WO2020018000A1 - Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out said method - Google Patents

Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out said method Download PDF

Info

Publication number
WO2020018000A1
WO2020018000A1 PCT/RU2019/000508 RU2019000508W WO2020018000A1 WO 2020018000 A1 WO2020018000 A1 WO 2020018000A1 RU 2019000508 W RU2019000508 W RU 2019000508W WO 2020018000 A1 WO2020018000 A1 WO 2020018000A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
receivers
sources
stage
khz
ultrasonic
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000508
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
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 (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Антон Александрович ГОНЧАРСКИЙ, Александр Владимирович ГОНЧАРСКИЙ, Святослав Радомирович ДУРЛЕВИЧ, Сергей Львович ОВЧИННИКОВ, Сергей Юрьевич РОМАНОВ, Сергей Юрьевич СЕРЁЖНИКОВ, Алексей Васильевич ЧЕРНЫШЁВ filed Critical Антон Александрович ГОНЧАРСКИЙ
Publication of WO2020018000A1 publication Critical patent/WO2020018000A1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/13Tomography
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/08Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings
    • A61B8/0825Detecting organic movements or changes, e.g. tumours, cysts, swellings for diagnosis of the breast, e.g. mammography
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
    • A61B8/13Tomography
    • A61B8/15Transmission-tomography
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid
    • G01H3/10Amplitude; Power
    • G01H3/12Amplitude; Power by electric means
    • G01H3/125Amplitude; Power by electric means for representing acoustic field distribution

