LI OTWARTE SEMINARIUM Z AKUSTYKI
Gdańsk Sobieszewo, 6 10.09.2004
OSA
ULTRADyWIKOWA KAMERA TRANSMISYJNA
Ultrasonic Transmission Camera
Krzysztof J. Opieliński, Tadeusz Gudra
Instytut Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej
krzysztof.opielinski@pwr.wroc.pl
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono metodę wizualizacji struktury wewnętrznej obiektu na podstawie
informacji zawartej bezpośrednio w impulsach ultradzwiękowych przepuszczonych przez ten obiekt
w układzie rzutów ortogonalnych. Ze względu na zastosowanie metody transmisyjnej uzyskuje się
dwukrotnie większy poziom amplitudy ultradzwiękowych impulsów odbiorczych w porównaniu
z metodą echa. Obrazowaniu może tu ponadto podlegać jednocześnie kilka parametrów akustycznych
wyznaczanych komputerowo na podstawie informacji zawartej bezpośrednio w impulsach
ultradzwiękowych przepuszczonych przez strukturę (np. amplituda, czas przejścia, zmiana
częstotliwości środkowej, widmo impulsu odbiorczego). Umożliwia to uzyskanie kilku różnych
obrazów projekcyjnych, z których każdy charakteryzuje inne cechy struktury. Taka kompleksowa
charakterystyka może mieć kapitalne znaczenie np. przy wykrywaniu i diagnozowaniu zmian
nowotworowych w tkankach. WykorzystujÄ…c symulacjÄ™ komputerowÄ… i rzeczywiste pomiary,
przeanalizowano dokładność otrzymanych w ten sposób obrazów oraz możliwości zastosowania
ultradzwiękowej kamery transmisyjnej do wizualizacji struktur biologicznych.
1. WPROWADZENIE
Ultradzwiękowa technika zobrazowań pełni coraz istotniejszą rolę w dziedzinie
diagnostyki medycznej. W większości zastosowań wykorzystywane są tu metody
echograficzne (ultrasonografia, mikroskopia ultradzwiękowa). Za pomocą takich pomiarów
konstruowany jest obraz przedstawiający zmiany współczynnika odbicia we wnętrzu badanej
struktury. W niniejszej pracy podjęto próbę wykorzystania informacji zawartej w impulsach
ultradzwiękowych przenikających przez obiekt w celu tworzenia obrazów przedstawiających
rzut (projekcję) badanej struktury [4] w postaci rozkładu średnich wartości mierzonego
parametru akustycznego, dla jednej lub kilku płaszczyzn prostopadłych do kierunku padania
fal ultradzwiękowych (analogicznie jak w rentgenografii). Zaletą metody transmisyjnej jest
dwukrotnie większy poziom amplitudy ultradzwiękowych impulsów odbiorczych
w porównaniu z metodą echa. Obrazowaniu może tu ponadto podlegać jednocześnie kilka
parametrów akustycznych wyznaczanych komputerowo na podstawie informacji zawartej
bezpośrednio w impulsach ultradzwiękowych przepuszczonych przez strukturę (np.
