В целом же благодаря высокому, недостижимому с помощью аналоговой техники динамическому диапазону цифровые методы формирования луча обеспечивают близкие к предельным значениям точность оценивания параметров сигналов, их осевое, поперечное и контрастное разрешение с улучшенной дифференциацией тканей по яркостному признаку. Кроме того, применение технологии цифрового диаграммообразования позволяет максимально унифицировать узлы и блоки аппаратуры, упростить процесс реконфигурации и модификации УЗ-систем, сводящийся зачастую лишь к замене программного обеспечения, а также адекватно цифровыми методами моделировать процессы, протекающие в тканях организма при прохождении УЗ-сигнала. И наконец, благодаря запоминанию и хранению практически в течение неограниченного времени больших информационных массивов, возможна их многократная модификация в процессе визуализации с помощью разнообразных программных фильтров, улучающих как восприятие УЗ-изображения, так и детализацию тонких анатомических структур.

Следует отметить, что техника цифрового диаграммообразования по сути отличается от методов, используемых в традиционных средствах цифровой обработки сигналов фазированных решеток излучателей. Основная особенность современных систем цифрового диаграммообразования – применение АЦП в каждом приемном канале с оцифровкой сигнала, как правило, на несущей частоте (рис.2). При этом исключаются операции преобразования частоты, детектирования сигналов с выделением огибающей и, тем самым, уменьшаются энергетические потери, повышается чувствительность приемной системы и упрощается конструкция установки. Тактовые импульсы разводятся от генератора так, чтобы АЦП приемных каналов срабатывали одновременно. Затем данные, описывающие в виде отсчетов АЦП или их частичных сумм мгновенное распределение УЗ-поля на раскрыве датчика, сбрасываются в буферное ЗУ. Дальнейшее формирование диаграммы направленности приемного луча осуществляется программным способом с помощью процессоров обработки сигнала (DSP), выполняющих синфазное суммирование значений напряжений всех сигналов для заданных угловых направлений. При цифровом формировании зондирующего луча – наоборот, синтезированные с помощью процессора сигнала цифровые значения напряжений зондирующего импульса поступают на ЦАП, с выхода которых снимаются усиленные и отфильтрованные аналоговые сигналы. Эти сигналы поступают на соответствующие УЗ-излучатели. Такой принцип цифрового диаграммообразования – достаточно общий. В конкретных устройствах он может быть изменен в соответствии с возможностями элементной базы, а также опытом и теоретической подготовкой разработчиков.

Среди производителей, успешно решающих проблемы цифрового диаграммообразования в современных УЗ-системах, прежде всего нужно отметить фирму Analog Devices – одного из крупнейших поставщиков сигнальных процессоров, АЦП и ЦАП. Пакет УЗ-сигналов в типичной УЗ-платформе фирмы генерирует электромеханический преобразователь передающей схемы, контактирующей с телом пациента (рис.3) [5]. Частота несущей в зависимости от модели датчика равна 1–13 МГц. В каждом приемном канале системы предусмотрен усилитель с цифровой временной регулировкой усиления (TGC) типа AD600/602/603, компенсирующий потери энергии эхосигналов, приходящих с глубины тела. В своих системах фирма чаще всего использует десятиразрядные АЦП типа AD 9040А с частотой дискретизации 40 МГц. Сигналы, снимаемые с выхода АЦП, суммируются и обрабатываются сигнальным процессором (как правило, схемы типа ADSP–2181, ADSP–2171 или ADSP–21062). В систему могут также входить доплеровский канал для измерения скорости кровотока и канал визуализации УЗ-изображения. Таким образом, в системах Analog Devices новейшие технологии реализуются на достаточно распространенной и отнюдь не экзотической элементной базе. Разработка 12-разрядных АЦП с максимальной частотой дискретизации 105 МГц (AD 9432) и 250-МГц сигнальных процессоров типа TigerSHARC служит предпосылкой для дальнейшего упрочнения позиций фирмы на рынке перспективного УЗ-оборудования.

