- •Содержание
- •Введение
- •Разработка алгоритма преобразования биомедицинской информации с целью реконструкции медицинского изображения
- •3. Обоснование выбора и использование математических методов обработки информации
- •4. Разработка структуры компьютерного томографа
- •5. Разработка требований к помещению, в котором размещаются системы компьютерной томографии
- •Заключение
- •Список использованных источников
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет
«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
Кафедра Биотехнических систем
ИДЗ
по дисциплине «Медицинские системы компьютерной томографии»
Тема: Реконструкция медицинского изображения в системах ультразвуковой компьютерной томографии
Студент гр. 7503 |
|
Исаков А.О. |
Преподаватель |
|
Горяева А.Ю. |
Санкт-Петербург
2022
ЗАДАНИЕ
на ИДЗ
Студент Исаков А.О. |
||
Группа 7503 |
||
Тема работы: Реконструкция медицинского изображения в системах ультразвуковой компьютерной томографии
|
||
Исходные данные: Литературные источники |
||
Содержание пояснительной записки: Пояснительная записка включает в себя следующие разделы: «Содержание», «Введение», «Основная часть», «Заключение», «Список использованных источников» |
||
Предполагаемый объем пояснительной записки: Не менее 12 страниц. |
||
Дата выдачи задания: 16.09.2022 |
||
Дата сдачи реферата: 13.11.2022 |
||
Дата защиты реферата: 18.11.2022 |
||
Студент |
|
Исаков А.О. |
Преподаватель |
|
Горяева А.Ю. |
Содержание
|
Введение |
4 |
1. |
Описание характеристик физических полей до и после взаимодействия с биотехническим объектом и процедуры преобразования свойств физического поля в результате взаимодействия с биологическим объектом |
5 |
2. |
Разработка алгоритма преобразования биомедицинской информации с целью реконструкции медицинского изображения |
10 |
3. |
Обоснование выбора и использование математических методов обработки информации |
14 |
4. |
Разработка структуры компьютерного томографа |
16 |
5. |
Разработка требований к помещению, в котором размещаются системы компьютерной томографии |
19 |
|
Заключение |
21 |
|
Список использованных источников |
22 |
|
|
|
Введение
Ультразвуковая компьютерная томография (УЗКТ) – это форма медицинской ультразвуковой томографии, использующая ультразвуковые волны как физическое явление для визуализации. В основном используется для медицинской мягких тканей, особенно молочной железы.
Ультразвуковая диагностика получила широкое распространение в медицине и в настоящий момент ее значение огромно. Практически все ЛПУ, начиная с больниц и заканчивая даже отдельными кабинетами врачей, оснащены ультразвуковой диагностической аппаратурой, позволяющей в кратчайшие сроки и при незначительных затратах выявить многие заболевания и патологии. Такая популярность связана с целым рядом достоинств подобной техники:
ультразвуковая медицинская аппаратура характеризуется высокой степенью совершенства, и ее конструкция использует достижения современной электроники и информатики;
данные методы характеризуются относительной безопасностью. В самом деле, при уровнях экспозиции, соответствующих данной степени риска для пациента, УЗ-методы исследования способны обеспечить значительно более высокое отношение уровня сигнал/шум в изображении, чем системы медицинской визуализации, основанные на применении ионизирующих излучений;
в случае УЗ-исследований ограничения обычно определяются факторами, не связанными с радиационной безопасностью;
использование ультразвука позволяет получить высококачественные, быстро сменяющиеся изображения с частотой кадров выше пороговой частоты, за которой наблюдатель уже не воспринимает мерцаний.
Следует отметить, что с учетом простоты технической реализации УЗ-сканирующих устройств ультразвук превосходит в этом отношении все другие средства медицинской интроскопии.
Описание характеристик физических полей до и после взаимодействия с биотехническим объектом и процедуры преобразования свойств физического поля в результате взаимодействия с биологическим объектом
Ультразвук – это волновое движение в деформируемой среде, частоты волн которого лежат выше уровня слышимости человеческого уха (свыше 20 кГц). В медицинской практике используются частоты от десятков кГц до нескольких десятков МГц, в редких случаях – до нескольких ГГц [1].
