EA036092B1

EA036092B1 - Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out same

Info

Publication number: EA036092B1
Application number: EA201800474A
Authority: EA
Inventors: Антон Александрович ГОНЧАРСКИЙ; Александр Владимирович ГОНЧАРСКИЙ; Святослав Радомирович ДУРЛЕВИЧ; Сергей Львович ОВЧИННИКОВ; Сергей Юрьевич РОМАНОВ; Сергей Юрьевич СЕРЁЖНИКОВ; Алексей Васильевич ЧЕРНЫШЁВ
Original assignee: Антон Александрович ГОНЧАРСКИЙ; Александр Владимирович ГОНЧАРСКИЙ; Святослав Радомирович ДУРЛЕВИЧ; Сергей Львович ОВЧИННИКОВ; Сергей Юрьевич РОМАНОВ; Сергей Юрьевич СЕРЁЖНИКОВ; Алексей Васильевич ЧЕРНЫШЁВ
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2020-09-25
Also published as: EA201800474A1; WO2020018000A1

Abstract

A method and a device, claimed as the invention, for producing three-dimensional tomograms of the internal structure of a mammary gland in medicine relate to the field of non-invasive medical diagnostics. According to the claims, a method is described for producing three-dimensional tomograms of the internal structure of a mammary gland using low-frequency ultrasonic sources. In order to carry out the method, transmitted and reflected ultrasonic waves are recorded by a linear array of receivers arranged on a rotational adjustment appliance. A three-dimensional velocity profile is reconstructed using a GPU cluster incorporated into an ultrasonic tomograph.

Description

Томографические методы исследования широко используются в настоящее время в таких областях, как неразрушающий контроль промышленных изделий, контроль технологических процессов и т.п. Современная медицина немыслима без использования томографических методов диагностики, таких как магнитно-резонансная томография (МРТ), электрон-позитронная томография, рентгеновская томография. В медицине наиболее широко используются именно рентгеновские томографы. Пространственное разрешение современных рентгеновских томографов составляет 1-2 мм, а разрешение по плотности порядка 1%. К недостаткам всех томографов можно отнести их высокую цену. Рентгеновские томографы, несмотря на все свои достоинства, нельзя использовать для регулярных обследований из-за высокой лучевой нагрузки. Современной тенденцией в медицине является отказ от использования ионизирующего излучения.Tomographic research methods are now widely used in such areas as non-destructive testing of industrial products, control of technological processes, etc. Modern medicine is unthinkable without the use of tomographic diagnostic methods, such as magnetic resonance imaging (MRI), electron-positron tomography, and X-ray tomography. In medicine, it is X-ray tomographs that are most widely used. The spatial resolution of modern X-ray tomographs is 1–2 mm, and the density resolution is about 1%. The disadvantages of all tomographs include their high price. X-ray tomographs, despite all their advantages, cannot be used for regular examinations due to the high radiation exposure. The current trend in medicine is the rejection of the use of ionizing radiation.

В связи с этим представляют большой интерес разработки ультразвуковых томографов, которые в настоящее время интенсивно ведутся в США, Европе, Японии, России. Интенсивные исследования в этой области ведутся более 10 лет. На настоящий момент промышленно выпускаемых ультразвуковых томографов не существует. Большая часть разработок посвящена диагностике рака молочной железы. Разработки находятся на стадии исследования на макетах и опытных образцах (N. Duric, P. Littrup, L. Poulo, A. Babkin, R. Pevzner, E. Holsapple, O. Rama, C. Glide, Detection of breast cancer with ultrasound tomography: First results with the Computed Ultrasound Risk Evaluation (CURE) prototype, Med. Phys. 34 (2007) 773-785, J. Wiskin, D.T. Borup, S.A. Johnson, M. Berggren, Non-linear inverse scattering: High resolution quantitative breast tissue tomography, J. Acoust. Soc. Am. 131 (2012) 3802-3813; H. Gemmeke, A. Menshikov, D. Tchernikovski, L. Berger, G. Gobel, M. Birk, M. Zapf, N.V. Ruiter, Hardware Setup for the Next Generation of 3D Ultrasound Computer Tomography, IEEE NSS MIC 2010).In this regard, it is of great interest to develop ultrasound tomographs, which are currently being intensively conducted in the USA, Europe, Japan, and Russia. Intensive research in this area has been going on for over 10 years. There are currently no commercially available ultrasound tomographs. Most of the developments are devoted to the diagnosis of breast cancer. Developments are at the stage of research on models and prototypes (N. Duric, P. Littrup, L. Poulo, A. Babkin, R. Pevzner, E. Holsapple, O. Rama, C. Glide, Detection of breast cancer with ultrasound tomography : First results with the Computed Ultrasound Risk Evaluation (CURE) prototype, Med. Phys. 34 (2007) 773-785, J. Wiskin, DT Borup, SA Johnson, M. Berggren, Non-linear inverse scattering: High resolution quantitative breast tissue tomography, J. Acoust Soc Am 131 (2012) 3802-3813; H. Gemmeke, A. Menshikov, D. Tchernikovski, L. Berger, G. Gobel, M. Birk, M. Zapf, NV Ruiter, Hardware Setup for the Next Generation of 3D Ultrasound Computer Tomography, IEEE NSS MIC 2010).

Разработка ультразвуковых томографов сопряжена с целым рядом трудностей. По сравнению с рентгеновской томографией обратные задачи ультразвуковой томографии являются намного более сложными. Рентгеновское излучение является уникальным, поскольку коэффициент преломления рентгеновского излучения в любом материале практически равняется единице, что означает отсутствие рефракции. Обратные задачи рентгеновской томографии можно рассматривать как двумерные и производить исследование трёхмерных объектов по слоям. Это означает, что исследование трёхмерного объекта в рентгеновской томографии сводится к набору независимых двумерных обратных задач в каждом слое. Возникающие обратные задачи являются линейными, разработка алгоритмов решения линейных двумерных задач не представляет проблемы, алгоритмы легко реализуются на персональном компьютере. В ультразвуковой томографии ситуация намного сложнее. Математическая модель должна учитывать такие эффекты как дифракцию, рефракцию, переотражение волн и т.п. Обратные задачи ультразвуковой томографии в таких моделях являются нелинейными.The development of ultrasound tomographs is fraught with a number of difficulties. Compared to X-ray tomography, the inverse problems of ultrasound tomography are much more complex. X-ray radiation is unique because the refractive index of X-ray radiation in any material is practically equal to one, which means that there is no refraction. Inverse problems of X-ray tomography can be considered as two-dimensional and the study of three-dimensional objects by layers can be performed. This means that the study of a three-dimensional object in X-ray tomography is reduced to a set of independent two-dimensional inverse problems in each layer. The arising inverse problems are linear, the development of algorithms for solving linear two-dimensional problems is not a problem, the algorithms are easily implemented on a personal computer. In ultrasound tomography, the situation is much more complicated. The mathematical model should take into account such effects as diffraction, refraction, wave re-reflection, etc. The inverse problems of ultrasound tomography in such models are nonlinear.

Существующие ультразвуковые диагностические приборы в медицине не являются томографическими. Они регистрируют сигнал на отражение. В схемах на отражение можно определить лишь границы неоднородностей. Получить данные о распределении скорости звука внутри объекта, необходимые для характеризации тканей, в схемах на отражение невозможно (Гончарский А.В., Романов С.Ю., Серёжников С.Ю. Задачи волновой томографии с неполным диапазоном данных// Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии, 2014, т. 15, № 2, с. 274-285). Проектируемые в настоящее время ультразвуковые томографы, использующие как отражённое, так и проходящее излучение, позволяют осуществлять характеризацию мягких тканей.Existing ultrasound diagnostic devices in medicine are not tomographic. They register the signal for reflection. In reflection schemes, only the boundaries of inhomogeneities can be determined. It is impossible to obtain data on the distribution of sound velocity inside an object, which are necessary for characterizing tissues, in reflection schemes (Goncharskiy A.V., Romanov S.Yu., Serezhnikov S.Yu.Wave tomography problems with incomplete data range // Computational methods and programming : new computing technologies, 2014, vol. 15, no. 2, pp. 274-285). Currently designed ultrasound tomographs, using both reflected and transmitted radiation, make it possible to characterize soft tissues.

Первоочередной задачей в медицине является разработка ультразвуковых томографов для дифференциальной диагностики рака молочной железы. Смертность среди женской половины человечества от этого заболевания стоит на первом месте среди всех онкологических заболеваний. Прогресс в лечении рака молочной железы напрямую связан с ранней диагностикой, которую можно обеспечить с помощью регулярных обследований. Ультразвуковое излучение безвредно для человека. Именно поэтому разработка ультразвуковых томографов для исследований мягких тканей в медицине представляет собой актуальную задачу. Настоящее изобретение в первую очередь ориентировано на разработку ультразвуковых томографов для ранней диагностики рака молочной железы.The primary task in medicine is the development of ultrasound tomographs for the differential diagnosis of breast cancer. Mortality among the female half of humanity from this disease is in first place among all cancers. Progress in the treatment of breast cancer is directly related to the early diagnosis that can be achieved through regular screening. Ultrasonic radiation is harmless to humans. That is why the development of ultrasound tomographs for the study of soft tissues in medicine is an urgent task. The present invention is primarily focused on the development of ultrasound tomographs for early diagnosis of breast cancer.

В разработке ультразвуковых томографов для диагностики рака молочной железы используются как волновые, так и лучевые модели. В лучевой модели регистрируется время прихода ультразвуковой волны на детектор. Реконструкция скоростного разреза, как правило, осуществляется в послойном варианте аналогично тому, как это делается в рентгеновских томографах. Проблемы заключаются в том, что длина волны в ультразвуковом томографе в 10⁵ раз больше, чем в рентгеновском. Основной недостаток лучевых моделей связан с тем, что такие модели не являются адекватными действительности, поскольку не описывают такие явления, как дифракция, переотражение волн и т.п. Тем не менее, в различных вариантах лучевые модели используются как в методах ультразвуковой диагностики, так и в устройствах для томографических исследований. Практически все патенты, связанные с лучевыми методами ультразвуковой томографической диагностики, описывают послойные методы.Both wave and beam models are used in the development of ultrasound tomographs for the diagnosis of breast cancer. The ray model records the time of arrival of the ultrasonic wave at the detector. Reconstruction of a high-speed section, as a rule, is carried out in a layer-by-layer version, similar to how it is done in X-ray tomographs. The problem is that the wavelength of an ultrasound tomograph is 10 ⁵ times longer than an x-ray one. The main disadvantage of ray models is related to the fact that such models are not adequate to reality, since they do not describe such phenomena as diffraction, wave re-reflection, etc. Nevertheless, in various versions, ray models are used both in ultrasound diagnostic methods and in devices for tomographic studies. Almost all patents related to beam methods of ultrasound tomographic diagnostics describe layer-by-layer methods.

