Тенденции развитиясовременных ультразвуковихсканеров
Ультразвуковаяаппаратура для диагностики является одной из самых «благодарных» отраслей медицинскойинтроскопии – даже на относительно небольшие усовершенствования, не требующиекапитальных вложений, она отвечает улучшением качества изображения и другихинформационных сигналов. Однако технический уровень УЗ сканеров приближается ктакому пределу, когда идет борьба за десятые доли процента воспроизведенияакустического контраста, продольной и поперечной разрешающей способности. Дляпокорения этих десятых долей требуются новые идеи, новая элементная база.
В частианалоговых средств наблюдается тенденция выпуска и внедрения специальныханалоговых микросхем, объединяющих в себе несколько функций, причем удельныйвес аналоговых узлов постоянно сокращается. Функции, которые раньше выполнялисьаналоговыми средствами, все больше перекладываются на цифровые устройства –задержка эхосигналов для динамической фокусировки, детектирование, фильтрация,логарифмическое сжатие динамического диапазона и многое другое. При этомсводятся к минимуму такие стохастические явления, как шум и дрейф. Электроннаябаза становится несколько дороже, но зато отпадает необходимость в изготовлениианалоговых линий задержки.
В арсеналережимов УЗ сканеров высокого уровня обязательно присутствует доплеровскийрежим, который является эффективным средством для исследования сердечно-сосудистойсистемы, что гарантирует УЗ сканерам первенство в этой области. Кратко напомнимсущность эффекта Доплера, который наблюдается при отражении УЗ колебаний отдвижущегося объекта. Если объект, движущийся со скоростью v, облучать УЗколебаниями, распространяющимися со скоростью с (рис.1), то частота отраженногосигнала будет отличаться от частоты f0 зондирующих колебаний на величину доплеровскогосмещения
/>. (1)
Формула (1)получена в предположении v
/>
Рисунок 1. УЗ локациядвижущегося объекта
Рассмотримпростой пример. Пусть объектом локации является сердце, а отраженный сигналпринимается от стенки миокарда. Примем частоту излучаемых колебаний f0 = 3 МГц, скорость движениямиокарда vравной 5 см/c,а угол qравным нулю. По формуле (1) находим fсм = 200 Гц. Могут быть приняты также УЗколебания, отраженные от клапанов, которые движутся быстрее, чем миокард,поэтому и частота смещения для них будет больше. Подвижными объектами ворганизме являются также стенки сосудов и сама кровь. УЗ колебания отражаютсяот движущихся скоплений (аггломераций) эритроцитов, объем которых составляет25% объема крови. Доплеровское смещение частоты будет при этом пропорциональноскорости кровотока. Зная ее величину и геометрические размеры сечения сосуда,можно определить ударный объем крови и другие важные параметры гемодинамики.
Структурнаясхема выделения сигнала доплеровского смещения приведена на рис.2. Такая схеманосит название квадратурного синхронного детектора. Она будет нам встречатьсяеще не раз. Генератор УЗ колебаний, который здесь играет также и рольгетеродина, возбуждает источник излучения ИИ и вырабатывает квадратурные, т.е.сдвинутые по фазе на 90о, опорные сигналы, условно обозначенные как cosf0 и sinf0. Приемник излучения ПИ выдаетсигнал со смещенной частотой f0 + fсм. В принципе, источник и приемник могут представлять собойодин и тот же преобразователь.
/> />
Рисунок 2.Квадратурный детектор сигналов доплеровского смещения
Перемножающиеустройства производят перемножение квадратурных опорных сигналов с усиленнымсигналом приемника. Известные тригонометрические преобразования дают следующиесоотношения
cos(f0+fсм) ´ сosf0 =/>[cos(2f0+fсм) + cosfсм],
сos(f0+fсм) ´ sinf0 = />[sin(2f0+fсм) — sinfсм]. (2)
Первыеслагаемые в правых частях выражений (2) представляют собой высокочастотныесоставляющие, которые отфильтровываются фильтрами НЧ. При изменении направлениядвижения объекта меняется знак (фаза) у синусной составляющей сигнала смещения.По этому признаку можно определять направление движения различных органовсердца и кровотока. Скорость объекта рассчитывается по частоте смещения fсм.
