RU2665223C1

RU2665223C1 - Способ выявления аномалий физической плотности при акустической визуализации

Info

Publication number: RU2665223C1
Application number: RU2017113162A
Authority: RU
Inventors: Денис Владимирович Леонов; Николай Сергеевич Кульберг; Виктор Александрович Фин; Александр Игоревич Громов
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-08-28

Abstract

Изобретение относится к обнаружению аномалий физической плотности. Техническим результатом является повышение достоверности акустической визуализации. Способ заключается в том, что проводят измерения сигнала в режиме цветового доплеровского картирования, причем на основе полученных значений измеренного сигнала вычисляют модуль коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала; выбирают порог по модулю коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала; путем сравнения с порогом строят маску, которая принимает ненулевые значения на участках, где модуль коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала превышает некоторый порог; при отображении аномалий физической плотности на экране прибора цветом кодируют энергию доплеровских сигналов, для которых маска принимает ненулевые значения, то есть сигналов, соответствующих упругим колебаниям, исходящим от аномалий физической плотности. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к обработке сигналов в вычислительной системе акустической визуализации при решении задачи обнаружения аномалий физической плотности. Таковыми аномалиями могут быть, например, микрокальцинаты, кальцинаты, камни, возникающие при нефро-, уретролитиазе и др. заболеваниях, связанных с отложением солей, пузырьки, титановые скрепки и пр. объекты, плотность которых различима от окружающих тканей и жидкостей полых органов и каналов. Изобретение может быть использовано, в частности, при разработке режима картирования аномалий физической плотности ультразвукового медицинского диагностического устройства.

Уровень техники

В ультразвуковой медицинской диагностике для обнаружения аномалий физической плотности часто используется В-режим. При этом искомые объекты представляют собой яркие области на экране ультразвукового прибора, за которыми может быть видна акустическая тень. Но точность такого метода обнаружения невелика [1]. Для увеличения точности известно использование режима цветового доплеровского картирования кровотока. При этом на аномалиях физической плотности наблюдается мерцающий артефакт - явление, проявляющееся в быстрой смене окрашенных пикселей в окрестности гиперэхогенного объекта. Согласно статистическим данным применение мерцающего артефакта может повысить вероятность истинного обнаружения кальцинатов на 20-37% [1].

Возможно и дополнительное повышение вероятности обнаружения объекта, если использовать добавочный источник низкочастотных акустических колебаний. Эта методика называется акустической резонансной визуализацией [2, 3] и заключается в возбуждении резонанса объекта под действием сигнала на частоте, близкой к частоте их собственных колебаний. В патенте [2] предлагается дооснастить ультразвуковой медицинский диагностический прибор генератором гармонических колебаний для возбуждения микрокальцинатов в режиме цветового доплеровского картирования. Это приведет к увеличению интенсивности мерцающего артефакта.

Однако режим цветового доплеровского картирования в медицинских устройствах предназначен для картирования кровотока. Мерцающий артефакт является скорее «случайной находкой». Часто он мешает визуализации кровотока. Многие производители ультразвуковых медицинских диагностических приборов стремятся от него избавиться. Поэтому разумным выходом является создание режима, предназначенного для обнаружения аномалий физической плотности [4, 5].

Такой режим предложен в работе [4]. Однако он учитывает только энергетические различия компонент конкрементов, кальцинатов, «белого» шума и кровотока. В результате нашего исследования причин возникновения мерцающего артефакта [5] были выявлены также и статистические различия, учет которых позволит повысить чувствительность метода к сигналам от аномалий физической плотности.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение информативности акустической визуализации при поиске аномалий физической плотности в исследуемом объекте.

Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения в предлагаемом способе обработка сигнала в режиме цветового доплеровского картирования происходит с использованием специализированной маски, учитывающей статистические характеристики сигналов и способствующей обнаружению аномалий физической плотности. При этом на экране ультразвукового прибора цветом выделяются участки, соответствующие расположению аномалий физической плотности. Процедуру выделения участков, соответствующих расположению искомых объектов, называют маскированием. Информативность акустической

визуализации при поиске аномалий физической плотности повышается от того, что помеченные цветом объекты найти для человеческого глаза легче, чем яркие области в серой шкале на черно-белом изображении на экране ультразвукового прибора. В некоторых случаях, например, при обследовании почки, в область обзора неминуемо попадает множество ярких областей, не все из которых являются объектами интереса (почечными камнями), тогда практически невозможно отыскать объект интереса на черно-белом изображении, именно с этим связана низкая вероятность истинного обнаружения почечных камней и кальцинатов на серошкальном изображении [1]. Данное изобретение повысит информативность за счет цветового выделения объектов интереса, и сделает это надежнее ближайшего аналога [4], поскольку использует не только энергетические, но и статистические различия доплеровских сигналов.

Описание чертежей

На фиг. 1 представлен ансамбль комплексных отсчетов в режиме цветового доплеровского картирования, соответствующий компоненте отражения от кровотока; на фиг. 2 - компоненте, характеризуемой гармоническими колебаниями аномалии физической плотности; на фиг. 3 - компоненте, характеризуемой кавитацией; на фиг. 4 - иллюстрация работы режима картирования аномалий физической плотности. Голубым цветом обозначена кавитация, желтым- гармонические колебания.

Осуществление изобретения

На вход подканала цветового доплеровского картирования поступают отсчеты комплексного сигнала, прошедшего этапы предварительной обработки приемного тракта устройства акустической визуализации: усиление, квантование и дискретизация, преобразование Гильберта, когерентное сложение с целью фокусировки на прием и согласованную фильтрацию.

Мы используем следующую модель сигнала, учитывающую влияние компонент, порожденных отражением как от кровотока, так и от аномалий физической плотности, приводящих к появлению мерцающего артефакта:

где - это ансамбль, состоящий из N комплексных входных отсчетов, называемый также пачкой. Для получения ансамбля исследуемый объект облучается N раз с некоторым интервалом T_PRF. k - номер импульса в пачке.

A_k - комплексная амплитуда сигналов от быстродвижущихся объектов (например, кровотока),

- доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением объекта со скоростью ν_A. На фиг. 1 дано представление сигнала, содержащего только компоненту A_k, на комплексной плоскости;

B_k - комплексная амплитуда сигналов от малоподвижных объектов, которая, как правило, на 20-30 дБ превосходит амплитуду сигналов от кровотока.

- доплеровский сдвиг частоты, обусловленный движением тканей и колебаниями датчика. Предполагается, что скорость этого движения ν_B ≪ ν_A ;

C_k - амплитуда сигнала от аномалии физической плотности, мощность которого на 0-10 дБ превосходит амплитуду компоненты B_k. Предполагается, что аномалия физической плотности может совершать движения вместе с окружающими ее малоподвижными объектами. Следовательно, ей также соответствует доплеровский сдвиг частоты, равный ω_B. Помимо этого, аномалия физической плотности может совершать вынужденные колебания под действием давления сканирующих импульсов, это приводит к дополнительному изменению фазы сигнала, обозначенному здесь ϕ_k. Для оценки величины этого сдвига мы используем следующую формулу:

где R ≪

- амплитуда вынужденных колебаний аномалии физической плотности вдоль луча; ω_C - частота этих колебаний, обычно она сравнима с частотой повторения импульсов пачки. На фиг. 2 дано представление сигнала, содержащего только компоненту C_k, на комплексной плоскости;

D_k - комплексное приращение амплитуды, вызванное влиянием кавитации, представляющее собой шумоподобный сигнал значительной мощности. Амплитуда этого сигнала обычно несколько больше, чем компонента C_k, этим он отличается от прочих помех, возникающих в приемном тракте прибора. Предполагается, что D_k меняется от импульса к импульсу непредсказуемым образом. На фиг. 3 дано представление сигнала, содержащего только компоненту D_k, на комплексной плоскости;

E_k - комплексная компонента, характеризующая тепловой шум и шумы квантования и дискретизации в тракте приема и первичной обработки сигнала. Ее амплитуда на 10-15 дБ меньше амплитуды сигнала A_k;

ϕ₀ - начальная фаза последовательности.

