ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ СОСУДОВ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕРЕЗ ТОЛСТЫЕ КОСТИ ЧЕРЕПА
Молотилов А.М., Свет В.Д., Байков С.В., Кочетков Г.Б.
Научно-исследовательская группа АММ-2000
Введение
Существующие методы функциональной ультразвуковой диагностики сосудов головного мозга основаны на использовании так называемых “окон с акустической прозрачностью” (височные, орбитальные, затылочное), через которые осуществляется ультразвуковое сканирование внутреннего объема черепа. Трудности и недостатки таких исследований известны:
Прежде всего, это ограничение площади исследуемой области из-за узкого освещающего пучка и малых размеров самих ультразвуковых окон.
Наличие мертвых зон при допплеровском сканировании.
Малая площадь ультразвуковых окон.
Невозможность получения именно изображений сосудов, их формы, расположения и размеров.
Необходимость дополнительного обучения специалистов и наличие опыта работы с таким видом обследования.
До настоящего времени попытки получить изображения сосудов через толстые кости черепа были не возможны по следующим двум причинам: большого затухания ультразвукового сигнала из-за сильного поглощения УЗ в костях и многократных переотражений УЗ сигнала между внешней и внутренней границ кости. Сигналы таких многократных переотражений могут занимать весь диапазон временных задержек (дальностей) и полезный отраженный от сосуда сигнал становится не распознаваем на фоне сигналов переотражений.
Предлагаемые пути решения проблемы
Основной параметр - отношение “сигнал-шум по энергии” - ?, а не
интенсивность сигнала ?~ K*?F*?T (для когерентной обработки)
?~ K* ???F??*?T (для некогерентной обработки)
?F??*?T - “ полоса* время обработки” для одного пиксела из всего объема изображения O (x, y, z) - база, где К - коэффициент усиления антенной решетки (количество приемников в приемной решетке)
простые сигналы имеют ?~ 1, где невозможно скомпенсировать поглощение
сложные сигналы имеют произвольное значение ? (радиолокация- 10000, связь -100000)
максимальное ? ограничено только техническими возможностями и частично средой расппространения волн
Пространственная избирательность и усиление - K=128, 256, 512
Как видно из примера применение сложных сигналов может обеспечить значительный выигрыш в выходном отношении сигнал/шум по сравнению с простыми сигналами и решить проблему большого поглощения не увеличивая интенсивность излучаемого сигнала выше рекомендованной величины.
Следующим, и как нам представляется, более важным фактором, препятствующим получению изображения, являются многократные переотражения УЗ сигнала между внешними и внутренними границами кости черепа. Эти сигналы имеют достаточно высокую интенсивность и их основные максимумы и боковые лепестки полностью перекрывают весь диапазон возможных временных задержек сигнала (диапазон расстояний). Даже в том случае, когда полезный сигнал, отраженный от сосуда, имеет достаточный уровень для его обнаружения, его невозможно распознать на фоне сигналов многократных переотражений. Один из возможных подходов к решению этой проблемы является использование алгоритмов “согласованной со средой” обработки сигналов.
Последняя проблема, которая требует рассмотрения – это проблема правильной передачи контраста полезного сигнала. Нижняя граница кости черепа не является ровной, т.е. приемная антенна, особенно с большими волновыми размерами может располагаться на поверхности кости с различной толщиной. А это означает, что затухание сигнала будет различным в различных приемниках антенны. Если мы не примем этот факт во внимание, то результирующий контраст УЗ изображения может быть передан неправильно, что может ухудшить качество диагностики. Поэтому для корректировки контраста необходимо предварительно оценить толщину участка кости, который располагается под приемной антенной, и участок кости, который располагается под излучающей антенной.
Некоторые результаты моделирования
Для того, чтобы полностью промоделировать работу предлагаемой системы ультразвуковой диагностики был разработан комплекс программ, состоящий из следующих блоков:
В1 - Генерирование сложных сигналов с заданными параметрами и видом спектра, расчет характеристики направленности излучающей антенны (фокусированный или нефокусированный режим) в зависимости от заданных параметров излучения.
