сопротивление Z.). Толщины 1,2. и слоев 4 и 5 таковы, что находятся за пределами разре- шающей способности аппаратуры, обес печивая режим одноимпульсного отражения на границах раздела - слоях 4 .и 5.

Пада.ющий на первую границу 4 раздела сред 1 и 2 ультразвуковой импульс давления имеет амплитуду Р, отраженный от этой грании) импульс - амплитуду Р, (комппексную, с. учетом сдвига фазы по отношению к падающему импульсу). Импульс, прошедший в среду 1, при падении на вторую границу 5 раздела сред 1 и 3 имеет амппитуду Р отраженньй от этой границы импульс, пройдя в обратном направлении среду 1 и первую границу 4 раздела, имеет амплитуду PJ. Анализируемыми являются импульсы Р, и Р причем в отношении их амплитуд заложена информа- ция о .коэффициенте затухания, od-i ульт развука в среде 1, линейном акустическом размере Ij среды I, коэффициентах отражения ультразвуковых волн давления от обеих границ 4 и 5 раз-, дела сред и коэффициентах прохожде- ния волны давления сквозь первую границу 4 раздела в прямом и обратном направлениях:

Е,-Р„; Р

В„р . Е X

РОЬ J-гы,е.

(1)

о

Rj - коэффициенты отражения волны давления на границах 4 и 5 исследуемого участка 1 ткани соответственно; коэффициенты прохождения волны давления сквозь границу 4 в прямом и обратном направлениях соответственно.

шение комплексных амплитуд

анализируемых импульсов, по-

Р,

.

.

(2)

где hii t гъ длины волн ультразвка в материалах промежуточных слоев 4 и 5 соответственно. При этом учи- тьш.ается, что коэффициенты отражени и прохождения волн давления выражаются через параметры сред следующим образом;

Z,2 -Z,

г г;г 3 (3

4 +7

(г 4

Д

п

J2} +Z

2 Z

пр

2,2 +Z,

-; D

1

06 Zi, H-Zj

Z

1г

Z(7

21Г

+ J tg - 1,1

(2

1 .l,, /112. 4

(4)

1 J 5 tg л 1 J3

23

При известном способе ультразвукового исследования биологических объектов посредством эхографии на двух

частотах ультразвука предполагается,

что 1,

J3.

О (модель бесконечно-тонких границ раздела). В этом случае Р,, Pj и К являются действи- тельными (положительными или отрицательными) величинами, кроме того, К не зависит от частоты (и от.длины волны) ультразвука. Поэтому, измерив Ij и отношение Р,/, (достаточно на- йти его модуль), на двух различных частотах ультразвука, f, и f, мы получаем систему двух уравнений (1) с тремя неизвестными: значениями коэффициента затухания i и на двух частотах, ультразвука и значением К. Разделив одно уравнение на другое можно исключить К и найти разностный коэффициент затухания ультразвука:

oizCf.) - )

При дополнительном условии знания зависимости oi ei(f) можно найти аб- солютные значения коэффициента на каждой частоте.

Однако в общем случае 1(2 тогда как можно видеть из выражений (2) К является сложной комплексной функцией частоты (длины волны) ульт- развука. Поэтому эхографическое измерение отношения модулей комплексных амплитуд давления в выражении (2) на

двух частотах,ультразвука не позволя ет исключить К (как это полагается в известном способе), поскольку получается система двух уравнений с четырьмя неизвестными, включая различные К. Увеличение числа измерений, т.е. проведение измерений на трех, четырех и т.д. частотах не позволяет решить задачу, так как каждый раз добавляется две неизвестных величины

К (f-) и odi(f;), где i 3,4,5.,. Следует отметить что конкретная зависимость К (f) априорно неизвестна, так как неизвестны волновые сопротивления Z, , Zj, Z,, Zii .223 соответг- ствующих тканей и толщины 1 и соответствующих слоев.

Однако если учесть, что в реальных условиях мягких тканей организма исследуемое образование всегда находится внутри однородной прилежащей ткани, будучи отграниченным от по следней однородным слоем одинаковой толщины (капсула, оболочка и т.п.), то акустические условия упрощаются

и определение коэффициента затухания ультразвука в исследуемом участке 1 ткани становится возможным.

1

случае Z, Z,; Z Zj,; J- ti - -1-13 Тогда согласно выражениям (3) и (4), получаем:

. j. 7 i

Zc4 +Z

Z,,, +Z2

p

«2

Z

I г

zc irir - (5)

В этом случае выражение (2) упрощается

Р,

R.

