WWW.BOOK.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Электронные ресурсы
 

Pages:     | 1 ||

«С.Н. Гурбатов, И.Ю. Демин, Н.В. Прончатов-Рубцов УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЭЛАСТОГРАФИЯ: АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМОВ И ТЕХНОЛОГИЙ, ФИЗИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СДВИГОВЫХ ...»

-- [ Страница 2 ] --

Добавляем зубной порошок и нагреваем кастрюлю до 70 градусов, постоянно помешивая содержимое. После нагревания поддерживаем эту температуру в течении 15 минут, постоянно перемешивая (для предотвращения пригорания фантома).

3. Затем выключаем плитку и выливаем содержимое кастрюли через марлю (чтобы избавиться от комочков) в чистые стаканы. Желеобразную массу в стаканчиках перемешиваем до остывания ее до комнатной температуры.

4. После чего стаканчики помещаются в холодильник, где так же содержимое помешивается каждые 3 минуты, чтобы избежать неравномерного замерзания фантома. После застывания оставим наш, уже почти готовый фантом в покое до следующего дня. Через 12 часов фантом готов.

Для каждой серии экспериментов изготавливались фантомы с различными наполнениями (геометрическая форма) и концентрациями желатина. На Рисунке 4. представлен вид 5% желатинового фантома с добавлением специально изготовленных заполненных шариков (водой и имитатором крови) для моделирования кисты (полость с жидкостью).

Рисунок 4 Фантом кисты с разными заполнениями (вода, «кровь»).

Эти фантомы использовались в совместной работе со специалистами-врачами из Отдела лучевой диагностики Приволжского окружного медицинского центра (ПОМЦ). В ходе этих исследований была определена скорость сдвиговых волн в образцах желатиновых фантомов и показано, что сдвиговых волн в жидкостях внутри полости кисты нет. Это хорошо видно из Рисунка 5, где представлено фото B-скан желатинового фантома с кистой.



–  –  –

Также изготавливались фантомы с различными заполнениями как по геометрии (цилиндрические и сферические вставки), так и с различными слоями концентрации желатина (схема-вид приведены на ри 2.7)

–  –  –

Изготовленные желатиновые фантомы были использованы в исследованиях сдвиговых характеристик (скорость сдвига, модуль сдвига) на открытой акустической системе Verasonics.

Экспериментальная часть исследования сдвиговых характеристик мягких биологических тканей: установка и определение модуля сдвига желатинового фантома с различной концентрацией желатина.

Большую практическую значимость для целей медицинской диагностики имеет проблема измерения упругих модулей мягких биологических тканей, и в частности, задача локального измерения неоднородностей модуля упругости. В ряде экспериментальных работ было показано, что многие злокачественные новообразования в организме сильно отличаются по своим упругим свойствам от окружающей здоровой ткани [5]. Этот факт используется медиками при проведении пальпации, когда участки тела пациента прощупываются пальцами врача. Новообразования, кажущиеся более жесткими и лежащие недалеко от поверхности тела, могли быть достаточно легко обнаружены. Упругой характеристикой среды, отвечающей за ее "жесткость" является модуль сдвига. Модуль сдвига в резиноподобных средах может быть измерен с помощью сдвиговых волн, возбужденных внутри среды с помощью сфокусированного ультразвука.

В настоящей работе предлагается измерять модуль сдвига фантома статическим методом по вдавливанию в него жесткого шарика. Для теоретического обоснования метода и получения расчетной формулы будем использовать решение контактной задачи Герца о соприкосновении двух тел [6]. На Рисунке 8 приведена схема задачи Герца для контакта сферического индентора с поверхностью образца, исследуемого фантома

–  –  –





На основании решения задачи Герца получаем формулу (2.5) зависимости для модуля сдвига µ от силы давления F, радиуса сферы R и глубины вдавливания h.

(5) Общий вид установки и оборудование, используемое при проведении измерений, представлены на Рисунке 9, а исследуемый желатиновый фантом изображен на Рисунке 10.

–  –  –

Последовательность измерения модуля сдвига желатинового фантома:

1) Фантом кладут на чашу, а на весах, для удобства, устанавливают ноль.

2) На штативе закрепляют микрометр со специальной насадкой для шарообразного индентора.

3) Индентор устанавливают вблизи фантома, оставляя зазор около миллиметра.

4) Начинают измерения. Для этого микрометром начинают вдавливание шарика в фантом, записывая изменение массы на весах.

5) Производят примерно 25 измерений с шагом по x =0.1 мм, каждый раз записывая соответствующие показания весов.