Definitions

  • Tomographic research methods are widely used at present in areas such as non-destructive testing of industrial products, process control, etc.
  • Modern medicine is unthinkable without the use of tomographic diagnostic methods, such as magnetic resonance imaging (MRI), electron-positron tomography, x-ray tomography.
  • MRI magnetic resonance imaging
  • X-ray tomographs are the 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. Despite all its advantages, X-ray tomographs cannot be used for regular examinations due to high radiation exposure.
  • the current trend in medicine is the rejection of the use of ionizing radiation.
  • X-ray radiation is unique because the refractive index of x-ray radiation in any material is practically equal to unity, which means the absence of refraction.
  • the inverse problems of x-ray tomography can be considered as two-dimensional and to study three-dimensional objects in layers. 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 inverse problems that arise 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 imaging, 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.
  • the primary concern in medicine is the development of ultrasound tomographs for the differential diagnosis of breast cancer. Mortality among the female half of civilization from this disease is in first place among all oncological diseases. Progress in Cancer Treatment the mammary gland is directly related to early diagnosis, which can be provided with regular examinations. Ultrasound radiation is harmless to humans. That is why the development of ultrasound tomographs for soft tissue research in medicine is an urgent task.
  • the present invention is primarily focused on the development of ultrasound scanners for the early diagnosis of breast cancer.
  • US20080275344A1 proposes a method and device for the layered diagnosis of breast passage.
  • the method of reconstruction of the velocity section is based on the beam model.
  • Patent RU2526424C2 proposes an ultrasound tomograph for layer-by-layer examination of the mammary gland.
  • a two-stage method is used for the reconstruction of layered images.
  • the inverse problem is solved in the wave approximation and consists in the search for sources of ultrasonic vibrations.
  • a linearized approximation is used for solving the inverse problem.
  • US5673697A proposes a device and a 3D ultrasound tomography method in which reconstruction of 3D ultrasound images is carried out in two stages. At the first stage, using the signal arrival time at passing, in the radiation model, the velocity section is restored. At the second stage, using the obtained velocity section, the image for reflection is calculated by the method of coherent summation.
  • US6786868B2 proposes a device for ultrasound imaging of the mammary gland, 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 restored in the beam model using the arrival time of the signal for passage.
  • the patent discusses a device for reconstructing a 3D high-speed section in the framework of a beam model using the arrival time of the signal for passage.
  • US6005916A proposes a method and apparatus for reconstructing tomographic images using wave sources of probe radiation.
  • 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 propagation at small scattering angles. In essence, this means that the velocity section is restored in narrow layers. The resulting velocity section is used to reconstruct inhomogeneities in reflected waves.
  • Decision algorithms inverse tasks are focused on the use of personal computers.
  • the disadvantages of the method and device proposed in the 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.
  • 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 scattered by the object ultrasonic waves.
  • An ultrasound tomographic image is a three-dimensional distribution of the speed of propagation of ultrasound within the object under study.
  • the three-dimensional distribution of the speed of propagation of ultrasound is called a velocity section.
  • a velocity cross section is reconstructed from all experimental data measured both for transmission and reflection.
  • a technical result is achieved, which consists in improving the quality of reconstructed 3D images of the internal structure of the investigated object, increasing the resolution of the ultrasound tomograph and reducing the time of examination of the patient.
  • the problem is to ensure 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 by the fact that the test object is placed in a tank filled with water.
  • N, N ⁇ 50 mounted on the internal container surfaces of the same type of ultrasonic wave sources with a working frequency range of 50 - 600 kHz.
  • a linear array of receivers fixed on a rotational slide is used.
  • the vertical spacing of the receivers in the array is from 1.5 to 2.5 mm.
  • Parameters K and T are set.
  • the reconstruction of a three-dimensional high-speed section c (g) is performed in two stages. At the first stage, the registered signals are digitally filtered by a low-pass filter with a bandwidth of up to 200 kHz; at the second stage, all recorded data in the frequency range 50 - 600 kHz is used.
  • the reconstruction of the velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the mean square error between the experimental data (fc, i) and a numerically calculated wave field.
  • c 0 (r) const is taken as the initial approximation of the velocity section, and at the second stage, the velocity section obtained by minimizing the 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 by a separate graphics processor.
  • Claim 2 describes a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 1, comprising a cylindrical container filled with water, on the inner surface of which Ni 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 is fixed on a rotational slide rotating around the axis of the cylinder, in which one of the linear arrays is located vertically parallel to the axis of the cylinder and the second at an angle g, 30 ° ⁇ g ⁇ 60 ° to the axis of the cylinder.
  • the vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm.
  • the device contains an optical sensor of the rotation angle of the rotational shift, a probe pulse generator, preliminary amplifiers of the signals of the receivers, an analog-to-digital processing unit of the signals of the receivers, a computing device based on graphic processors (GPU cluster), containing N ⁇ graphic processors.
  • the test object is placed in a container filled with water.
  • two types of ultrasonic sources fixed on the inner surface of the tank are used, Ni sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 kHz and - / V ? ultrasonic sources of the second type with an operating frequency range of 50 - 200 kHz.
  • the total number of sources N N j --N 2 does not exceed 50.
  • the number of sources of the second type less than N t .
  • a linear array of receivers mounted on a rotational slide is used to register the reflected and transmitted through the studied object ultrasonic waves.
  • the vertical spacing of the receivers in the array is from 1.5 to 2.5 mm.
  • Paragraph 4 of the claims describes a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to paragraph 3 of the claims, containing a cylindrical container filled with water, mounted on the inner surface of the container ultrasonic sources of two types, N j sources of the first type with an operating frequency range of 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 N 2 is less than N / .
  • the total number of sources N N J + N 2 does not exceed 50.
  • the vertical spacing of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm.
  • the device contains an optical sensor of the rotation angle of the rotational shift, a probe pulse generator, preliminary amplifiers of the signals of the receivers, an analog-digital processing unit of the signals of the receivers, a computing device based on graphic processors (GPU cluster) containing N j graphic processors.
  • GPU cluster graphic processors
  • Claim 5 describes a variant of the device according to claim 2 or claim 4, characterized in that the receiving elements in the linear array of receivers are arranged in two rows in a checkerboard pattern.
  • the vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, the distance between the rows is from 2 to 8 mm.
  • Claim 6 describes a variant of the device according to claim 2 or claim 4, characterized in that for the rotation of the ruler, a motorized rotary table located under the bottom of the tank is used to control the angular position of the ruler using an optical sensor.
  • the claimed invention uses low-frequency sources of ultrasonic waves with frequencies not exceeding 600 kHz, which distinguishes this application from most patents for ultrasound tomographs for the diagnosis of breast, in which frequencies of at least 1 - 1.5 MHz are used (US5673697A).
  • Ultrasonic sources emit short probe pulses with a duration of not more than 15 ⁇ s. Broadband sources are used to generate such pulses.
  • the use of low-frequency ultrasonic waves as probing radiation in the frequency range up to 600 kHz allows detailed recording of the wave field using a small number of receivers. To register the wave field, use one rotating linear array of receivers, or an assembly of two such arrays.
  • the vertical spacing of the receivers can be 1.5 - 2.5 mm.
  • the size of the receivers in a linear array can also be 1.5 - 2.5 mm.
  • the selected parameters provide a precise measurement of the wave field.
  • Precise registration of the wave field allows reconstructing 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 qualitative reconstruction of the internal structure of the mammary gland, 30 to 50 sources are sufficient.
  • GPUs are ideal for calculating the propagation of ultrasonic waves in an inhomogeneous medium. Using a graphics card increases the performance of calculations in such tasks by tens of times.
  • the composition of the device according to claim 2 or claim 4 of the claims includes a computing device based on graphic processors (GPU cluster), the number of graphic processors in which coincides with the number of sources (N ] ). With the number of sources N / of the order of 30-50, the use of the GPU cluster allows you to speed up calculations by 1000 or more times compared to a PC. Relatively few sources allows the use of compact GPU clusters as computing tools as part of a tomographic complex.
  • FIG. 1 shows the location of the investigated object inside a tank filled with water
  • FIG. 2 shows the shape and frequency spectrum of a broadband probe pulse
  • FIG. 3 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 2 of the claims with one linear array of receivers
  • FIG. 4 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 2 of the claims with an assembly of two linear arrays of receivers
  • FIG. 5 shows the arrangement of measuring points of the wave field on a cylindrical surface
  • FIG. 6 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 4 of the claims with one linear array of receivers
  • FIG. 3 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 2 of the claims with one linear array of receivers
  • FIG. 4 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 2 of the claims with an assembly of two linear arrays of receivers
  • FIG. 5 shows the arrangement of measuring points of the wave field on
  • FIG. 7 shows 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 receiver arrangement in embodiments of the device according to claim 2 or claim 4 of the claims
  • FIG. 9 shows the location of the receivers in the embodiment of the device according to claim 5
  • FIG. 10 shows a block diagram of a device for obtaining three-dimensional tomographic images
  • FIG. 11 is a diagram of a rotary device of an array of receivers in a device according to claim 6
  • FIG. 12 shows the shape and frequency spectrum of the probe pulse of the first type of sources
  • FIG. 13 shows the shape and frequency spectrum of the probe pulse of the second type of sources
  • FIG. 14 shows the horizontal and vertical cross-sectional views of a 3D phantom used in model calculations; in FIG. 15 shows a horizontal and vertical velocity section reconstructed in a model problem at the first stage of reconstruction; FIG. 16 shows a horizontal and vertical velocity section reconstructed in a model problem at the second stage of reconstruction; FIG. 17 shows the signals measured for transmission and reflection, in FIG. Figure 18 shows a horizontal phantom velocity section and a velocity section reconstructed from experimental data.
  • FIG. 1-1 1 illustrate devices for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 2, claim 4 and claim 5 of the claims.
  • FIG. 1 shows a tomographic diagram of a study of the mammary gland.
  • the investigated object 2 is placed in a cylindrical tank 1.
  • the tank is filled with water 3.
  • the inventive device uses broadband sources of ultrasonic radiation, which make it possible to form short probe 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.
  • FIG. 2 (a) shows an example of a real probe pulse
  • FIG. 2 (6) shows the frequency spectrum of this pulse.
  • the operating frequency range of the source at a level of -15 dB is 40 -600 kHz.
  • a level of -15 dB means a signal attenuation of 5 times.
  • FIG. 3 shows a layout of sources and receivers in the device according to claim 2.
  • Sources of ultrasonic radiation 4 are fixed on the inner surface of the tank and have a wide radiation pattern that overlaps the object under study.
  • a vertical linear array of receivers 6, consisting of identical elements, is fixed on the rotary slide 5.
  • the vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, which does not exceed half the wavelength of the probe radiation.
  • Such a step of the arrangement of the receivers provides a precise registration of the wave field.
  • the receivers are located between the test object and the surface of the cylindrical tank. The length of the array of receivers exceeds the dimensions of the investigated object vertically.
  • one linear array of receivers is used.
  • FIG. Figure 4 shows the arrangement of sources and receivers in the device according to claim 2 in the embodiment 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 axis of the cylinder, and the second at an angle g, 30 ° ⁇ g ⁇ 60 ° to the vertical.
  • the total height of the assembly exceeds the dimensions of the investigated object vertically.
  • Data collection is carried out in one revolution of the rotational movement 5.
  • the array of receivers rotates around the vertical axis of the tank and registers the wave field on the cylindrical surface surrounding the object.
  • the position of the array of receivers during each measurement is controlled using an optical sensor for the angle of rotation of the rotational movement.
  • FIG. Figure 5 shows the arrangement of the points of measurement of the wave field on a cylindrical surface.
  • Acoustic signals registered by receivers are digitized and stored. All experimental data necessary for the reconstruction of the velocity section are collected in one revolution of the rotational movement.
  • FIG. 6 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 4 of the claims.
  • two types of low-frequency ultrasonic sources are used.
  • the number 7 shows the sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 kHz
  • the figure 8 shows the 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.
  • one linear array of receivers is used.