В УЗ сканерахможет быть два вида доплеровского режима: цветной и спектральный – цветной«доплер» и спектральный «доплер». В цветном «доплере» на В-эхограмме сечениякровеносных сосудов выделяются цветом – обычно синим и красным. Цвет определяетнаправление кровотока, а его насыщенность – скорость. Сечения сосудов, вкоторых кровь движется по направлению к датчику, принято выделять краснымцветом, а сосуды, в которых кровоток направлен от датчика, – синим. Вспектральном «доплере» анализируют частотный спектр сигналов смещения, применяяобычно для этого быстрое преобразование Фурье (БПФ). При этом определяютколичественные характеристики гемодинамики: скорость кровотока, ударный объемкрови и др. Например, ударный объем крови определяют путем интегрированияобъемной скорости (произведения площади сечения на скорость) за одно сокращениесердца. Для этого курсором выделяется сечение исследуемого сосуда и запускаетсясоответствующий программный блок, который вычисляет площадь сечения и выполняетдругие необходимые математические операции.
В некоторых УЗаппаратах производят даже «озвучивание» частотного спектра. Это позволяетвоспринимать его на слух. При этом движению разных органов сердца будутсоответствовать звуки различной частоты. Получается своеобразный ультразвуковойфонендоскоп. Правда, серьезные разработчики считают это некими рудиментами,идущими еще от аналоговых доплеровских приборов.
Рассмотримнекоторые особенности аппаратных реализаций современных УЗ сканеров. Еще разотметим, что объем аналоговых средств в них сокращен до минимума. По существу,из аналоговых устройств остались лишь те, без которых немыслимо обойтись прилюбом уровне развития техники: это генератор для возбуждения УЗ колебаний,малошумящий предварительный усилитель и в некоторых случаях аналоговыекоммутаторы. Типичная схема универсального передатчика УЗ колебаний приведенана рис.3./> />
Рисунок 3.Универсальный передатчик УЗ колебаний
Здесь А1 –мощный быстродействующий преобразователь уровня ТТЛ – КМОП (например, МАХ 4427фирмы Maxim, ТС4427 фирмы Telcom и др.), VT1, VT2 – комплементарная пара мощных полевыхтранзисторов. Короткие импульсы уровня ТТЛ (около 3 В) преобразуются в импульсыамплитудой до 15 В. Такой передатчик имеет более высокий КПД, чем схемы рис.1 ирис.2. Кроме того, в нем посредством RC-цепей и диодной пары на выходе удается получитьлюбую желаемую форму импульса возбуждения. Напряжение питания выходного каскадазависит от типа датчика и имеет величину около 50 В для многоэлементныхдатчиков и 200 – 250 В для секторных механических. У многоэлементных датчиковкаждый элемент апертуры возбуждается отдельным генератором такого типа, и ихчисло может быть большим (16 – 48).
Дляфокусировки луча при передаче на вход А1 передатчиков импульсы подают стребуемой задержкой от цифрового устройства. Однако в отличие от ранеерассмотренного способа, характеризуемого некоторой аппаратной громоздкостью,требуемые задержки записываются не в регистры, а в специальные ОЗУ (рис.3). Вних заносятся эпюры запускающих сигналов в виде групп подряд идущих единиц. ОЗУможет быть выполнено из однобитовых микросхем памяти по числу элементовапертуры n.Запись данных в ОЗУ производится через мультиплексор D3 по сигналу WR./> />
Рисунок 3.Цифровая задержка с памятью для фокусировки при передаче/> />
В рабочем режимеимпульсом «Запуск» (начало УЗ луча) триггер D1 сбрасывается иразрешает работу счетчика D2, который тактируется импульсами тактовой частоты fТ. Выходной код счетчикаслужит адресом для считывания и поступает в ОЗУ через второй каналмультиплексора. Момент появления управляющих импульсов на выходах микросхем ОЗУзависит от местонахождения группы единиц в памяти и тактовой частоты fТ. Эпюры запускающихсигналов показаны на рис.4.
