_{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.

1. 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 c₁₁ = c₂₂ коэффициент проникновения максимален и равен 1. В этом случае УЗ волны проходят во вторую среду без отражения.

Если c₁₁ << c₂₂, 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 β_e1, β_t1 и α_e1, α_t1 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.