  • FIG. 7 shows the arrangement of sources and receivers in the embodiment of the device according to claim 4, 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 axis of the cylinder, and the second at an angle g, 30 ° ⁇ g ⁇ 60 ° to the vertical.
  • the total height of the assembly exceeds the dimensions of the investigated object vertically.
  • FIG. Figure 8 shows the arrangement of receivers in a linear array of receivers in devices according to claim 2 and claim 4 of the claims.
  • the vertical spacing of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm.
  • FIG. 9 shows the location of the receivers in a linear array in a variant of the device according to claim 5.
  • the receivers are arranged in two rows in a checkerboard pattern.
  • the vertical spacing of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm.
  • the distance between the rows / can be from 2 to 8 mm.
  • FIG. 10 shows a block diagram of the inventive device for obtaining three-dimensional tomographic images.
  • the control computer 9 issues commands to set the preset position of the rotational movement of the receivers 5 and to generate sounding pulses by the pulse forming unit 10.
  • the generated electrical pulses are sent to ultrasonic sources.
  • two types of ultrasound sources with different frequency ranges are used.
  • the same type of broadband ultrasonic sources are used.
  • the ultrasonic waves transmitted through the object under investigation and reflected from the object are recorded by an array of receivers 6.
  • the receivers are mounted on a rotary slide 5, the position of which is controlled by an optical angle sensor 11.
  • the receivers record ultrasonic signals from all sources emitting sounding pulses in turn .
  • the exact position of the rotational movement during each measurement is transmitted to the control computer.
  • the recorded signal from the receivers 6 is amplified by a block of pre-amplifiers 12 and digitized by a block of analog-to-digital converters (ADC) 13.
  • ADC analog-to-digital converters
  • the digitized data is transmitted to the control computer 9.
  • the reconstruction of a three-dimensional high-speed section is carried out using a GPU cluster 14.
  • the number of graphic processors in the cluster corresponds to the number of ultrasonic sources N j .
  • the calculation of the wave field for each source is carried out by a separate graphics processor.
  • FIG. 11 is a diagram of a rotary device array of receivers in the device according to claim 6.
  • the rotary device is located under the bottom of the tank with water.
  • the 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 internal space between the shaft and the sleeve is filled with oil.
  • Seals and gaskets also provide tightness of the structure 20.
  • the holder of the receiver array is attached to the upper part of the hollow shaft located inside the tank with water. Through the space inside the shaft, wires are removed from the receivers. After wiring, this space is sealed. The proposed option solves the problem of sealing the tank.
  • Array receivers rotate around the axis of the tank using a rotary movement.
  • f *, k 1, ..., all sources in turn emit sounding pulses.
  • the wave field 1 e) (f *, t) at the jth receiver during pulse emission by the ith source, i ⁇ , ..., N, is recorded as a function of time /, 0 ⁇ t ⁇ T.
  • the value of T represents the time required to register each pulse is 200 to 400 ⁇ s.
  • the receiver bandwidth includes a frequency range of 50 - 600 kHz. All data is recorded per revolution of the rotational movement, so that the angle sr * 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 by rotation of each receiver (Fig. 5) does not exceed half the wavelength of the probe radiation.
  • Paragraph 3 of the claims describes a variant of the method for obtaining 3D tomographic images, in which two types of ultrasound sources are used for generating probe pulses, N j sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 sources of the second type with an operating frequency range of 50 - 200 kHz. Two sets of sources provide sounding of the test object with ultrasonic waves in the range of 50 - 600 kHz to obtain high-quality tomographic images.
  • the number of sources of the second type N 2 is less than N j .
  • the total number of sources N ⁇ N / + N 2 does not exceed 50.
  • the duration of the probe pulses does not exceed 15 ⁇ s.
  • FIG. 12 (a) gives an example of the shape of the probe pulse of the first type of sources.
  • the abscissa axis represents time in microseconds; the ordinate axis represents the acoustic pressure generated by the source.
  • FIG. 12 (6) shows the frequency spectrum of this pulse.
  • FIG. 13 (a) an example of the shape of the probe pulse for sources of the second type is given.
  • FIG. 13 (6) shows the frequency spectrum of this 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). The reconstruction of the high-speed section is carried out according to all recorded data - both for reflection and for passage.
  • the reconstruction of a three-dimensional velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the residual functional
  • the residual functional is the standard deviation of the experimental data at the receivers ⁇ / ⁇ , - j (f *, from the numerically calculated data lf c) i j ( ⁇ impart t).
  • Function (f *, ⁇ is a wave field calculated by solving the direct problem of ultrasonic wave propagation from each / -th source for a given velocity section c (d).
  • summation over / is performed over all sources used, summation over j is carried out on all receivers, summation over k is carried out over all angles of rotation of the rotational movement f *, k - 1, ..., integration over time t is carried out in the range 0 ⁇ t ⁇ T, where T is the given signal recording time.
  • the approximate value of the velocity section is constructed in the iterative process of minimizing the residual functional ⁇ (s), starting from a given initial approximation from 0 (r).
  • various methods of minimizing the functional can be used. In the claimed methods for obtaining three-dimensional tomographic images according to claim 1 and claim 3 of the claims, gradient methods of minimizing the functional are used, which are most effective for practical implementation on GPU clusters.
  • the exact expression for the gradient of the residual functional is known (AVGoncharsky, SY Romanov, Iterative methods for solving coefficient inverse problems of wave tomography in models with attenuation, Inverse Problems 33 (2017), 025003).
  • the gradient F '(c) of the residual functional ⁇ (c) uniquely determines the direction of the maximum decrease of the functional ⁇ (c).
  • the one-dimensional minimization of the functional ⁇ (c) is carried out in the direction of the maximum decrease of the functional.
  • the resulting minimum point is taken as the nth approximation of the velocity section with n (r).
  • the reconstruction of a three-dimensional high-speed section c (r) is performed in two stages.
  • data with a limited frequency band are used.
  • only data obtained from sources of the second type with an operating frequency range of 50-200 kHz is used.
  • the velocity section obtained by minimizing the residual functional in the first stage is used.
  • data with a wide frequency band are used.
  • in the second stage only data from sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 kHz are used.
  • the wave field is calculated using a GPU cluster, the number of processors in which corresponds to the number of ultrasonic sources (N j ).
  • the wave field calculation 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 the sum of the gradients of the residual functional for each source, which can be calculated independently.
  • the use of a GPU cluster consisting of N j graphic processors allows efficient parallelization of gradient calculation for all sources. The use of such a cluster as part of the diagnostic complex allows you to accelerate the calculations in comparison with a personal computer more than 1000 times.
  • the use of a high-performance GPU cluster makes it possible to use a scalar wave model for reconstructing a three-dimensional high-speed section, which describes well the effects of diffraction, refraction, and re-reflection of ultrasonic waves.
  • the inverse problem of reconstructing a three-dimensional velocity section in the wave model is non-linear and very complex. Such tasks cannot be solved on a personal computer.
  • the use of personal computers as part of tomographic systems necessitates the use of simplified mathematical models that do not fully describe real physical processes.
  • FIG. 14-16 illustrate a computational experiment to restore a three-dimensional high-speed section using the proposed method according to claim 3 of the claims using probing radiation sources of two different types.
  • FIG. Figure 14 shows an image of a phantom with a given velocity distribution. propagation of ultrasound with (g).
  • FIG. 14 (a) shows a horizontal section X - Y of the three-dimensional distribution of the speed of sound c (x, y, z), in FIG. 14 (6) - vertical section X - Z.
  • Light areas correspond to a higher speed of sound, dark areas to a lower one.
  • FIG. 15 shows the horizontal and vertical sections of the approximate solution obtained at the first stage of the reconstruction of the high-speed section using low-frequency probe pulses (Fig. 13).
  • FIG. 16 shows the horizontal and vertical sections obtained at the second stage of the reconstruction of the high-speed section using high-frequency probe pulses (Fig. 12).
  • Fig. 14 we used the approximate solution obtained in the first stage (Fig. 14).
  • a spatial resolution of the order of 2 mm was obtained both in the horizontal section and along the vertical axis. This resolution is quite acceptable for the diagnosis of soft tissue in medicine.
  • Model calculations showed 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.
  • the number of unknowns in the inverse problem of reconstruction of a velocity section is about 60 million.
  • a GPU cluster can be assembled, which in its parameters may well be part of a tomographic diagnostic complex.
  • Such a GPU cluster can be located within the same rack and have a power consumption of less than 10 kW.
  • the infrastructure requirements imposed by the tomographic complex on the basis of the proposed device options for obtaining tomographic images are no higher than that of the widely used x-ray and magnetic resonance imaging.
  • infrastructure requirements will decrease, and the calculation time will be reduced.
  • the fundamental point in the inventive devices and method is the use of a relatively small number (not more than 50) of probing radiation sources in an ultrasound tomograph.
  • US5673697A uses a tomographic scheme in which the number of sources is tens of times greater than the number of sources in this patent application.
  • the number of sources in the device proposed in this application determines the number of graphic processors in the GPU cluster, which is part of the ultrasound tomograph.
  • a cluster containing no more than 50 GPUs does not impose strict requirements on the infrastructure of the diagnostic complex. If the number of processors in the cluster is more than 50, additional liquid cooling is required for the cluster, high infrastructure requirements are imposed, which significantly increases the cost of the tomographic complex.
  • the most important characteristic of any tomograph is 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 provide a wave field measurement with high accuracy. For precision recording of the wave field, you can use receivers located in steps of less than half the wavelength, which is 1.5 - 2.5 mm. Such receivers exist and are widespread. 3.
  • the choice of the low-frequency range in which the frequencies of the probe radiation do not exceed 600 kHz is also important for the following reason. Ultrasound absorption in soft tissues is highly dependent on frequency.
  • the attenuation of the signal at frequencies of 0.5 and 1.5 MHz may differ by 10 or more times.
  • the use of low frequencies in the claimed invention allows for higher accuracy of experimental data.
  • the technical solutions proposed in this patent application can reduce the examination time of the patient 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 tank, allows you to collect all the experimental data necessary for obtaining a three-dimensional tomographic image in one revolution of the rotational movement. Due to the use of rotational movement, the total number of receivers in the claimed devices does not exceed 100.
  • This number of elements is tens of times smaller than in the scheme for registering ultrasonic radiation in US6786868B2.
  • the scheme proposed in this application provides sufficient wave field accuracy for obtaining high-quality three-dimensional tomographic images.
  • the reconstruction result is a three-dimensional tomographic image obtained using all experimental data. This approach provides high resolution both in the horizontal X - Y plane and along the vertical Z axis.
  • the reconstruction of a three-dimensional high-speed section in the claimed invention is carried out using a GPU cluster, the number of graphic processors in which does not exceed 50.
  • a GPU cluster the number of graphic processors in which does not exceed 50.
  • Most of the existing designs of ultrasound tomographs are focused on the use of personal computers, which forces us to use simplified mathematical models for calculations that do not fully describe physical processes .
  • the use of the GPU cluster allows us to solve 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 re-reflection of ultrasound without simplifications.
  • the structure of the cluster consisting of N t GPUs, in terms of the number of sources, allows you to efficiently parallelize the calculations, which provides an acceleration of calculations by 1000 or more times compared to a PC.
  • a cluster can be assembled on the basis of generally available components and, by its parameters, may well be part of the tomographic diagnostic complex.
  • a stand for low-frequency ultrasound was assembled tomographic studies, in which the source and receiver independently moved both around the object being studied, and vertically.
  • the angular position of the source and receiver was controlled 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 source conversion coefficient was 5 Pa ⁇ meter / Volt, operating voltage ⁇ 80 V.
  • a hydrophone with a diameter of the receiving element of 2.5 mm and a passband of 10 - 800 kHz was used as a receiver.
  • the sensitivity of the receiver was -228 dB with respect to 1 V / ⁇ Pa.
  • the signals were amplified by a preamplifier with a gain of 32 dB.
  • FIG. Figure 2 shows the form (a) and the frequency spectrum (b) of a broadband probe pulse, experimentally measured on a bench in a homogeneous medium.
  • FIG. 17 shows the measured signals from transmitted through the object (a) and reflected from the object (b) of ultrasonic waves.
  • a phantom we used a silicone cylinder with a diameter of 56 mm containing inhomogeneities in which the speed of propagation of ultrasound varied from 1400 to 1800 m / s.
  • the phantom velocity section is shown in FIG. 18 (a).
  • the bright areas in FIG. 18 correspond to a high speed of propagation of ultrasonic waves in the phantom, dark to low.
  • FIG. 18 (6) shows a velocity section reconstructed from experimental data obtained in the same section. Spatial resolution of the reconstructed velocity section was no worse than 2 mm.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)