Ультразвуковые компьютерные томографы используют ультразвуковые волны для создания изображений. На первом этапе измерения определенная ультразвуковая волна генерируется обычно пьезоэлектрическими ультразвуковыми преобразователями, которые основаны на пьезоэлектрическом эффекте. Его суть заключается в нарушении равновесного распределения электрических зарядов в некоторых материалах при их деформации и, следовательно, в возникновении разности электрических потенциалов между различными точками деформируемого образца. Обратный пьезоэффект состоит в том, что при приложении к образцу из пьезоматериала разности электрических потенциалов материал деформируется.
Для получения ультразвука предварительно генерируют высокочастотные механические колебания в цепях специального генератора, электрический потенциал с которого прикладывается к образцу из пьезоматериала. Проявление обратного пьезоэффекта приводит к высокочастотным механическим колебаниям пьезоизлучателя. Вводя образец в контакт с биотканью, получают ультразвуковые возмущения для целей диагностики и терапии. Для улучшения акустического контакта между излучателем и биотканью обычно используют специальные смазки (гели).
Кроме пьезоэлектрических могут использоваться магнитострикционные датчики. Если поместить подобный материал в высокочастотное магнитное поле, генерируемое специальным генератором высокочастотных электромагнитных колебаний, то такое устройство может быть применено для получения ультразвуковых возмущений – точно так же, как и пьезоэлектрические преобразователи. Диапазон частот в этом случае ограничен уровнем 100 кГц.
После генерации, ультразвуковая волна передается в направлении объекта измерения и принимается другими или теми же ультразвуковыми преобразователями. Во время прохождения и взаимодействия с объектом ультразвуковая волна изменяется объектом и несет информацию об объекте. После записи информация из модулированных волн может быть извлечена и использована для создания изображения объекта.
В отличие от рентгеновских или других физических свойств, которые обычно предоставляют только одну информацию, ультразвук предоставляет множественную информацию об объекте для визуализации: ослабление звукового давления волны указывает на коэффициент ослабления объекта, время прохождения волны дает информацию о скорости звука, а рассеянная волна указывает на эхогенность объекта (например, показатель преломления, морфология поверхности и т. д.).
Поглощение и распространение УЗ-волн зависит как от свойств среды (плотности, вязкости, температуры), так и от интенсивности и частоты ультразвука.
В среде интенсивность ультразвука убывает по экспоненциальному закону:
|
|
где I – интенсивность УЗ-волны на глубине проникновения h, I0 – интенсивность УЗ-волны у поверхности вещества, k – коэффициент поглощения, который зависит от плотности и вязкости среды, а также от частоты УЗ-волны. При уменьшении интенсивности проходящей ультразвуковой волны в е раз (2,7) показатель степени kh=1.
Известно, что чем больше частота волны, тем меньше глубина её проникновения (зависимость между глубиной и частотой обратно пропорциональная). Так ультразвук от 1600 до 2600 кГц проникает на глубину 1 сантиметр, а от 800 - 900 кГц проникает на глубину 4-5 сантиметров.
Коэффициент поглощения в жидких средах пропорционален их вязкости и квадрату частоты колебаний, быстро увеличивается с возрастанием частоты и зависит от свойств вещества, температуры, давления и других условий. Вычисляется по формуле:
|
|
где k – коэффициент поглощения, – коэффициент вязкости, f – частота колебания, – плотность вещества, с – скорость света.
Поглощенная биосредой УЗ - энергия выделяется в основном в виде тепла, что приводит к повышению температуры вещества. Теплопродукция в разных тканях неодинакова из -за различий в их коэффициентах поглощения.
Отражение УЗ на границе раздела сред зависит от соотношения волнового сопротивления сред. Волновое сопротивление является характеристикой среды, определяющей условие отражения и преломления волн на границе сред.
Пусть УЗ-волна падает нормально на границу раздела сред. Интенсивность падающей волны – I1, интенсивность преломленной волны – I2.