6) Получившиеся измерения вносят в таблицу и повторяю опыт для других диаметров шариков.

7) Затем строят графики зависимости силы давления от глубины вдавливания в степени 3/2 и по наклону графика проводим расчет сдвигового модуля упругости для данного фантома с помощью формулы (2.5) Исследования сдвиговых модулей были проведены для желатиновых фантомов различной концентрации, а именно 5%, 7,5% и 10%. На Рисунке 11 представлены зависимости силы давления от глубины вдавливания в степени 3/2, которые позволили определить модуль сдвига.

–  –  –

Сдвиговый модуль мягких биологических тканей существенно зависит от температуры. Так, например, при проведении ультразвуковой хирургии область с патологией нагревается ультразвуком до температур порядка 80 – 90 град. Цельсия. При термическом воздействии изменяется модуль сдвига как за счет нагрева, так и за счет изменения структуры ткани и коагуляции белков. Скорость сдвиговой волны, проходящей через неоднородное распределение сдвигового модуля, вызванное нагревом, будет изменяться, в соответствии с величиной модуля.

Рисунок 13 Температурная зависимость модуля сдвига для различных концентраций желатина.

Каждый раз, когда проводились измерения модуля сдвига фантома, он извлекался из холодильника и через некоторое время проводились измерения при достижении комнатной температуры фантома. Были проведены измерения модуля сдвига при низких температурах и построен график (рис. 13) эволюции модуля сдвига при увеличении температуры поверхности фантома (для различных концентраций желатина 5% и 10%) Значения модуля сдвига желатинового фантома уменьшаются более, чем в 3 раза при повышении температуры от 15 до 20 градусов Цельсия

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ СДВИГОВОЙ

ВОЛНЫ В МЯГКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ, ИСПОЛЬЗУЯ

МЕТОД SHEAR WAVE ELASTICITY IMAGING (SWEI)

Модуль Юнга, а соответственно и модуль сдвига мягкой биологической ткани являются важными диагностическими параметрами для медицинских приложений, связанных с обнаружением опухолей и других патологий (например, фиброза печени) на ранней стадии заболевания. Это связано с тем, что объемная сжимаемость мягких тканей меняется при развитии патологий очень слабо (она близка к сжимаемости воды), в то время как изменения модуля Юнга и сдвига могут достигать нескольких порядков и поэтому обладают диагностической информативностью. В соответствии с этим, представляется разумным строить диагностическую систему не на основе продольных ультразвуковых волновых волн, а на основе сдвиговых волн, у которых скорость распространения определяется модулем сдвига, жестко связанным с модулем Юнга. Однако этот подход связан с определенными сложностями. Скорость распространения сдвиговых волн очень мала (несколько метров в секунду), а затухание велико. При длине волны в несколько миллиметров волна распространяется на расстояния в несколько сантиметров. Таким образом, возбуждение волн с поверхности для диагностических целей почти не применяется (исключение представляет собой распространенный диагностический прибор Fibroscan, в котором возбуждается достаточно длинная и очень интенсивная сдвиговая волна [7]).

Самым многообещающим способом экспериментального определения модуля Юнга мягкой ткани заключается в том, чтобы возбудить сдвиговую волну локально в области, представляющей интерес для исследования, и измерить ее скорость. Описанная техника носит название Shear Wave Elasticity Imaging (SWEI). Эта методика была предложена О. В.

Руденко, А. П. Сарвазяном и соавторами в 1998 году [8].

Схема метода SWEI хорошо известна и сам метод с некоторыми вариациями реализован в ряде образцов медицинской ультразвуковой медицинской техники, присутствующей на рынке. Однако сам путь получения тех или иных количественных значений параметров исследуемых сред является частью коммерческой тайны, что делает невозможным дальнейшее исследование и совершенствование метода. В связи с этим, в настоящее время SWEI реализована, на открытой акустической системе Verasonics (Рисунок 1). Данная установка расположена в лаборатории «Биомедицинских технологий и медицинского приборостроения (МедЛаб)» на кафедре акустики ННГУ.

Рисунок 1. Открытая акустическая система Verasonics

Verasonics представляет собой универсальный ультразвуковой диагностический прибор, предназначенный для макетирования и отладки различных алгоритмов медицинской акустики и дефектоскопии. Основным достоинством системы является то, что форма передаваемого импульса создается пользователем программным образом, а принимаемый сигнал записывается и становится доступным пользователю в виде массивов числовых данных. Весь сценарий посылки импульсов, приема данных, обработки данных и построения изображения программируется пользователем на языке MATLAB. Система является многоканальной (допускает подключение до 256 каналов).