В патенте US20080275344A1 предложены способ и устройство для послойной диагностики молочной железы на прохождение. Метод реконструкции скоростного разреза опирается на лучевую модель. В патенте RU2526424C2 предложен ультразвуковой томограф для послойного исследования молочной жеUS20080275344A1 discloses a method and a device for layered breast diagnostics for passage. The velocity section reconstruction method is based on the ray model. In patent RU2526424C2, an ultrasound tomograph is proposed for the layer-by-layer examination of the milk

- 1 036092 лезы. Для реконструкции послойных изображений используется двухэтапный метод. Обратная задача решается в волновом приближении и состоит в поиске источников ультразвуковых колебаний. Для решения обратной задачи используется линеаризованное приближение.- 1 036092 lezy. A two-stage method is used to reconstruct layered images. The inverse problem is solved in the wave approximation and consists in finding the sources of ultrasonic vibrations. A linearized approximation is used to solve the inverse problem.

В патенте US5673697A предложены устройство и метод 3D ультразвуковой томографии, в котором реконструкция 3D ультразвуковых изображений осуществляется в два этапа. На первом этапе, используя время прихода сигнала на прохождение, в лучевой модели восстанавливается скоростной разрез. На втором этапе, используя полученный скоростной разрез, рассчитывается изображение на отражение методом когерентного суммирования.US5673697A proposes a device and method for 3D ultrasound tomography, in which the reconstruction of 3D ultrasound images is carried out in two stages. At the first stage, using the time of arrival of the signal for transmission, the velocity section is reconstructed in the ray model. At the second stage, using the obtained velocity section, the reflection image is calculated by the coherent summation method.

В патенте US6786868B2 предложено устройство для ультразвуковой томографии молочной железы, состоящее из ёмкости с большим количеством закреплённых на её поверхности трансдьюсеров, которые являются одновременно и источниками и приёмниками ультразвуковых сигналов. Скоростной разрез восстанавливается в лучевой модели, используя время прихода сигнала на прохождение. В патенте обсуждается устройство для реконструкции 3D скоростного разреза в рамках лучевой модели, использующей время прихода сигнала на прохождение.In the patent US6786868B2, a device for ultrasound tomography of the mammary gland is proposed, consisting of a container with a large number of transducers fixed on its surface, which are both sources and receivers of ultrasonic signals. The velocity section is reconstructed in the ray model using the signal arrival time to pass. The patent discusses a device for reconstructing a 3D velocity section within a ray model using the time of arrival of a signal to pass.

В патенте US8366617B2 предложено ультразвуковое томографическое устройство, позволяющее осуществлять послойное исследование молочной железы. Источники и приёмники расположены в горизонтальной плоскости на опоре, которая вращается вокруг оси цилиндрической ёмкости с исследуемым объектом, а также может передвигаться по вертикали вдоль оси. Для обследования пациента нужно провести сканирование во многих горизонтальных плоскостях. Такая схема автоматически предполагает исследование 3D объекта по слоям. Проходящие волны регистрируются отдельно и используются для реконструкции скоростного разреза, который впоследствии используется для коррекции данных, полученных на отражение. К недостаткам такого устройства относится низкое пространственное разрешение по вертикальной оси.US Pat. No. 8366617B2 discloses an ultrasound tomographic device that allows a layer-by-layer examination of the breast. Sources and receivers are located in a horizontal plane on a support that rotates around the axis of the cylindrical container with the object under investigation, and can also move vertically along the axis. To examine the patient, scanning in many horizontal planes is required. Such a scheme automatically assumes the study of a 3D object by layers. The transmitted waves are recorded separately and used to reconstruct the velocity section, which is then used to correct the reflected data. The disadvantages of such a device include low spatial resolution along the vertical axis.

В патенте US6005916A предложены метод и устройство для реконструкции томографических изображений с использованием волновых источников зондирующего излучения. В предложенном методе обратная задача решается в параболическом приближении для уравнения Гельмгольца для небольшого набора частот. Это приближение адекватно реальности только на прохождение при небольших углах рассеяния. По сути дела это означает, что скоростной разрез восстанавливается по узким слоям. Полученный скоростной разрез используется для реконструкции неоднородностей в отражённых волнах. Алгоритмы решения обратной задачи ориентированы на использование персональной ЭВМ. К недостаткам метода и устройства, предложенного в патенте US6005916A, также нужно отнести недостаточное разрешение по вертикальной оси. Последнее связано как с расположением источников и приёмников в схеме регистрации, так и с использованием параболического приближения, которое адекватно действительности только в небольшом диапазоне углов.In patent US6005916A, a method and device for reconstruction of tomographic images using wave sources of probing radiation is proposed. In the proposed method, the inverse problem is solved in the parabolic approximation for the Helmholtz equation for a small set of frequencies. This approximation is adequate to reality only for transmission at small scattering angles. In essence, this means that the high-speed section is reconstructed along narrow layers. The resulting velocity section is used to reconstruct irregularities in reflected waves. Algorithms for solving the inverse problem are focused on the use of a personal computer. The disadvantages of the method and device proposed in patent US6005916A also include insufficient resolution along the vertical axis. The latter is connected both with the location of sources and receivers in the registration scheme and with the use of the parabolic approximation, which is adequate to reality only in a small range of angles.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства и способа для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы на основе измерений рассеянных объектом ультразвуковых волн. Ультразвуковое томографическое изображение представляет собой трёхмерное распределение скорости распространения ультразвука внутри исследуемого объекта. В принятой терминологии трёхмерное распределение скорости распространения ультразвука называется скоростным разрезом. В настоящей заявке на патент скоростной разрез реконструируется по всем экспериментальным данным, измеренным как на прохождение, так и на отражение. При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении качества реконструированных 3D изображений внутренней структуры исследуемого объекта, повышении разрешающей способности ультразвукового томографа и снижении времени обследования пациента.The object of the present invention is to provide a device and method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland based on measurements of ultrasonic waves scattered by an object. An ultrasound tomographic image is a three-dimensional distribution of the propagation velocity of ultrasound inside the object under study. In the accepted terminology, the three-dimensional distribution of the propagation velocity of ultrasound is called a velocity cut. In this patent application, the velocity section is reconstructed from all experimental data measured in both transmission and reflection. At the same time, the technical result is achieved, which consists in improving the quality of reconstructed 3D images of the internal structure of the object under study, increasing the resolution of the ultrasound tomograph and reducing the time of patient examination.

Поставленная задача с обеспечением достижения указанного технического результата решается в способе получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.1 формулы изобретения тем, что исследуемый объект помещают в заполненную водой ёмкость. Для зондирования используют N1, N1<50, закреплённых на внутренней поверхности ёмкости однотипных источников ультразвуковых волн с рабочим диапазоном частот 50-600 кГц. Для регистрации отражённых и прошедших через исследуемый объект ультразвуковых волн используют закреплённый на ротационной подвижке линейный массив приёмников. Шаг расположения приёмников по вертикали в массиве составляет от 1,5 до 2,5 мм. За один оборот ротационной подвижки регистрируют экспериментальный данные U⁽³⁾1,j (фк, t), которые представляют собой сигналы от i-го источника, i=1,..,N1, на j-м приёмнике, j=1, ..., M, в момент времени t, 0<t<T при угловом положении ротационной подвижки фк, к=1, ..., K. Параметры K и T заданы. Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза с (r) выполняют в два этапа. На первом этапе осуществляют цифровую фильтрацию зарегистрированных сигналов фильтром нижних частот с полосой пропускания до 200 кГц, на втором этапе используют все зарегистрированные данные в диапазоне частот 50-600 кГц. На каждом этапе реконструкцию скоростного разреза осуществляют с помощью итерационного процесса градиентной минимизации среднеквадратичной ошибки между экспериментальными данными U⁽³⁾1,_j (ф_к, t) и численно рассчитанным волновым полем. На первом этапе за начальное приближение скоростного разреза принимают c₀(r)=const, а на втором этапе в качестве наThe set task with ensuring the achievement of the specified technical result is solved in the method of obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 1 of the claims in that the object under study is placed in a container filled with water. For sounding, N1, N1 <50 are used, fixed on the inner surface of the container of the same type of ultrasonic wave sources with an operating frequency range of 50-600 kHz. To register the ultrasonic waves reflected and transmitted through the object under study, a linear array of receivers is used, fixed on a rotary slide. The vertical pitch of the receivers in the array is from 1.5 to 2.5 mm. During one rotation of the rotary movement, the experimental data U ⁽³⁾ 1, j (fk, t) are recorded, which are signals from the i-th source, i = 1, .., N1, on the j-th receiver, j = 1, ..., M, at the moment of time t, 0 <t <T at the angular position of the rotary movement фк, к = 1, ..., K. The parameters K and T are given. The reconstruction of the 3D velocity section with (r) is performed in two stages. At the first stage, digital filtering of the registered signals is carried out with a low-pass filter with a bandwidth of up to 200 kHz, at the second stage, all recorded data in the frequency range of 50-600 kHz are used. At each stage, the reconstruction of the velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the root-mean-square error between the experimental data U ⁽³⁾ 1, _j (f _k , t) and the numerically calculated wave field. At the first stage, c ₀ (r) = const is taken as the initial approximation of the velocity cut, and at the second stage, as at

- 2 036092 чального приближения используют скоростной разрез, полученный в результате минимизации среднеквадратичной ошибки на первом этапе. Расчёт волнового поля для каждого из источников осуществляют отдельным графическим процессором.- 2 036092 initial approximations use the velocity section obtained by minimizing the root mean square error in the first step. The calculation of the wave field for each of the sources is carried out by a separate graphics processor.

В п.2 формулы изобретения описано устройство для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п. 1 формулы изобретения, содержащее заполненную водой цилиндрическую ёмкость, на внутренней поверхности которой закреплены N1 однотипных источников ультразвуковых волн с рабочим диапазоном частот 50-600 кГц. На вращающейся вокруг оси цилиндра ротационной подвижке закреплён линейный массив приёмников либо сборка из двух линейных массивов приёмников, в которой один из линейных массивов расположен вертикально, параллельно оси цилиндра, а второй под углом γ, 30°<γ<60° к оси цилиндра. Шаг расположения приёмников по вертикали составляет от 1,5 до 2,5 мм. Устройство содержит оптический датчик угла поворота ротационной подвижки, генератор зондирующих импульсов, предварительные усилители сигналов приёмников, аналого-цифровой блок обработки сигналов приёмников, вычислительное устройство на графических процессорах (GPU-кластер), содержащее N₁ графических процессоров.In claim 2 of the claims, a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 1 of the claims is described, containing a cylindrical container filled with water, on the inner surface of which N1 of the same type of ultrasonic wave sources with an operating frequency range of 50-600 kHz are fixed ... A linear array of receivers or an assembly of two linear arrays of receivers, in which one of the linear arrays is located vertically parallel to the cylinder axis, and the other at an angle γ, 30 ° <γ <60 ° to the cylinder axis, is fixed on a rotary slide rotating around the cylinder axis. The vertical pitch of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm. The device contains an optical sensor for the angle of rotation of the rotary slide, a probe pulse generator, preamplifiers for receiver signals, an analog-digital unit for processing receiver signals, a computing device based on graphics processors (GPU-cluster) containing N ₁ graphics processors.

