Система управления формой зондирующего импульса в приборах ультразвуковой диагностики

Ультразвуковая диагностика является одной из наиболее эффективных средств контроля и исследования в технике, биологии, медицине. Большой интерес к УЗ-диагностированию обусловлен фундаментальной недеструктивностью среды исследования, отсутствием негативных эффектов при соблюдении максимально допустимой мощности УЗ-сигнала, широким спектром собираемой диагностической информации и возможностью получения данных в реальном времени.

Существуют различные системы и методы УЗ-диагностирования, различающиеся характером собираемой информации. Наиболее распространенным методом УЗ-диагностирования является эхо диагностика. При эхо диагностике в изучаемый объект посылается УЗ-зондирующий импульс и регистрируются отражения зондирующего импульса внутри объекта. По результатам диагностирования обычно строится одномерный график эхосигнала (А-скан) или двумерное УЗ-изображение (В-скан), визуализирующие информацию о внутренней структуре объекта.

Одним из наиболее важных показателей качества УЗ-изображения является пространственное разрешение. Пространственное разрешение характеризует предельно малые пространственные изменения в структуре или свойствах исследуемого объекта обнаруживаемые диагностической установкой. Требования по минимальному разрешению зависят от конзфетной диагностической цели и накладывают жесткие ограничения на область применения УЗ-диагностики.

Традиционные системы и методы ультразвукового диагностирования используют возбуждение пьезокерамического акустического излучателя (трансдыосера) коротким импульсом напряжения. Длительность зондирующего импульса и напрямую связанное с этим разрешение обусловлено временем затухания механических колебаний трансдыосера. Улучшение разрешения за счет повышения частоты зондирующего сигнала и его мощности во многих.

— ёпрактических случаях исчерпано из-за ограничений безопасности применения. В этой связи интенсивно развивается направление в которых используются длинные сигналы с управлением их формы. Это направление получило название «кодовое возбуждение». Управление формы достигается за счет подачи на трансдьюсер серии коротких электрических импульсов разной полярностикода. Разработаны математические методы кодирования/декодирования сигналов, выделяющие информацию об объекте.

В данной работе преложена ультразвуковая система, которая позволяет управлять формой зондирующего сигнала в пределах каждого периода колебаний. В предложенном методе управления трансдьюсер возбуждается сложной формой напряжения, соответствующей формирующему фильтру с оптимальной временной задержкой, в то время как в традиционных методах УЗ-диагностики УЗ-трансдьюсер обычно возбуждается коротким импульсом напряжения или кодовой последовательностью коротких однотипных импульсов разной полярности.

Основным преимуществом предложенного метода является возможность создания короткого УЗ-зондирующего сигнала разнообразной формы. л.

Разработанная электронная система позволяет оперативно менять форму и /или частотные параметры сигнала в зависимости от условий среды исследования, глубины зондирования. Имеется возможность варьировать параметры каждого зондирующего сигнала, добиться устойчивости к дисперсии в среде. Следствием этого является повышение разрешения на всей глубине диагностирования.

В данной работе проведен анализ методов и систем ультразвукового диагностирования, связанных с управлением формой зондирующего импульса (глава 1).

Во второй главе проведено математическое моделирование процесса формирования зондирующего импульса. Предложена методика расчета формы электрического сигнала возбуждения трансдьюсера, позволяющая получить 7 наиболее близкое соответствие желаемой и фактической формы зондирующего сигнала. Определены требования к электронной системе, которая обеспечивает управление формой зондирующего сигнала.

В третьей г лаве приведено описание электронной системы, разработанной для практической реализации и экспериментальной верификации предложенного метода управления формой УЗ-зондирующего импульса. Обоснован выбор структуры системы, комплектующих электронных компонентов. Рассмотрены проблемы и способы решения при построении такой системы на базе персонального компьютера.

В четвертой главе рассмотрены проблемы сопряженные с разработкой программного обеспечения для реализации метода управления зондирующим импульсом и контроля электронной системы.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования. Показано, что электронная система и метод управления позволяют эффективно изменять форму коротких зондирующих импульсов. За счет формирования коротких зондирующих импульсов удалось получить более высокое разрешение в, А и В режимах.

В приложении приводятся документы, подтвеждающие новизну и практическую значимость работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [ 27−30, 33, 37−39 ].

5.5, Выводы к главе 5.

1. Проведены экспериментальные исследования работы системы управления формой зондирующего импульса. Получены эхо сигналы в виде двух первых периодов собственных колебаний трансдьюсера, одного периода синусоиды, однополярного одиночного импульса, однополярного импульса с провалом в центре.