На входе подканала цветового доплеровского картирования осуществляется фильтрация, направленная на подавление компоненты B_k, представляющей результат отражения сигналов от малоподвижных тканей. В англоязычной литературе эта процедура называется wall-filtering или clutter-filtering. В качестве wall-фильтра часто используются фильтры высоких частот, а также различные виды регрессии. Получаемый после этого сигнал

становится центрированным относительно нуля.

Компоненты сигнала, соответствующие отражению от аномалий физической плотности, кровотока и «белому» шуму, проходят фильтр и сортируются на этапе маскирования. Для выделения компоненты отражения от движущихся объектов часто используется маска по среднеквадратичному отклонению:

(маска пропускает только значения, превышающие некоторый заданный порог).

Подканал цветового доплеровского картирования рассчитан на обнаружение отражения от объектов, движение которых за время пачки импульсов можно приближенно считать прямолинейным поступательным. Эти сигналы представлены компонентой A_k, характерный вид которой дан на фиг. 1.

Нами установлено, что аномалии физической плотности характеризуются двумя компонентами сигнала. Одна - C_k - вызвана микроколебаниями аномалий физической плотности под воздействием сканирующих импульсов (фиг. 2). Вторая - компонента D_k - вызвана отражением от кавитационных микропузырьков и представляет собой шумоподобный сигнал значительной мощности (фиг. 3).

Сигналы от аномалий физической плотности C_k и D_k содержат компоненты, которые также не подавляются ФВЧ, предназначенным для исключения малоподвижных объектов. При этом они имеют достаточную мощность, чтобы пройти маску (3), изначально рассчитанную на обнаружение только компоненты A_k. В результате, наряду с картированием движущихся участков, в доплеровском режиме на изображении появляются дополнительные окрашенные области. Именно это явление получило название мерцающего артефакта.

Для выделения сигнала от аномалии физической плотности мы предлагаем дополнить обработку маской, сформированной на основе модуля коэффициента попарной корреляции:

В местах преобладания компоненты D_k коэффициент попарной корреляции (4) оказывается ниже, чем в области кровотока и в среднем по изображению. При этом среднеквадратичное отклонение сигнала, содержащего отражение от аномалий физической плотности, вычисляемое по формуле (3), значительно выше, чем среднеквадратичное отклонение естественного шума, возникающего в тракте приема. Поэтому совмещение маски по формуле (4), настроенной на пропускание малых значений, и маски по формуле (3), пропускающей большие значения, позволит надежно отличать участки возникновения аномалии физической плотности, характеризуемые компонентой D_k, от сигналов кровотока A_k и от шумов E_k.

Для компоненты C_k, связанной с гармоническими колебаниями аномалии физической плотности, характерно высокое значение модуля коэффициента корреляции действительной и мнимой частей сигнала:

Использование маски, рассчитанной по формуле (5), позволит определить характер колебаний аномалии физической плотности. Для компоненты, обусловленной кавитацией, значение по формуле (5) будет малым. При настройке маски на пропускание больших значений (5) картироваться будут сигналы, содержащие информацию о гармонических колебаниях объекта.

После маскирования выделенные области окрашиваются цветом, делающим их заметными на фоне серошкального В-изображения. При использовании формул (3-5) предлагается окрашивать места обнаружения аномалий физической плотности двумя цветами (фиг. 4): одним - в случае превышения порога по формуле (5), что характерно для гармонического колебания объекта, причем можно не только картировать положение, но и кодировать цветом среднюю частоту колебаний аномалии физической плотности; другим - при малых значениях величин, вычисляемых по формулам (4), (5) и больших величинах по формуле (3), что характерно для кавитации.

Анализ сигналов по формулам (3-5) может проводиться также с использованием дополнительного источника акустических колебаний на частоте от нескольких десятков до нескольких тысяч герц. Использование такого источника может усилить проявление как микроколебаний наблюдаемого объекта, так и возникновение кавитационных микропузырьков, что увеличит амплитуду компонент C_k,

D_k и повысит вероятность обнаружения объекта.

