RU2775460C1 - Способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов - Google Patents
Способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775460C1 RU2775460C1 RU2021107665A RU2021107665A RU2775460C1 RU 2775460 C1 RU2775460 C1 RU 2775460C1 RU 2021107665 A RU2021107665 A RU 2021107665A RU 2021107665 A RU2021107665 A RU 2021107665A RU 2775460 C1 RU2775460 C1 RU 2775460C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ultrasonic
- optical
- images
- waves
- electrical signal
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 claims description 15
- 230000003252 repetitive Effects 0.000 claims description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000001360 synchronised Effects 0.000 abstract description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 7
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 2
- 210000000056 organs Anatomy 0.000 description 2
- 241000251468 Actinopterygii Species 0.000 description 1
- 210000004369 Blood Anatomy 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 230000017531 blood circulation Effects 0.000 description 1
- 210000000748 cardiovascular system Anatomy 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000010192 crystallographic characterization Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drugs Drugs 0.000 description 1
- 210000002257 embryonic structures Anatomy 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000033764 rhythmic process Effects 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 230000000472 traumatic Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к медицине. Способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов, заключающийся в излучении ультразвуковых волн в объект с помощью ультразвукового преобразователя, возбуждаемого генератором электрического сигнала периодически при различных положениях ультразвукового преобразователя относительно объекта, задаваемых с помощью механического сканера, приеме рассеянных объектом ультразвуковых волн с помощью ультразвукового преобразователя и преобразовании их в электрический сигнал, усилении, фильтрации и аналого-цифровом преобразовании принятого сигнала, повторении указанных процедур излучения и приема ультразвуковых волн при различных положениях преобразователя относительно объекта, освещении исследуемого объекта, формировании и цифровой регистрации последовательности оптических изображений объекта посредством оптического микроскопа с видеокамерой; сохранении полученных оптических изображений и ультразвуковых данных. При этом на основе анализа оптического изображения объекта осуществляется определение моментов времени, в которые интенсивность оптического сигнала достигает заданного порога. В данные моменты времени для каждого положения ультразвукового преобразователя относительно объекта синхронно инициализируется сбор ультразвуковых данных. Применение данного изобретения позволит осуществлять исследования и визуализацию повторяющихся быстропротекающих процессов в живых организмах с помощью высокочастотных ультразвуковых устройств и синхронного формирования оптических и ультразвуковых изображений объекта и изменений в нем. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области высокочастотной ультразвуковой визуализации и характеризации биологических объектов in vivo.
Известны приборы и методы ультразвуковых исследований живых биологических объектов с помощью ультразвуковых волн частотного диапазона до 20 МГц. Как правило, эти устройства построены на базе решеток ультразвуковых преобразователей. Электронное управление положением и сканированием ультразвукового поля в таких системах позволят производить регистрацию данных со скоростью, достаточной не только для визуализации неподвижных органов биологических объектов, но для наблюдения и измерения параметров движения отдельных элементов, например, крови. Вместе с тем, для исследования малых животных или отдельных органов требуется более высокое пространственное разрешение и, соответственно, более широкий частотный диапазон. Однако, ультразвуковые решетки с рабочими частотами более 20 (50) МГц в силу ряда технологических ограничений имеют неудовлетворительные параметры и являются малодоступными. Поэтому в высокочастотных устройствах ультразвуковой визуализации используются одиночные сфокусированные преобразователи. Было предложено несколько конструкций высокочастотных устройств визуализации, в которых используется одиночный сфокусированный ультразвуковой преобразователь [Маслов К.И., Маев Р.Г., Левин В.М. Акустический микроскоп.// Патент RU №2011194 приоритет 26.06.1992; Денисов А.В., Левин В.М., Маев Р.Г., Маслов К.И., Пышный М.Ф., Соколов Д.Ю. Малогабаритный акустический микроскоп. // Патент RU №2112969 приоритет 11.04.1995; Меньших О.Ф. Ультразвуковой микроскоп. // Патент RU 2451291 приоритет 22.02.2011; Дементьев В.Б., Шелковников Ю.К., Ермолин К.С., Осипов Н.И., Кизнерцев С.Р. Акустический микроскоп. // Патент RU 2613339 приоритет 20.11.2015; R. Lezzi. Scanning control system for ultrasound biomicroscopy. // US patent US 5551432 A приоритет 03.09.1996].