В способе получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.3 формулы изобретения исследуемый объект помещают в заполненную водой ёмкость. Для зондирования используют закреплённые на внутренней поверхности ёмкости ультразвуковые источники двух типов, N1 источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200-600 кГц и N₂ультразвуковых источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50-200 кГц. Общее количество источников N=N1+N₂ не превосходит 50. Число источников второго типа N2 меньше, чем N1. Для регистрации отражённых и прошедших через исследуемый объект ультразвуковых волн используют линейный массив приёмников, закреплённый на ротационной подвижке. Шаг расположения приёмников по вертикали в массиве составляет от 1,5 до 2,5 мм. За один оборот ротационной подвижки регистрируют экспериментальные данные U⁽³⁾i,j (φ^ t), которые представляют собой импульсы от i-го источника, i=1, ..., N, на j-м приёмнике, j=1, ..., M, в момент времени t, 0<t<T, при угловом положении ротационной подвижки φ(: k=1, ..., K. Параметры K и Т заданы. Реконструкцию скоростного разреза с(г) выполняют в два этапа. На первом этапе используют данные только от источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50200 кГц, на втором этапе используют данные только от источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200-600 кГц. На каждом этапе реконструкцию скоростного разреза осуществляют с помощью итерационного процесса градиентной минимизации среднеквадратичной ошибки между экспериментальными данными U⁽³⁾i,_j (φ^ t) и численно рассчитанным волновым полем. На первом этапе за начальное приближение скоростного разреза принимают c₀(r)=const, а на втором этапе в качестве начального приближения используют скоростной разрез, полученный в результате минимизации среднеквадратичной ошибки на первом этапе. Расчёт волнового поля для каждого из источников осуществляют отдельным графическим процессором.In the method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 3 of the claims, the object under study is placed in a container filled with water. For sounding, ultrasonic sources of two types fixed on the inner surface of the container are used, N1 sources of the first type with an operating frequency range of 200-600 kHz and N ₂ ultrasonic sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz. The total number of sources N = N1 + N ₂ does not exceed 50. The number of sources of the second type N2 is less than N1. To register the ultrasonic waves reflected and transmitted through the object under study, a linear array of receivers is used, fixed on a rotary slide. The vertical pitch of the receivers in the array is from 1.5 to 2.5 mm. For one revolution of the rotary movement, experimental data U ⁽³⁾ i, j (φ ^ t) are recorded, which are pulses from the i-th source, i = 1, ..., N, on the j-th receiver, j = 1 , ..., M, at the time t, 0 <t <T, at the angular position of the rotary movement φ (: k = 1, ..., K. The parameters K and T are given. The reconstruction of the velocity section with (r) is performed in two stages. At the first stage, data is used only from sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz, at the second stage, data is used only from sources of the first type with an operating frequency range of 200-600 kHz. At each stage, the reconstruction of the velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the root-mean-square error between the experimental data U ⁽³⁾ i, _j (φ ^ t) and the numerically calculated wave field.At the first stage, c ₀ (r) = const is taken as the initial approximation of the velocity cut, and at the second stage, c ₀ (r) = const is taken as the initial approximations use the velocity cut obtained in the re the result of minimizing the mean square error at the first stage. The calculation of the wave field for each of the sources is carried out by a separate graphics processor.

В п.4 формулы изобретения описано устройство для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.3 формулы изобретения, содержащее заполненную водой цилиндрическую ёмкость, закреплённые на внутренней поверхности ёмкости ультразвуковые источники двух типов, N1 источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200600 кГц и N2 ультразвуковых источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50-200 кГц. Число источников второго типа N2 меньше, чем N1. Общее количество источников N=N1+N2 не превосходит 50. На вращающейся вокруг оси цилиндра ротационной подвижке закреплён линейный массив приёмников либо сборка из двух линейных массивов приёмников, в которой один из линейных массивов расположен вертикально, параллельно оси цилиндра, а второй под углом γ, 30°<γ<60° к оси цилиндра. Шаг расположения приёмников по вертикали d составляет от 1,5 до 2,5 мм. Устройство содержит оптический датчик угла поворота ротационной подвижки, генератор зондирующих импульсов, предварительные усилители сигналов приёмников, аналого-цифровой блок обработки сигналов приёмников, вычислительное устройство на графических процессорах (GPU-кластер), содержащее N1 графических процессоров.In claim 4 of the claims, a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 3 of the claims is described, containing a cylindrical container filled with water, ultrasonic sources of two types fixed on the inner surface of the container, N1 sources of the first type with an operating frequency range 200 600 kHz and N2 ultrasonic sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz. The number of sources of the second type N2 is less than N1. The total number of sources N = N1 + N2 does not exceed 50. A linear array of receivers or an assembly of two linear arrays of receivers, in which one of the linear arrays is located vertically parallel to the axis of the cylinder, and the other at an angle γ, is fixed on the rotary slide rotating around the axis of the cylinder. 30 ° <γ <60 ° to the cylinder axis. The vertical pitch of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm. The device contains an optical sensor for the angle of rotation of the rotary movement, a probe pulse generator, preamplifiers for receiver signals, an analog-digital unit for processing receiver signals, a computing device based on graphic processors (GPU-cluster) containing N1 graphic processors.

В п.5 формулы изобретения описан вариант устройства по п.2 или 4 формулы изобретения, отличающийся тем, что приёмные элементы в линейном массиве приёмников располагаются в два ряда в шахматном порядке. Шаг расположения приёмников по вертикали составляет от 1,5 до 2,5 мм, расстояние между рядами составляет от 2 до 8 мм.In claim 5 of the claims, a variant of the device according to claim 2 or 4 of the claims is described, characterized in that the receiving elements in the linear array of receivers are arranged in two rows in a checkerboard pattern. The vertical pitch of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, the distance between the rows is from 2 to 8 mm.

В п.6 формулы изобретения описан вариант устройства по п.2 или 4 формулы изобретения, отличающийся тем, что для вращения линейки используется расположенный под дном ёмкости моторизованный поворотный стол с контролем углового положения линейки с помощью оптического датчика.In claim 6 of the claims, a variant of the device according to claim 2 or 4 of the claims is described, characterized in that a motorized rotary table located under the bottom of the container is used to rotate the ruler with control of the angular position of the ruler using an optical sensor.

В заявляемом изобретении используются низкочастотные источники ультразвуковых волн с частотами, не превышающими 600 кГц, что отличает настоящую заявку от большинства патентов по ультразвуковым томографам для диагностики молочной железы, в которых используются частоты не менее 11,5 МГц (US5673697A). Ультразвуковые источники излучают короткие зондирующие импульсы длительностью не более 15 мкс. Для формирования таких импульсов используются широкополосные источники.The claimed invention uses low-frequency sources of ultrasonic waves with frequencies not exceeding 600 kHz, which distinguishes this application from most patents on ultrasound tomographs for breast diagnostics, which use frequencies of at least 11.5 MHz (US5673697A). Ultrasonic sources emit short probing pulses with a duration of no more than 15 μs. Broadband sources are used to generate such pulses.

- 3 036092- 3 036092

Использование в качестве зондирующего излучения низкочастотных ультразвуковых волн в диапазоне частот до 600 кГ ц позволяет детально регистрировать волновое поле с помощью небольшого количества приёмников. Для регистрации волнового поля используют один вращающийся линейный массив приёмников либо сборку из двух таких массивов. Вращающийся вокруг оси ёмкости линейный массив приёмников, расположенный вертикально, регистрирует волновое поле на цилиндрической поверхности, окружающей объект. Шаг расположения приёмников по вертикали может составлять 1,5-2,5 мм. Размер приёмников в линейном массиве также может составлять 1,5-2,5 мм. Для частотного диапазона от 50 до 600 кГц центральная частота составляет порядка 300 кГц. Этой частоте соответствует длина волны ультразвукового излучения λ=5 мм. Таким образом, размеры приёмников и расстояния между ними при регистрации волнового поля не превосходят λ/2. Выбранные параметры обеспечивают прецизионное измерение волнового поля. Прецизионная регистрация волнового поля позволяет реконструировать трёхмерный скоростной разрез с высоким разрешением, порядка 2 мм, используя небольшое количество источников зондирующего излучения. Для качественной реконструкции внутренней структуры молочной железы достаточно 30-50 источников.The use of low-frequency ultrasonic waves in the frequency range up to 600 kHz as probing radiation makes it possible to record the wave field in detail using a small number of receivers. To register the wave field, one rotating linear array of receivers or an assembly of two such arrays is used. A vertically positioned linear array of receivers rotating around the tank axis registers the wave field on a cylindrical surface surrounding the object. The vertical pitch of the receivers can be 1.5-2.5 mm. The size of the line array receivers can also be 1.5-2.5 mm. For a frequency range of 50 to 600 kHz, the center frequency is in the order of 300 kHz. This frequency corresponds to the wavelength of ultrasonic radiation λ = 5 mm. Thus, the dimensions of the receivers and the distance between them when registering the wave field do not exceed λ / 2. The selected parameters provide a precise measurement of the wave field. Precision recording of the wave field makes it possible to reconstruct a three-dimensional high-speed section with a high resolution, of the order of 2 mm, using a small number of probing radiation sources. For a high-quality reconstruction of the internal structure of the mammary gland, 30-50 sources are sufficient.