Рисунок 4. Представление эпюрзапускающих сигналов в ОЗУ
Как мы знаем,в ходе сканирования меняется положение элементов апертуры относительно ее осисимметрии, и в связи с этим должны меняться и задержки запускающих импульсов.Их новые эпюры могут быть занесены в ОЗУ по окончании последнего запускающегоимпульса в течение хода УЗ луча. Времени для этого вполне достаточно. Точностьзадержки зависит от тактовой частоты fТ. При fТ = 100 МГц она составит 10 нс./> />
Аналоговый трактсовременного УЗ сканера имеет вид, показанный на рис.5. Эхо-сигнал усиливаетсямалошумящим предусилителем А1, проходит через полосовой фильтр ПФ срегулируемой полосой пропускания и усиливается усилителем с регулируемымкоэффициентом усиления А2, на который воздействуют управляющие сигналы ВАРУ.После этого сигнал преобразуется в цифровую форму. На этом аналоговый этаппреобразований эхо-сигналов заканчивается, и далее над ним производятся толькоцифровые преобразования.
Рисунок 5. Аналоговыйтракт современного УЗ сканера/> />
Наиболее сложначасть цифрового тракта, заменившая аналоговые узлы, выполнявшие функциифокусировки луча при приеме, детектирование и логарифмическое преобразованиеэхо-сигналов от многоэлементных датчиков. Структурная схема этой части показанана рис.6.
Рисунок 6. Цифровоепреобразование параметров эхо-сигнала
Выходныесигналы аналоговых трактов апертуры уже в цифровой форме направляются в своиканалы цифровой задержки и затем суммируются цифровым сумматором.Результирующий цифровой эхо-сигнал подвергается цифровому детектированию, азатем – логарифмированию. Отметим, что в полностью аналоговых трактах этипроцедуры протекали в другой последовательности.
Цифровая задержкаэхо-сигналов основана на сдвиге во времени результатов АЦ-преобразованиякаждого канала по отношению к моменту окончания преобразования. Структурная схемаодного канала цифровой задержки показана на рис. 7.
/> />
Рисунок 7. Каналцифровой задержки эхо-сигналов
Поступающие сАЦП данные записываются в двухпортовое ОЗУ по адресам AWR, выставляемым счетчикомСТА, а считываются эти данные по адресам ARD. Они представляют собойсумму адреса AWR и данных, которые устанавливаются в ОЗУ задержек. Сразу послезаписи данных АЦП происходит переключение в режим чтения, и данные из ОЗУ задержекначинают суммироваться с адресом AWR. Через некоторое число тактов fT наступает равенство ARD и AWR, по которому былапроизведена запись данных АЦП. Это число тактов и величина fT и определяют времязадержки. В этом же канале производят апподизацию – умножение выходного сигналана некоторый коэффициент, который записывается в то же ОЗУ, что и задержки.Апподизация предназначена для формирования желаемой характеристикинаправленности антенной решетки при приеме (например, для исключения боковыхлепестков).
Раньше былопоказано, что различие в задержках соседних каналов апертуры составляет десяткинс. Поэтому для точной установки задержек тактовая частота должна быть оченьвысокой – 50 – 100 МГц. Очевидно, что такой же должна быть и частотапреобразования АЦП. Она намного выше той, которая была рассчитана в началераздела 2.6. Конечно, в проектировании таких АЦП возникают определенныесложности (экранирование блока и др.). Однако при такой высокой скоростипреобразования появляется возможность формировать точку фокуса на каждомдискретном отсчете вдоль луча, т.е. получается фокус, следящий за движениемфронта отраженного сигнала. Естественно, это дает повышение четкостиизображения.
