Способ определения коэффициентов отражения границ биологической ткани и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК A61B8/00 

(21)4021026/28-14

(22)10.02.86

(46) 23.05.88. Вюл. № 19

(71)Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт токов высокой частоты им. В.П.Вологдина

(72)Л.А.Шифрин, Б.Е.Михалев, К.А.Федченков и А.Н.Яблонский

(53)615.475(088.8)

(56) Хэвлайс Дж.Ф., Тайнзер Дж.К. Ультразвуковая визуализация в медицине. - ТИИЭР, 1979, т. 67, № 4, с. 209-234.

Патент США № 4414850, кп. G 01 N 29/00, 1980.

(54)СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ ГРАНИЦ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57)- Изобретение предназначено для ультразвуковых способов исследования. Цель изобретения - повышение точности определения. Устройство содержит пьезопреобразователи 1/2, генераторы

3j4 зондирующих сигналов, избирательные фильтры 5,-6, логарифмические усилители -7 8, детекторы 9 10, регистратор I1, схемы запоминания экстремума, сумматор, интегратор и антилога- рифмирующее устройство. Исследуемая область облучается ультразвуком с помощью пьезопреобразователя 1 и генератора 3. Ультразвуковые сигналы,отраженные от грани раздела, принимаются тем же преобразователем и после усиления и компенсации затухания в блоке отображаются регистратором 11. Дополнительная частотная селекция эхо-сигналов обеспечивается избирательными фильтрами 5,6. Логарифмическое сжатие амплитуды эхо-сигналов происходит в логарифмических усилителях 7, 8. Способ обеспечивает непосредственное измерение отражательной способности исследуемых тканей без применения временной селекции эхо-сигналов и оценки времени их прихода. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

(Л

САЭ СО -Ч

О

ю

о:

Фиа.1

Изобретение касается ультразвуко- вых (УЗ) способов и устройств исследования структуры мягких биологических тканей.

Цель изобретения - повышение точности определения способа и повышение быстродействия устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - схематическая иллюстрация работы одномерной УЗ локационной системы; на фиг. 3 - слоистая модель исследуемой среды.

Устройство содержит пьезопреобра- зователи 1 и 2, генераторы 3 и 4 зон дирзпоцих сигналов и избирательные фильтры 5 и 6, работающие на первой и второй частотах соответственно, а также логарифмические усилители 7 и 8,.детекторы 9 и 10, регистратор

.(2)

П, схемы 12 и 13 запоминания экстремума, сумматор 14 с суммирующим вхо- Исходя из изложенного, относительдом и двумя вычитающими входами, ин- ное значение амплитуды эхо-сигнала

тегратор 15, антилогарифмирующее уст- 25от первой границы раздела может быть

ройство 16,представлено в виде

(3)

Исследуемая область тел-а (фиг. 2) представляет собой чередующиеся слои ткани с различными акустическими нм педансами Z:,, Z , Z ,. Исследуемая область облучается УЗ с помощью пьезо- преобразователя 1 и генератора 3 УЗ сигналы, отраженные от границ 18 и 19

. г (-2f с, л).

- . I

Аналогично для второй границы раз- 30 дела справедливо соотношение

. ,(« ,/i,,j)J.. (4) Предложив аналогичные рассуждения

раздела, принимаются тем же преобразо- для 1-й границы модели (фиг. 3) можно

вателем и после усиления и компенса- - найти

ции затухания в блоке 17 отображаются регистратором П.

,,Л l

r.kf n (-2f 0(,4 J. (5) Зондирование на двух Частотах по- -Каждый из слоев слоистой модели зволяет получить две оценки относи- среды (фиг, 3)-характеризуется тол- 40 тельной интенсивности эхо-сигналов щиной Z1-,. коэффициентом затухания , а граница раздела между соседними слоями - коэффициентом отражения k|. При этом предполагается, что направление распространения УЗ волны перпен- 45 дикулярно границам раздела соседних слоев. Процесс образования эхо-сигна- ла от первой границы раздела представляет собой следующую цепь событий: затухание в первом слое, отражение eg от первой границы, вторичное затухание в первом слое. При формировании отраженного сигнала от второй, границы происходят следующие явления: затухание УЗ в первом слое, прохождение че-,5 рез первую границу и вторичное затухание во втором и первом слоях.