Способ работает для объектов, называемых аномалиями физической плотности. Таковыми аномалиями могут быть, например, микрокальцинаты, кальцинаты, камни, возникающие при нефро-, уретролитиазе и др. заболеваниях, связанных с отложением солей, пузырьки, титановые скрепки и пр. объекты, плотность которых отличается от окружающих тканей и жидкостей полых органов и каналов.

Источники информации

1. Громов А.И., Кубова С. Ю. Ультразвуковые артефакты. М.: Видар, 2007.

2. Seghal С. Apparatus for imaging an element within a tissue and method therefor. United States Patent №5,997,477. 1999.

3. Weinstein S.P., Seghal C, Conant E.F., Patron J.A. Microcalcifications in Breast Tissue Phantoms Visualized with Acoustic Resonance Coupled with Power Doppler US: Initial Observations. Radiology. July 2002: 265-269.

4. Lu W. Ultrasonic Detection and Expulsion of Kidney Stones [dissertation]. Seattle: Department of Bioengineering, University of Washington, 2012.

5. Леонов Д.В., Кульберг H.C., Громов А.И., Морозов С.П., Ким С.Ю. Исследование причин возникновения мерцающего артефакта в доплеровских режимах ультразвукового медицинского диагностического устройства// Акустический журнал. 2018. №1. С. 100-111.

Claims

1. Способ визуализации аномалий физической плотности при использовании устройства акустической визуализации в режиме цветового доплеровского картирования, где картируемым параметром является энергия доплеровского сигнала, обработанного ВЧ фильтром, состоящий в том, что проводят измерения сигнала в режиме цветового доплеровского картирования, отличающийся тем, что

- на основе полученных значений измеренного сигнала вычисляют модуль коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала;

- выбирают порог по модулю коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала;

- путем сравнения с порогом строят маску, которая принимает ненулевые значения на участках, где модуль коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала превышает некоторый порог;

- при отображении аномалий физической плотности на экране прибора цветом кодируют энергию доплеровских сигналов, для которых маска принимает ненулевые значения, то есть сигналов, соответствующих упругим колебаниям, исходящим от аномалий физической плотности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при получении доплеровских сигналов биообъект облучаются дополнительным источником акустических колебаний на частоте, соответствующей резонансной частоте аномалии.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при картировании используют лишь один оттенок, окрашивающий часть кадра, в которой маска принимает ненулевые значения.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что картируемым параметром является среднее значение частоты колебаний аномалии физической плотности.

5. Способ визуализации аномалий физической плотности при использовании устройства акустической визуализации в режиме цветового доплеровского картирования, где картируемым параметром является энергия доплеровского сигнала, обработанного ВЧ фильтром, состоящий в том, что проводят измерения сигнала в режиме цветового доплеровского картирования, отличающийся тем, что

- на основе полученных значений измеренного сигнала вычисляют среднеквадратичное отклонение отсчетов сигнала;

- на основе полученных значений измеренного сигнала вычисляют модуль коэффициента попарной корреляции отсчетов сигнала;

- выбирают порог по среднеквадратичному отклонению отсчетов сигнала;

- выбирают порог по модулю коэффициента попарной корреляции отсчетов сигнала;

- путем сравнения с порогом строят маску, которая принимает ненулевые значения на участках, где модуль коэффициента корреляции действительной и мнимой частей отсчетов сигнала ниже некоторого порога, среднеквадратичное отклонение отсчетов сигнала превышает некоторый порог, а модуль коэффициента попарной корреляции отсчетов также ниже некоторого порога;

- при отображении аномалий физической плотности на экране прибора цветом кодируется энергия доплеровских сигналов, для которых маска принимает ненулевые значения, то есть сигналов, соответствующих микрокавитации, возникающей на поверхности аномалий физической плотности.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что при картировании используется лишь один оттенок, окрашивающий часть кадра, в которой маска принимает ненулевые значения.

7. Способ по п. 5 или 6, отличающийся тем, что на серошкальное изображение анатомических структур помимо наложения карты, характеризующей возникновение кавитации, накладывается карта, полученная согласно способу по любому из пп. 1-4, характеризующая возникновение гармонических колебаний аномалий физической плотности.