2. Показано, что система позволяет управлять центральной частотой и спектром частот зондирующего сигнала.

3. Получены растровые изображения среды в режиме В с использованием коротких зондирующих сигналов.

4. Возможность управления формой зондирующего импульса позволяет оперативно адаптировать работу системы к параметрам исследуемой среды и требованиям /получаемой. — информации. Сокращениедлительности: зондирующего импульса позволило получить на тестовых объектах увеличение продольного разрешения с 0.8 мм до 0.3 мм. Управление формой импульса дает возможность так же создавать оптимальные условия для совмещенного режима: высокого пространственного разрешения и определения скорости потоков внутри исследуемой среды.

Зондирующий импульс традиционной формы Зондирующий импульс специальной формы.

Рис. 5.4.1. Повышение разрешающей способности ультразвуковой диагностики при использонии зондирующих импульсов специальной формы. Режим работы системы — А.

Заключение

.

В результате проведенных научных и технических исследований создана на базе персонального компьютера ультразвуковая система, способная управлять формой зондирующего импульса. При разработке системы были решены перечисленные ниже задачи и получены основные результаты:

1. Проведен анализ методов и систем ультразвукового исследования объектов. Показано, что управление формой зондирующего сигнала является эффективным направлением улучшения потребительских характеристик ультразвуковых систем. Обоснована целесообразность управления электрической мощностью возбуждения трансдьюсера для получения эхо сигнала требуемой формы в пределах полосы пропускания трансдьюсера.

2. Предложен метод управления и концепция электронной системы, которые позволяют управлять формой зондирующего сигнала в пределах каждого периода колебаний. На метод управления и систему формирования зондирующего импульса подана заявка на патент США № 09/177,346 от 10 октября 1998 г. [39] и получен патент США №и86 167 758 от 2.01.2001.

3. Рассмотрены варианты расчета сигнала возбуждения трансдьюсера методом Фурье и методом наименьших квадратов. Показано, что метод наименьших квадратов дает лучшее соответствие желаемой формы сигнала и фактической.

4. Показано, что задача расчета импульса возбуждения (формирующего фильтра) сводится к решению системы линейных уравнений лпорядка. Где пчисло временных интервалов при дискретном задании фильтра. Разработан алгоритм решения системы уравнений с использованием метода Тоэпдица.

5. Для повышения адекватности желаемой и фактической формы эхосигнала предложено использовать формирующие фильтры с временной задержкой. Показано, что коэффициент качества для различных форм сигнала при использовании временной задержки увеличивается с 0.1 «.0.4 до 0.9.0.95.

6. Обоснованы требования к характеристикам электронной ультразвуковой системы. Показано, что для получения соответствия выше 0.9 желаемого и фактического сигнала с основной частотой 3. .4 МГц, необходимо иметь частоту цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования в диапазоне 16.33 МГц. Обоснованы критерии линейности всех звеньев электронной системы.

7. Разработаны электронные блоки системы, которые позволяют реализовать алгоритм управления формой зондирующего сигнала.

8. Предложен алгоритм и реализована практическая схема коррекции нелинейных искажений мощного усилителя сигнала возбуждения трансдьюсера.

9. Обоснован выбор операционной системы комплекса Microsoft Windows 9х / NT. Разработано программное обеспечение, которое позволяет выполнять все необходимые функции системы при ее максимальной производительности. Формирование луча, обработка эхосигнала и реконструкция изображения осуществляются программно в реальном времени с использованием специализированного программного обеспечения, оптимизированного для архитектуры процессоров семейства х86 поддерживающих команды ММХ и 3DNow!

Программа реконструкции изображения получила в 1999 году гранд приз компании AMD.

10. Проведены экспериментальные исследования работы ультразвуковой системы и возможности метода управления формой зондирующего импульса. Получены эхо сигналы в виде двух первых периодов собственных колебаний трансдьюсера, одного периода синусоиды, однополярного одиночного импульса, однополярного импульса с провалом в центре.

Показано, что система позволяет управлять центральной частотой и спектром частот зондирующего сигнала.

Получены растровые изображения среды в режиме В с использованием коротких зондирующих сигналов.

11. Возможность управления формой зондирующего импульса позволяет оперативно адаптировать работу системы к параметрам исследуемой среды и требованиям получаемой информации. Сокращение длительности зондирующего импульса позволило получить на тестовых объектах увеличение продольного разрешения с 0.8 мм до 0.1 мм при резонансной частоте трансдьюсера 3.5 МГц. Управление формой импульса дает возможность так же создавать оптимальные условия для совмещенного режима: высокого пространственного разрешения и определения скорости потоков внутри исследуемой среды.