Блок-схема системы показана на Рисунке 2. Система представляет собой управляющий блок, подсоединяемый к компьютеру 1 с помощью карты расширения.

Передаваемый сигнал формируется формирователем 2. Далее сигнал поступает в многоканальный блок ЦАП. Этот блок соединяется со стандартным медицинским ультразвуковым щупом 4 стандарта ATL. Принятый сигнал поступает на многоканальный блок АЦП 5. Далее принятый сигнал накапливается в выходном буфере 6. По определенной команде сигнал передается из буфера в компьютер. Имеется также внешний блок питания 7, используемый для реализации режимов повышенной мощности.

Рисунок 2. Блок-схема системы Verasonics

Суть метод SWEI заключается в следующем: интенсивная ультразвуковая (обычная компрессионная) волна фокусируется в точке, рядом с которой необходимо определить модуль Юнга среды (Рисунок 3). Поглощение энергии компрессионной волны сопровождается передачей импульса среде, т.е. на среду действует радиационная сила.

Рисунок 3. Схема реализации Shear Wave Elasticity Imaging.

Эта сила приводит к излучению сдвиговой волны в среде. Волна бежит от фокуса.

Характерные частоты в импульсе сдвиговой волны составляют несколько килогерц.

Прохождение сдвиговой волны регистрируется с помощью обычного ультразвукового зондирования. Для этого с шагом в 200 мкс строится В-скан среды. Пример B-скана показан на Рисунке 4.

Рисунок 4. B-скан среды, содержащей крупномасштабную неоднородность (киста).

Этот В-скан несет спекловую картину. Смещение среды в сдвиговой волне вызывает смещение спекла, которое может быть найдено с помощью корреляционного анализа.

Выявляется положение пика сдвиговой волны, по которому легко вычисляется скорость сдвиговой волны.

Самая большая сложность в реализации метода связана с тем, что при безопасных уровнях толкающего импульса сдвиговая волна имеет очень малую амплитуду (несколько мкм смещения). Такие смещения не очень легко регистрировать ультразвуковыми волнами с длиной волны 0.1-1мм. Таким образом, одна из задач, ставящихся при развитии метода, есть задача повышения амплитуды сдвиговой волны. Один из методов достижения значительных уровней сдвигового смещения носит название «Supersonic Imaging» [9] и заключается в формировании протяженного волнового фронта серией последовательных импульсов.

В ходе экспериментальных исследований к установке Verasonics был подключен стандартный медицинский диагностический датчик L7-4. Рабочая частота была выбрана равной 5 МГц (как для изображающих импульсов, так и для толкающего импульса). Датчик представляет собой линейную решетку из 128 независимых преобразователей.

Использовалась стандартная амплитуда диагностических импульсов 50 В. Временная диаграмма сигналов, используемых в эксперименте, показана на Рисунке 5. Длинный толкающий импульс является сфокусированным, в то время как все остальные импульсы (опорный и изображающие) – короткие и не сфокусированные (т.е. это импульсы плоской волны).

Рисунок 5. Временная диаграмма эксперимента на основе SWEI.

Реконструкция В-сканов для опорного и изображающих импульсов производится в соответствии со стандартным алгоритмом обратного распространения. Спеклы, полученные в результате реконструкции изображающих импульсов сравниваются со спеклом, полученным при реконструкции опорного импульса. С помощью вычисления корреляционной функции определяется смещение среды в направлении расстояния от датчика. Зная время, за которое максимум смещения доходит до определенных удаленных точек, мы можем получить скорость сдвиговой волны. На Рисунке 6. приведен пример эволюции смещения среды от времени, находящихся на разных расстояниях от точки прицеливания толкающего импульса.

Рисунок 6.

Зависимость смещения среды от времени на разных расстоянияхX от точки прицеливания толкающего импульса Измерение скорости сдвиговой волны в фантомах мягких биологических тканей Для проведения экспериментальных исследований на открытой акустической системы Verаsonics и определения скорости сдвиговой волны, а также модулей сдвига и Юнга, были использованы следующие фантомы:

- желатиновые фантомы с различными процентным содержанием желатина, разработанные в лаборатории «МедЛаб» (Рмсунок 7) (методика изготовления описана в Приложении 1)

–  –  –

- калиброванный полимерный фантом CIRS Model 049A Elasticity QA Phantom-Stepped Cylinder (Serial № D7253-2) (Рисунок 8), содержащий в себе ступенчатые цилиндры с определенным значением модуля Юнга (для различных зон полимерного фантома, таблица 1.).