В этих устройствах сфокусированный ультразвуковой преобразователь, возбуждаемый электрическим сигналом, излучает через иммерсионную жидкость ультразвуковую волну в исследуемый образец. Рассеянная образцом ультразвуковая волна также принимается ультразвуковым преобразователем, и преобразуется в электрический сигнал, который после необходимой радиотехнической аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования поступает в блок накопления и отображения данных. С целью формирования изображения преобразователь перемещается относительно образца с помощью механического сканера, а регистрация ультразвуковых сигналов осуществляется в различных точках, расположенных в исследуемой области образца. Данные устройства позволяют строить ультразвуковые изображения с пространственным разрешением, близким к дифракционному пределу. Однако в силу медленности процесса регистрации данных, основанного на механическом сканировании, эти устройства не позволяют визуализировать быстропротекающие процессы в живых организмах в режиме реального времени.
Были предложены решения по увеличению скорости сканирования и регистрации данных [L.W. Kessler. Acoustic micro imaging device having at least one balanced linear motor assembly. // US patent US 7584664 B2 приоритет 07.02.2006; L. Sun, X.C. Xu, W.D. Richard, C. Feng, J.A. Johnson, K.K. Shung. A high-frame rate duplex ultrasound biomicroscopy for small animal imaging in vivo. // IEEE Transactions on biomedical engineering, 2008. V. 55(8). P. 2039-2049; S. Choi, J.Y. Kim, H.G. Lim, J.W. Baik, H.H. Kim, C. Kim. Versatile Single-Element Ultrasound Imaging Platform using a Water-Proofed MEMS Scanner for Animals and Humans. // Scientific reports, 2020. V. 10(1). №6544]. Данные решения не позволяют формировать изображения значительных объемов объекта в режиме реального времени и корректного отображения временных изменений его свойств в различных точках. В связи с этим были предложены решения по ультразвуковой визуализации объектов, в которых происходят повторяющиеся изменения типа работы сердечнососудистой системы, заключающиеся в синхронизации процесса регистрации ультразвуковых данных в разных точках объекта этими изменениями, детектируемыми с помощью дополнительных средств.
Например, известны способы регистрации, в котором для синхронизации ультразвукового канала использовались сигналы электрокардиограммы [Е. Cherin, R. Williams, A. Needles, G. Liu, С.White, A.S. Brown, Y.Q. Zhou, F.S. Foster. Ultrahigh frame rate retrospective ultrasound microimaging and blood flow visualization in mice in vivo. // Ultrasound in Medicine and Biology, 2006. V. 32(5). P. 683-691; J.H. Liu, G.S. Jeng, Т.К. Wu, P.C. Li. ECG triggering and gating for ultrasonic small animal imaging. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2006. V. 53(9). P. 1590-1596], однако для организмов малых размеров (например, эмбрионов рыб) измерение сигналов электрокардиограммы либо невозможно либо являются травмирующими.