Пример приборов, удачно сочетающих максимальный набор технологических новаций, – семейство диагностического оборудования фирмы General Electric, в которое входят цифровые платформы LOGIC 400 MD, LOGIC 500 MD LOGIC 700 MR [6]. Эти устройства, несколько отличаясь друг от друга характеристиками и назначением, имеют одну и ту же фундаментальную архитектуру: цифровой формирователь луча с линией задержки цифровых сигналов и устройством их суммирования, а также схема цифровой обработки акустических сигналов. Систему LOGIC 700 MR, выполненную на базе решетки с 1024х4 излучателями, с полным правом можно считать лидером на рынке. Датчики системы изготовлены по перспективной технологии активных матричных кристаллов, что позволяет эффективно динамически фокусировать луч в двух плоскостях. За счет применения новых материалов и методов сборки сканеров фирме удалось повысить их чувствительность, расширить линейный динамический диапазон акустических преобразователей, повысить частоту несущей сигнала. В частности, по такому параметру, как проникающая способность 12-МГц датчика, система LOGIC 700 MR сопоставима с традиционным оборудованием с частотой несущей 5 МГц. А увеличение частоты несущей позволило улучшить качество изображения.

Заслуживает внимания и большая проникающая способность (18 см) системы LOGIC 700 MR с 7-МГц датчиком, превосходящей этот показатель для обычных устройств с 3-МГц датчиком. При частоте дискретизации fd = 40 МГц разрешающая способность системы равна 70 мкм. В ближайшие планы фирмы входит переход к излучателю с частотой несущей 20 МГц. Появление такой системы, по-видимому, будет хорошо встречено УЗ-диагностами, что позволит General Electric еще больше оторваться от конкурентов. Остается надеяться, что это не приведет к пропорциональному повышению стоимости оборудования (до сих пор цена на системы фирмы была далеко не средней: установка LOGIC 700 MR стоит 300 тыс. долл.). Впрочем, учитывая постоянное снижение стоимости комплектующих цифровых схем и появление большого числа конкурентов, можно предположить, что разброс цен на цифровое УЗ-оборудование будет постепенно нивелироваться, а абсолютная их величина для быстро устаревающих образцов – падать.

Достаточно большой опыт разработки диагностического оборудования с цифровым диаграммообразованием имеет также компания ATL Ultrasound (США) [7], выпускающая приборы с высокой четкостью изображения семейства HDI (High Definition Image). К ним относятся HDI-1000, HDI-3000 (стоимость минимального комплекта 99 тыс. долл.) и новая система HDI-5000. В последней предусмотрено 512 широкополосных цифровых каналов, обеспечивающих динамический диапазон сигналов около 150 дБ [8]. Быстродействие процессора обработки сигналов превышает 14Ч103 MIPS, что позволило полностью реализовать цифровое широкополосное диаграммообразование. Уровень чувствительности к профилю гемодинамики, устойчивость к артефактам движения тканей позволяют HDI-5000 при цветовой визуализации кровотока зафиксировать движение крови, в том числе вокруг сгустка или через него даже в самой маленькой вене.

К числу традиционных поставщиков УЗ-платформ с цифровым диаграммообразованием луча в середине 1998 года присоединилась и компания Toshiba. На ее американском филиале – Toshiba America Medical Systems (TAMS) создана усовершенствованная УЗ-система для кардиологических исследований модели PowerVisionTM 6000 [9]. Уникальная модульная архитектура системы с 256 цифровыми каналами обеспечивает простоту внедрения будущих технологических новшеств. В частности, предусмотрена возможность трехмерной УЗ-визуализации. Поскольку цифровое формирование луча с дискретизацией аналоговых сигналов осуществляется на более ранней стадии, чем в традиционных УЗ-устройствах, в системе PowerVisionTM 6000 достигнуто предельно возможное отношение сигнал/шум при почти 10-кратном улучшении точности визуализации. Пространственное разрешение системы – примерно 500 мкм по всей глубине зондирования.

Среди оригинальных решений, заложенных в PowerVisionTM 6000, следует отметить одновременное формирование четырех УЗ-лучей при приеме, что позволяет увеличить скорость обновления изображения и плотность линий в два раза, а также ослабить влияние артефактов. Другая особенность системы – наличие так называемого “цифрового оптимизатора изображения” (DIO), автоматически нейтрализующего программным способом изменение интенсивности эхосигналов. При этом визуализация эхосигналов оптимизирована по всей глубине и сохранена высокая цветовая чувствительность к перфузии в доплеровском режиме. УЗ-платформа фирмы Toshiba – одна из наиболее проработанных в эргономическом отношении систем.

Сейчас TAMS проводит агрессивную рекламную компанию по продвижению на рынок новой системы PowerVisionTM 7000 с 512 приемными каналами. При взвешенной ценовой политике ее появление может составить серьезную конкуренцию лидирующим пока в этом классе системам General Electric и ATL Ultrasound.