amplituda, czas przejścia, zmiana częstotliwości środkowej, widmo impulsu odbiorczego),
143
co pozwala na jednoczesne tworzenie kilku różnych obrazów projekcyjnych, z których każdy
charakteryzuje inne cechy struktury. Ze względu na możliwość uzyskiwania obrazów
w czasie pseudo-rzeczywistym (np. ze stałym opóznieniem wynikającym z konieczności
buforowania i przetwarzania danych), urzÄ…dzenie wykorzystujÄ…ce tÄ™ metodÄ™ nazwano
ultradzwiękową kamerą transmisyjną (UTC) [1]. Problemem tym zajmują się w świecie
nieliczne ośrodki, a laboratoryjnych stanowisk badawczych pozwalających na wizualizację
struktur biologicznych w czasie pseudo-rzeczywistym za pomocÄ… UTC jest zaledwie kilka
[1]. Ponadto publikacje na ten temat dotyczą przede wszystkim budowy urządzeń
projekcyjnych w oderwaniu od analizy jakości, dokładności i rozdzielczości zobrazowania
oraz sposobów jego interpretacji [4], co jest niezwykle istotne pod kątem zastosowań
medycznych. W większości opracowań, parametrem projekcyjnym jest amplituda sygnału,
a nie jego czas przejścia, który wydaje się bardziej atrakcyjny ze względu na prostotę
i dokładność pomiaru. W niniejszej pracy, wykorzystując symulację komputerową
i rzeczywiste pomiary, przeanalizowano dokładność obrazów otrzymanych na podstawie
wizualizacji rozkładu średnich wartości prędkości dzwięku oraz możliwości zastosowania
UTC do wizualizacji struktur biologicznych, a w szczególności do diagnozowania
wczesnych zmian nowotworowych sutka piersi kobiet.
2. OBLICZENIA I POMIARY
Za pomocą specjalnie opracowanego oprogramowania dokonano symulacji rozkładu
lokalnych wartości prędkości propagacji fali ultradzwiękowej we wnętrzu wielu różnych
obiektów 3D o jednorodnej i niejednorodnej strukturze wewnętrznej, zanurzonych w wodzie.
Następnie, dla różnych płaszczyzn projekcji obliczono transformaty Radona w postaci
rozkładów wartości średnich w geometrii rzutów równoległopromieniowych [2]. Uzyskane
obrazy projekcyjne przedstawiono w pracy [4]. Na podstawie uzyskanych wyników, w
niniejszej pracy przeanalizowano rozdzielczość wizualizacji minimalnych zmian lokalnych
wartości prędkości dzwięku w postaci zmian wartości średnich. Szczegółową analizę
przeprowadzono na prędkościowym modelu niejednorodnej kuli (rys.1).
przetwornik nadawczy
cmed cs1
cs2
Ds2 Ds1 Dmed
obiekt
woda
przetwornik odbiorczy
Rys.1. Prędkościowy model niejednorodnej kuli.
Model jest kulą o średnicy Ds i prędkości dzwięku cs = 1500 m/s (średnia prędkość
1 1
w tkankach) zawierającą kulistą niejednorodność o średnicy Ds i prędkości dzwięku cs .
2 2
PrÄ™dkość dzwiÄ™ku w wodzie zaÅ‚ożono cmed = 1482.38 m/s (dla 20ÚC), a odlegÅ‚ość pomiÄ™dzy
144
powierzchnią przetwornika nadawczego i odbiorczego Dmed = 20 cm. Średnią prędkość
dzwięku (projekcję) pomiędzy powierzchnią nadajnika a odbiornika wyznaczano ze wzoru:
Dmed cmed cs cs
1 2 (1)
cśr = .
cs cs (D - D )+ cmed cs (D - D )+ cmed cs D
med s1 s1 s2 1 s2
1 2 2
Na rys. 2a, 2b i 2c przedstawiono zależności średniej prędkości dzwięku wyznaczonej za
pomocą wzoru (1) od różnicy prędkości w niejednorodności i jej otoczeniu (rys.1) dla 7
różnych stosunków ich średnic (0.001, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 0.9) oraz trzech stosunków
średnicy kuli do odległości pomiędzy przetwornikami (0.9, 0.5, 0.1). Zakładając, że średnia
prędkość dzwięku (projekcja) mierzona jest poprzez cyfrowy pomiar czasu przejścia
z częstotliwością próbkowania fp, w zależności od odległości pomiędzy powierzchnią
przetwornika nadawczego i odbiorczego oraz w zależności od wartości mierzonej prędkości
średniej, uzyskujemy rozdzielczość pomiaru przedstawioną za pomocą wzoru 2 (rys.2d):
D
med (2)
"cśr = - cśr .
