RU105150U1

RU105150U1 - ACOUSTIC THERMOMETER FOR PASSIVE ACOUSTIC THERMOTOMOGRAPHY

Info

Publication number: RU105150U1
Application number: RU2009143082/12U
Authority: RU
Inventors: Павел Владимирович Субочев; Анатолий Дмитриевич Мансфельд; Анатолий Геннадьевич Санин; Григорий Петрович Волков; Владимир Викторович Клиньшов; Роман Владимирович Беляев; Аркадий Александрович Гоносков; Александр Александрович Гоносков
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-10

Abstract

1. Акустический термометр, содержащий приемник акустического излучения, состоящий из заполненной жидкостью камеры с входным окном, пьезопреобразователя, усилителя, полосового фильтра, термостабилизатора камеры, отличающийся тем, что упомянутый пьезоэлектрический преобразователь выполнен широкополосным, упомянутая жидкость является диэлектриком, при этом дополнительно введен аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу приемника акустического излучения для подачи оцифрованного сигнала на вход компьютера. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержится набор полосовых фильтров, построенный таким образом, что нижняя частота первого полосового фильтра совпадает с нижней частотой пьезопреобразователя, верхняя частота первого полосового фильтра совпадает с нижней частотой второго полосового фильтра, верхняя частота предпоследнего фильтра совпадает с нижней частотой последнего полосового фильтра, верхняя частота последнего полосового фильтра совпадает с верхней частотой пьезопреобразователя, при этом вход каждого полосового фильтра соединен с выходом приемника акустического излучения, а выход каждого полосового фильтра соединен с независимым входом аналого-цифрового преобразователя. ! 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между выходом каждого полосового фильтра и соответствующим входом аналогово-цифрового преобразователя располагается цепочка из последовательно соединенных детектора, интегратора и усилителя. ! 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что усилитель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь расположены внутри камеры. ! 5. Устройс 1. An acoustic thermometer containing an acoustic radiation receiver, consisting of a liquid-filled chamber with an inlet window, a piezoelectric transducer, an amplifier, a band-pass filter, a chamber thermal stabilizer, characterized in that said piezoelectric transducer is made broadband, said liquid is a dielectric, and an analog a digital converter connected to the output of the acoustic radiation receiver to supply a digitized signal to the input of the computer. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a set of band-pass filters, constructed in such a way that the lower frequency of the first band-pass filter coincides with the lower frequency of the piezoelectric transducer, the upper frequency of the first band-pass filter coincides with the lower frequency of the second band-pass filter, the upper frequency of the penultimate filter coincides with the lower frequency of the last bandpass filter, the upper frequency of the last bandpass filter coincides with the upper frequency of the piezoelectric transducer, with the input of each field cial filter connected to the output of the acoustic radiation receiver, and the output of each bandpass filter is connected with an independent input of the analog-to-digital converter. ! 3. The device according to claim 2, characterized in that between the output of each bandpass filter and the corresponding input of the analog-to-digital converter there is a chain of series-connected detector, integrator and amplifier. ! 4. The device according to claim 1, characterized in that the amplifier, a bandpass filter, an analog-to-digital converter are located inside the camera. ! 5. Devices

Description

Акустотермометрия [1] считается одним из перспективных методов контроля температуры в медицине. Перспективность акустотермометрии при решении медицинских задач [2] обусловлена уникальными физическими характеристиками метода. Чувствительность акустотермометрии составляет до 0.1 градуса, глубина диагностики свыше 5 см. Неинвазивность и пассивность измерений обуславливает возможность осуществлять термометрию без хирургического вмешательства и в отсутствие внешнего воздействия на организм. Слабое поглощение ультразвука миллиметрового и субмиллиметрового диапазона в биологической ткани позволяет создавать компактные фокусируемые антенны [3], осуществляющие измерения в одной или даже нескольких точках исследуемой среды.Acoustothermometry [1] is considered one of the promising methods of temperature control in medicine. The prospects of acoustothermometry in solving medical problems [2] are due to the unique physical characteristics of the method. Acoustic thermometry sensitivity is up to 0.1 degrees, the diagnostic depth is more than 5 cm. Non-invasiveness and passivity of measurements make it possible to perform thermometry without surgical intervention and in the absence of external effects on the body. Weak absorption of ultrasound of the millimeter and submillimeter range in biological tissue allows the creation of compact focusable antennas [3] that measure at one or even several points of the medium under study.