Отношение амплитуд принятого U и посланного U сигналов при нормальr.k. П W;exp(-2f, dj,(6)

ri.k. П (,(7) 1

где г- ,г - отношение амплитуд при нятого и зондирующего сигналов на частотах . f/ и f соответственно Прологарифмировавотношение (6) к (7), получают

tui

lnr. d,u(f,-f,}.

Подставив (8) в (6), после несложных преобразований получают

(8)

ном падении УЗ на границу раздела двух сред можно представить в виде

г - k-exp(-2f( x),, - hi

(1)

где f - частота УЗ;

X - расстояние до границы;

с/ - амплитудный коэффициент за- тухайия, дБ-см МГц- ;

k - коэффициент отражения, связанный с акустическим импедансом первой Z, и второй Z сред формулой

1 ,

Коэффициент прохождения плоской волны через границу W связан с коэффици- ентом отражения формулой

.(2)

Исходя из изложенного, относитель(3)

. г (-2f с, л).

- . I

Аналогично для второй границы раз- 30 дела справедливо соотношение

. ,(« ,/i,,j)J.. (4) Предложив аналогичные рассуждения

r.kf n (-2f 0(,4 J. (5) Зондирование на двух Частотах по- ляет получить две оценки относи- ьной интенсивности эхо-сигналов

r.k. П W;exp(-2f, dj,(6)

r.kf n (-2f 0(,4 J. (5) Зондирование на двух Частотах по- ляет получить две оценки относи- ьной интенсивности эхо-сигналов

ri.k. П (,(7) 1

r.kf n (-2f 0(,4 J. (5) Зондирование на двух Частотах по- зволяет получить две оценки относи- тельной интенсивности эхо-сигналов

где г- ,г - отношение амплитуд принятого и зондирующего сигналов на частотах . f/ и f соответственно, Прологарифмировавотношение (6) к (7), получают

r.kf n (-2f 0(,4 J. (5) Зондирование на двух Частотах по- зволяет получить две оценки относи- тельной интенсивности эхо-сигналов

tui

lnr. d,u(f,-f,}.

Подставив (8) в (6), после несложных преобразований получают

(8)

) --I.-- Inr,

Inr.Из (9), учитьшая (2), следует, что коэффициент отражения УЗ от 1-й границы можно представить в виде

f, . fa

i

exp(:s--s- Inr- - - --lnr lirii.- 1 n (l-kj

:i-l(io)

В усилительном тракте с логарифмической амплитудной характеристикой сигналы могут быть получены непосредственно.

Проиллюстрируем полученное соотношение следующим примером: расстояние до первой границы () см и зондирование ведется на двух частотах f,2 МГц и МГц. Коэффициент отражения УЗ волны от рассматриваемой границы k,0,05. Усредненная величина затухания УЗ в мягких тканях cJ 1 дБ МГц см Ч Тогда затухание УЗ на низкой частоте 20 дБ, т.е. эхо- сигнал ослаблен в 10 раз. Аналогично на высокой частоте ослабление равно 40 дБ или 100 раз.

Таким образом, относительная интенсивность эхо-сигнала на низкой частоте равна г 5 -10. Соответст-

,- +

1 у IT Т пт f { I-2-Ii 1

венно, . Подставив полученные значения в .(9), получают lnk, -2,99 или иначе ,05. Таким образом, предлагаемьй способ обеспечивает непосредственное измерение отражательной способности исследуемы ; тканей без применения временной селекции эхо-сигналов и оценки времени их прихода. Коррекция результатов глубинных слоев достигается при

35

ПС1-1

.211

п

(11)