Небольшое количество источников, не более 50, существенно снижает вычислительную сложность обратной задачи реконструкции трёхмерного скоростного разреза и позволяет эффективно распараллелить расчёты, используя в качестве вычислительного средства GPU-кластер. Графические процессоры идеально подходят для расчёта распространения ультразвуковых волн в неоднородной среде. Использование графической карты увеличивает производительность вычислений в таких задачах в десятки раз. В состав устройства по п.2 или 4 формулы изобретения входит вычислительное устройство на графических процессорах (GPU-кластер), количество графических процессоров в котором совпадает с числом источников (N₁). При количестве источников N₁ порядка 30-50 использование GPU-кластера позволяет ускорить расчёты в 1000 и более раз по сравнению с ПК. Сравнительно небольшое количество источников позволяет использовать компактные GPU-кластеры как вычислительные средства в составе томографического комплекса.A small number of sources, no more than 50, significantly reduces the computational complexity of the inverse problem of reconstructing a three-dimensional velocity section and makes it possible to effectively parallelize calculations using a GPU cluster as a computing tool. GPUs are ideal for calculating the propagation of ultrasonic waves in a heterogeneous environment. Using a graphics card increases the computing performance in such tasks tenfold. The device according to claim 2 or 4 of the claims includes a computing device based on graphics processors (GPU cluster), the number of graphics processors in which coincides with the number of sources (N ₁ ). With the number of sources N _{1 on the} order of 30-50, the use of a GPU cluster allows you to speed up calculations by 1000 or more times compared to a PC. The relatively small number of sources allows the use of compact GPU clusters as computational tools in a tomographic complex.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. 1 показана схема расположения исследуемого объекта внутри заполненной водой ёмкости; на фиг. 2 приведена форма и частотный спектр широкополосного зондирующего импульса, на фиг. 3 приведена схема расположения источников и приёмников в варианте устройства по п.2 формулы изобретения с одним линейным массивом приёмников; на фиг. 4 приведена схема расположения источников и приёмников в варианте устройства по п.2 формулы изобретения со сборкой из двух линейных массивов приёмников; на фиг. 5 приведена схема расположения точек измерения волнового поля на цилиндрической поверхности, на фиг. 6 приведена схема расположения источников и приёмников в варианте устройства по п.4 формулы изобретения с одним линейным массивом приёмников; на фиг. 7 приведена схема расположения источников и приёмников в варианте устройства по п.4 формулы изобретения со сборкой из двух линейных массивов приёмников, на фиг. 8 приведена схема расположения приёмников в вариантах устройства по п.2 или 4 формулы изобретения, на фиг. 9 приведена схема расположения приёмников в варианте устройства по п.5 формулы изобретения, на фиг. 10 приведена блок-схема устройства для получения трёхмерных томографических изображений; на фиг. 11 представлена схема поворотного устройства массива приёмников в устройстве по п.6 формулы изобретения; на фиг. 12 приведена форма и частотный спектр зондирующего импульса источников первого типа; на фиг. 13 приведена форма и частотный спектр зондирующего импульса источников второго типа; на фиг. 14 приведены горизонтальный и вертикальный скоростной разрез 3D фантома, использованного в модельных расчётах; на фиг. 15 приведён горизонтальный и вертикальный скоростной разрез, восстановленный в модельной задаче на первом этапе реконструкции, на фиг. 16 приведён горизонтальный и вертикальный скоростной разрез, восстановленный в модельной задаче на втором этапе реконструкции, на фиг. 17 приведены сигналы, измеренные на прохождение и на отражение, на фиг. 18 приведены горизонтальный скоростной разрез фантома и скоростной разрез, реконструированный по экспериментальным данным.The essence of the invention is illustrated by graphic material, where in FIG. 1 shows the layout of the investigated object inside a container filled with water; in fig. 2 shows the shape and frequency spectrum of the broadband probing pulse, FIG. 3 shows the arrangement of sources and receivers in the version of the device according to claim 2 of the claims with one linear array of receivers; in fig. 4 shows a diagram of the arrangement of sources and receivers in the version of the device according to claim 2 of the claims with an assembly of two linear arrays of receivers; in fig. 5 shows a diagram of the location of the points for measuring the wave field on a cylindrical surface, FIG. 6 shows a diagram of the location of sources and receivers in the version of the device according to claim 4 of the claims with one linear array of receivers; in fig. 7 shows a diagram of the arrangement of sources and receivers in a variant of the device according to claim 4 of the claims with an assembly of two linear arrays of receivers, FIG. 8 shows a diagram of the location of the receivers in the device variants according to claim 2 or 4 of the claims, FIG. 9 shows a diagram of the location of the receivers in the embodiment of the device according to claim 5 of the claims, FIG. 10 shows a block diagram of a device for obtaining three-dimensional tomographic images; in fig. 11 shows a diagram of a rotary device of the array of receivers in the device according to claim 6 of the claims; in fig. 12 shows the shape and frequency spectrum of the probing pulse of the sources of the first type; in fig. 13 shows the shape and frequency spectrum of the probe pulse of the sources of the second type; in fig. 14 shows a horizontal and vertical high-speed section of a 3D phantom used in model calculations; in fig. 15 shows the horizontal and vertical velocity section, reconstructed in the model problem at the first stage of reconstruction, in Fig. 16 shows the horizontal and vertical velocity section, reconstructed in the model problem at the second stage of reconstruction, in Fig. 17 shows the signals measured for transmission and reflection, FIG. 18 shows a horizontal velocity section of a phantom and a velocity section reconstructed from experimental data.

Фиг. 1-11 иллюстрируют устройства для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по пп.2, 4 и 5 формулы изобретения.FIG. 1-11 illustrate a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claims 2, 4 and 5 of the claims.

На фиг. 1 приведена томографическая схема исследования молочной железы. В цилиндрическую ёмкость 1 помещается исследуемый объект 2. Ёмкость заполнена водой 3. Для зондирования молочной железы в заявляемом устройстве используются широкополосные источники ультразвукового излучения, обеспечивающие возможность формирования коротких зондирующих импульсов. В устройстве по п.2 формулы изобретения используются однотипные широкополосные ультразвуковые источники с рабочим диапазоном частот 50-600 кГц.FIG. 1 shows a tomographic diagram of the study of the breast. In the cylindrical container 1 is placed the object under investigation 2. The container is filled with water 3. For probing the mammary gland in the claimed device uses broadband ultrasonic radiation sources, providing the ability to form short probing pulses. The device according to claim 2 of the claims uses the same type of broadband ultrasonic sources with an operating frequency range of 50-600 kHz.

На фиг. 2(а) приведён пример реального зондирующего импульса, на фиг. 2(б) приведён частотный спектр этого импульса. Как видно из чертежа, рабочий диапазон частот источника по уровню -15 дБ составляет 40-600 кГц. Уровень -15 дБ означает ослабление сигнала в 5 раз.FIG. 2 (a) shows an example of a real sounding pulse, Fig. 2 (b) shows the frequency spectrum of this pulse. As can be seen from the drawing, the operating frequency range of the source at a level of -15 dB is 40-600 kHz. A level of -15 dB means 5 times attenuation of the signal.

На фиг. 3 приведена схема расположения источников и приёмников в устройстве по п.2 формулы изобретения. Источники ультразвукового излучения 4 закреплены на внутренней поверхности ёмкости иFIG. 3 shows a diagram of the arrangement of sources and receivers in the device according to claim 2 of the claims. Sources of ultrasonic radiation 4 are fixed on the inner surface of the container and

- 4 036092 имеют широкую диаграмму направленности, которая перекрывает исследуемый объект. На ротационной подвижке 5 закреплён вертикальный линейный массив приёмников 6, состоящий из одинаковых элементов. Шаг расположения приёмников по вертикали составляет от 1,5 до 2,5 мм, что не превосходит половины длины волны зондирующего излучения. Такой шаг расположения приёмников обеспечивает прецизионную регистрацию волнового поля. Приёмники располагаются между исследуемым объектом и поверхностью цилиндрической ёмкости. Длина массива приёмников превышает габариты исследуемого объекта по вертикали. В приведённом на фиг. 3 варианте устройства используется один линейный массив приёмников.- 4 036092 have a wide radiation pattern that covers the object under study. A vertical linear array of receivers 6, consisting of identical elements, is fixed on the rotary slide 5. The vertical step of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, which does not exceed half the wavelength of the probe radiation. Such a spacing of the receivers ensures precise registration of the wave field. The receivers are located between the investigated object and the surface of the cylindrical container. The length of the receiver array exceeds the vertical dimensions of the object under study. In the example shown in FIG. Option 3 of the device uses one line array of receivers.

На фиг. 4 приведена схема расположения источников и приёмников в устройстве по п.2 формулы изобретения в варианте, где используется сборка из двух линейных массивов приёмников 6. Один из линейных массивов в составе сборки расположен вертикально, параллельно оси цилиндра, а второй под углом γ, 30°<γ<60° к вертикали. Общая высота сборки превышает габариты исследуемого объекта по вертикали. Сбор данных осуществляется за один оборот ротационной подвижки 5. В процессе сбора данных массив приёмников вращается вокруг вертикальной оси ёмкости и регистрирует волновое поле на цилиндрической поверхности, окружающей объект. Положение массива приёмников при каждом измерении контролируется с помощью оптического датчика угла поворота ротационной подвижки.FIG. 4 shows a diagram of the arrangement of sources and receivers in the device according to claim 2 of the claims in the version where an assembly of two linear arrays of receivers is used 6. One of the linear arrays in the assembly is located vertically, parallel to the cylinder axis, and the second at an angle γ, 30 ° <γ <60 ° to the vertical. The overall height of the assembly exceeds the vertical dimensions of the object under study. Data collection is carried out in one revolution of the rotary slide 5. In the process of data collection, the array of receivers rotates around the vertical axis of the container and registers the wave field on the cylindrical surface surrounding the object. The position of the array of receivers is monitored at each measurement using an optical sensor for the rotation angle of the rotary slide.

На фиг. 5 приведена схема расположения точек измерения волнового поля на цилиндрической поверхности. При каждом угловом положении массива приёмников фк, k=1, ..., K, все источники по очереди излучают зондирующие импульсы. Зарегистрированные приёмниками акустические сигналы оцифровываются и запоминаются. Все экспериментальные данные, необходимые для реконструкции скоростного разреза, собираются за один оборот ротационной подвижки.FIG. 5 shows a diagram of the location of the points for measuring the wave field on a cylindrical surface. At each angular position of the array of receivers fc, k = 1, ..., K, all sources in turn emit probing pulses. Acoustic signals registered by receivers are digitized and stored. All experimental data required for the reconstruction of the velocity section are collected in one rotation of the rotary slide.

На фиг. 6 приведена схема расположения источников и приёмников в варианте устройства по п.4 формулы изобретения. В данном варианте устройства используются низкочастотные ультразвуковые источники двух типов. Цифрой 7 показаны источники первого типа с рабочим диапазоном частот 200600 кГц, цифрой 8 - источники второго типа с рабочим диапазоном частот 50-200 кГц. Количество источников второго типа меньше, чем количество источников первого типа. В приведённом на фиг. 6 варианте устройства используется один линейный массив приёмников.FIG. 6 shows a diagram of the arrangement of sources and receivers in the variant of the device according to claim 4 of the claims. In this version of the device, two types of low-frequency ultrasonic sources are used. Number 7 shows sources of the first type with an operating frequency range of 200 600 kHz, number 8 - sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz. The number of sources of the second type is less than the number of sources of the first type. In the example shown in FIG. 6 version of the device uses one line array of receivers.

На фиг. 7 приведена схема расположения источников и приёмников в варианте устройства по п.4 формулы изобретения, где используется сборка из двух линейных массивов приёмников 6. Один из линейных массивов в составе сборки расположен вертикально, параллельно оси цилиндра, а второй под углом γ, 30°<γ< 60° к вертикали. Общая высота сборки превышает габариты исследуемого объекта по вертикали.FIG. 7 shows a diagram of the arrangement of sources and receivers in a variant of the device according to claim 4 of the claims, where an assembly of two linear arrays of receivers is used 6. One of the linear arrays in the assembly is located vertically, parallel to the cylinder axis, and the second at an angle γ, 30 ° < γ <60 ° to the vertical. The overall height of the assembly exceeds the vertical dimensions of the object under study.