В2 - Геометро-акустические модели черепной кости и кровеносных сосудов. В моделях задаются исходные геометрические размеры сосудов, профили и толщины черепных костей и их взаимное расположение, необходимые акустические параметры: скорости распространения волн, плотности, коэффициенты поглощения, сила рассеяния и модель рассеяния ультразвука на сосудах.
В3 – лучевая программа, описывающая распространение ультразвуко-вых волн в заданной геометро-акустической модели, эффекты многократного переотражения в костях, рассеяние на сосудах и обратное распространение волн через кость.
В4 – подпрограмма расчета профиля нижней границы костей в местах установки приемной и излучающей антенн.
В5 – программа первичной пространственно-временной обработки сигналов, включающая в себя прием сигналов на антенную решетку, пространственный анализ угловых спектров в дальней или ближней волновой зоне (учет кривизны фронта волн), спектрально-корреляционный анализ принятых сигналов с формированием каналов обнаружения по угловой координате и дальности, пороговое обнаружение сигналов, их усреднение и подготовка данных для программы обработки изображений.
В6 - программа обработки ультразвуковых изображений и отображения результатов.
Для моделирования было выбрано ангиографическое изображение, из которого был взят фрагмент сосудов с выраженной аневризмой. Геометрические размеры и расположение сосудов в акустической модели были идентичны рентгеновскому снимку. Исходные данные для акустической модели были следующие:
Черепная кость. Толщина – 1,85 см, плотность – 1400 кг/м3, скорость звука - 3360 м/сек
Поглощение на частоте F= 2 мГц – 40 дБ/см
Кровеносные сосуды - скорость звука в крови – 1565 м/сек, плотность крови - 1060 кГ/м3, плоность стенок – 1100 кг/м3, скорость распространения звука в стенках- 1550 м/сек. Поглощение – не учитывалось.
Мозговая ткань – скорость – 1524 м/сек, плотность –925 кГ/м3
Частота излучаемого сигнала – F= 2 Mгц, полоса частот – 200 кГц, угловое поле зрения излучающей антенны – 450, угловой раскрыв приемной антенны – 1100, число приемных элементов –128, дискретность- λ и λ/2, максимальная интенсивность излучения – не более 1 вт/см2.
Результаты, полученные на модели прибора.
Для создания действующей модели прибора был разработан комплекс, состоящий из следующих блоков:
Для проведения исследований были сделаны 2 фантома, один содержал имитаторы костей черепа, другой – натуральные кости черепа толщиной 1,8 см. В фантомах были расположены имитаторы сосудов, состоящих из латексных трубочек и различные профили других предметов (тонкая проволока, трубки из различных материалов и т.д.).
В действующей модели прибора был использован весь комплекс программ: лучевая программа расчета звуковых полей, программа расчета параметров костей черепа, программа пространственно-временной обработки сигналов, программа обработки ультразвуковых изображении и их отображений.
Разработанная технология основана на:
использовании сложных зондирующих сигналов;
оценки профиля нижней границы кости черепа для правильного воспроизведения контраста изображения;
оригинального матобеспечения для предварительной простанственно - временной обработки сигналов и вторичной обработки изображений, включая режим 3 - D;
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты, на действующей модели прибора, полностью подтвердили возможность получения изображений сосудов через толстые кости черепа, без ограничения поля исследования.
Разработанная технология позволяет получать УЗ изображения сосудов головного мозга с высоким контрастом и пространственным изображением. Изображение может быть получено из необходимой для врача позиции.
Результаты полученные исследовательской группой, позволяют утверждать, что данный метод дает возможность получать изображение сосудов головного мозга в реальном масштабе времени, которые могут быть сопоставимы по качеству изображениям, полученных при ангиографии.
Так что, уважаемые коллеги, вместе с осмотром щитовидной железы не забудьте оценить состояние сонных артерий-это и больному в помощь, и вашему общеклиническому реноме в плюс.