Наиболее близким к предлагаемому методу является способ, описанный в [Е.С, Weiss, P. Anastasiadis, G. Pilarczyk, R.M. Lemor, P.V. Zinin. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 2007. V. 54(11). P. 2257-2271]. Это устройство фокусирующего одиночного ультразвукового преобразователя, который излучает в объект ультразвуковые волны и принимает рассеянные волны в эхо-импульсном режиме. Преобразователь возбуждается электрическими сигналами, производимыми генератором, а прием отраженных сигналов осуществляется приемным блоком с последующим аналого-цифровым преобразованием и передачей в компьютер. Формирование ультразвуковых изображений производится за счет механического перемещения преобразователя относительно исследуемого объекта, осуществляемого механическим прецизионным сканером. Управление возбуждением и приемом сигналов, движением преобразователя производится посредством контроллера. Особенностью данного решения является наличие оптического блока, позволяющего формировать оптические изображения. Оптический блок в прототипе используется в двух режимах. В первом режиме с помощью блока формируют качественные оптические изображения, анализируют их, выделяют интересующие области объекта и запоминают их положения. Впоследствии, зная положения этих областей, осуществляют подвод к ним ультразвукового преобразователя и формируют ультразвуковые изображения. Во втором режиме оптические изображения используются для юстировки вертикального и поперечного положения оси ультразвукового преобразователя относительно исследуемого объекта. Таким образом, одновременное получение оптических и ультразвуковых изображений в прототипе не предусмотрено, а получаемая видеоинформация не используется для синхронизации работы приемо-передающего тракта.
Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.
Техническим результатом изобретения является возможность исследования и визуализации повторяющихся быстропротекающих процессов в живых организмах с помощью высокочастотных ультразвуковых устройств и синхронного формирования оптических и ультразвуковых изображений объекта и изменений в нем.
Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов, заключающийся в излучении ультразвуковых волн в объект с помощью ультразвукового преобразователя, возбуждаемого генератором электрического сигнала периодически при различных положениях ультразвукового преобразователя относительно объекта, задаваемых с помощью механического сканера; приеме рассеянных объектом ультразвуковых волн с помощью ультразвукового преобразователя и преобразовании их в электрический сигнал; усилении, фильтрации и аналого-цифровом преобразовании принятого сигнала; повторении указанных процедур излучения и приема ультразвуковых волн при различных положениях преобразователя относительно объекта; освещении исследуемого объекта; формировании оптического изображения объекта посредством оптических элементов; записи последовательности получаемых изображений объекта на протяжении всего времени исследования одновременно с приемом ультразвуковых данных, сохранении, обработке, отображении и анализе полученных оптических и ультразвуковых данных.
При этом на основе непрерывной регистрации и анализе оптического изображения объекта осуществляется определение моментов времени, в которые интенсивность достигает заданного порога, и в эти моменты времени для каждого положения преобразователя относительно объекта инициализируется сбор ультразвуковых данных.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 показана структурная схема, поясняющая описанный метод, где 1 - исследуемый объект; 2 - ультразвуковой преобразователь; 3 - генератор зондирующих сигналов; 4 - приемный блок с аналого-цифровым преобразователем; 5 - контроллер; 6 - механический сканер; 7 - блок записи, хранения, обработки, визуализации и анализа данных (компьютер); 8 - оптический блок.
На Фиг. 2 показана временная диаграмма, поясняющая описанный метод, где А - получаемая временная зависимость интенсивности оптического сигнала в выделенной области, Б - вырабатываемый синхросигнал, задающий начало регистрации ультразвуковых данных в текущей точке объекта, В - сигналы запуска приемо-передающего тракта устройства, Г - сигналы синхронизации механического сканера.
Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из фокусирующего ультразвукового преобразователя 2, электрический порт которого соединен с выходом генератора зондирующего сигнала 3 и входом приемного блока 4; механического сканера 6, обеспечивающего перемещение преобразователя относительно исследуемого объекта 1; контроллера 5, управляющего работой блоков 3,4, 6; оптического блока 8, формирующего оптические изображения объекта 1; и блока записи, хранения, обработки, визуализации и анализа данных 7, принимающего ультразвуковые и видео данные с блоков 4 и 8, соответственно, и связанного с контроллером 5.
Отличием изобретения является то, что оптические изображения объекта формируются и анализируются одновременно с регистрацией ультразвуковых данных, измеряется интенсивность принятого оптического излучения в выбранных областях изображений, и по изменениям интенсивности осуществляется синхронизация процесса регистрации ультразвуковых данных в зависимости от времени, привязанного к началу повторяющихся процессов в живом объекте. В результате предлагаемый метод позволяет регистрировать не только ультразвуковые изображения стационарных объектов, но и визуализировать повторяющие изменения их пространственной структуры.