На рис.8приведена структурная схема блока цифрового детектора и логарифмическогопреобразователя. Здесь завершается подготовка сигналов перед их записью в буферноеОЗУ. Еще раз подчеркнем, что все в этом блоке – цифровое!
Данные свыхода сумматора (см. рис.8) перемножаются с квадратурными сигналами sinf0 и cosf0 гетеродина, после чегофильтруются фильтрами НЧ. Эта часть схемы напоминает квадратурный детекторсигналов доплеровского смещения. И это не случайно – квадратурные составляющиеотфильтрованного сигнала Im(D) и Re(D) используются как в доплеровских каналах, так и в черно-белом./> />
Рисунок 8.Цифровой детектор и логарифмический преобразователь
Для обеспеченияхорошей избирательности фильтры должны обладать прямоугольностьюхарактеристики. Как правило, используются фильтры высокого порядка схарактеристиками Чебышева или Бесселя. Процедуры возведения в квадрат,суммирования и извлечение корня соответствуют нахождению амплитуды сигнала(амплитудное детектирование). Извлечение корня и логарифмирование могут бытьвыполнены с помощью ПЗУ. На выходе сигнал умножается на некоторый коэффициент,регулирующий контрастность.
Частотагетеродина может перестраиваться в зависимости от режима – черно-белый илидоплеровский. При этом перестраивается и полоса пропускания фильтров. Послефильтров частота сигналов понижается до 2 – 3 МГц в черно-белом режиме.
Масштабно-координатныепреобразования в конверторе изображения в целом осуществляются посредством вышеописанных алгоритмов и устройств. Устройства цифровой обработки реализуются наспециализированных заказных БИС или на программируемых пользователем вентильныхматрицах (FPGA – Field Programmable Gate Array), например, фирм Xilinx, Altera и др. У нас эти матрицыназываются ПЛИС – программируемые логические интегральные схемы.
В раннихпоколениях цифровых сканеров использовались управляющие ЭВМ собственнойразработки. Сейчас рынок предлагает широкий ассортимент ПЭВМ, которые по всемпараметрам – требуемому быстродействию, интерфейсу, программному обеспечению иотображению информации – удовлетворяют разработчиков. Они теперь простопрепарируют какой-либо компьютер высокого класса, изымая из него иприспосабливая для своих нужд материнскую плату и периферийные блоки. Дляотображения информации используют его же «родной» монитор. И это обходитсядешевле, чем разработка и изготовление собственной микроЭВМ.
В качествеоперационной системы производящие фирмы используют самые различные базы: от Linux до Win 7 и Win NT. Использованиестандартных аппаратных и программных средств естественным образом дополняет УЗсканер возможностями архивации, обработки и коммуникации.
Сюдаможно также отнести фирму Hewlett-Packard, которая выпускает УЗ аппараты типа HP Sonos 500 и 1000. Эти аппаратыимеют динамическую регулируемую фокусировку. Фирма Philips поставляет системысреднего класса с широкой номенклатурой специализированных датчиков. Помимоведущих фирм относительно простую и дешевую УЗ диагностическую аппаратуру нарынок поставляют много других фирм. И она находит своих потребителей.
Большаянаучная и практическая работа в области создания УЗ диагностической аппаратурыведется и в Украине. В частности, НИИ радиоизмерений (г. Харьков) разработал ивыпускает малыми сериями УЗ сканер типа ТИ-628 и готовится к серийномупроизводству аппарата высокого класса, проводит работу по созданию механическихдатчиков новой конструкции, разрабатывает новые конфигурации системы управленияУЗ сканером. Весьма перспективной считается разработка и выпуск портативных УЗсканеров с небольшим комплектом (1 – 2 ) секторных датчиков.