На фиг. 8 приведена схема расположения приёмников в линейном массиве приёмников в устройствах по п.2 и п.4 формулы изобретения. Шаг расположения приёмников по вертикали d составляет от 1,5 до 2,5 мм.FIG. 8 shows a diagram of the arrangement of receivers in a linear array of receivers in the devices according to claim 2 and claim 4 of the claims. The vertical pitch of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm.

На фиг. 9 приведена схема расположения приёмников в линейном массиве в варианте устройства по п.5 формулы изобретения. Приёмники расположены в два ряда в шахматном порядке. Шаг расположения приёмников по вертикали d составляет от 1,5 до 2,5 мм. Расстояние между рядами l может составлять от 2 до 8 мм. Такой вариант расположения приёмников позволяет минимизировать переотражения ультразвука между приёмниками при заданном шаге регистрации волнового поля d.FIG. 9 shows the layout of the receivers in the line array in the variant of the device according to claim 5 of the claims. The receivers are staggered in two rows. The vertical pitch of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm. The row spacing l can be between 2 and 8 mm. This variant of the location of the receivers makes it possible to minimize the re-reflections of ultrasound between the receivers at a given step of registration of the wave field d.

На фиг. 10 приведена блок-схема заявляемого устройства для получения трёхмерных томографических изображений. Управляющий компьютер 9 выдаёт команды на установку заданного положения ротационной подвижки приёмников 5 и на формирование зондирующих импульсов блоком формирования импульсов 10. Сформированные электрические импульсы поступают на ультразвуковые источники. В варианте устройства по п.4 формулы используются ультразвуковые источники двух типов с разными диапазонами частот. В варианте устройства по п.2 формулы изобретения используются однотипные широкополосные ультразвуковые источники. Регистрация прошедших через исследуемый объект и отражённых от объекта ультразвуковых волн осуществляется массивом приёмников 6. Приёмники закреплены на ротационной подвижке 5, положение которой контролируется оптическим датчиком угла поворота 11. При каждом положении ротационной подвижки приёмники регистрируют ультразвуковые сигналы от всех источников, излучающих зондирующие импульсы по очереди. С помощью датчика 11 в управляющий компьютер передаётся точное положение ротационной подвижки при каждом измерении. Зарегистрированный сигнал с приёмников 6 усиливается блоком предварительных усилителей 12 и оцифровывается блоком аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 13. Оцифрованные данные передаются в управляющий компьютер 9. Реконструкция трёхмерного скоростного разреза осуществляется с помощью GPU-кластера 14. Количество графических процессоров в кластере соответствует количеству ультразвуковых источников N1. Расчёт волнового поля для каждого источника осуществляется отдельным графическим процессором.FIG. 10 shows a block diagram of the proposed device for obtaining three-dimensional tomographic images. The control computer 9 issues commands to set the preset position of the rotary movement of the receivers 5 and to generate the probing pulses by the pulse shaping unit 10. The generated electrical pulses are fed to the ultrasonic sources. In a variant of the device according to claim 4 of the formula, ultrasonic sources of two types with different frequency ranges are used. In a variant of the device according to claim 2 of the claims, the same type of broadband ultrasonic sources are used. The registration of ultrasonic waves transmitted through the object under study and reflected from the object is carried out by an array of receivers 6. The receivers are fixed on a rotary slide 5, the position of which is controlled by an optical sensor of the angle of rotation 11. At each position of the rotary slide, the receivers register ultrasonic signals from all sources emitting probing pulses in turn ... With the help of the sensor 11, the exact position of the rotary slide is transmitted to the control computer for each measurement. The registered signal from the receivers 6 is amplified by the block of preamplifiers 12 and digitized by the block of analog-to-digital converters (ADC) 13. The digitized data is transmitted to the control computer 9. The reconstruction of the three-dimensional velocity section is carried out using the GPU-cluster 14. The number of graphic processors in the cluster corresponds to the number of ultrasonic sources N1. The calculation of the wave field for each source is carried out by a separate graphics processor.

Определённой проблемой при проектировании ультразвуковых томографов для исследования молочной железы в воде является герметизация ёмкости при расположении поворотных механизмов вне ёмкости. Один из вариантов решения этой проблемы приведён в п.6 формулы изобретения. На фиг. 11A certain problem in the design of ultrasound tomographs for examining the mammary gland in water is the sealing of the container when the rotary mechanisms are located outside the container. One of the options for solving this problem is given in claim 6 of the claims. FIG. eleven

- 5 036092 представлена схема поворотного устройства массива приёмников в устройстве по п.6 формулы изобретения. Поворотное устройство расположено под дном ёмкости с водой. Вращение массива приёмников обеспечивает моторизованный поворотный стол 15, который передаёт вращающий момент на полый вал 16. Угловое положение линейки приёмников контролируется оптическим датчиком поворота 17. Полый вал закреплён на подшипниках 18 во втулке 19. Для обеспечения герметичности внутреннее пространство между валом и втулкой заполняется маслом. Герметичность конструкции обеспечивают также сальники и прокладки 20. К верхней части полого вала, расположенного внутри ёмкости с водой, крепится держатель массива приёмников. Через пространство внутри вала выводятся провода от приёмников. После вывода проводов это пространство герметизируется. Предложенный вариант решает проблему герметизации ёмкости.- 5 036092 presents a diagram of the rotary device of the array of receivers in the device according to claim 6 of the claims. The turning device is located under the bottom of the water tank. Rotation of the array of receivers is provided by a motorized rotary table 15, which transmits torque to the hollow shaft 16. The angular position of the receiver line is controlled by an optical rotation sensor 17. The hollow shaft is mounted on bearings 18 in the sleeve 19. To ensure tightness, the inner space between the shaft and the sleeve is filled with oil. The tightness of the structure is also ensured by the gaskets and gaskets 20. The holder of the receiver array is attached to the upper part of the hollow shaft located inside the water tank. Through the space inside the shaft, wires from the receivers are led out. After the wires are removed, this space is sealed. The proposed option solves the problem of sealing the container.

В настоящей заявке предложены два варианта способа получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине. В п.1 формулы изобретения описывается предпочтительный вариант способа получения 3D томографических изображений. Исследуемый объект помещают в заполненную водой ёмкость, на стенках которой закреплены источники зондирующих импульсов. В предпочтительном варианте способа используют широкополосные источники с рабочим диапазоном частот 50-600 кГц. Прошедшие через объект и отражённые от объекта ультразвуковые волны регистрируют с помощью массива приёмников, расположенного в вертикальной плоскости, проходящей через ось цилиндрической ёмкости. Массив состоит из однотипных элементов, расположенных с шагом от 1,5 до 2,5 мм по вертикали, что не превосходит половины длины волны зондирующего излучения. Массив приёмников вращают вокруг оси ёмкости с помощью ротационной подвижки. При каждом угловом положении ротационной подвижки 9k, k=1, ..., K, все источники по очереди излучают зондирующие импульсы. Волновое поле U(³⁾y (9k, t) на γ-м приёмнике при излучении импульса i-м источником, i=1, ..., N, регистрируют как функцию времени t, 0<t<T. Величина T представляет собой время, необходимое для регистрации каждого импульса, и составляет от 200 до 400 мкс. Полоса пропускания приёмников включает диапазон частот 50-600 кГц. Все данные регистрируют за один оборот ротационной подвижки, так что угол 9k изменяется от 0 до 360°. Количество угловых положений K выбирают так, чтобы расстояние между соседними точками измерения на окружности, описываемой при вращении каждым приёмником (фиг. 5), не превышало половины длины волны зондирующего излучения.This application proposes two variants of a method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the breast in medicine. In claim 1 of the claims, a preferred embodiment of a method for obtaining 3D tomographic images is described. The object under study is placed in a container filled with water, on the walls of which the sources of probing pulses are fixed. In a preferred embodiment of the method, broadband sources with an operating frequency range of 50-600 kHz are used. Ultrasonic waves transmitted through the object and reflected from the object are recorded using an array of receivers located in a vertical plane passing through the axis of the cylindrical container. The array consists of elements of the same type, located with a vertical pitch of 1.5 to 2.5 mm, which does not exceed half the wavelength of the probe radiation. The array of receivers is rotated around the tank axis using a rotary slide. At each angular position of the rotary slide 9k, k = 1, ..., K, all sources in turn emit probing pulses. The wave field U ( ³⁾ y (9k, t) at the γ-th receiver when a pulse is emitted by the i-th source, i = 1, ..., N, is recorded as a function of time t, 0 <t <T. The value of T is the time required to register each pulse and ranges from 200 to 400 μs. The bandwidth of the receivers includes a frequency range of 50-600 kHz. All data are recorded in one rotation of the rotary slide, so that the 9k angle varies from 0 to 360 °. The number of angular positions K is chosen so that the distance between adjacent measurement points on the circle, described during rotation by each receiver (Fig. 5), does not exceed half the wavelength of the probe radiation.

В п.3 формулы изобретения описывается вариант способа получения 3D томографических изображений, в котором для формирования зондирующих импульсов используют ультразвуковые источники двух типов, N1 источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200-600 кГц и N2 источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50-200 кГц. Два набора источников обеспечивают зондирование исследуемого объекта ультразвуковыми волнами в диапазоне 50-600 кГц для получения высококачественного томографического изображения. Число источников второго типа N2 меньше, чем N1. Общее количество источников N=N1+N2 не превосходит 50. Длительность зондирующих импульсов не превышает 15 мкс. На фиг. 12(а) приведён пример формы зондирующего импульса источников первого типа. По оси абсцисс отложено время в микросекундах, по оси ординат отложено акустическое давление, создаваемое источником. На фиг. 12(б) приведён частотный спектр этого импульса. На фиг. 13(а) приведён пример формы зондирующего импульса для источников второго типа. На фиг. 13(б) приведён частотный спектр этого импульса.In clause 3 of the claims, a variant of the method for obtaining 3D tomographic images is described, in which ultrasonic sources of two types are used to generate sounding pulses, N1 sources of the first type with an operating frequency range of 200-600 kHz and N2 sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz. Two sets of sources provide sounding of the investigated object with ultrasonic waves in the range of 50-600 kHz to obtain a high-quality tomographic image. The number of sources of the second type N2 is less than N1. The total number of sources N = N1 + N2 does not exceed 50. The duration of the probing pulses does not exceed 15 μs. FIG. 12 (a) shows an example of the shape of the probing pulse of the sources of the first type. The abscissa shows time in microseconds, and the ordinate shows the acoustic pressure generated by the source. FIG. 12 (b) shows the frequency spectrum of this pulse. FIG. 13 (a) shows an example of the shape of the probe pulse for sources of the second type. FIG. 13 (b) shows the frequency spectrum of this pulse.

Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза в способе по п.1 или 3 формулы изобретения осуществляют в рамках скалярной волновой модели, описывающей явления дифракции, рефракции, переотражения ультразвука в неоднородной среде. Волновое поле в скалярной волновой модели связано со скоростью распространения ультразвука гиперболическим уравнениемReconstruction of a three-dimensional velocity section in the method according to claim 1 or 3 of the claims is carried out within the framework of a scalar wave model describing the phenomena of diffraction, refraction, ultrasound re-reflection in an inhomogeneous medium. The wave field in the scalar wave model is related to the ultrasound propagation velocity by the hyperbolic equation

-2— u„{r,t) -= 0(r-r₀) · f (t), (1)-2— u „{r, t) - = 0 (rr ₀ ) f (t), (1)

C (r) где u(r,t) - акустическое давление в точке r в момент времени t, с²(г) - распределение скорости звука в исследуемом объекте, r - трёхмерный вектор, г={х,у z}, r₀ - заданная точка, в которой находится источник ультразвукового излучения, δ(^ - дельта-функция Дирака, f(t) - функция, задающая форму зондирующего импульса. Обратная задача состоит в реконструкции скоростного разреза с (r) по измеренному волновому полю U(r,t) на поверхности, окружающей объект (фиг. 5). Реконструкция скоростного разреза осуществляется по всем зарегистрированным данным - как на отражение, так и на прохождение.C (r) where u (r, t) is the acoustic pressure at point r at time t, c ² (r) is the distribution of the speed of sound in the object under study, r is a three-dimensional vector, r = {x, y z}, r ₀ is a given point at which the source of ultrasonic radiation is located, δ (^ is the Dirac delta function, f (t) is the function that sets the shape of the probe pulse. The inverse problem is to reconstruct the velocity section c (r) from the measured wave field U ( r, t) on the surface surrounding the object (Fig. 5) Reconstruction of the velocity section is carried out using all recorded data - both for reflection and for transmission.

Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза осуществляют с помощью итерационного процесса градиентной минимизации функционала невязкиReconstruction of a three-dimensional velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the residual functional

Ф(с) = £ Σ ]”[Г^<э\1((ркЛ)-Г^(с,ц(фк,1)]²^. (2) ' j.k tΦ (c) = £ Σ] ”[Γ ^<e \ 1 ((pkA) -G ^(s, q (qk, 1)] ² ^. (2) 'jk t

Функционал невязки представляет собой среднеквадратичное отклонение экспериментальных данных на приёмниках U^ij (9k, t) от численно рассчитанных данных U^(c)i,j (9k, t). Функция U^(c)i,j (9k, t) представляет собой волновое поле, рассчитанное с помощью решения прямой задачи распространения ультразвуковой волны от каждого i-го источника при заданном скоростном разрезе с (r). В формуле (2) суммирование по i осуществляется по всем используемым источникам, суммирование по j осуществляетсяThe residual functional is the standard deviation of the experimental data on the receivers U ^ ij (9k, t) from the numerically calculated data U ^(c) i, j (9k, t). The function U ^(c) i, j (9k, t) is a wave field calculated by solving the direct problem of the propagation of an ultrasonic wave from each i-th source for a given velocity section c (r). In formula (2), summation over i is carried out over all used sources, sum over j is carried out

- 6 036092 по всем приёмникам, j=1, ..., M, суммирование по k осуществляется по всем углам поворота ротационной подвижки <p_k, k=1, ..., K, интегрирование по времени t осуществляется в диапазоне 0<<Т, где Т - заданное время регистрации сигналов. При заданном скоростном разрезе с (r) значение функционала Ф(с) представляет собой число. Если скоростной разрез с (r) совпадает с реальным распределением скорости звука в исследуемом объекте, то Ф(с)=0.- 6 036092 over all receivers, j = 1, ..., M, summation over k is performed over all angles of rotation of the rotary slide <p _k , k = 1, ..., K, integration over time t is carried out in the range 0 <<T, where T is the specified time of signal registration. For a given velocity section c (r), the value of the functional Ф (с) is a number. If the high-speed cut with (r) coincides with the real distribution of the speed of sound in the object under study, then Ф (с) = 0.

Приближённое значение скоростного разреза строится в итерационном процессе минимизации функционала невязки Ф(с), начиная с заданного начального приближения с₀(г). Для минимизации функционала невязки можно использовать различные методы минимизации функционалов. В заявляемых способах получения трёхмерных томографических изображений по п.1 и 3 формулы изобретения используются градиентные методы минимизации функционала, которые оказываются наиболее эффективными для практической реализации на GPU-кластерах. Известно точное выражение для градиента функционала невязки (A.V. Goncharsky, S.Y. Romanov, Iterative methods for solving coefficient inverse problems of wave tomography in models with attenuation, Inverse Problems 33 (2017), 025003). Градиент Ф'(с) функционала невязки Ф(с) однозначно определяет направление максимального убывания функционала Ф(с). На каждой n-й итерации градиентного итерационного процесса осуществляется одномерная минимизация функционала Ф(с) в направлении максимального убывания функционала. Полученная точка минимума принимается за n-е приближение скоростного разреза c_n (r).The approximate value of the velocity cut is constructed in the iterative process of minimizing the residual functional Ф (с), starting from a given initial approximation from ₀ (r). To minimize the functional of the residual, various methods of minimizing the functional can be used. In the claimed methods for obtaining three-dimensional tomographic images according to claims 1 and 3 of the claims, gradient methods of minimizing the functionality are used, which are most effective for practical implementation on GPU clusters. An exact expression for the gradient of the residual functional is known (AV Goncharsky, SY Romanov, Iterative methods for solving coefficient inverse problems of wave tomography in models with attenuation, Inverse Problems 33 (2017), 025003). The gradient Ф '(с) of the residual functional Ф (с) uniquely determines the direction of maximum decrease of the functional Ф (с). At each nth iteration of the gradient iterative process, one-dimensional minimization of the functional Ф (с) is carried out in the direction of maximum decrease of the functional. The resulting minimum point is taken as the n-th approximation of the high-speed section c _n (r).

Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза с (r) выполняют в два этапа. На первом этапе в качестве начального приближения скоростного разреза в итерационном процессе принимается с₀(r)=const. Для расчёта волнового поля на первом этапе используют данные с ограниченной полосой частот. В варианте способа по п.1 формулы изобретения на первом этапе осуществляют цифровую фильтрацию всех зарегистрированных сигналов с помощью фильтра нижних частот с полосой пропускания до 200 кГц. В варианте способа по п.3 формулы изобретения на первом этапе используют только данные, полученные от источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50-200 кГц.The reconstruction of the 3D velocity section with (r) is performed in two stages. At the first stage, as an initial approximation of the velocity section in the iterative process, it is taken with ₀ (r) = const. To calculate the wave field at the first stage, data with a limited frequency band is used. In a variant of the method according to claim 1 of the claims, at the first stage, digital filtering of all registered signals is carried out using a low-pass filter with a bandwidth of up to 200 kHz. In a variant of the method according to claim 3 of the claims, in the first stage, only data obtained from sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz is used.

На втором этапе в качестве начального приближения скоростного разреза с(г) используют скоростной разрез, полученный в результате минимизации функционала невязки на первом этапе. Для расчёта волнового поля на втором этапе используют данные с широкой полосой частот. В варианте способа по п.1 формулы изобретения используют все зарегистрированные данные в диапазоне частот 50-600 кГц. В варианте способа по п.3 формулы изобретения на втором этапе используют только данные от источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200-600 кГц.At the second stage, the speed cut obtained as a result of minimizing the residual functional at the first stage is used as the initial approximation of the velocity section with (r). To calculate the wave field at the second stage, data with a wide frequency band are used. In a variant of the method according to claim 1 of the claims, all recorded data in the frequency range of 50-600 kHz are used. In a variant of the method according to claim 3 of the claims, in the second stage, only data from sources of the first type with an operating frequency range of 200-600 kHz is used.

Расчёт волнового поля осуществляют с помощью GPU-кластера, количество процессоров в котором соответствует количеству ультразвуковых источников (N1). Расчёт волнового поля для каждого из источников осуществляют на отдельном графическом процессоре. Поскольку операция дифференцирования является линейной, значение градиента функционала невязки (2) можно представить в виде суммы градиентов функционалов невязки для каждого источника, которые можно вычислять независимо. Применение GPU-кластера, состоящего из N1 графических процессоров, позволяет эффективно распараллелить вычисление градиента для всех источников. Использование такого кластера в составе диагностического комплекса позволяет ускорить расчёты по сравнению с персональным компьютером более чем в 1000 раз.The calculation of the wave field is carried out using a GPU cluster, the number of processors in which corresponds to the number of ultrasonic sources (N1). The calculation of the wave field for each of the sources is carried out on a separate graphics processor. Since the differentiation operation is linear, the value of the gradient of the residual functional (2) can be represented as a sum of the gradients of the residual functional for each source, which can be calculated independently. The use of a GPU cluster consisting of N1 GPUs allows efficient parallelization of the gradient computation for all sources. The use of such a cluster as a part of a diagnostic complex makes it possible to speed up calculations in comparison with a personal computer by more than 1000 times.

Применение высокопроизводительного GPU-кластера позволяет использовать для реконструкции трёхмерного скоростного разреза скалярную волновую модель, хорошо описывающую эффекты дифракции, рефракции, переотражения ультразвуковых волн. Обратная задача реконструкции трёхмерного скоростного разреза в волновой модели является нелинейной и очень сложной. Такие задачи невозможно решать на персональном компьютере. Использование персональных компьютеров в составе томографических комплексов вынужденно приводит к необходимости использовать упрощённые математические модели, которые не полностью описывают реальные физические процессы.The use of a high-performance GPU cluster makes it possible to use a scalar wave model for the reconstruction of a three-dimensional velocity section, which well describes the effects of diffraction, refraction, and re-reflection of ultrasonic waves. The inverse problem of reconstructing a 3D velocity section in a wave model is nonlinear and very complex. Such tasks cannot be solved on a personal computer. The use of personal computers as part of tomographic systems makes it necessary to use simplified mathematical models that do not fully describe real physical processes.