В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант метода, в котором в качестве оптического блока 8 используется оптический микроскоп с видеокамерой с кадровой частотой, достаточной для корректной регистрации изменений структуры исследуемого объекта. Блок записи, хранения, обработки, визуализации и анализа данных 7 представляет собой компьютер с графическим сопроцессором, который с помощью стандартных интерфейсов связан с контроллером 5 и выходом аналого-цифрового преобразователя приемного блока 4. Контроллер 5, выполненный на базе микропроцессора, управляет драйверами двигателей механического трех координатного сканера 6 и формирует управляющие сигналы генератором 3 и приемником 4. В качестве генератора зондирующих сигналов 3 используется высокочастотный мощный электронный ключ с драйвером, а приемное устройство 4 состоит из схемы защиты от мощных зондирующих импульсов, малошумящего широкополосного усилителя с регулируемым коэффициентом усиления и аналого-цифрового преобразователя с достаточными частотной полосой и быстродействием. Генерация ультразвуковых волн, а также преобразование рассеянных образцом волн в электрический сигнал осуществляется с помощью иммерсионного фокусирующего ультразвукового преобразователя, состоящего из пьезоэлемента и акустической линзы. Метод реализуется следующим образом.
Последовательность оптических изображений объекта, регистрируемая с помощью оптического блока 8, вводится в компьютер 7, где происходит сравнение последовательных кадров обнаружение и выделение областей в них, где наблюдаются повторяющиеся изменения интенсивности, вызванные жизнедеятельностью исследуемого объекта. Выбирается область, в которой такие изменения являются наиболее выраженными, и интенсивность в этой области регистрируется в виде зависимости от времени Т (Фиг. 2, А). Путем сравнения сигнала А с порогом вырабатывается синхросигнал Б, который привязан к ритму процессов в объекте. Порог устанавливается таким образом, чтобы скорость изменения сигнала А в точке пересечения была бы максимальной. Синхросигнал Б, поступает в контроллер 5, который в свою очередь формирует последовательность N сигналов запуска В. Каждый из этих импульсов осуществляет запуск генератора зондирующих сигналов и инициализирует аналого-цифровое преобразование принятых ультразвуковых сигналов, которые в цифровом виде сохраняются в блоке 7. Таким образом, для текущего положения преобразователя 2 относительно образца 1 записываются N ультразвуковых откликов, отражающих изменение структуры объекта в данной точке с течением времени. Число импульсов N выбирается таким образом, чтобы сигналы были бы записаны на достаточно большом временном интервале. После окончания пачки импульсов В, контроллером 5 формируется сигнал синхронизации Г (Фиг. 2), дающий команду на механический сканер 6 для перемещения преобразователя 2 в новую позицию. После окончания перемещения преобразователя ищется момент достижения сигналом А заданного порога (Фиг. 2, А) и процесс регистрации ультразвуковых данных повторяется для нового положения преобразователя. В результате в блоке 7 накапливается массив ультразвуковых данных, показывающий временные зависимости сигналов для каждой исследованной точки объекта, синхронизированные с повторяющимся процессом в нем, и массив соответствующих видеоданных.