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

Способ получения 3d ультразвуковых томографических изображений и устройство для его осуществления  A method of obtaining 3d ultrasound tomographic images and a device for its implementation
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 widely used at present in areas such as non-destructive testing of industrial products, process control, etc. Modern medicine is unthinkable without the use of tomographic diagnostic methods, such as magnetic resonance imaging (MRI), electron-positron tomography, x-ray tomography. In medicine, X-ray tomographs are the 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. Despite all its advantages, X-ray tomographs cannot be used for regular examinations due to 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, Р. Littmp, 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. Tchemikovski, 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). 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. In this regard, the development of ultrasound tomographs, which are currently intensively conducted in the USA, Europe, Japan, and Russia, is of great interest. Intensive research in this area has been conducted for over 10 years. There are currently no commercial ultrasound tomographs. Most of the developments are devoted to the diagnosis of breast cancer. Developments are being investigated on prototypes and prototypes (N. Duric, P. Littmp, 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. Tchemikovski, 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). The development of ultrasound tomographs is fraught with a number of difficulties. Compared to x-ray tomography, the inverse tasks 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 unity, which means the absence of refraction. The inverse problems of x-ray tomography can be considered as two-dimensional and to study three-dimensional objects in layers. 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 inverse problems that arise 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 imaging, 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, N°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 a reflection signal. In reflection schemes, only the boundaries of inhomogeneities can be determined. It is impossible to obtain data on the distribution of the speed of sound inside an object necessary for characterizing tissues in reflection schemes (Goncharsky A.V., Romanov S.Yu., Seryozhnikov S.Yu. Wave tomography problems with an incomplete data range // Computational methods and programming : New Computing Technologies, 2014, vol. 15, N ° 2, pp. 274-285). Currently designed ultrasound tomographs using both reflected and transmitted radiation allow the characterization of 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 concern 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 oncological diseases. Progress in Cancer Treatment the mammary gland is directly related to early diagnosis, which can be provided with regular examinations. Ultrasound radiation is harmless to humans. That is why the development of ultrasound tomographs for soft tissue research in medicine is an urgent task. The present invention is primarily focused on the development of ultrasound scanners for the 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. The development of ultrasound tomographs for the diagnosis of breast cancer uses both wave and beam models. In the beam model, the time of arrival of the ultrasonic wave to the detector is recorded. Reconstruction of a high-speed section, as a rule, is carried out in a layered version, similar to how it is done in x-ray tomographs. The problems are that the wavelength in the ultrasound tomograph is 10 5 times longer than in the x-ray. The main disadvantage of beam models is that such models are not adequate to reality, since they do not describe phenomena such as diffraction, wave re-reflection, etc. However, in various cases, beam models are used both in ultrasound diagnostic methods and in in devices for tomographic studies. Almost all patents related to radiation methods of ultrasound tomographic diagnostics describe layered 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 железы. 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. US20080275344A1 proposes a method and device for the layered diagnosis of breast passage. The method of reconstruction of the velocity section is based on the beam model. Patent RU2526424C2 proposes an ultrasound tomograph for layer-by-layer examination of the mammary gland. For the reconstruction of layered images, a two-stage method is used. The inverse problem is solved in the wave approximation and consists in the search for sources of ultrasonic vibrations. To solve the inverse problem, a linearized approximation is used.
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 a 3D ultrasound tomography method in which reconstruction of 3D ultrasound images is carried out in two stages. At the first stage, using the signal arrival time at passing, in the radiation model, the velocity section is restored. At the second stage, using the obtained velocity section, the image for reflection is calculated by the method of coherent summation.
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. US6786868B2 proposes a device for ultrasound imaging of the mammary gland, 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 restored in the beam model using the arrival time of the signal for passage. The patent discusses a device for reconstructing a 3D high-speed section in the framework of a beam model using the arrival time of the signal for passage.
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. In the patent US8366617B2 proposed ultrasonic tomographic device that allows for layered examination of the mammary gland. Sources and receivers are located in the horizontal plane on the support, which rotates around the axis of the cylindrical tank with the object under study, and can also move vertically along the axis. To examine the patient, you need to scan in many horizontal planes. Such a scheme automatically involves the study of a 3D object in layers. Passing waves are recorded separately and are used to reconstruct the velocity section, which is subsequently used to correct the data obtained for reflection. 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 Г ельмгольца 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. US6005916A proposes a method and apparatus for reconstructing tomographic images using wave sources of probe radiation. 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 propagation at small scattering angles. In essence, this means that the velocity section is restored in narrow layers. The resulting velocity section is used to reconstruct inhomogeneities in reflected waves. Decision algorithms inverse tasks are focused on the use of personal computers. The disadvantages of the method and device proposed in the 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 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 scattered by the object ultrasonic waves. An ultrasound tomographic image is a three-dimensional distribution of the speed of propagation of ultrasound within the object under study. In accepted terminology, the three-dimensional distribution of the speed of propagation of ultrasound is called a velocity section. In this patent application, a velocity cross section is reconstructed from all experimental data measured both for transmission and reflection. At the same time, a technical result is achieved, which consists in improving the quality of reconstructed 3D images of the internal structure of the investigated object, increasing the resolution of the ultrasound tomograph and reducing the time of examination of the patient.
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 N , N < 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 (фь 0. которые представляют собой сигналы от /-го источника, i=\,..JSfi, на j- м приёмнике, j=\,...,M, в момент времени /, 0 < t < T при угловом положении ротационной подвижки фк, к=\,...,К. Параметры К и Т заданы. Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза с (г) 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
Figure imgf000008_0001
(фк, i) 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.
The problem is to ensure 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 by the fact that the test object is placed in a tank filled with water. For sounding, use N, N <50, mounted on the internal container surfaces of the same type of ultrasonic wave sources with a working frequency range of 50 - 600 kHz. To register the reflected and transmitted through the studied object ultrasonic waves, a linear array of receivers fixed on a rotational slide is used. The vertical spacing of the receivers in the array is from 1.5 to 2.5 mm. For one revolution of the rotational movement, the experimental data are recorded (φ 0. which are signals from the / -th source, i = \, .. JSfi, at the j-th receiver, j = \, ..., M, at the time /, 0 <t <T at the angular position of the rotational shift fk , k = \, ..., K. Parameters K and T are set. The reconstruction of a three-dimensional high-speed section c (g) is performed in two stages. At the first stage, the registered signals are digitally filtered by a low-pass filter with a bandwidth of up to 200 kHz; at the second stage, all recorded data in the frequency range 50 - 600 kHz is used. At each stage, the reconstruction of the velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the mean square error between the experimental data
Figure imgf000008_0001
(fc, i) and a numerically calculated wave field. At the first stage, c 0 (r) = const is taken as the initial approximation of the velocity section, and at the second stage, the velocity section obtained by minimizing the 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 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 Ni 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 g, 30°<g<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 N} графических процессоров. В способе получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.З формулы изобретения исследуемый объект помещают в заполненную водой ёмкость. Для зондирования используют закреплённые на внутренней поверхности ёмкости ультразвуковые источники двух типов, Ni источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200 - 600 кГц и -/V? ультразвуковых источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50 - 200 кГц. Общее количество источников N=Nj--N2 не превосходит 50. Число источников второго типа
Figure imgf000009_0001
меньше, чем Nt. 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 С/Э) у (f*, t), которые представляют собой импульсы от z-го источника,
Figure imgf000009_0002
на j-м приёмнике,
Figure imgf000009_0003
в момент времени ΐ, 0 < t < T, при угловом положении ротационной подвижки срк, к =\,...,К. Параметры К 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 50 - 200 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
Figure imgf000009_0004
(f*, 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.
Claim 2 describes a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 1, comprising a cylindrical container filled with water, on the inner surface of which Ni 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 is fixed on a rotational slide rotating around the axis of the cylinder, in which one of the linear arrays is located vertically parallel to the axis of the cylinder and the second at an angle g, 30 ° <g <60 ° to the axis of the cylinder. The vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm. The device contains an optical sensor of the rotation angle of the rotational shift, a probe pulse generator, preliminary amplifiers of the signals of the receivers, an analog-to-digital processing unit of the signals of the receivers, a computing device based on graphic processors (GPU cluster), containing N } graphic processors. In the method of obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 3 of the claims, the test object is placed in a container filled with water. For sounding, two types of ultrasonic sources fixed on the inner surface of the tank are used, Ni sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 kHz and - / V ? ultrasonic sources of the second type with an operating frequency range of 50 - 200 kHz. The total number of sources N = N j --N 2 does not exceed 50. The number of sources of the second type
Figure imgf000009_0001
less than N t . To register the reflected and transmitted through the studied object ultrasonic waves, a linear array of receivers mounted on a rotational slide is used. The vertical spacing of the receivers in the array is from 1.5 to 2.5 mm. For one revolution of the rotational movement, the experimental data C / E) are recorded for (f *, t), which are pulses from the z-th source,
Figure imgf000009_0002
on the j-th receiver
Figure imgf000009_0003
at time времени, 0 <t <T, with the angular position of the rotational movement cp k , k = \, ..., K. Parameters K and T are set. The reconstruction of the velocity section c (d) 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 only used 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 mean square error between the experimental data
Figure imgf000009_0004
(f *, t) and a numerically calculated wave field. At the first stage, c 0 (r) = const is taken as the initial approximation of the velocity section, and at the second stage, the velocity section obtained by minimizing the 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 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.З формулы изобретения, содержащее заполненную водой цилиндрическую ёмкость, закреплённые на внутренней поверхности ёмкости ультразвуковые источники двух типов, Nj источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200 - 600 кГц и N2 ультразвуковых источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50 - 200 кГц. Число источников второго типа N2 меньше, чем N/. Общее количество источников N=NJ+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 g, 30°< g < 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 Nj графических процессоров. Paragraph 4 of the claims describes a device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to paragraph 3 of the claims, containing a cylindrical container filled with water, mounted on the inner surface of the container ultrasonic sources of two types, N j sources of the first type with an operating frequency range of 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 N 2 is less than N / . The total number of sources N = N J + N 2 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 g, 30 ° <g <60 ° to the axis of the cylinder. The vertical spacing of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm. The device contains an optical sensor of the rotation angle of the rotational shift, a probe pulse generator, preliminary amplifiers of the signals of the receivers, an analog-digital processing unit of the signals of the receivers, a computing device based on graphic processors (GPU cluster) containing N j graphic processors.