–  –  –

Основой для вычисления скорости сдвиговой волны являются зависимости смещения среды от времени на различном отдалении от точки фокусировки толкающего импульса. На Рисунке 9 приведены результаты экспериментального исследования полимерного фантома CIRS, показаны графики зависимости смещения среды от времени для различных точек прицеливания приемной системы. Зная время, за которое максимум смещения доходит до определенных удаленных точек, мы можем получить скорость сдвиговой волны.

–  –  –

Эволюция смещения среды от времени на разных расстояниях от точки фокусировки толкающего импульса: а) 0.9 мм (3 ); б) 2.7 мм (9 ); в) 4.5 мм (15 ).

В итоге, получив зависимость времени прихода сдвига от пройденного расстояния, мы можем найти скорость сдвиговой волны. Для этого нужно аппроксимировать зависимость линейной функцией, тангенс угла наклона которой и будет являться искомой скоростью. На Рисунке 10 показана процедура получения и отображения величины скорости сдвиговой волны, в данном конкретном случае она равна vsh=2.3 м/с.

–  –  –

Расчет скорости сдвиговой волны с помощью аппроксимации линейной функцией зависимости времени прихода сдвига от пройденного расстояния.

Дополнительно к измерениям на открытой акустической системе Verasonics были проведены измерения сдвиговых характеристик фантомов на коммерческом аппарате УЗИ Siemens Acuson S2000. Эти совместные исследования были выполнены в Лаборатории лучевой диагностики Приволжского окружного медицинского центра (ПОМЦ).

В таблице 2. приведены результаты измерений на полимерном фантоме CIRS.

–  –  –

Из приведенных выше результатов видно хорошее согласование между значениями скорости сдвиговой волны в фантоме CIRS, полученные с использованием метода SWEI на акустической системе Verasonics и методом ARFI на аппарате УЗИ Siemens Acuson S2000.

Эти результаты отображены на Рисунке 11 (маркер Verasonics – круг, маркер Siemens – треугольник). Здесь же приведены и величины скорости сдвиговой волны для различных зон полимерного фантома CIRS (маркер – ромб), которые были рассчитаны по формуле (1) где - модуль сдвига, - плотность среды. Для резиноподобных сред, к которым относятся и исследуемые нами фантомы (часто их называют soft tissue), связь между модулем сдвига () и модулем Юнга (E) определяется соотношением (2) Е=3

–  –  –

был произведен пересчет скоростей сдвиговых волн в значения модуля Юнга и проведено сравнить их с результатами, полученными прямым измерением модуля Юнга, выполненным на установке, разработанной в лаборатории «Медлаб». Соответствующие значения для различных концентраций желатиновых фантомов приведены в табл. 4.

–  –  –

Измерения, выполненные с желатиновыми фантомами, также подтвердили хорошее согласование результатов по измерению сдвиговых характеристик. Причем стоит отметить близость модулей Юнга для различных способов измерений.

Литература к Приложениям 1 и 2

1. В.Н.Алексеев, С.А.Рыбак. Об уравнениях состояния вязкоупругих биологических сред. - Акуст. журн., т. 48, №5, с. 581 - 588 (2002).

2. S.Chen, M.Fatemi, J.F.Greenleaf. Quantifying elasticity and viscosity from measurement of shear wave speed dispersion. - J. Acoust. Soc. Am., v.115, No 6, pp. 2781- 2785 (2004).

3. J.Bercoff, M.Tanter, M.Muller, M.Fink. Study of viscous and elastic properties of soft tissued using supersonic shear imaging. - in Proc. IEEE Int. Ultrason. Symp., v. 1, pp. 925 Андреев В.Г., Дмитриев В.Н., Пищальников Ю.А., Руденко О.В., Сапожников О.А., Сарвазян А.П. Наблюдение сдвиговых волн возбужденных сфокусированным ультразвуком в резиноподобной среде. Акуст. Ж., 1997, т.43, №2, 123-128.

5. В.Г. Андреев, А.И. Крайнов, О.В. Руденко. Измерение сдвиговой упругости мягких тканей методом дистанционной эластографии. Сборник докладов V Троицкой конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (ТКМФ-5), ТРОВАН, Троицк, 2012, т.2, с. 157 - 159.

6. S. R. Aglyamov, A. B. Karpiouk, Y. A. Ilinskii, E. A. Zabolotskaya, S. Y. Emelianov.

Motion of a solid sphere in a viscoelastic medium in response to applied acoustic radiation force: Theoretical analysis and experimental verification. J. Acoust. Soc. Am. v.122 No 4, pp.1927–1936 (2007).