Dmed / cśr -1/ fp
Dla Dmed =20 cm, fp =200 MHz, cśr =1500 m/s, rozdzielczość "cśr =0.056252 m/s H" 0.06 m/s.
a) b)
c) d)
Rys.2. Zależność cśr od (cs ) z parametrem Ds /Ds (wzór 1) dla różnych stosunków Ds /Dmed =0.9
2 - cs
1 2 1 1
(a), 0.5 (b), 0.1 (c) oraz zależność "cśr od Dmed (wzór 2) dla różnych wartości cśr (d).
145
Na rys.3 przedstawiono przykładowy projekcyjny obraz jaja kurzego ugotowanego na
twardo i pozbawionego skorupki, w postaci rozkładu średnich wartości prędkości dzwięku
zmierzonych na odpowiednio zmodyfikowanym stanowisku badawczym do UTT [4].
a) b)
Rys.3. Ultradzwiękowy obraz rozkładu średnich wartości prędkości dzwięku w rzucie dla jaja kurzego
ugotowanego na twardo i pozbawionego skorupki: a) warstwicowy, b) pseudo-trójwymiarowy.
3. WNIOSKI
Za pomocą projekcyjnego obrazu rozkładu średnich wartości prędkości dzwięku
struktury biologicznej (c H" 1500 m/s) możliwe jest rozpoznawanie różnic wartości lokalnych
(rys.3); rozdzielczość detekcji różnicy lokalnych wartości prędkości dzwięku
w niejednorodności i jej otoczeniu mocno zależy od stosunku ich wymiarów oraz od
stosunku wymiaru badanego obiektu w osi przetworników ultradzwiękowych nadawczego
i odbiorczego do odległości pomiędzy nimi (im mniejsze stosunki tym gorsza rozdzielczość
rys.2a,b,c). W celu wykrywania różnic lokalnych wartości prędkości dzwięku co najmniej
1 m/s (zmiany nowotworowe) za pomocą UTC w obiektach o rozmiarach około 10-20 cm
(sutki piersi kobiet), możliwe wydaje się wizualizowanie niejednorodności o rozmiarach nie
mniejszych niż około 5-10 mm (rys.2a). Opracowanie ultradzwiękowej kamery transmisyjnej
działającej w czasie pseudo-rzeczywistym z możliwością skanowania obiektu z wielu
kierunków pozwala na uzyskiwanie zarówno obrazów projekcyjnych jak i rekonstrukcję
ilościowych, ultradzwiękowych obrazów tomograficznych o dużo lepszej dokładności [3].
LITERATURA
1. H.ERMERT, O.KEITMANN, R.OPPELT, B.GRANZ, A.PESAVENTO, M.VESTER,
B.TILLIG, V.SANDER, A New Concept For A Real-Time Ultrasound Transmission
Camera, IEEE Ultrasonics Symp. Proc., San Juan, Puerto Rico 2000, 1611-1614.
2. A.C.KAK, M.SLANEY, Principles of Computerized Tomographic Imaging, IEEE Press,
New York 1988.
3. K.J.OPIELICSKI, T.GUDRA, Three-dimensional reconstruction of biological objects
internal structure heterogeneity from the set of ultrasonic tomograms, Ultrasonics, 42 (1-
9), 705-711 (2004).
4. K.J.OPIELICSKI, T.GUDRA, Biological Structure Imaging by Means of Ultrasonic
Projection, Structures Waves Human Health, XIII (2), 97-106 (2004).
146
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Przewodowe media transmisyjne czIIMinaturowa kamera CCD 5V PVNPCKcw 42 skrypt ultradzwieki noweAparat czy kamera Każdemu wg potrzeb, cz II – kamery zaawansowaneKamera DVS 650IR HR Instrukcja ObslugiUltradźwiękowy detektor ruchuTV Transmitter KitPRZENOŚNY DEFEKTOSKOP ULTRADZEIEKOWY USN 50WN TBWCz TransmWlasnLiniiPrzesylwięcej podobnych podstron