В п.5 формулы изобретения описан вариант устройства по п.2 или п.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. Claim 5 describes a variant of the device according to claim 2 or claim 4, characterized in that the receiving elements in the linear array of receivers are arranged in two rows in a checkerboard pattern. The vertical spacing 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 п.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. Claim 6 describes a variant of the device according to claim 2 or claim 4, characterized in that for the rotation of the ruler, a motorized rotary table located under the bottom of the tank is used to control 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 1 - 1,5 МГц (US5673697A). Ультразвуковые источники излучают короткие зондирующие импульсы длительностью не более 15 мкс. Для формирования таких импульсов используются широкополосные источники. Использование в качестве зондирующего излучения низкочастотных ультразвуковых волн в диапазоне частот до 600 кГц 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 l=5 мм. Таким образом, размеры приёмников и расстояния между ними при регистрации волнового поля не превосходят l / 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 claimed invention uses low-frequency sources of ultrasonic waves with frequencies not exceeding 600 kHz, which distinguishes this application from most patents for ultrasound tomographs for the diagnosis of breast, in which frequencies of at least 1 - 1.5 MHz are used (US5673697A). Ultrasonic sources emit short probe pulses with a duration of not more than 15 μs. Broadband sources are used to generate such pulses. The use of low-frequency ultrasonic waves as probing radiation in the frequency range up to 600 kHz allows detailed recording of the wave field using a small number of receivers. To register the wave field, use one rotating linear array of receivers, or an assembly of two such arrays. A linear array of receivers rotating vertically around the axis of the vessel, located vertically, registers the wave field on the cylindrical surface surrounding the object. The vertical spacing of the receivers can be 1.5 - 2.5 mm. The size of the receivers in a linear array can also be 1.5 - 2.5 mm. For the frequency range from 50 to 600 kHz, the center frequency is about 300 kHz. This frequency corresponds to a wavelength of ultrasonic radiation l = 5 mm. Thus, the sizes of the receivers and the distances between them during the registration of the wave field do not exceed l / 2. The selected parameters provide a precise measurement of the wave field. Precise registration of the wave field allows reconstructing 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 qualitative reconstruction of the internal structure of the mammary gland, 30 to 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 п.4 формулы изобретения входит вычислительное устройство на графических процессорах (GPU-кластер), количество графических процессоров в котором совпадает с числом источников (N] ). При количестве источников N/ 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, not more than 50, significantly reduces the computational complexity of the inverse problem of reconstructing a three-dimensional high-speed section and allows you to effectively parallelize calculations using a GPU cluster as a computing tool. GPUs are ideal for calculating the propagation of ultrasonic waves in an inhomogeneous medium. Using a graphics card increases the performance of calculations in such tasks by tens of times. The composition of the device according to claim 2 or claim 4 of the claims includes a computing device based on graphic processors (GPU cluster), the number of graphic processors in which coincides with the number of sources (N ] ). With the number of sources N / of the order of 30-50, the use of the GPU cluster allows you to speed up calculations by 1000 or more times compared to a PC. Relatively few sources allows the use of compact GPU clusters as computing tools as part of 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 п.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. Фиг. 1-1 1 иллюстрируют устройства для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.2, п.4 и п.5 формулы изобретения. The invention is illustrated by graphic material, where figure 1 shows the location of the investigated object inside a tank filled with water; in FIG. 2 shows the shape and frequency spectrum of a broadband probe pulse; FIG. 3 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 2 of the claims with one linear array of receivers; in FIG. 4 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 2 of the claims with an assembly of two linear arrays of receivers; in FIG. 5 shows the arrangement of measuring points of the wave field on a cylindrical surface; FIG. 6 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 4 of the claims with one linear array of receivers; in FIG. 7 shows 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 receiver arrangement in embodiments of the device according to claim 2 or claim 4 of the claims, FIG. 9 shows the location of the receivers in the embodiment of the device according to claim 5, FIG. 10 shows a block diagram of a device for obtaining three-dimensional tomographic images; in FIG. 11 is a diagram of a rotary device of an array of receivers in a device according to claim 6; in FIG. 12 shows the shape and frequency spectrum of the probe pulse of the first type of sources; in FIG. 13 shows the shape and frequency spectrum of the probe pulse of the second type of sources; in FIG. Figure 14 shows the horizontal and vertical cross-sectional views of a 3D phantom used in model calculations; in FIG. 15 shows a horizontal and vertical velocity section reconstructed in a model problem at the first stage of reconstruction; FIG. 16 shows a horizontal and vertical velocity section reconstructed in a model problem at the second stage of reconstruction; FIG. 17 shows the signals measured for transmission and reflection, in FIG. Figure 18 shows a horizontal phantom velocity section and a velocity section reconstructed from experimental data. FIG. 1-1 1 illustrate devices for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 2, claim 4 and claim 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. На фиг. 2(a) приведён пример реального зондирующего импульса, на фиг. 2(6) приведён частотный спектр этого импульса. Как видно из рисунка, рабочий диапазон частот источника по уровню -15 дБ составляет 40 -600 кГц. Уровень -15 дБ означает ослабление сигнала в 5 раз. In FIG. 1 shows a tomographic diagram of a study of the mammary gland. The investigated object 2 is placed in a cylindrical tank 1. The tank is filled with water 3. For probing the mammary gland, the inventive device uses broadband sources of ultrasonic radiation, which make it possible to form short probe 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. In FIG. 2 (a) shows an example of a real probe pulse, in FIG. 2 (6) shows the frequency spectrum of this pulse. As can be seen from the figure, the operating frequency range of the source at a level of -15 dB is 40 -600 kHz. A level of -15 dB means a signal attenuation of 5 times.
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 и 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. In FIG. 3 shows a layout of sources and receivers in the device according to claim 2. Sources of ultrasonic radiation 4 are fixed on the inner surface of the tank and have a wide radiation pattern that overlaps the object under study. A vertical linear array of receivers 6, consisting of identical elements, is fixed on the rotary slide 5. The vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, which does not exceed half the wavelength of the probe radiation. Such a step of the arrangement of the receivers provides a precise registration of the wave field. The receivers are located between the test object and the surface of the cylindrical tank. The length of the array of receivers exceeds the dimensions of the investigated object vertically. In the FIG. In version 3 of the device, one linear array of receivers is used.
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 g, 30°<g<60° к вертикали. Общая высота сборки превышает габариты исследуемого объекта по вертикали. In FIG. Figure 4 shows the arrangement of sources and receivers in the device according to claim 2 in the embodiment 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 axis of the cylinder, and the second at an angle g, 30 ° <g <60 ° to the vertical. The total height of the assembly exceeds the dimensions of the investigated object vertically.
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. На фиг. 5 приведена схема расположения точек измерения волнового поля на цилиндрической поверхности. При каждом угловом положении массива приёмников f*, к=\ ,...,К, 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. Data collection is carried out in one revolution of the rotational movement 5. In the process of data collection, the array of receivers rotates around the vertical axis of the tank and registers the wave field on the cylindrical surface surrounding the object. The position of the array of receivers during each measurement is controlled using an optical sensor for the angle of rotation of the rotational movement. In FIG. Figure 5 shows the arrangement of the points of measurement of the wave field on a cylindrical surface. At each angular position of the array of receivers f *, k = \, ..., K, all sources in turn emit sounding pulses. Acoustic signals registered by receivers are digitized and stored. All experimental data necessary for the reconstruction of the velocity section are collected in one revolution of the rotational movement.
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 200 - 600 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. In FIG. 6 shows a layout of sources and receivers in a variant of the device according to claim 4 of the claims. In this embodiment of the device, two types of low-frequency ultrasonic sources are used. The number 7 shows the sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 kHz, the figure 8 shows the 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 FIG. In version 6 of the device, one linear array of receivers is used.
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 g, 30°< g < 60° к вертикали. Общая высота сборки превышает габариты исследуемого объекта по вертикали. 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. 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 / может составлять от 2 до 8 мм. Такой вариант расположения приёмников позволяет минимизировать переотражения ультразвука между приёмниками при заданном шаге регистрации волнового поля d. In FIG. 7 shows the arrangement of sources and receivers in the embodiment of the device according to claim 4, 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 axis of the cylinder, and the second at an angle g, 30 ° < g <60 ° to the vertical. The total height of the assembly exceeds the dimensions of the investigated object vertically. In FIG. Figure 8 shows the arrangement of receivers in a linear array of receivers in devices according to claim 2 and claim 4 of the claims. The vertical spacing of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm. In FIG. 9 shows the location of the receivers in a linear array in a variant of the device according to claim 5. The receivers are arranged in two rows in a checkerboard pattern. The vertical spacing of the receivers d is from 1.5 to 2.5 mm. The distance between the rows / can be from 2 to 8 mm. Such an arrangement of receivers allows minimizing ultrasound reflections between receivers at a given step of recording 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 Nj. Расчёт волнового поля для каждого источника осуществляется отдельным графическим процессором. In FIG. 10 shows a block diagram of the inventive device for obtaining three-dimensional tomographic images. The control computer 9 issues commands to set the preset position of the rotational movement of the receivers 5 and to generate sounding pulses by the pulse forming unit 10. The generated electrical pulses are sent to ultrasonic sources. In a variant of the device according to claim 4, two types of ultrasound sources with different frequency ranges are used. In a variant of the device according to claim 2, the same type of broadband ultrasonic sources are used. The ultrasonic waves transmitted through the object under investigation and reflected from the object are recorded by an array of receivers 6. The receivers are mounted on a rotary slide 5, the position of which is controlled by an optical angle sensor 11. At each position of the rotational move, the receivers record ultrasonic signals from all sources emitting sounding pulses in turn . Using the sensor 11, the exact position of the rotational movement during each measurement is transmitted to the control computer. The recorded signal from the receivers 6 is amplified by a block of pre-amplifiers 12 and digitized by a block of analog-to-digital converters (ADC) 13. The digitized data is transmitted to the control computer 9. The reconstruction of a three-dimensional high-speed section is carried out using a GPU cluster 14. The number of graphic processors in the cluster corresponds to the number of ultrasonic sources N j . 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. 11 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. A specific problem in the design of ultrasound tomographs for examining the mammary gland in water is the sealing of the tank when the rotary mechanisms are located outside the tank. One of the solutions to this problem is given in paragraph 6 of the claims. In FIG. 11 is a diagram of a rotary device array of receivers in the device according to claim 6. The rotary device is located under the bottom of the tank with water. The 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 internal space between the shaft and the sleeve is filled with oil. Seals and gaskets also provide tightness of the structure 20. The holder of the receiver array is attached to the upper part of the hollow shaft located inside the tank with water. Through the space inside the shaft, wires are removed from the receivers. After wiring, this space is sealed. The proposed option solves the problem of sealing the tank.
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 f*, к=1,... , все источники по очереди излучают зондирующие импульсы. Волновое поле 1 э) (f*, t) на j- ом приёмнике при излучении импульса г-ым источником, i=\,...,N, регистрируют как функцию времени /, 0 < t < T. Величина Т 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 ср* изменяется от 0 до 360°. Количество угловых положений К выбирают так, чтобы расстояние между соседними точками измерения на окружности, описываемой при вращении каждым приёмником (фиг. 5) не превышало половины длины волны зондирующего излучения. In this application, two variants of the method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine are proposed. In claim 1 of the claims describes a preferred variant of the method of obtaining 3D tomographic images. The studied object is placed in a tank filled with water, on the walls of which sources of probe 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 the same type of elements located in increments of 1.5 to 2.5 mm vertically, which does not exceed half the wavelength of the probe radiation. Array receivers rotate around the axis of the tank using a rotary movement. At each angular position of the rotational movement f *, k = 1, ..., all sources in turn emit sounding pulses. The wave field 1 e) (f *, t) at the jth receiver during pulse emission by the ith source, i = \, ..., N, is recorded as a function of time /, 0 <t <T. The value of T represents the time required to register each pulse is 200 to 400 μs. The receiver bandwidth includes a frequency range of 50 - 600 kHz. All data is recorded per revolution of the rotational movement, so that the angle sr * 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 by rotation of each receiver (Fig. 5) does not exceed half the wavelength of the probe radiation.