40

Соотношению (11) соответствует структурная схема контура управления, состоящая из сумматора, интегратора, ан- тилогарифматора, охваченных цепью обратной связи,как показано на (фиг. 1) Возможность практического использования предлагаемого изобретения вычнсэтом интерационным характером фор- i текает из того, что при большом иулы (10), а именно знаменателем

n(i-k,)4

ле п в слагаемом

Л k операция

суммирования может быть заменена ин- Пример. В исследуемую область тегрированием. В результате устройсттела одновременно с помощью преобразователей 1 и 2 и генераторов 3 и 4 излучают два пакета 3 колебаний первой и второй частоты. Акустическая энергия, частично отражаясь от границ раздела соседних слоев с различными импедансами, принимается преобразователями I и 2 в соответствии с их резонансными частотами. Дополнительная

55

во 5ФИГ. 1) обеспечивает точную реализацию предлагаемого способа измерений.

Формула изобретения

10

частотная селекция эхо-сигналов обеспечивается избирательными фильтрами 5 и 6. Логарифмическое сжатие ампли- 1тудь эхо-сигналов происходит в лога- рифматоре 7 и 8. В детекторе 9 и 10 сигналы детектируются. Максимумы про- детектированных сигналов находятся в схеме 12 и 13 запоминания. Сумматор 14 обеспечивает алгебраическое суммирование амплитуд логарифмированных эхо-сигналов с заданным весом

Г f и 2. Для автоматичес

f -f

2 Т.

И

fj. 1-

J5 кого учета потерь Энергии при прохождении границ в состав устройства введен интегратор 15 и цепь обратной связи, замкнутая на вычитающий В1ход сумматора 14,

2Q Принцип действия этого контура

автоматического управления может быть пояснен, исходя из следующих преобразований выражения (9). Логарифм произведения равен сумме логарифмов

25 сомножителей. Кроме того, при k 1 справедливо приближение In(l-k) x-k. Величина, коэффициента отражения в мягких тканях не превышает значений 0,1. Это позволяет представить выра2Q жение (9) в следующем приближенном виде:

fl

f

Т пт f { I-2-Ii 1

Inr.

ПС1-1

.211

п

(11)

Соотношению (11) соответствует структурная схема контура управления, состоящая из сумматора, интегратора, ан- тилогарифматора, охваченных цепью обратной связи,как показано на (фиг. 1) Возможность практического использования предлагаемого изобретения вычнстекает из того, что при большом

текает из того, что при большом

ле п в слагаемом

Л k операция

суммирования может быть заменена ин- тегрированием. В результате устройст

во 5ФИГ. 1) обеспечивает точную реализацию предлагаемого способа измерений.

Формула изобретения

акустических сигналов разных частот, приема эхо-сигналов, их селекции по частоте, логарифмического усиления амплитуды сигналов и детектирования, отлич ающий ся тем, что, с целью повышения точности определения измеряют максимальные значения про- детектированных сигналов и вычисляют коэффициент отражения от границы биологической ткани по формуле

exp(f2-fi)(f.r InUu-f lnUb )

Л. .1 « «-. « я, и--.-----

м

П (1-kj-)

-коэффициент отражения от 1-й границы биологической ткани;

-частоты двух пакетов. акустических сигналов;

-максимальные значения про- детектированных эхо-сигналов соответственно частот f и f .

тройство для определения котов отражения границ биоло

fc.2

гической ткани, включающее два приемопередающих канала, каждый из которых содержит последовательно соединенные генератор, пьезопреобразо- ватель, избирательный фильтр логарифмический усилитель и амплитудный детектор, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, приемопередающие каналы содержат блок выделения максимума амплитуды, выходы приемопередающих каналов соединены с суммирующим и первым вычитающим входами сумматора, выход

которого додключен к последовательно соединенным антилогарифмическому блоку и интегратору, причем регистратор соединен с входом интегратора, его выход - с вторым вычитающим входом

сумматора, коэффициенты передачи сумматора по суммирующему, первому и второму вычитающим входам соответственно равны частному от деления частоты второго генератора на разность

частот генераторов, -частному от деления частоты первого генератора на разность частот генер оров и двум.