Усовершенствованная система обработки доплеровского сигнала реализована в новом УЗ-оборудовании модели EUB-8000 компании Hitachi, которое можно рассматривать как гибкий программируемый УЗ-компьютер (рис. 4) [10]. Сигналы 128-элементного датчика одновременно оцифровываются 128 АЦП, по выходам которых формируются четверки пространственных каналов. С их помощью осуществляется прецизионная селекция каналов кровотока и визуализация эхограмм. Система обеспечивает динамическую фокусировку луча по глубине и многомерную аподизацию.

Американская корпорация EndoSonics предлагает уникальное устройство внутрисосудистого УЗ-зондирования типа ORACLE® с 64-элементной кольцевой цифровой решеткой излучателей Visions® Five-64 [11]. EndoSonics удалось разработать самый миниатюрный в мире УЗ-датчик. Центральная частота датчика – 20 МГц, диапазон – 15 – 25 МГц. В устройстве в отличие от зонда с механическим сканированием отсутствует вал привода. Чрезвычайно гибкий катетер легко попадает в узкие извилистые коронарные артерии. По качеству изображения зонд намного превосходит устройства с механическим сканированием луча. Его применение исключает риск появления артериальных судорог вследствие вращательной вибрации зонда и неоднородную деформацию изображения, возникающую при изгибах механического вала привода (в мягких извилистых сосудах искажение изображения может привести к 20%-ной погрешности измерения) [12]. В отличие от механических систем с датчиками с фиксированным апертурным фокусом, технология цифровой динамической фокусировки в процессе диаграммообразования позволяет оперативно регулировать угловое разрешение, оптимизируя его для каждой клинической ситуации (рис. 5).

Среди новейших УЗ-платформ следует отметить трехмерный сканер модели VOLUSON 530D (SA-530D) [13,14] южнокорейской фирмы Medison, предназначенный для получения объемного изображения исследуемого объекта. Сканер выполняет полностью цифровое диаграммообразование с аподизацией УЗ-луча при приеме и передаче. Частота дискретизации в каждом из 128 приемных каналов – 27,5 МГц. Специальная 128-разрядная шина с быстродействием 160 Мбит/с поддерживает непрерывную динамическую фокусировку луча. Отличительная особенность системы – возможность одновременного подключения до четырех зондов. Это позволяет использовать различные методы формирования трехмерного изображения. Датчики представляют собой линейные, искривленные или кольцевидные решетки излучателей.

Повышение частоты дискретизации АЦП и сокращение длительности зондирующего импульса в УЗ-системах неизбежно приведет к росту разрешающей способности по глубине зондирования. При переходе к fd (1 ГГц (соответствующие восьмиразрядные АЦП уже имеются [15,16]), а также с увеличением частоты несущей и производительности процессоров, очевидно, удастся получить разрешающую способность, равную 7-10 мкм и менее, что уже соответствует клеточному уровню. Это открывает перспективу реализации УЗ-микроскопа, не вызывающего разрушения исследуемых клеток и не требующего препарации живых объектов. Применение подобных микроскопов для наблюдения за биологическими культурами и штаммами микроорганизмов уже в ближайшем десятилетии может стать свершившимся фактом, тогда как возможность исследования крупных организмов с их помощью пока представляется довольно фантастичной из-за достаточно больших энергетических потерь.

ТНВЭД* - Таможенная Номенклатура Внешней Экономической Деятельности.

АТС** - Анатомо-Терапевтическо-Химическая система классификации.

Литература

1. Осипов Л. В. Физика и техника ультразвуковых диагностических систем.. Ч. I - VI .– Медицинская визуализация, 1997. N 1, с. 6 - 14; N 2, с. 18 - 37; N 3, с. 38 - 46; N 4, с. 42 - 53; N 5, с. 28 - 33; 1998, N 1, с. 28 - 33; N 2, с. 41 - 55.

2. www.atnf.csiro.au/1kT/WS/wsgray/

3. Марпл С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения.– М.: Мир,1990. – 584 с.

4. Слюсарь В. И. Автокорреляционные методы формирования скользящих окон в задачах импульсной дальнометрии. – Изв. высш. учеб. заведений. Радиоэлектроника, 1998, N 9, с. 61- 68.

5. www.analog.com/products/signal_chains/ultra_di/ultra_di.html

6. www.ge.com/medical/ultrasound/

7. www.atl.com/

8. www.atl.com/r1715gi-2.htm

9. http://www.toshiba.com/

10.www.ecoscan.com/systems/ EUB8000.htm

11.www.endosonic.com

12. www.medison.co.kr/Product/v530d.htm

13. www.3dsono.org/3dsono/voluson.htm

14. www.spt.com/datasheets/datasht1.html

15. www.maxim-ic.com/

Страницы: 1, 2, 3, 4