Эффективность предложенного способа получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы иллюстрируется модельными расчётами. Фиг. 14-16 иллюстрируют вычислительный эксперимент по восстановлению трёхмерного скоростного разреза с помощью заявляемого способа по п.3 формулы изобретения с использованием источников зондирующего излучения двух разных типов. На фиг. 14 приведено изображение фантома с заданным распределением скорости распространения ультразвука с (r). На фиг. 14(а) приведено горизонтальное сечение Х-Y трёхмерного распределения скорости звука c(x,y,z), на фиг. 14(б) - вертикальное сечение X-Z. Светлые области соответствуют более высокой скорости звука, тёмные - более низкой. На фиг. 15(а, б) приведены горизонтальное и вертикальное сечения приближённого решения, полученного на первом этапе реконструкции скоростного разреза с использованием низкочастотных зондирующих импульсов (фиг. 13). На фиг. 16(а, б) приведены горизонтальное и вертикальное сечения, полученные на втором этапе реконструкции скоростного разреза с использованием высокочастотных зондирующих импульсов (фиг. 12). В качестве начального приближения на втором этапе использовано приближённое решение, полученное на первом этапе (фиг. 14). В численном эксперименте получено пространственное разрешение порядка 2 мм как в горизонтальном сечении, так и по вертикальной оси. Такое разрешение является вполне приемлемым для диагностики мягких тканей в медицине.The effectiveness of the proposed method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland is illustrated by model calculations. FIG. 14-16 illustrate a computational experiment to restore a three-dimensional velocity section using the proposed method according to claim 3 of the claims using two different types of probing radiation sources. FIG. 14 shows an image of a phantom with a given distribution of the propagation velocity of ultrasound c (r). FIG. 14 (a) shows a horizontal section X-Y of a three-dimensional distribution of the speed of sound c (x, y, z), in Fig. 14 (b) - vertical section X-Z. Light areas correspond to a higher speed of sound, dark areas - to a lower one. FIG. 15 (a, b) show the horizontal and vertical sections of the approximate solution obtained at the first stage of the reconstruction of the velocity section using low-frequency probing pulses (Fig. 13). FIG. 16 (a, b) shows the horizontal and vertical sections obtained at the second stage of the reconstruction of the velocity section using high-frequency sounding pulses (Fig. 12). As an initial approximation at the second stage, we used the approximate solution obtained at the first stage (Fig. 14). In a numerical experiment, a spatial resolution of about 2 mm was obtained both in the horizontal section and along the vertical axis. This resolution is quite acceptable for soft tissue diagnostics in medicine.

- 7 036092- 7 036092

Модельные расчёты показали, что для практических обследований необходимо решать трёхмерную обратную задачу размерностью порядка 500 по каждой из пространственных координат X, Y, Z. При этом количество неизвестных в обратной задаче реконструкции скоростного разреза составляет порядка 60 млн. Для решения таких задач на GPU-кластере можно использовать графические процессоры с объёмом встроенной памяти 6-12 ГБайт, объёмом оперативной памяти каждого вычислительного узла 16-32 ГБайт и пропускной способностью коммуникационной сети между узлами 200-500 МБайт/с.Model calculations have shown that for practical examinations it is necessary to solve a three-dimensional inverse problem with a dimension of about 500 for each of the spatial coordinates X, Y, Z. In this case, the number of unknowns in the inverse problem of reconstruction of the velocity section is about 60 million. To solve such problems on a GPU cluster You can use graphics processors with 6-12 GB of built-in memory, 16-32 GB of RAM for each computing node, and a communication network bandwidth between nodes of 200-500 MB / s.

В настоящее время устройства, удовлетворяющие таким требованием, широко распространены, и на их основе может быть собран GPU-кластер, который по своим параметрам вполне может входить в состав томографического диагностического комплекса. Такой GPU-кластер может размещаться в пределах одной стойки и иметь потребляемую мощность менее 10 кВт. Таким образом, требования к инфраструктуре, предъявляемые томографическим комплексом на основе предложенных вариантов устройства для получения томографических изображений, оказываются не выше, чем у широко используемых рентгеновских и магнитно-резонансных томографов. С развитием вычислительной техники требования к инфраструктуре будут снижаться, а время расчётов - сокращаться.At present, devices that satisfy such requirements are widespread, and on their basis a GPU cluster can be assembled, which, in terms of its parameters, may well be part of a tomographic diagnostic complex. Such a GPU cluster can be located within a single rack and have a power consumption of less than 10 kW. Thus, the infrastructure requirements imposed by a tomographic complex based on the proposed device options for obtaining tomographic images are no higher than those of widely used X-ray and magnetic resonance tomographs. With the development of computer technology, the requirements for the infrastructure will decrease, and the computation time will decrease.

Таким образом, основные отличия заявляемого способа и устройства для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине от известных патентов заключаются в следующем.Thus, the main differences between the proposed method and device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine from the known patents are as follows.

1. Принципиальным моментом в заявляемых устройствах и способе является использование сравнительно небольшого количества (не более 50) источников зондирующего излучения в ультразвуковом томографе. Для сравнения, в патенте US5673697A используется томографическая схема, в которой количество источников в десятки раз превышает количество источников в настоящей заявке на изобретение. Количество источников в предлагаемом в настоящей заявке устройстве определяет количество графических процессоров в GPU-кластере, который входит в состав ультразвукового томографа. Кластер, содержащий не более 50 графических процессоров, не предъявляет строгих требований к инфраструктуре диагностического комплекса. При количестве процессоров в кластере более 50 для кластера требуется дополнительное жидкостное охлаждение, предъявляются высокие требования к инфраструктуре, что значительно повышает стоимость томографического комплекса.1. The fundamental point in the claimed devices and method is the use of a relatively small number (no more than 50) of probing radiation sources in an ultrasonic tomograph. For comparison, US5673697A uses a tomographic scheme, in which the number of sources is ten times greater than the number of sources in the present application. The number of sources in the device proposed in this application determines the number of GPUs in the GPU cluster, which is part of the ultrasound tomograph. A cluster containing no more than 50 graphics processors does not impose strict requirements on the diagnostic complex infrastructure. When the number of processors in a cluster is more than 50, the cluster requires additional liquid cooling, high requirements are imposed on the infrastructure, which significantly increases the cost of the tomographic complex.

2. Важнейшей характеристикой любого томографа является пространственное разрешение. При количестве источников менее 50 для обеспечения высокого пространственного разрешения томографа необходимо обеспечить прецизионную регистрацию волнового поля. Параметры, которые приведены в настоящей заявке (диапазоны частот, размеры приёмников и расстояния между ними) обеспечивают измерение волнового поля с высокой точностью. Для прецизионной регистрации волнового поля можно использовать приёмники, расположенные с шагом менее половины длины волны, что составляет 1,5-2,5 мм. Такие приёмники существуют и являются широко распространёнными.2. The most important characteristic of any tomograph is its spatial resolution. When the number of sources is less than 50, to ensure a high spatial resolution of the tomograph, it is necessary to ensure precise registration of the wave field. The parameters that are given in this application (frequency ranges, sizes of receivers and distances between them) ensure the measurement of the wave field with high accuracy. For precision registration of the wave field, you can use receivers located with a step of less than half the wavelength, which is 1.5-2.5 mm. Such receivers exist and are widespread.

3. Выбор низкочастотного диапазона, в котором частоты зондирующего излучения не превышают 600 кГц, важен также и по следующей причине. Поглощение ультразвука в мягких тканях сильно зависит от частоты. При типичном коэффициенте поглощения ультразвука в мягких тканях 1-2 дБ/см/МГц ослабление сигнала на частотах 0,5 и 1,5 МГц может отличаться в 10 и более раз. Использование низких частот в заявляемом изобретении позволяет обеспечить более высокую точность экспериментальных данных.3. The choice of the low-frequency range, in which the probing radiation frequencies do not exceed 600 kHz, is also important for the following reason. The absorption of ultrasound in soft tissues is highly frequency dependent. With a typical absorption coefficient of ultrasound in soft tissues of 1-2 dB / cm / MHz, the attenuation of a signal at frequencies of 0.5 and 1.5 MHz can differ by a factor of 10 or more. The use of low frequencies in the claimed invention allows for a higher accuracy of experimental data.

4. В заявляемом изобретении для увеличения эффективности реконструкции трёхмерного скоростного разреза используются источники двух типов, работающие в разных диапазонах частот. Использование зондирующих импульсов с меньшей центральной частотой позволяет получить приближённый скоростной разрез низкого разрешения. Реконструкция скоростного разреза с низким разрешением занимает в несколько раз меньшее время, чем реконструкция скоростного разреза с высоким разрешением, что существенно снижает общее время реконструкции скоростного разреза. Увеличение разрешения томографического изображения достигается на втором этапе процесса реконструкции с использованием зондирующих импульсов с более высокой центральной частотой. На экспериментах показано, что предложенные технические решения обеспечивают пространственное разрешение не хуже 2 мм.4. In the claimed invention, to increase the efficiency of reconstruction of a three-dimensional velocity section, two types of sources are used, operating in different frequency ranges. The use of probing pulses with a lower center frequency allows obtaining an approximate low-resolution velocity section. Reconstruction of a high-speed section with a low resolution takes several times less time than reconstruction of a high-speed section with a high resolution, which significantly reduces the total reconstruction time of a high-speed section. The increase in the resolution of the tomographic image is achieved in the second stage of the reconstruction process using probing pulses with a higher center frequency. Experiments have shown that the proposed technical solutions provide a spatial resolution of at least 2 mm.

5. Предложенные в настоящей заявке на патент технические решения позволяют сократить время обследования пациента до нескольких минут. Использование в предложенном устройстве вертикального массива из небольшого количества приёмников, вращающегося вокруг оси ёмкости, позволяет за один оборот ротационной подвижки собирать все экспериментальные данные, необходимые для получения трёхмерного томографического изображения. За счёт использования ротационной подвижки общее количество приёмников в заявляемых устройствах не превосходит 100. Такое количество элементов в десятки раз меньше, чем в схеме регистрации ультразвукового излучения в патенте US6786868B2. Предложенная в настоящей заявке схема обеспечивает достаточную точность регистрации волнового поля для получения высококачественных трёхмерных томографических изображений.5. The technical solutions proposed in this patent application make it possible to reduce the patient examination time to several minutes. The use in the proposed device of a vertical array of a small number of receivers, rotating around the axis of the container, makes it possible to collect all the experimental data necessary for obtaining a three-dimensional tomographic image in one rotation of the rotary slide. Due to the use of a rotary movement, the total number of receivers in the claimed devices does not exceed 100. This number of elements is ten times less than in the ultrasonic radiation detection circuit in US Pat. No. 6786868B2. The scheme proposed in this application provides sufficient accuracy in recording the wave field to obtain high-quality three-dimensional tomographic images.

6. В отличие от существующих патентов, в которых реконструкция томографических изображений осуществляется по слоям (US8366617B2, US6005916A), в настоящей заявке результатом реконструкции является трёхмерное томографическое изображение, полученное с использованием всех экспериментальных данных. Этот подход обеспечивает высокое разрешение как в горизонтальной плоскости X-Y,6. Unlike existing patents, in which the reconstruction of tomographic images is carried out in layers (US8366617B2, US6005916A), in this application, the result of the reconstruction is a three-dimensional tomographic image obtained using all experimental data. This approach provides high resolution in both the horizontal X-Y plane,

- 8 036092 так и по вертикальной оси Z.- 8 036092 and along the vertical axis Z.