Однако в современной медицине требуются более сложные системы (термотомографы), которые осуществляли бы картирование температуры в как можно более обширной области диагностируемого организма с миллиметровым пространственным разрешением. Возможностям построения акустических термотомографов было посвящено несколько работ [4-7]. При этом, перспективы создания пассивных акустических термотомографов связывались, прежде всего, с использованием большого количества антенн, осуществляющих сканирование объекта вдоль различных направлений с записыванием результатов измерений в память компьютера, после чего производится восстановление глубинного профиля температуры при помощи алгоритмов реконструктивной томографии (APT).However, in modern medicine, more complex systems (thermotomographs) are required that would map the temperature in the broadest possible region of the diagnosed organism with millimeter spatial resolution. The possibilities of constructing acoustic thermotomographs have been the subject of several works [4–7]. At the same time, the prospects for creating passive acoustic thermotomographs were associated, first of all, with the use of a large number of antennas that scan the object along various directions and record the measurement results in computer memory, after which the depth temperature profile is reconstructed using reconstructive tomography (APT) algorithms.

Основными недостатками таких систем являются: необходимость осуществления сканирования, техническая сложность размещения большого количества акустических датчиков на поверхности объекта, а также невозможность контролировать достоверность картирования температуры при применении АРТ-алгоритмов. Таким образом, описанные термотомографические системы [4-7] не смогли продемонстрировать свою эффективность при решении реальных медицинских задач.The main disadvantages of such systems are: the need for scanning, the technical complexity of placing a large number of acoustic sensors on the surface of the object, and the inability to control the accuracy of temperature mapping when using ART algorithms. Thus, the described thermotomographic systems [4-7] were not able to demonstrate their effectiveness in solving real medical problems.

В настоящей заявке предлагается использовать принципиально другой подход к пассивной акустической термотомографии, основанный на многочастотном акустическом приеме. Поскольку коэффициент акустического поглощения в биологической ткани зависит от частоты γ(f)≈0.23(см^-1МГц^-1)f(МГц) [8], то при осуществлении независимых акустических измерений на нескольких частотах появляется возможность определять температуру на нескольких характерных глубинах γ(f)^-1. Наиболее близким аналогом предлагаемого подхода является принцип мультиспектральной акустотермометрии, предложенный в [9]. Существенным недостатком принципа мультиспектральной акустотермометрии [9] является наличие «слепых» частотных промежутков вблизи антирезонансных частот пьезопреобазователя (поскольку в [9] предлагается использовать только кратные резонансные гармоники пьезопреобразователя). К примеру, датчик с резонансными гармониками на 1, 3, 5 МГц позволял бы определять температуру на трех характерных расстояниях 4.5, 1.5, и 0.9 см соответственно. Температура на промежуточных глубинах, соответствующих антирезонансным частотам (в том числе и в весьма широком диапазоне глубин от 1.5 см до 4.4 см) оставалась бы, вообще говоря, неизвестной. Кроме того, предложенный принцип мультиспектральной акустотермометрии с использованием резонансных гармоник пьезопреобразователя [9] исключает возможность использования пьезопреобразователей с четвертьволновыми просветляющими слоями [10] (что означает относительную потерю чувствительности через уменьшение КПД антенны на величину до 50%).This application proposes to use a fundamentally different approach to passive acoustic thermotomography, based on multi-frequency acoustic reception. Since the acoustic absorption coefficient in biological tissue depends on the frequency γ (f) ≈0.23 (cm ^-1 MHz ^-1 ) f (MHz) [8], when performing independent acoustic measurements at several frequencies, it becomes possible to determine the temperature at several characteristic depths γ (f) ^-1 . The closest analogue of the proposed approach is the principle of multispectral acoustothermometry, proposed in [9]. A significant drawback of the principle of multispectral acoustothermometry [9] is the presence of “blind” frequency gaps near the antiresonant frequencies of the piezoelectric transducer (since in [9] it is proposed to use only multiple resonant harmonics of the piezoelectric transducer). For example, a sensor with resonant harmonics at 1, 3, 5 MHz would make it possible to determine the temperature at three characteristic distances of 4.5, 1.5, and 0.9 cm, respectively. The temperature at intermediate depths corresponding to antiresonance frequencies (including in a very wide range of depths from 1.5 cm to 4.4 cm) would remain, generally speaking, unknown. In addition, the proposed principle of multispectral acoustothermometry using resonant harmonics of the piezoelectric transducer [9] excludes the possibility of using piezoelectric transducers with quarter-wave antireflection layers [10] (which means a relative loss of sensitivity through a decrease in antenna efficiency by up to 50%).

