Исследование и разработка новых алгоритмических методов для синтеза трехмерных изображений высокого разрешения в ультразвуковой медицинской диагностике

• Автор: Елизаров, Алексей Борисович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 170 с. : ил.

Оглавление
Введение.

Глава 1. Основные соотношении для описания сканировании в декартовых координатах.

1. Вывод волнового уравнения.

2. Решение волнового уравнения в приближении Борна.

3. Анализ диаграмм направленности

4. Гауссов пучок.

5. Иллюстрации.

Глава 2. Цифровая обработка сигналов

1. Переход к дискретному сигналу.

2. Непрерывное и дискретное преобразования Фурье.

Аналитическое представление сигнала.
3. Связь дискретных и непрерывных функций
4. Вычисления с дискретными сигналами
Глава 3. Моделирование сигналов.
1. Модель среды
2. Алгоритм моделирования сигналов.
3. Методика универсального физического эксперимента
Глава 4. Методы построения двумерных изображений
1. Метод динамической фокусировки на прием и метод
синтетической апертуры
2. Двумерный метод формирования бездифракционного луча.
3. Метод 2х передатчиков
4. Результаты экспериментов
5. Заключение
6. Иллюстрации.
Глава 5. Трехмерный метод формирования бездифракционного
1. Теория
2. Алгоритм цифровой обработки сигналов.
3. Оценка влияния движения объектов среды.
4. Результаты экспериментов.
5. Выводы.
6. Иллюстрации
Глава 6. Комбинированный метод электронномеханического
сканирования линейной решеткой
1. Схема сканирования
2. Алгоритм фокусировки с временными задержками.
3. Алгоритм фокусировки с формированием виртуальной решетки.
4. Экспериментальная установка.
5. Результаты экспериментов
6. Выводы
7. Иллюстрации.
Глава 7. Метод электронного трехмерного сканирования с
формированием двумерной виртуальной решетки.
1. Схема излучения и приема сигналов.
2. Алгоритм фокусировки с формированием виртуальной решетки
с когерентным сложением.
3. Алгоритм раздельной фокусировки формирования виртуальной
решетки с некогеренгным сложением
4. Результаты экспериментов
5. Выводы
6. Иллюстрации.
Заключение
Литература


Рассматриваются традиционная схема сканирования апертурой с фиксированным фокусом и новая схема, использующая линейную решетку, у которой излучение осуществляется только крайними элементами, что позволяет значительно уменьшить время съёма данных. Производится сравнение с методом динамической фокусировки на прием, используемым во многих современных приборах ультразвуковой медицинской диагностики, и с методом синтетической апертуры. Главы 5, 6 и 7 посвящены собственно 3-Б изображениям. Предлагаются 3 типа схем сканирования, из них 2 являются новыми, не имеющими аналогов в мире. Строятся алгоритмы обработки сигналов. Выводятся теоретические оценки характеристик данных схем сканирования с указанными алгоритмами обработки данных, приводятся результаты компьютерного моделирования и физических экспериментов. В заключении приводятся основные результаты, полученные в работе. Научная новизна заключается в использовании многомерных преобразований Фурье сигналов при выводе и анализе алгоритмов обработки сигналов и при поиске новых схем сканирования. Разработана математическая теория, позволяющая обосновать предлагаемые методы и получить теоретические оценки их характеристик. Разработаны методы формирования 3-0 ультразвуковых изображений, обеспечивающие высокое пространственное разрешение, низкий уровень боковых лепестков и имеющие алгоритмы с эффективной реализацией в системах цифровой обработки данных с точки зрения количества арифметических операций. Также разработаны принципиально новые методы, имеющие большую вычислительную сложность, позволяющие существенно сократить время съема данных для формирования одного кадра 3-0 изображения (порядка времени формирования двумерного изображения в современных приборах ультразвуковой диагностики) при обеспечении высокого пространственного разрешения, низкого уровня боковых лепестков и высокого отношения сигнал-шум. Предложенные методы обладают высокой практической ценностью, т. D ультразвуковых изображений в медицине при исследованиях неподвижных органов и обеспечить получение 3-D изображений высокого разрешения для быстро движущихся органов. Методы могут также найти применение в неразрушающем контроле материалов. Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, г. Международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», Москва, г. Научная сессия, посвященная Дню радио, Российского НТОРЭС им. Л. С. Попова, Москва, г. Радиоэлектроника в медицинской диагностике», Москва, г. Научная сессия, посвященная Дню радио, Российского НТОРЭС им. А. С. Попова, Москва, г. Международный симпозиум IEEE по ультразвуку ( IEEE International Ultrasonics Symposium), Мюнхен, г. XIII сессия Российского акустического общества, Москва, г. Международный симпозиум IEEE по ультразвуку ( IEEE International Ultrasonics Symposium), Гавайи, г. По теме диссертации опубликовано печатных работ. Как показывают результаты исследований [], [], распространение ультразвука в мягких биологических тканях можно достаточно точно описывать уравнениями гидродинамики. Обозначим через у скорость частиц среды, Р1 — давление в среде, рЕ — плотность среды. У)у——У/>, (1. У,р? Р) = 0. Здесь Р^. Ръ(гу у = у(г,/), р? Пространственные координаты обозначаются радиус-вектором г =(х,у,г), / обозначает время. Будем считать, что в среде отсутствует макроскопическое движение, не связанное с волновыми колебаниями, т. Кр=0. У)/>=с2 ^- + (у,У)р? Соответственно, в (1. У/>? С2Ре(^у) = 0. Р„+ />(/=,<), (1. Поскольку Рр удовлетворяет уравнениям (1. Р = 0), оно не зависит не только от времени, но и от пространственных координат. Пренебрегая величинами второго порядка малости по амплитуде волны в уравнениях (1. Р!;(У,у) = 0. Дифференцируя (1. Т(Ур? Ы р? Рг(':. Ро+5Р(':) + Р'(':>/)> с(? Э2/,-У2/> = 2^! У5Р>УР). Со д! Применим приближение Борна первого порядка. И|«И|. Рк — давление волны, создаваемой излучателем, не зависящее от неоднородностей среды, Рг — давление волны, рассеянное неоднородностями. Преломление волн и повторное рассеяние в первом борновском приближении не учитывается. Далее для анализа перейдем к преобразованию Фурье по времени давления в среде [].