.

ftl-i np В„5

-

I Х / Л,4

s

45

|11одйтавляя выражения (5) в уравнение (6) мояшо найти частные случаи, когда выражение для К становится действенным (для 1 ), т.е. независящим от частоты (длины волны) ультразвука:

-L.o«,; к

(Z. + Zг) . /,х 4 Z,Zi

50

1,г ( - 1 2,...);

55

К (Z. + Zt) 4 Z, 22

(8)

1„ -f-M2n-l);

K.

(9)

4 Z

12

Поскольку Z, , Z, Z, 0, a также

i 0, TO в случаях (7) и (8) обеспечивается противофазность волн давления Р, и Р, а в случае (9) - их синфазность. При этом амплитуды Р, и P,j являются действительными величинами, согласно (5) и (6).

Следовательно, производя измерения отношения амплитуд волн давления Р, и РЛ, соответствующих отражениям ультразвука о.т передней и задней границ исследуемого участка 1 ткани на некоторых дискретных частотах, удовлетворяющих .условиям (7) и (8) или, альтернативно, условию (9) можно обеспечить условие постоянства К для каждой из установленных частот и тем самым исключить К из получаемых уравнений. Условия (7) и (8) можно вьшолнить путем подбора частоты ультразвука до достижения противофазности анализируемых импульсов с амш1итудами Р, и Р|, а условие (9) - подбором частоты до достижения синфазности анализируемых импульсов.

Пример 1, Используя перестраиваемый генератор высокой частоты и широкополосный ультразвуковой преобразователь, вначале получают эхо- грамму исследуемого биологического объекта на одной из рекомендуемых для конкретных условий исследования унифицированных частот ультразвука. На этой частоте измеряют разность фаз эхорадиоимпульсов от передней и задней границ исследуемого участка тканей. Если разность фаз не равна О или ЗЕ , то производят перестройку частоты ультразвука, плавно или дискретно небольшими ступенями по 5-10% на каждой частоте снова измеряют разность фаз эхорадиоимпульсов. Так поступают до тех пор, пока анализируемые импульсы не будут строго синфаз- ны или противофазны. На полученной таким путем частоте ультразвука из- меряют линейный акустический размер исследуемого участка тканей и отношение амплитуд эхорадиоимпульсов от передней и задней границ исследуемого участка. Затем частоту ультразвука изменяют в 2-3 раза и повторяют описанные процедуры. При этом необ

ходимо обеспечить сохранение величины разности фаз импульсов, т.е. при их синфазности на первом этапе измерений - вновь синфазность, при противофазности - противофазность. Это необходимо для сохранения постоянства,К. На полученной таким.путем второй частоте ультразвука вновь измеряют линейный акустический размер исследуемого участка тканей (для контроля) и отношение амплитуд эхорадиоимпульсов от передней и задней границ указанного участка. Полученные Данные позволяют определить разностный коэффициент затухания ультразву- ка в исследуемом участке тканей по следующим формулам:

20

Р

К 1

26iz(i,)B.

i ± ,

(PL - к .1

(pji-l -

uijfj

РЛ 1,(РИ

F . - In -

.. .

2 1,

35

Q

.2 1,

(10)

Если дополнительно известно, что o6j oig f, где oio - коэффициент затухания ультразвука з ткани участка 1 на частоте 1 МГц, то можно найти абсолютные значения коэффициентов затухания ультразвука на каждой из . выбранных частот:

(f - Ч 1. 1 - 2 1 (

50 ni С f V

) - 2 1, (f,-f )

(П)

Формула изобретения

55

Способ измерения коэффициента затухания ультразвука в биологических тканях путем озвучивания ткани раз личными частотами, измерения отношения ам1глитуд эхоимпульсов от передней и задней границ ткани и вычисления коэффициента затухания ультразвука, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в многослойных биологических тканях, озвучивание ткани проводят

ультразвуком с перестраиваемой частотой, дополнительно измеряют разность фаз эхоимпульсов от передней и задней границ ткани, измерение отношения амплитуд эхоимпульсов производят на частотах с разностью фаз О или 180°.

Изобретение относится к спортивной медицине. Цель изобретения - повышение точности измерения в много- Iслойных биологических тканях. Дпя этого озвучивают биологические ткани ультразвуком с перестраиваемой частотой, измеряют отношения амплитуд эхо- импульсов от-передней н задней границ ,;ткани и измеряют разность фаз эхоим- пульсов от передней и задней границ ткани. Вычисляют коэффициент затухания ультразвука. Измерение отношения амплитуд производят на частотах с разностью фаз О или 180°. Способ позволяет определить разностньй коэффициент затухания ультразвука в исследуемом участке ткани. 1 ил. i (Л

Г 14 I /

5- J