Claims (1)
- Способ ультразвуковых исследований повторяющихся процессов живых биологических объектов, заключающийся в излучении ультразвуковых волн в объект с помощью ультразвукового преобразователя, возбуждаемого генератором электрического сигнала периодически при различных положениях ультразвукового преобразователя относительно объекта, задаваемых с помощью механического сканера, приеме рассеянных объектом ультразвуковых волн с помощью ультразвукового преобразователя и преобразовании их в электрический сигнал, усилении, фильтрации и аналого-цифровом преобразовании принятого сигнала, повторении указанных процедур излучения и приема ультразвуковых волн при различных положениях преобразователя относительно объекта, формировании и цифровой регистрации последовательности оптических изображений объекта посредством оптического микроскопа с видеокамерой; сохранении полученных оптических изображений и ультразвуковых данных, отличающийся тем, что на основе анализа оптического изображения объекта осуществляется определение моментов времени, в которые интенсивность оптического сигнала в выделенной области оптического изображения достигает заданного порога; в данные моменты времени для каждого положения ультразвукового преобразователя относительно объекта синхронно инициализируется сбор ультразвуковых данных.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775460C1 true RU2775460C1 (ru) | 2022-07-01 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2717206C1 (ru) * | 2016-04-22 | 2020-03-18 | Вуси Хиски Медикал Текнолоджис Ко., Лтд. | Ультразвуковой датчик и ультразвуковой детектор с ультразвуковым датчиком |
RU2718312C2 (ru) * | 2015-04-20 | 2020-04-01 | Вуси Хиски Медикал Текнолоджис Ко., Лтд. | Способ обработки морфологической информации и информации об эластичности тканей и устройство определения эластичности |
RU2734129C2 (ru) * | 2015-12-10 | 2020-10-13 | Конинклейке Филипс Н.В. | Зонд системы ультразвуковой визуализации, и система, и способ визуализации |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2718312C2 (ru) * | 2015-04-20 | 2020-04-01 | Вуси Хиски Медикал Текнолоджис Ко., Лтд. | Способ обработки морфологической информации и информации об эластичности тканей и устройство определения эластичности |
RU2734129C2 (ru) * | 2015-12-10 | 2020-10-13 | Конинклейке Филипс Н.В. | Зонд системы ультразвуковой визуализации, и система, и способ визуализации |
RU2717206C1 (ru) * | 2016-04-22 | 2020-03-18 | Вуси Хиски Медикал Текнолоджис Ко., Лтд. | Ультразвуковой датчик и ультразвуковой детектор с ультразвуковым датчиком |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
А. Б. Бурлаков и др. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ МЕТОДАМИ АКУСТООПТИЧЕСКОЙ ВИДЕОСПЕКТРОМЕТРИИ. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2020, том 65, N7, с.17-724, Принята к публикации 20.11.2019 г. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11672509B2 (en) | Shear wave elastrography method and apparatus for imaging an anisotropic medium | |
JP6935020B2 (ja) | 超音波画像の特徴を識別するシステム及び方法 | |
US20210251612A1 (en) | Ultrasound imaging with spectral compounding for speckle reduction | |
CN101166474B (zh) | 同步呼吸信号与超声波数据的获取的方法 | |
JP7346542B2 (ja) | 超音波コントローラユニット及び方法 | |
US7758507B2 (en) | Blood flow imaging | |
CN107690313B (zh) | 用于剪切波成像的超声换能器阵列探头 | |
JP3583789B2 (ja) | 連続波送受波型超音波撮像装置及び超音波プローブ | |
JP2002248101A (ja) | 超音波撮像方法及び超音波撮像装置 | |
CN110392553B (zh) | 用于定位声学传感器的定位设备和系统 | |
CN104622505A (zh) | 一种超声颅内血流检测系统和方法 | |
EP0406909B1 (en) | Ultrasonic diagnosing apparatus | |
RU2775460C1 (ru) | Способ ультразвуковых исследований живых биологических объектов | |
US20100191115A1 (en) | Ultrasound imaging system and method | |
US5058593A (en) | Apparatus for processing and displaying ultrasonic data | |
JP2003523221A (ja) | 超音波脈動観察方法 | |
Machikhin et al. | Development of ultrasound echocardiography technique for imaging of the cardiovascular system of small organisms in vivo | |
JP2002257803A (ja) | 超音波撮像方法及び超音波撮像装置 | |
JP2005058332A (ja) | 超音波診断装置 | |
JP2007020915A (ja) | 超音波診断装置 | |
EP3772333A1 (en) | Muscle imaging system | |
JPH0357439A (ja) | 超音波診断装置 | |
JP2007167351A (ja) | 超音波診断装置 | |
US20090192387A1 (en) | Continuous acquisition and processing of ultrasound color data | |
JP4522687B2 (ja) | 超音波撮像方法及び超音波撮像装置 |