Более эффективным техническим решением, лишенным перечисленных недостатков, будет являться акустический термотомограф на основе пьезопреобразователя, представленного на фиг.1. В схеме используется широкополосный акустический датчик с одним или несколькими просветляющими слоями (обеспечивающими КПД датчика на уровне до 90%), осуществляющий измерения теплового акустического шума в сплошном спектральном диапазоне. К примеру, современные технические средства позволяют изготовить широкополосный акустический датчик с рабочим частотным диапазоном от 0.5 МГц до 4 МГц. Использование датчика с такой полосой рабочих частот в схеме акустического термотомографа означает, что в спектре сигнала, измеренного из биологической ткани, будет содержаться информация о распределении температуры в непрерывном диапазоне глубин от 1 до 9 см (без «слепых» промежутков на этом интервале).A more effective technical solution, devoid of the above drawbacks, will be an acoustic thermotomograph based on the piezoelectric transducer shown in figure 1. The scheme uses a broadband acoustic sensor with one or more antireflective layers (providing a sensor efficiency of up to 90%), which measures thermal acoustic noise in the continuous spectral range. For example, modern technical means make it possible to manufacture a broadband acoustic sensor with an operating frequency range from 0.5 MHz to 4 MHz. The use of a sensor with such a working frequency band in an acoustic thermotomograph circuit means that the spectrum of a signal measured from biological tissue will contain information about the temperature distribution in a continuous depth range from 1 to 9 cm (without “blind” gaps in this interval).

Для выделения сигналов, ответственных за температуру на различных глубинах, можно (как в [9]) использовать набор независимых подстраиваемых аналоговых полосовых фильтров и связанных с ними детекторов и интеграторов (рис.2). При этом важно понимать, что для получения более точных данных о распределении температуры на различных глубинах, требуется большее количество независимых частотных каналов, осуществляющих фильтрацию, детектирование, интегрирование. Однако, изготовление подобной схемы в аналоговом исполнении даже для малого числа независимых частотных фильтров, весьма сложная техническая задача. Кроме того, изготовление большого количества каналов ведет к существенному увеличению веса и размеров термотомографа.To isolate the signals responsible for the temperature at various depths, it is possible (as in [9]) to use a set of independent tunable analog bandpass filters and associated detectors and integrators (Fig. 2). It is important to understand that in order to obtain more accurate data on the temperature distribution at various depths, a larger number of independent frequency channels are required that perform filtering, detection, and integration. However, the manufacture of such a circuit in analogue performance even for a small number of independent frequency filters is a very difficult technical task. In addition, the manufacture of a large number of channels leads to a significant increase in the weight and size of the thermomotograph.

Современный уровень развития техники позволяет существенно упростить принцип построения вспомогательного блока (фиг.2). Для этого предлагается реализовать фильтрацию, интегрирование, детектирование сигнала не в аналоговом, а в цифровом исполнении с использованием современных компьютерных средств, то есть осуществить аналогово-цифровое преобразование сигнала на выходе антенного блока (фиг.1).The current level of development of technology can significantly simplify the principle of building an auxiliary unit (figure 2). To this end, it is proposed to implement filtering, integration, signal detection not in analog but in digital design using modern computer tools, that is, to carry out analog-to-digital signal conversion at the output of the antenna unit (Fig. 1).