7. J. Fromageau, J.-L. Gennisson, C.Schmitt, R.L. Maurice, R. Mongrain, G. Cloutier.

Estimation of Polyvinyl Alcohol Cryogel Mechanical Properties with Four Ultrasound Elastography Methods and Comparison with Gold Standard Testings. IEEE Transactions on UFFC, v. 54, No. 2, (2007).

8. K Zell, J I Sperl, M W Vogel, R Niessner, C Haisch. Acoustical properties of selected tissue phantom materials for ultrasound imaging. Phys.Med.Biol. 52(2007) pp. 475-484.

9. B. Qiang, J. Greenleaf, and X. Zhang. Quantifying Viscoelasticity of Gelatin Phantoms by Compact Optical Sensors. IEEE Transactions on UFFC, v. 57, No. 7, ( 2010).

10. J. Oudry, C. Bastard, V. Miette, R. Willinger, L. Sandrin. Copolymer-in-oil phantom materials for elastography. Ultrasound in Med. Biol., v. 35, No 7, pp. 1185-1197, (2009).

–  –  –

Ультразвуковая эластография: аналитическое описание различных режимов и технологий, физическое и численное моделирование сдвиговых характеристик мягких биологических тканей

–  –  –

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского».

603950, Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23.



Pages:     | 1 ||



Похожие работы:

«Экологические сказки Экологические сказки Сказка входит в жизнь ребенка с самого раннего возраста, сопровождает на протяжении всего дошкольного детства и остается с ним на всю жизнь. Со сказки начинается его знакомство с миром литературы, с миром человеческих взаимоотношен...»

«ИННОВАЦИОННОЕ И УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ Туманова Е.А., к.э.н., и.о. доцента, 502.34+502.36 Униятова О.А., асистент, Национальная академия природоохранного и курортного строительства ПРИНЦИПЫ ОСУЩЕСТВЛЕН...»

«УДК 621.313.320 ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В УКРАИНЕ Шевченко В. В., Лизан И. Я. Украинская инженерно – педагогическая академия, г. Харьков, г. Артемовск Определены проблемы создания, внедрения в силовую энергетику и эксплуатации экологиче...»

«DEFRO-RU – ІНСТРУКЦІЯ ОБСЛУГОВУВАННЯ TECH Декларація згідності для командоконтролерів ST-DEFRO-RU № 34/2010 Ми, фірма ТЕХ (TECH), вул. С. Баторія 14, 34-120 Aндрихув, з повною відповідальністью заявляємо, що...»

«270 ЕКОНОМІКА ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ ТА ОХОРОНИ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА Светлана В. Шарыбар ФОРМИРОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОЛОГОЭКОНОМИЧЕСКОЙ ИНВЕСТИЦИОННОЙ ПОЛИТИКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕНН...»

«МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РФ Волгоградский государственный медицинский университет Кафедра анестезиологии и реаниматологии с трансфузиологией ФУВ "УТВЕРЖДАЮ" Декан ФУВ " " 2017 г. Магницкая О.В. РАСПИСАНИЕ занятий на цикле сертификационного усовершенствования ПК-2 "Анестезиология и реаним...»

«Муниципальное бюджетное дошкольное образовательное учреждение детский сад комбинированного вида № 8 "Снеговичок" Дидактические игры по экологическому воспитанию для детей среднего дошкольного возраста Подготови...»

«Проект ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КОДЕКС КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ СОДЕРЖАНИЕ: ОБЩАЯ ЧАСТЬ Глава 1. Общие положения Глава 2. Компетенция государственных органов и органов местного самоуправления Кыргызской Республики в сфере экологических отношений Глава 3. Права и обязанности некоммерческих организаций, граждан и природопользовате...»

«Тема урока: "Подари эту розу поэту." (Цветы в творчестве А. А. Фета) Литературно-биологическая гостиная Цель проведения: -Расширить и углубить знания учащихся о творчестве А. А. Фета;-Обобщить знания о строении цветков, соцветий, их биологической роли;-Продолжить формирование научного мировоззрения об эволюции органического...»

«УСТИНОВА АЛИСА СЕРГЕЕВНА РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО СУСЛА ИЗ ЯЧМЕНЯ Специальность 05.18.07 – Биотехнология пищевых продуктов и биологических активных веществ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург Работа выполнена в ГОУ ВПО "Санкт-Петербургский национальный исследоват...»









 
2017 www.book.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - электронные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.