В п.З формулы изобретения описывается вариант способа получения 3D томографических изображений, в котором для формирования зондирующих импульсов используют ультразвуковые источники двух типов, Nj источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200 - 600
Figure imgf000017_0001
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 Nj. Общее количество источников N^N/+N2 не превосходит 50. Длительность зондирующих импульсов не превышает 15 мкс. На фиг. 12(a) 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(6) приведён частотный спектр этого импульса. На фиг. 13(a) приведён пример формы зондирующего импульса для источников второго типа. На фиг. 13(6) приведён частотный спектр этого импульса.
Paragraph 3 of the claims describes a variant of the method for obtaining 3D tomographic images, in which two types of ultrasound sources are used for generating probe pulses, N j sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600
Figure imgf000017_0001
sources of the second type with an operating frequency range of 50 - 200 kHz. Two sets of sources provide sounding of the test object with ultrasonic waves in the range of 50 - 600 kHz to obtain high-quality tomographic images. The number of sources of the second type N 2 is less than N j . The total number of sources N ^ N / + N 2 does not exceed 50. The duration of the probe pulses does not exceed 15 μs. In FIG. 12 (a) gives an example of the shape of the probe pulse of the first type of sources. The abscissa axis represents time in microseconds; the ordinate axis represents the acoustic pressure generated by the source. In FIG. 12 (6) shows the frequency spectrum of this pulse. In FIG. 13 (a), an example of the shape of the probe pulse for sources of the second type is given. In FIG. 13 (6) shows the frequency spectrum of this pulse.
Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза в способе по п.1 или п.З 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 уравнением
Figure imgf000018_0001
где u(r,i)— акустическое давление в точке г в момент времени t, с (г)— распределение скорости звука в исследуемом объекте, г— трёхмерный вектор r ={x, y zj, г0— заданная точка, в которой находится источник ультразвукового излучения, d (г) — дельта-функция Дирака, f(i) — функция, задающая форму зондирующего импульса. Обратная задача состоит в реконструкции скоростного разреза с {г) по измеренному волновому полю U (г, t) на поверхности, окружающей объект (фиг. 5). Реконструкция скоростного разреза осуществляется по всем зарегистрированным данным— как на отражение, так и на прохождение.
The reconstruction of a three-dimensional velocity section in the method according to claim 1 or claim 3 of the claims is carried out in the framework of a scalar wave model describing the phenomena of diffraction, refraction, and re-reflection of ultrasound in heterogeneous environment. The wave field in the scalar wave model is related to the propagation velocity of ultrasound by the hyperbolic equation
Figure imgf000018_0001
where u (r, i) is the acoustic pressure at the point r at time t, c (r) is the distribution of the speed of sound in the object under study, r is the three-dimensional vector r = {x, y zj, r 0 is the given point at which is the source of ultrasonic radiation, d (g) is the Dirac delta function, f (i) is a function that defines 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). The reconstruction of the high-speed section is carried out according to all recorded data - both for reflection and for passage.
Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза осуществляют с помощью итерационного процесса градиентной минимизации функционала невязки
Figure imgf000018_0002
The reconstruction of a three-dimensional velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the residual functional
Figure imgf000018_0002
Функционал невязки представляет собой среднеквадратичное отклонение экспериментальных данных на приёмниках ί/^,-j (f*, от численно рассчитанных данных lfc)ij (<р t). Функция
Figure imgf000018_0003
(f*, ή представляет собой волновое поле, рассчитанное с помощью решения прямой задачи распространения ультразвуковой волны от каждого /-го источника при заданном скоростном разрезе с ( г ). В формуле (2) суммирование по / осуществляется по всем используемым источникам, суммирование по j осуществляется по всем приёмникам,
Figure imgf000018_0004
суммирование по к осуществляется по всем углам поворота ротационной подвижки f*, к - 1,... , интегрирование по времени t осуществляется в диапазоне 0 < t < T, где Т— заданное время регистрации сигналов. При заданном скоростном разрезе с (г) значение функционала Ф(с) представляет собой число. Если скоростной разрез с (г) совпадает с реальным распределением скорости звука в исследуемом объекте, то 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 п.З 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 F' (с) функционала невязки Ф(с) однозначно определяет направление максимального убывания функционала Ф (с). На каждой п-ой итерации градиентного итерационного процесса осуществляется одномерная минимизация функционала Ф (с) в направлении максимального убывания функционала. Полученная точка минимума принимается за n-ое приближение скоростного разреза сп (г).
The residual functional is the standard deviation of the experimental data at the receivers ί / ^, - j (f *, from the numerically calculated data lf c) i j (<р t). Function
Figure imgf000018_0003
(f *, ή is a wave field calculated by solving the direct problem of ultrasonic wave propagation from each / -th source for a given velocity section c (d). In formula (2), summation over / is performed over all sources used, summation over j is carried out on all receivers,
Figure imgf000018_0004
summation over k is carried out over all angles of rotation of the rotational movement f *, k - 1, ..., integration over time t is carried out in the range 0 <t <T, where T is the given signal recording time. For a given speed section c (g), the value of the functional f (c) is a number. If the velocity section c (r) coincides with the actual distribution of the speed of sound in the object under study, then Φ (c) = 0. The approximate value of the velocity section is constructed in the iterative process of minimizing the residual functional Φ (s), starting from a given initial approximation from 0 (r). To minimize the residual functional, various methods of minimizing the functional can be used. In the claimed methods for obtaining three-dimensional tomographic images according to claim 1 and claim 3 of the claims, gradient methods of minimizing the functional are used, which are most effective for practical implementation on GPU clusters. The exact expression for the gradient of the residual functional is known (AVGoncharsky, SY Romanov, Iterative methods for solving coefficient inverse problems of wave tomography in models with attenuation, Inverse Problems 33 (2017), 025003). The gradient F '(c) of the residual functional Φ (c) uniquely determines the direction of the maximum decrease of the functional Φ (c). At each nth iteration of the gradient iterative process, the one-dimensional minimization of the functional Φ (c) is carried out in the direction of the maximum decrease of the functional. The resulting minimum point is taken as the nth approximation of the velocity section with n (r).
Реконструкцию трёхмерного скоростного разреза с{г) выполняют в два этапа. На первом этапе в качестве начального приближения скоростного разреза в итерационном процессе принимается с0 (г) = 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.З формулы изобретения на первом этапе используют только данные, полученные от источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50 - 200 кГц. The reconstruction of a three-dimensional high-speed section c (r) is performed in two stages. At the first stage, the initial approximation of the velocity section in the iterative process is taken with 0 (r) = const. To calculate the wave field at the first stage, data with a limited frequency band are used. In the embodiment of the method according to claim 1, at the first stage, digitally filter all registered signals using a low-pass filter with a bandwidth of up to 200 kHz. In the embodiment of the method according to claim 3 of the claims, at 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.З формулы изобретения на втором этапе используют только данные от источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200 - 600 кГц. At the second stage, as the initial approximation of the velocity section c (d), the velocity section obtained by minimizing the residual functional in the first stage is used. 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, all registered data in the frequency range 50 - 600 kHz. In the embodiment 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 are used.
Расчёт волнового поля осуществляют с помощью GPU-кластера, количество процессоров в котором соответствует количеству ультразвуковых источников ( Nj ). 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 Nj 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 wave field is calculated using a GPU cluster, the number of processors in which corresponds to the number of ultrasonic sources (N j ). The wave field calculation 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 the sum of the gradients of the residual functional for each source, which can be calculated independently. The use of a GPU cluster consisting of N j graphic processors allows efficient parallelization of gradient calculation for all sources. The use of such a cluster as part of the diagnostic complex allows you to accelerate the calculations in comparison with a personal computer 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 reconstructing a three-dimensional high-speed section, which describes well the effects of diffraction, refraction, and re-reflection of ultrasonic waves. The inverse problem of reconstructing a three-dimensional velocity section in the wave model is non-linear and very complex. Such tasks cannot be solved on a personal computer. The use of personal computers as part of tomographic systems necessitates the use of 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.З формулы изобретения с использованием источников зондирующего излучения двух разных типов. На фиг. 14 приведено изображение фантома с заданным распределением скорости распространения ультразвука с ( г ). На фиг. 14(a) приведено горизонтальное сечение X - Y трёхмерного распределения скорости звука с {х, у, z), на фиг. 14(6) — 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 high-speed section using the proposed method according to claim 3 of the claims using probing radiation sources of two different types. In FIG. Figure 14 shows an image of a phantom with a given velocity distribution. propagation of ultrasound with (g). In FIG. 14 (a) shows a horizontal section X - Y of the three-dimensional distribution of the speed of sound c (x, y, z), in FIG. 14 (6) - vertical section X - Z. Light areas correspond to a higher speed of sound, dark areas to a lower one. In FIG. 15 (a, b) shows the horizontal and vertical sections of the approximate solution obtained at the first stage of the reconstruction of the high-speed section using low-frequency probe pulses (Fig. 13). In FIG. 16 (a, b) shows the horizontal and vertical sections obtained at the second stage of the reconstruction of the high-speed section using high-frequency probe pulses (Fig. 12). As an initial approximation in the second stage, we used the approximate solution obtained in the first stage (Fig. 14). In a numerical experiment, a spatial resolution of the order of 2 mm was obtained both in the horizontal section and along the vertical axis. This resolution is quite acceptable for the diagnosis of soft tissue in medicine.
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 showed 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. The number of unknowns in the inverse problem of reconstruction of a velocity section is about 60 million. To solve such problems on a GPU cluster you can use graphics processors with a built-in memory of 6 - 12 GB, the RAM capacity of each computing node is 16 - 32 GB and the bandwidth of the communication network between nodes 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. Currently, devices that satisfy this requirement are widespread, and on their basis a GPU cluster can be assembled, which in its parameters may well be part of a tomographic diagnostic complex. Such a GPU cluster can be located within the same rack and have a power consumption of less than 10 kW. Thus, the infrastructure requirements imposed by the tomographic complex on the basis of the proposed device options for obtaining tomographic images are no higher than that of the widely used x-ray and magnetic resonance imaging. With the development of computer technology, infrastructure requirements will decrease, and the calculation time will be reduced.
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 of the proposed method and device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine from 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 inventive devices and method is the use of a relatively small number (not more than 50) of probing radiation sources in an ultrasound tomograph. For comparison, US5673697A uses a tomographic scheme in which the number of sources is tens of times greater than the number of sources in this patent application. The number of sources in the device proposed in this application determines the number of graphic processors in the GPU cluster, which is part of the ultrasound tomograph. A cluster containing no more than 50 GPUs does not impose strict requirements on the infrastructure of the diagnostic complex. If the number of processors in the cluster is more than 50, additional liquid cooling is required for the cluster, high infrastructure requirements are imposed, 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. 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. 2. The most important characteristic of any tomograph is 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, receiver sizes and distances between them) provide a wave field measurement with high accuracy. For precision recording of the wave field, you can use receivers located in steps of less than half the wavelength, which is 1.5 - 2.5 mm. Such receivers exist and are widespread. 3. The choice of the low-frequency range in which the frequencies of the probe radiation do not exceed 600 kHz is also important for the following reason. Ultrasound absorption in soft tissues is highly dependent on frequency. With a typical ultrasound absorption coefficient in soft tissues of 1 - 2 dB / cm / MHz, the attenuation of the signal at frequencies of 0.5 and 1.5 MHz may differ by 10 or more times. The use of low frequencies in the claimed invention allows for 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 high-speed section, two types of sources are used, operating in different frequency ranges. The use of probe pulses with a lower central frequency allows an approximate low-resolution velocity section. The reconstruction of a high-speed section with a low resolution takes several times less time than the reconstruction of a high-speed section with a high resolution, which significantly reduces the total time of reconstruction of a high-speed section. An increase in the resolution of the tomographic image is achieved at the second stage of the reconstruction process using probing pulses with a higher central frequency. It was shown in experiments 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 can reduce the examination time of the patient 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 tank, allows you to collect all the experimental data necessary for obtaining a three-dimensional tomographic image in one revolution of the rotational movement. Due to the use of rotational movement, the total number of receivers in the claimed devices does not exceed 100. This number of elements is tens of times smaller than in the scheme for registering ultrasonic radiation in US6786868B2. The scheme proposed in this application provides sufficient wave field accuracy for obtaining 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, так и по вертикальной оси Z. 6. Unlike existing patents, in which the reconstruction of tomographic images is carried out by layers (US8366617B2, US6005916A), in this application, the reconstruction result is a three-dimensional tomographic image obtained using all experimental data. This approach provides high resolution both in the horizontal X - Y plane and along the vertical Z axis.