Задача, которую призвано решать устройство, предлагаемое в качестве полезной модели, заключается в измерении акустического шума в нескольких частотных диапазонах при помощи современных технических средств, а также в осуществлении записи измеренных сигналов в компьютер в режиме реального времени. Наличие достоверных данных о спектре акустического шума нагретой среды позволяет осуществлять восстановление неизвестного распределения температуры в этой среде при помощи того же компьютера посредством решения обратной задачи акустотермометрии, сформулированной, например, в [11] на основе алгоритмов решения подобных задач [12].The task to be solved by the device, proposed as a utility model, is to measure acoustic noise in several frequency ranges using modern technical means, as well as to record the measured signals into a computer in real time. The presence of reliable data on the acoustic noise spectrum of a heated medium allows the unknown temperature distribution in this medium to be restored using the same computer by solving the inverse acoustothermometry problem formulated, for example, in [11] based on algorithms for solving similar problems [12].

Схема предлагаемого устройства для осуществления пассивной акустической многочастотной термотомографии, представленная на фиг.1, включает в себя: акустический приемник излучения (1) в виде заполненной жидкостью камеры (2) с входным окном (3), содержащей широкополосный пьезопреобразователь (4) с согласующими слоями (5), усилитель (6); полосовой фильтр (7), термостабилизатор камеры (8); сигнал с выхода акустического приемника (1) подается на один из каналов аналогово-цифрового преобразователя (9), с соответствующего выхода которого снимается уже оцифрованный сигнал и подается в компьютер (10), который осуществляет вычисление спектра временного сигнала, а также восстановление пространственного распределения температуры по измеренному спектру сигнала с возможностью использования также данных с контактных датчиков (11) для повышения точности определения внутренней температуры.The scheme of the proposed device for the implementation of passive acoustic multi-frequency thermotomography, shown in figure 1, includes: an acoustic radiation detector (1) in the form of a liquid-filled chamber (2) with an input window (3) containing a broadband piezoelectric transducer (4) with matching layers (5) amplifier (6); band-pass filter (7), thermostabilizer of the chamber (8); the signal from the output of the acoustic receiver (1) is fed to one of the channels of the analog-to-digital converter (9), from the corresponding output of which an already digitized signal is taken and fed to a computer (10), which calculates the spectrum of the temporary signal, as well as restores the spatial temperature distribution on the measured spectrum of the signal with the possibility of using data from contact sensors (11) to increase the accuracy of determining the internal temperature.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Passechnik V.I., Anosov A.A., Isrefilov M.G. // Ultrasonics V.34 1996, pp.511-512.1. Passechnik V.I., Anosov A.A., Isrefilov M.G. // Ultrasonics V.34 1996, pp. 511-512.

2. Воробьев Л.П., Шестаков В.А., Эгильская В.И. Тепловидение в медицине. М. Знание 1985 64 с.2. Vorobiev L.P., Shestakov V.A., Egilskaya V.I. Thermal imaging in medicine. M. Knowledge 1985 64 p.

3. Рейман A.M., Кротов Е.В., Субочев П.В. // Акуст.журн. 2007. Т.53. №6. С.779-783. Reiman A.M., Krotov EV, Subochev P.V. // Acoustic Journal. 2007.V. 53. No. 6. S.779-78

4. Гуляев Ю.В., Бограчев К.М., Боровиков И.П. и др. // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43. №9. C.1140-1146.4. Gulyaev Yu.V., Bograchev K.M., Borovikov I.P. and others // Radio engineering and electronics. 1998.V. 43. No. 9. C.1140-1146.

5. Ксенофонтов С.Ю., Мансфельд А.Д., Рейман A.M. // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1997. Т. 40. №6. С.752-760.5. Ksenofontov S.Yu., Mansfeld A.D., Reiman A.M. // Izv. Universities Radiophysics. 1997.V. 40. No. 6. S.752-760.