Коэффициент проникновения звуковой волны вычисляется по формуле:
|
|
По закону Релея:
|
|
При c11 = c22 коэффициент проникновения максимален и равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения.
Если c11 << c22, то коэффициент проникновения рассчитывается по формуле:
|
|
В этом случае проникновение будет незначительное, а отражение УЗ-волны максимальное. Например, коэффициент проникновения на границе воздух-кожа составляет 0.08%.
Ультразвук на границе сред
Если на пути распространения УЗ волны встречается другая среда, то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая – отражается в первую среду. На границе раздела происходят основные явления: отражение, преломление и трансформация волн.
Преломление – это изменение направления распространения волны, а трансформация – преобразование (превращение) волны одного типа в другой. Переходы исходного состояния волны в другие связаны энергетическими соотношениями, определяемыми, главным образом, типом падающей волны, углом ее падения и соотношением удельных акустических сопротивлений обеих сред. В общем случае, если волна падает на границу раздела двух твердых сред под углом β из первой среды во вторую, то в обеих средах возникают четыре волны: в каждой по две волны продольного и поперечного типа.
Рисунок 1 – Ультразвук на границе сред
Причем при облучении продольной l – волной образуются отраженные продольная l1 и поперечная t1, возникшая в результате явления трансформации, и две преломленные волны l2 и t2, из которых последняя трансформированная (рисунок слева).
При облучении поперечной волной также образуются отраженные волны l1 и t1, но трансформированная волна уже продольная, и две преломленные – l2 и t2, где волна продольного типа l2 также трансформированная (рисунок справа). Углы отражения βe1, βt1 и αe1, αt1 преломления (ввода) отсчитываются от нормали к границе раздела в точке падения (ввода), они связаны между собой и углом падения β через соответствующие скорости законом Снеллиуса (закон «синусов» в оптике» в оптике):
= |
|
Действие УЗ на ткани
При взаимодействии УЗ с веществом можно условно выделить три действия:
механическое;
тепловое;
химическое.
Механическое действие. В жидких средах при действии ультразвука амплитуда переменного давления изменяется в зависимости от плотности среды, скорости распространения УЗ-волн и частоты колебания частиц среды. В момент растяжения (пониженное давление) жидкость может разорваться и в ней могут образоваться микрополости (каверны), заполненные парами жидкости. Это явление образования микрополостей называется кавитацией. Растяжение, которое могут выдержать жидкости зависит от примесей в них (наличие газов и газовых пузырьков). При образовании каверн плотность жидкости понижается, а скорость колебательного движения частиц увеличивается. Таким образом УЗ-волны оказывает механическое действие, в основе которого лежит действие переменного давления, создающего кавитацию.
Тепловое действие. Кавитационные микрополости, образующиеся в среде при прохождении ультразвука, существуют короткое время. Пониженное давление в каждой точке среды существует лишь на протяжении полупериода колебаний, затем сменяется повышенным давлением, что приводит к быстрому захлопыванию микрополостей. В результате увеличения колебательного движения частиц среды, а также захлопывания каверн, в небольших объемах выделяется большая тепловая энергия, что приводит к повышению температуры среды. Следовательно, ультразвук оказывает тепловое действие. Тепловой эффект ультразвука зависит от его интенсивности и длительности.
Химическое действие. При захлопывании каверн молекулы среды движутся с большой скоростью и испытывают взаимное трение, вследствие чего молекулы могут возбуждаться и ионизироваться, так как возможен разрыв молекулярных связей. Это в свою очередь приводит к образованию ионов и радикалов. Например, молекула воды расщепляется на водород и гидроксильную группу, образуются радикалы водорода и гидроксильной группы. Ионы и радикалы вступают во взаимодействие с белками, липидами и нуклеиновыми кислотами, что может привести к пространственной перестройкой внутриклеточных молекулярных компонентов. Таким образом, при кавитации образуются реакционноспособные вещества, которые вступают во взаимодействие с молекулами, следовательно УЗ оказывает химическое действие. Проявляется химическое действие не сразу после облучения, а по истечению некоторого времени.