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 Nt 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. The reconstruction of a three-dimensional high-speed section in the claimed invention is carried out using a GPU cluster, the number of graphic processors in which does not exceed 50. Most of the existing designs of ultrasound tomographs are focused on the use of personal computers, which forces us to use simplified mathematical models for calculations that do not fully describe physical processes . The use of the GPU cluster allows us to solve 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 re-reflection of ultrasound without simplifications. An important point is that the structure of the cluster, consisting of N t GPUs, in terms of the number of sources, allows you to efficiently parallelize the calculations, which provides an acceleration of calculations by 1000 or more times compared to a PC. Currently, such a cluster can be assembled on the basis of generally available components and, by its parameters, may well be part of the tomographic diagnostic complex.
Эффективность патентуемого изобретения демонстрируется нижеследующим примером. The effectiveness of the patented invention 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· метр/Вольт, 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 was assembled tomographic studies, in which the source and receiver independently moved both around the object being studied, and vertically. The angular position of the source and receiver was controlled 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 source conversion coefficient was 5 Pa · meter / Volt, operating voltage ± 80 V. A hydrophone with a diameter of the receiving element of 2.5 mm and a passband of 10 - 800 kHz was used as a receiver. The sensitivity of the receiver was -228 dB with respect 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 МГц 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 прошедшей через объект (а) и отражённой от объекта (б) ультразвуковых волн. The experiments were carried out at 24 positions of the source. At each position of the source, experimental data were collected on a cylindrical surface in increments of 0.5 ° around the circumference and 2.5 mm vertically. 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 frequency of 5 MHz and a resolution of 14 bits. This configuration of the stand allows you to obtain experimental data for implementing the method according to claim 1 of the claims. In FIG. Figure 2 shows the form (a) and the frequency spectrum (b) of a broadband probe pulse, experimentally measured on a bench in a homogeneous medium. In FIG. 17 shows the measured signals from transmitted through the object (a) and reflected from the object (b) of ultrasonic waves.
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(a). Светлые области на фиг. 18 соответствуют высокой скорости распространения ультразвуковых волн в фантоме, тёмные — низкой. На фиг. 18(6) 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 the parameters of human soft tissues. As a phantom, we used a silicone cylinder with a diameter of 56 mm containing inhomogeneities in which the speed of propagation of ultrasound varied from 1400 to 1800 m / s. The phantom velocity section is shown in FIG. 18 (a). The bright areas in FIG. 18 correspond to a high speed of propagation of ultrasonic waves in the phantom, dark to low. In FIG. 18 (6) shows a velocity section reconstructed from experimental data obtained in the same section. Spatial resolution of the reconstructed velocity section was no worse than 2 mm. The calculations were performed 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 performed showed the high efficiency of the technical solutions proposed in the patent application.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине, заключающийся в том, что исследуемый объект помещают в заполненную водой ёмкость, для зондирования используют Nj, iV/<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 с шагом расположения приёмников по вертикали от 1,5 до 2,5 мм, за один оборот ротационной подвижки регистрируют экспериментальные данные l 3)ij (f*, t), которые представляют собой сигналы от г'-го источника, /=l,.., V/, на j- м приёмнике, j=\,...,M, в момент времени t, 0 < t < T при угловом положении ротационной подвижки приёмников f*, к=1,...,К, реконструкцию трёхмерного скоростного разреза с (г) выполняют в два этапа, на первом этапе осуществляют цифровую фильтрацию зарегистрированных сигналов фильтром нижних частот с полосой пропускания до 200 кГ ц, 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 l/3) j (f*, ) и численно рассчитанным волновым полем, при этом 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. 1. A method of obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine, which consists in placing the test object in a container filled with water, for sensing using N j , iV / <50, mounted on the inner surface of the tank of the same type of ultrasonic wave sources with a working range frequencies of 50 - 600 kHz, for registration of reflected and transmitted through the studied object ultrasonic waves, a linear array of receivers fixed on a rotational slide is used with an arrangement step of vertical receivers from 1.5 to 2.5 mm, for one revolution of the rotational movement register experimental data l 3) i j (f *, t), which are signals from the r ' source, / = l, .. , V / , on the jth receiver, j = \, ..., M, at time t, 0 <t <T for the angular position of the rotational movement of the receivers f *, k = 1, ..., K, reconstruction a three-dimensional high-speed section with (g) is performed in two stages, at the first stage, the registered signals are digitally filtered by a low-pass filter with a passband of up to 200 kg c, at the second stage, all the registers are used data in the frequency range 50 - 600 kHz, at each stage, the reconstruction of the velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the mean square error between the experimental data l / 3) j (f *,) and the numerically calculated wave field, while at the first stage the initial approximation of the velocity section is taken c 0 (r) = const, and at the second stage, the velocity section obtained by minimizing the mean square error in the first stage is used as the initial approximation, the calculation in The wave field for each of the sources is carried out by a separate graphics processor.
2. Устройство для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.1 формулы изобретения, содержащее заполненную водой цилиндрическую ёмкость, закреплённые на внутренней поверхности ёмкости N/, N/<50, однотипных источников ультразвуковых волн с рабочим диапазоном частот 50 - 600 кГц, вращающуюся вокруг оси цилиндра ротационную подвижку, на которой закреплён линейный массив приёмников либо сборка из двух линейных массивов приёмников, шаг расположения приёмников по вертикали составляет от 1,5 до 2,5 мм, 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 Nj графических процессоров. 2. A device for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine according to claim 1 of the invention, containing a cylindrical container filled with water, mounted on the inner surface of the tank N / , N / <50, of the same type of ultrasonic wave sources with an operating frequency range of 50 - 600 kHz rotating around the cylinder axis there is a rotational movement, on which a linear array of receivers is fixed or an assembly of two linear arrays of receivers, the vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, an optical sensor for the rotation angle of the rotational movement, a probe pulse generator, preliminary signal amplifiers receivers, an analog-to-digital signal processing unit for receivers, a computing device based on graphic processors (GPU cluster), containing N j graphic processors.
3. Способ получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине, заключающийся в том, что исследуемый объект помещают в заполненную водой ёмкость, для зондирования используют закреплённые на внутренней поверхности ёмкости ультразвуковые источники двух типов, N 1 источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200 - 600 кГц и N2 ультразвуковых источников второго типа рабочим диапазоном частот 50 - 200 кГц, общее количество источников N=NI+N2<50, N2 < N , для регистрации отражённых и прошедших через исследуемый объект ультразвуковых волн используют закреплённый на ротационной подвижке линейный массив приёмников с шагом размещения приёмников по вертикали от 1,5 до 2,5 мм, за один оборот ротационной подвижки регистрируют экспериментальные данные 1^э)ц (f*, t ), которые представляют собой сигналы от /-го источника, /—I,. .,N, на j- м приёмнике,
Figure imgf000028_0001
в момент времени /, 0 < t < Т, при угловом положении ротационной подвижки cpk,
Figure imgf000028_0002
реконструкцию трёхмерного скоростного разреза с (г) выполняют в два этапа, на первом этапе используют данные только от источников второго типа, на втором этапе используют данные только от источников первого типа, на каждом этапе реконструкцию скоростного разреза осуществляют с помощью итерационного процесса градиентной минимизации среднеквадратичной ошибки между экспериментальными данными 1 э)ц (f*, /) и численно рассчитанным волновым полем, при этом 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.
3. A method for obtaining three-dimensional tomographic images of the internal structure of the mammary gland in medicine, which consists in placing the test object in a container filled with water, for probing, two types of ultrasonic sources, N 1 sources of the first type, with a working frequency range of 200, are mounted on the internal surface of the tank - 600 kHz and N 2 of the second type of ultrasonic sources operating frequency range 50 - 200 kHz, the total number of sources N = N I + N 2 <50, N 2 <N, for registration of the reflected and transmitted through issl object under investigation using ultrasonic waves fitted on the rotary motions the linear array of receivers with the accommodation step receivers vertically from 1.5 to 2.5 mm, in one rotational motions turnover recorded experimental data 1 e ^) q (f *, t), which are signals from the / -th source, / —I ,. ., N, on the jth receiver,
Figure imgf000028_0001
at time t, 0 <t <T, with the angular position of the rotational movement cp k ,
Figure imgf000028_0002
reconstruction of a three-dimensional velocity section c (d) is performed in two stages, at the first stage, data are used only from sources of the second type, at the second stage, data are used only from sources of the first type, at each stage, reconstruction of the velocity section is carried out using an iterative process of gradient minimization of the mean square error between the experimental data of 1 e) q (f *, /) and the numerically calculated wave field, in this case, at the first stage, c 0 (r) = const, and for W In the second stage, the velocity section obtained as a result of minimizing the mean-square error at the first stage is used as the initial approximation; the wave field for each of the sources is carried out by a separate graphics processor.
4. Устройство для получения трёхмерных томографических изображений внутренней структуры молочной железы в медицине по п.З формулы изобретения, содержащее заполненную водой цилиндрическую ёмкость, закреплённые на внутренней поверхности ёмкости ультразвуковые источники двух типов, N1 источников первого типа с рабочим диапазоном частот 200 - 600 кГц и N2 ультразвуковых источников второго типа с рабочим диапазоном частот 50 - 200 кГц, общее количество источников N=Ni+N2<50, N2 < Ni, вращающуюся вокруг оси цилиндра ротационную подвижку, на которой закреплён линейный массив приёмников либо сборка из двух линейных массивов приёмников, шаг расположения приёмников по вертикали составляет от 1,5 до 2,5 мм, 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 N] графических процессоров. 4. 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, containing a cylindrical container filled with water, two types of ultrasonic sources fixed to the internal surface of the vessel, N1 sources of the first type with an operating frequency range of 200 - 600 kHz and N2 ultrasonic sources of the second type with the working frequency range 50 - 200 kHz, the total number of sources N = Ni + N 2 <50, N 2 <Ni, rotating around the cylinder axis of the rotary motions, which fasten a linear array of receivers or an assembly of two linear arrays of receivers, the vertical spacing of the receivers is from 1.5 to 2.5 mm, an optical sensor for the rotation angle of the rotational movement, a probe pulse generator, preliminary amplifiers of the signals of the receivers, an analog-to-digital signal processing unit receivers, a computing device based on GPUs (GPU cluster) containing N ] GPUs.
5. Устройство по п.2 или п.4 формулы изобретения, отличающееся 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. 5. The device according to claim 2 or claim 4 of the claims, characterized in that the receiving elements in the linear array of receivers are arranged in two staggered rows, the vertical spacing of the receivers is from 1, 5 to 2.5 mm, the distance between ranks from 2 to 8 mm.
6. Устройство по п.2 или п.4 формулы изобретения, отличающееся тем, что для вращения массива приёмников используется расположенный под дном ёмкости моторизованный поворотный стол с контролем углового положения линейки с помощью оптического датчика. 6. The device according to claim 2 or claim 4 of the claims, characterized in that for the rotation of the array of receivers, a motorized rotary table located under the bottom of the tank is used to control the angular position of the ruler using an optical sensor.
PCT/RU2019/000508 2018-07-18 2019-07-16 Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out said method WO2020018000A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EA201800474 2018-07-18
EA201800474A EA036092B1 (en) 2018-07-18 2018-07-18 Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020018000A1 true WO2020018000A1 (en) 2020-01-23