6. Burov V.A., Kasatkina E.E., Rumyantseva O.D. et al. // Acoust. Imaging. N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers. 2002. V. 26. P. 265-280, P. 231-238.6. Burov V.A., Kasatkina E.E., Rumyantseva O.D. et al. // Acoust. Imaging. N.Y .: Kluwer Academic / Plenum Publishers. 2002. V. 26. P. 265-280, P. 231-238.

7. Миргородский В.И., Герасимов В.В., Пешин С.В. // Акуст.Журн. 2006. Т. 52. №5. С.702-709.7. Mirgorodsky V.I., Gerasimov V.V., Peshin S.V. // Acoustic Journal. 2006.V. 52. No. 5. S.702-709.

8. Kruger R.A., Kiser W.L., Romilly A.P. etc // Proc. SPIE. 2001. V. 4256, P. 1-5.8. Kruger R.A., Kiser W. L., Romilly A.P. etc // Proc. SPIE. 2001. V. 4256, P. 1-5.

9. Аносов A.A., Пасечник В.И., Шаблинский В.В. // Патент РФ. 1996. №2061408.9. Anosov A.A., Pasechnik V.I., Shablinsky V.V. // RF patent. 1996. No. 2061408.

10. Санин А.Г., Чичагов П.K., Рейман A.M. // Ультразвуковая диагностика. Горький: ИПФ РАН СССР. 1983. С.21-36.10. Sanin A.G., Chichagov P.K., Reiman A.M. // Ultrasound diagnostics. Gorky: IAP RAS RAS. 1983. S. 21-36.

11. Резник А.Н., Субочев П.В. // Акуст.Журн. 2009. Т.55. №6. С.1-11.11. Reznik A.N., Subochev P.V. // Acoustic Journal. 2009.V. 55. No. 6. S.1-11.

12. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола В.В. Численные методы решения некорректных задач. М: Наука 1990 115 С.12. Tikhonov A.N., Goncharsky A.V., Stepanov V.V., Yagola V.V. Numerical methods for solving ill-posed problems. M: Science 1990 115 S.

Claims

1. An acoustic thermometer containing an acoustic radiation receiver, consisting of a liquid-filled chamber with an inlet window, a piezoelectric transducer, an amplifier, a band-pass filter, a chamber thermal stabilizer, characterized in that said piezoelectric transducer is made broadband, said liquid is a dielectric, and an analog a digital converter connected to the output of the acoustic radiation receiver to supply a digitized signal to the input of the computer.

2. The device according to claim 1, characterized in that it further comprises a set of band-pass filters, constructed in such a way that the lower frequency of the first band-pass filter coincides with the lower frequency of the piezoelectric transducer, the upper frequency of the first band-pass filter coincides with the lower frequency of the second band-pass filter, the upper frequency of the penultimate filter coincides with the lower frequency of the last band-pass filter, the upper frequency of the last band-pass filter coincides with the upper frequency of the piezoelectric transducer, with the input of each field cial filter connected to the output of the acoustic radiation receiver, and the output of each bandpass filter is connected with an independent input of the analog-to-digital converter.

3. The device according to claim 2, characterized in that between the output of each bandpass filter and the corresponding input of the analog-to-digital converter there is a chain of series-connected detector, integrator and amplifier.

4. The device according to claim 1, characterized in that the amplifier, a bandpass filter, an analog-to-digital converter are located inside the camera.

5. The device according to claim 2, characterized in that the amplifier, a band-pass filter, an analog-to-digital converter and a set of band-pass filters are located inside the camera.

6. The device according to claim 3, characterized in that the amplifier, a band-pass filter, an analog-to-digital converter and a set of band-pass filters and a chain of series-connected detectors, integrators and amplifiers are located inside the camera.

7. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, characterized in that the acoustic radiation receiver further comprises a second amplifier.

8. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, characterized in that the matching surface is additionally applied to the working surface of the piezoelectric transducer.

9. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, characterized in that the individual inputs of the analog-to-digital converter are additionally connected to contact temperature sensors located on the surface of the object from the side of the acoustic receiver, and on the opposite surface of the object.

10. The device according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, or 6, characterized in that the acoustic thermometer contains several receivers of acoustic radiation.