7. Реконструкция трёхмерного скоростного разреза в заявляемом изобретении осуществляется с помощью GPU-кластера, количество графических процессоров в котором не превышает 50. Большинство существующих разработок ультразвуковых томографов ориентированы на использование персональных ЭВМ, что вынуждает использовать для расчётов упрощённые математические модели, не полностью описывающие физические процессы. Применение GPU-кластера позволяет решать нелинейную обратную задачу реконструкции трёхмерного скоростного разреза как коэффициентную обратную задачу для волнового уравнения в математической модели, учитывающей эффекты дифракции, рефракции, переотражения ультразвука без упрощений. Важным моментом является то, что структура кластера, состоящего из N1 графических процессоров, по числу источников позволяет эффективно распараллелить вычисления, что обеспечивает ускорение расчётов в 1000 и более раз по сравнению с ПК. В настоящее время такой кластер может быть собран на основе общедоступных комплектующих и по своим параметрам вполне может входить в состав томографического диагностического комплекса.7. Reconstruction of a three-dimensional velocity section in the claimed invention is carried out using a GPU-cluster, the number of graphics processors in which does not exceed 50. Most of the existing developments of ultrasonic tomographs are focused on the use of personal computers, which forces the use of simplified mathematical models for calculations that do not fully describe physical processes ... The use of a GPU cluster allows solving the nonlinear inverse problem of reconstructing a three-dimensional velocity section as a coefficient inverse problem for the wave equation in a mathematical model that takes into account the effects of diffraction, refraction, and ultrasound re-reflection without simplifications. An important point is that the structure of a cluster consisting of N1 graphics processors, according to the number of sources, allows you to effectively parallelize computations, which provides an acceleration of computations by 1000 or more times compared to a PC. At present, such a cluster can be assembled on the basis of publicly available components and, in terms of its parameters, may well be part of a tomographic diagnostic complex.

Эффективность патентуемого изобретения демонстрируется нижеследующим примером.The effectiveness of the invention being patented is demonstrated by the following example.

Пример.Example.

Для демонстрации эффективности предложенных в настоящей заявке технических решений был собран стенд для низкочастотных ультразвуковых томографических исследований, в котором источник и приёмник независимо перемещались как вокруг исследуемого объекта, так и по вертикали. Угловое положение источника и приёмника контролировалось оптическими датчиками. В стенде использовался широкополосный источник низкочастотных ультразвуковых колебаний с центральной частотой 300 кГц и рабочим диапазоном частот 50-600 кГц. Коэффициент преобразования источника составлял 5 Па-м/В, рабочее напряжение ±80 В. В качестве приёмника использовался гидрофон с диаметром приёмного элемента 2,5 мм и полосой пропускания 10-800 кГц. Чувствительность приёмника составляла -228 дБ относительно 1 В/мкПа. Сигналы усиливались предусилителем с коэффициентом усиления 32 дБ.To demonstrate the effectiveness of the technical solutions proposed in this application, a stand for low-frequency ultrasound tomographic studies was assembled, in which the source and receiver independently moved both around the object under study and vertically. The angular position of the source and receiver was monitored by optical sensors. The stand used a broadband source of low-frequency ultrasonic vibrations with a central frequency of 300 kHz and an operating frequency range of 50-600 kHz. The conversion factor of the source was 5 Pa-m / V, the operating voltage was ± 80 V. A hydrophone with a receiving element diameter of 2.5 mm and a bandwidth of 10-800 kHz was used as a receiver. The receiver sensitivity was -228 dB relative to 1 V / μPa. The signals were amplified by a preamplifier with a gain of 32 dB.

Эксперименты проводились при 24 положениях источника. При каждом положении источника экспериментальные данные собирались на цилиндрической поверхности с шагом 0,5° по окружности и 2,5 мм по вертикали. Расстояние между соседними точками измерения на окружности составляло 0,8 мм. Принятые сигналы оцифровывались с помощью модуля АЦП с частотой выборки 5 МГ ц и разрядностью 14 бит. Такая конфигурация стенда позволяет получить экспериментальные данные для реализации способа согласно п. 1 формулы изобретения. На фиг. 2 приведены форма (а) и частотный спектр (б) широкополосного зондирующего импульса, экспериментально измеренного на стенде в однородной среде. На фиг. 17 приведены измеренные сигналы от прошедших через объект (а) и отражённых от объекта (б) ультразвуковых волн.The experiments were carried out at 24 positions of the source. At each position of the source, the experimental data were collected on a cylindrical surface with a pitch of 0.5 ° around the circumference and 2.5 mm along the vertical. The distance between adjacent measurement points on the circumference was 0.8 mm. The received signals were digitized using an ADC module with a sampling rate of 5 MHz and a width of 14 bits. This configuration of the stand allows you to obtain experimental data for the implementation of the method according to claim 1 of the claims. FIG. 2 shows the shape (a) and frequency spectrum (b) of a broadband probe pulse, experimentally measured on a stand in a homogeneous medium. FIG. 17 shows the measured signals from the ultrasonic waves transmitted through the object (a) and reflected from the object (b).

Эксперименты проводились на фантомах с акустическими параметрами, близкими к параметрам мягких тканей человека. В качестве фантома использовался силиконовый цилиндр диаметром 56 мм, содержащий неоднородности, в которых скорость распространения ультразвука варьировалась от 1400 до 1800 м/с. Скоростной разрез фантома приведён на фиг. 18(а). Светлые области на фиг. 18 соответствуют высокой скорости распространения ультразвуковых волн в фантоме, тёмные - низкой. На фиг. 18(б) приведён восстановленный по экспериментальным данным скоростной разрез, полученный в том же сечении. Пространственное разрешение реконструированного скоростного разреза составило не хуже 2 мм. Расчёты проводились на GPU-кластере в составе суперкомпьютера Ломоносов-2 МГУ.The experiments were carried out on phantoms with acoustic parameters close to those of human soft tissues. As a phantom, a silicone cylinder 56 mm in diameter was used, containing inhomogeneities, in which the ultrasound propagation velocity varied from 1400 to 1800 m / s. A high-speed section of the phantom is shown in Fig. 18 (a). The light areas in FIG. 18 correspond to a high speed of propagation of ultrasonic waves in a phantom, dark ones - to a low one. FIG. 18 (b) shows a velocity section reconstructed from experimental data obtained in the same section. The spatial resolution of the reconstructed high-speed section was no worse than 2 mm. The calculations were carried out on a GPU cluster as part of the Lomonosov-2 supercomputer at Moscow State University.

Проведённые эксперименты показали высокую эффективность предложенных в заявке на патент технических решений.The experiments carried out have shown the high efficiency of the technical solutions proposed in the patent application.

Claims

CLAIM

1. A method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine, which consists in the fact that the object under study is placed in a container filled with water, acoustic probing pulses are formed using N1, N1 <50, fixed on the inner surface of the container of the same type of ultrasonic wave sources with a working with a frequency range of 50-600 kHz, to register ultrasonic waves reflected and transmitted through the object under study, a linear array of receivers fixed on a rotary slider with a vertical position of the receivers from 1.5 to 2.5 mm is used, the signals from which are amplified, digitized and used as experimental data U ⁽³⁾ i, j (fk, t), representing signals from the i-th source, i = 1, ..., N1, at the j-th receiver, j = 1, ..., M , at the moment of time t, 0 <t <T at the angular position of the rotary movement of the receivers fc, k = 1, ..., K, all experimental data are recorded in one rotation of the rotational movement, the reconstruction of three dimensions high-speed section with (r) is performed in two stages, at the first stage, digital filtering of the registered signals is carried out with a low-pass filter with a bandwidth of up to 200 kHz, at the second stage, all recorded data in the frequency range of 50-600 kHz are used, at each stage, the section is carried out using the iterative process of gradient minimization of the root-mean-square error between the experimental data U ⁽³⁾ i, _j (f _k , t) and the numerically calculated wave field, while at the first

- 9 036092 stage, c ₀ (r) = const is taken as the initial approximation of the velocity section, and at the second stage, the velocity section obtained as a result of minimizing the root-mean-square error at the first stage is used as the initial approximation, the calculation of the wave field for each of the sources is carried out in a separate graphical processor.

2. A device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine, containing a cylindrical container filled with water, fixed on the inner surface of the container N ₁ , N1 <50, of the same type of ultrasonic wave sources with an operating frequency range of 50-600 kHz, rotating around the cylinder axis a rotary slide, on which a linear array of receivers or an assembly of two linear arrays of receivers is fixed, the vertical position of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, an optical sensor that precisely controls the angle of rotation of the rotary slide, a probe pulse generator, preamplifiers receiver signals, an analog-to-digital receiver signal processing unit, a computing device consisting of N1 graphic processors capable of performing the operations of the method according to claim 1 for processing the data recorded by the receivers.

3. A method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine, which consists in the fact that the object under study is placed in a container filled with water, ultrasonic sources of two types fixed on the inner surface of the container are used for probing, N1 sources of the first type with an operating frequency range of 200- 600 kHz and N ₂ ultrasonic sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz, the total number of sources N = N ₁ + N ₂ <50, N ₂ <N1, to register the ultrasonic waves reflected and transmitted through the object under study, a fixed on the rotary slide is used a linear array of receivers with a vertical step of the receivers from 1.5 to 2.5 mm, for one rotation of the rotary movement, experimental data U ⁽³⁾ i, j (fc, t), which are signals from the i-th source, are recorded, i = 1, ..., N, at the j-th receiver, j = 1, ..., M, at the time t, 0 <t <T, at the angular position of the rotary movement φk, k = 1, .. ., K, the reconstruction of the three-dimensional velocity section with (r) is performed in two stages, at the first stage, data is used only from the sources of the second type, in the second stage, data is used only from the sources of the first type, at each stage, the reconstruction of the velocity section is carried out using the iterative process of gradient minimization the mean square error between the experimental data U ⁽³⁾ i, _j (φ _k , t) and the numerically calculated wave field, while at the first stage, c0 (r) = const is taken as the initial approximation of the velocity cut, and at the second stage, as the initial approximation a high-speed section is used, obtained as a result of minimizing the root-mean-square error at the first stage, the calculation of the wave field for each of the sources is carried out by a separate graphics processor.

4. A device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine, containing a cylindrical container filled with water, ultrasonic sources of two types fixed on the inner surface of the container, N ₁ sources of the first type with an operating frequency range of 200-600 kHz and N ₂ ultrasonic sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz, the total number of sources N = N ₁ + N2 <50. N ₂ <N1, a rotary slide rotating around the cylinder axis, on which a linear array of receivers or an assembly of two linear arrays of receivers is fixed, the vertical position of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, an optical sensor of the rotation angle of the rotary slide, a generator probing pulses, preamplifiers of receiver signals, an analog-to-digital unit for processing receiver signals, a computing device consisting of graphic processors capable of performing the operations of the method according to claim 3 for processing data recorded by the receivers.

5. The device according to claim 2 or 4, characterized in that the receiving elements in the linear array of receivers are arranged in two rows in a checkerboard pattern, the vertical position of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, the distance between the rows is from 2 up to 8 mm.

6. A device according to claim 2 or 4, characterized in that a motorized rotary table located under the bottom of the container is used to rotate the array of receivers with control of the angular position of the ruler using an optical sensor.