ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ VERASONICS С ОТКРЫТОЙ АРХИТЕКТУРОЙ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ СДВИГОВЫХ ВОЛН В МЯГКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ
, А. Е. Спивак,
Нижегородский государственный университет им.
E-mail: *****@***ru
,
Московский государственный университет имени
Одним из наиболее информативных методов ультразвуковой диагностики на сегодняшний день является эластография на сдвиговых волнах (метод SWEI - Shear Wave Elasticity Imaging), которая по измерениям их скоростей позволяет оценить упругие свойства мягких биологических тканей, а именно модули сдвига и Юнга [1].
На кафедре акустики радиофизического факультета ННГУ в лаборатории «Биомедицинских технологий и медицинского приборостроения (МедЛаб)» находится акустическая система Verasonics с открытой архитектурой, которая представляет собой универсальный ультразвуковой диагностический прибор, предназначенный для макетирования и отладки различных алгоритмов медицинской акустики. (рис. 1).
Рис1. Акустическая система Verasonics |
Система полностью управляется программным образом. Весь сценарий посылки импульсов, приема данных, обработки данных и построения изображения программируется пользователем на языке MATLAB. Полученные данные хранятся в виде числовых массивов [2].
Классическая схема измерения скорости сдвиговых волн с помощью системы Verasonics следующая [3]. Сдвиговая волна возбуждается мощной сфокусированной волной в толще образца. Для этого в среду направляется радиоимпульс обычной (продольной) ультразвуковой волны. Длительность импульса выбирается порядка 100 мкс. Меньшие значения длительности приводят к тому, что в возбуждаемой волне смещения оказываются слишком малыми. Существенно большая длительность приводит к тому, что смещение в среде достигает насыщения. Характерный частотный диапазон явлений в сдвиговой волне составляет 1 кГц, поэтому для сдвиговой волны импульс в 100 мкс представляет собой практически дельта-импульс. Это позволяет регистрировать смещение среды ξ(x, t) как функцию времени t на различных расстояниях х.
|
Рис. 2. Экспериментальные зависимости ξ(x, t)
На каждом графике реализации смещения ξ(x, t) имеется максимум, соответствующий фронту сдвиговой волны. Из графиков можно определить время прихода фронта в определенную точку и посчитать скорость волны.
Для приближения возможностей системы Verasonics к возможностям современных коммерческих УЗИ-аппаратов был реализован интерфейс на языке MATLAB. Ставились следующие задачи: расчет скорости сдвиговой волны по собранным данным в реальном времени; отбраковка экспериментов, в которых сдвиговая волна не сформировалась должным образом; получение информации о затухании волны в области наблюдения.
Оценивалась форма импульса: для получения скорости выбирались графики смещения, имеющие четкий максимум, остальные отбрасывались. Для этого был реализован алгоритм, оценивающий характер спадания смещения от времени. Также измерение отбрасывалось, если максимальное смещение было меньше 1 мкм. По собранным данным автоматически рассчитывались скорость сдвиговой волны и модуль Юнга. В интерфейс выводился B-scan, выдающий амплитуду смещения, и данные о затухании волны.
|
Рис. 3. Окно интерфейса.
С помощью представленных в работе методов и программных средств на акустической системе Verasonics был проведен ряд экспериментов, измерены скорости сдвиговых волн и упругие характеристики полимерных и желатиновых фантомов, а также реальные мышечные ткани. Приведем пример для скелетных мышц, где в качестве объекта исследования была выбрана поперечно-полосатая мышечная ткань говядины в области толстого края (рис.4).
Рис. 4. Фотография мышечной ткани говядины.
На рис.5 представлены значения скоростей сдвиговых волн ткани говядины на разных глубинах при одинаковых натяжениях волокон. Измерения были проведены вдоль и поперек мышечных волокон, а также под углом 450 к мышечным волокнам говядины.
|
Рис.5. Результаты измерения скорости сдвиговых волн в мышечной ткани говядины |
Из приведенных выше результатов хорошо видно, что скорости сдвиговых волн в скелетной мышце (ткань говядины), распространяющихся вдоль и поперёк волокон, отличаются. Отметим, что значения скоростей сдвиговых волн, измеренные под углом 45° к мышечным волокнам (на нескольких глубинах) совпали со значениями, измеренными поперёк волокон, что связано со схожестью отклика на воздействия поперёк волокон и под углом 45° к ним.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 15-42-02586а и № 16-02-00719 а.
Библиографический список
1. , , // Радиология – практика.2014. № 4 (46). С. 62.
2. R. Daigle. Sequence Programming Manual // Verasonics, Inc. 2011. P. 4.
3. Khalitov R. Sh., Gurbatov S. N., Demin I. Yu. // Phys. Wave Phenom. 2016. V. 24. №. 1. P. 73.
Сведения об авторах
– студент 5 курса Радиофизического факультета ННГУ, г.
– студент 4 курса Радиофизического факультета ННГУ, дата рождения:26.09.1995г.
– к. ф.-м. н., доцент кафедры акустики Радиофизического факультета ННГУ, г.
– к. ф.-м. н., доцент кафедры акустики Физического факультета МГУ, г.
– к. ф.-м. н., научный сотрудник кафедры акустики Физического факультета МГУ, г.
Вид доклада: стендовый
