Разработка и исследование математических моделей высоконаправленных ультразвуковых пучков для визуализирующих систем

• Автор: Плаксиенко, Елена Анатольевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 174 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. МОДЕЛИ ОГРАНИЧЕННЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ

1.1. Методы повышения качества ультразвуковой визуализации

1.2. Линейные модели распространения ультразвуковых волн

1.3. Нелинейные математические модели ультразвуковых пучков

1.4. Квазифокусирующее амплитудное распределение

1.5. Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ МОДЕЛЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

2.1 Математическая модель акустических волн на основе

уравнения Гельмгольца

2.2. Исследование характеристик акустических полей в линейной среде
2.3. Линейная модель ультразвуковых пучков на основе уравнения ХЗК
2.4. Сравнение линейных моделей ультразвуковых пучков
2.5. Выводы
3. НЕЛИНЕЙНЫЕ МОДЕЛИ АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ
3.1. Математическая модель параметрического излучения
3.2. Решение уравнения ХЗК во втором приближении
3.3. Исключение несобственного интеграла
3.4. Определение характеристик акустического пучка
при квазифокусирующем распределении
3.5. Исследование математической модели параметрического излучения
3.6. Выводы
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМЫ АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ ПРИ КВАЗИФОКУСИРУЮЩЕМ АМПЛИТУДНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ
4.1. Цели и критерии исследования
4.2. Влияние кривизны квазифокусирующего распределения
4.3. Влияние положения максимума квазифокусирующего распределения
4.4. Влияние внешней области квазифокусирующего распределения
4.5. Исследование особенностей параметрического излучения
4.6. Выводы
5. АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АКУСТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ
5.1. Построение характеристик акустических пучков на ЭВМ
5.2. Построение характеристик акустических пучков в линейной среде
на основе уравнения Гельмгольца
5.3. Программа построения характеристик ультразвуковых пучков
на основе уравнения ХЗК первого приближения
5.4. Программа для построения характеристик ультразвуковых пучков параметрических излучателей
5.5. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Однородность изображения характеризуется уровнем разрешения по всему полю обзора. В случае слабой однородности наблюдается высокое качество изображения в одних областях наряду с «размазанностью и полной потерей детализации» в остальных зонах поля обзора [, ,]. Перечисленные параметры систем визуализации зависят как от характеристик зондирующего пучка, формируемого ультразвуковым преобразователем, так и от качества обработки отраженного сигнала. В настоящее время большинство научных исследований посвящено именно усовершенствованию методов обработки отраженных сигналов [7, , , , , ]. Наиболее существенные результаты в этом направлении получены методом компьютерной сонографии []. Система компьютерной сонографии позволяет извлечь максимальный объем диагностической информации из отраженного сигнала. Однако этот подход требует разработки очень сложного и поэтому дорогостоящего математического и программного обеспечения, что приводит к значительному удорожанию ультразвуковых систем визуализации. В то же время, необходимо отметить, что изображение, получаемое при использовании компьютерных методик улучшения изображения, не всегда соответствует реальному, так как оно строится с использованием различных аппроксимаций. Другая возможность повышения качества улыразвуковых изображений, связанная с оптимизацией параметров ультразвукового пучка, в современной научной литературе освещена в меньшей степени [,, ]. В то же время, данный подход предстааляется более перспективным, поскольку направлен на улучшение непосредственно процесса получения информации. Известно, что разрешающая способность зондирующего пучка тем выше, чем уже пучок [, , , , ]. Таким образом, для получения высококачественных ультразвуковых изображений необходимо решить задачу формирования узких, высоконаправленных звуковых пучков. В дальнейшем иод узким, высоконаправленным пучком понимается ультразвуковой пучок, при котором обеспечивается однородность обзора независимо от расстояния наблюдения. В настоящее время применяются следующие методы повышения направленности ультразвуковых пучков: использование ультразвуковых преобразователей с малой апертурой, повышение рабочей частоты преобразователя, использование различных мегодов фокусировки, применение параметрических излучателей. Значительное уменьшение ширины ультразвукового пучка можно получить за счет повышения рабочей частоты. Однако, повышение рабочей частоты приводит к увеличению поглощения ультразвуковой энергии и соответственно уменьшению глубины лоцирования или визуализации. Применение сверхвысоких частот в диагностических системах ограничено также по физиологическим причинам, так как для медицинских целей могут применяться лишь колебания с частотами от 2 до Ь4Гц [, , ]. Кроме того, сверхвысокие рабочие частоты обуславливают необходимость применения сверх малых ультразвуковых преобразователей, что как отмечалось выше, приводит к трудностям получения зондирующих пучков достаточной мощности. Одним из распространенных методов получения узких ультразвуковых пучков является применение различных методов фокусировки [, , , ]. Фокусировка может достигаться за счет изменения формы преобразователя или использования акустических линз. Однако такие системы являются громоздкими и весьма ненадежными в процессе эксплуатации. В последние годы широкое распространение получил метод электронной фокусировки [, - ]. Он применяется как в системах ультразвуковой медицинской диагностики, так и в системах гидролокации, и позволяет получить достаточно высокое разрешение. Электронное управление зондирующим лучом и его фокусировка реализуются с помощью сложного излучателя, представляющего собой решетку или линейку преобразователей, фазы питающих напряжений которых изменяются по определенным законам. С одной стороны, это приводит к значительному увеличению габаритов преобразователей, а с другой, для реализации алгоритмов управления зондирующим пучком, как и в случае компьютерной сонографии, требуется разработка весьма сложного и дорогого алгоритмического и программного обеспечения.