Family

ID=69165198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000508 WO2020018000A1 (en) 2018-07-18 2019-07-16 Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out said method

Country Status (2)

Country Link
EA (1) EA036092B1 (en)
WO (1) WO2020018000A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116327250A (en) * 2023-02-13 2023-06-27 中国科学院地质与地球物理研究所 Mammary gland ultrasonic three-dimensional imaging method based on full waveform inversion technology

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995031136A1 (en) * 1994-05-17 1995-11-23 Dornier Medical Systems, Inc. Method and apparatus for ultrasonic thermotherapy
US20070282200A1 (en) * 1992-10-14 2007-12-06 Johnson Steven A Apparatus and method for imaging objects with wavefields
US20130018591A1 (en) * 2011-07-17 2013-01-17 Grzegorczyk Tomasz M Fast tomographic microwave imaging
US20170086788A1 (en) * 2011-01-13 2017-03-30 Ultrasonic Medical Mapping, Llc Non-imaging low frequency ultrasonic testing and diagnostic evaluation system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070282200A1 (en) * 1992-10-14 2007-12-06 Johnson Steven A Apparatus and method for imaging objects with wavefields
WO1995031136A1 (en) * 1994-05-17 1995-11-23 Dornier Medical Systems, Inc. Method and apparatus for ultrasonic thermotherapy
US20170086788A1 (en) * 2011-01-13 2017-03-30 Ultrasonic Medical Mapping, Llc Non-imaging low frequency ultrasonic testing and diagnostic evaluation system
US20130018591A1 (en) * 2011-07-17 2013-01-17 Grzegorczyk Tomasz M Fast tomographic microwave imaging

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116327250A (en) * 2023-02-13 2023-06-27 中国科学院地质与地球物理研究所 Mammary gland ultrasonic three-dimensional imaging method based on full waveform inversion technology
CN116327250B (en) * 2023-02-13 2023-08-25 中国科学院地质与地球物理研究所 Mammary gland ultrasonic three-dimensional imaging method based on full waveform inversion technology

Also Published As

Publication number Publication date
EA036092B1 (en) 2020-09-25
EA201800474A1 (en) 2020-01-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gemmeke et al. 3D ultrasound computer tomography for medical imaging
JP5939786B2 (en) Acoustic wave acquisition device
Gemmeke et al. 3D ultrasound computer tomography: Hardware setup, reconstruction methods and first clinical results
US6450960B1 (en) Real-time three-dimensional acoustoelectronic imaging and characterization of objects
US5435312A (en) Acoustic imaging device
Goncharsky et al. A computer simulation study of soft tissue characterization using low-frequency ultrasonic tomography
US4805627A (en) Method and apparatus for identifying the distribution of the dielectric constants in an object
Ruiter et al. Realization of an optimized 3D USCT
Stotzka et al. Medical imaging by ultrasound computer tomography
JP6174656B2 (en) Hand-held device and method for stereoscopic real-time photoacoustic imaging of an object
US11872078B2 (en) Device, system, and method for hemispheric breast imaging
US20210132005A1 (en) Spatiotemporal antialiasing in photoacoustic computed tomography
Jiang et al. Ray theory-based transcranial phase correction for intracranial imaging: A phantom study
Jin et al. Frequency domain based virtual detector for heterogeneous media in photoacoustic imaging
EP3239706B1 (en) Apparatus and method for inspecting an object using ultrasonic waves in the field of material testing
JP2024507315A (en) Reflection ultrasound tomography imaging using full waveform inversion
WO2020018000A1 (en) Method for producing 3d ultrasonic tomograms and device for carrying out said method
WO1995028883A1 (en) Acoustic imaging device
Tasinkevych et al. Circular radon transform inversion technique in synthetic aperture ultrasound imaging: an ultrasound phantom evaluation
WO2023047601A1 (en) Image generation method, image generation program, and image generation apparatus
JP6218884B2 (en) Information acquisition device
Lasaygues et al. Circular antenna for breast ultrasonic diffraction tomography
Schmidt et al. Modification of Kirchhoff migration with variable sound speed and attenuation for tomographic imaging of the breast
Simonetti et al. Synthetic aperture diffraction tomography for three-dimensional imaging
Balzer et al. 3D ultrasound computer tomography for breast cancer diagnosis

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19837603

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 28.05.2021)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19837603

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1