Восстановление распределения вектора скорости кровотока в линейном и нелинейном акустических томографах

На правах рукописиУДК 534.2 : 534.7 : 534.222Матвеев Олег ВладимировичВОССТАНОВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕКТОРАСКОРОСТИ КРОВОТОКА В ЛИНЕЙНОМ ИНЕЛИНЕЙНОМ АКУСТИЧЕСКИХ ТОМОГРАФАХСпециальность: 01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2014Работа выполнена на кафедре акустики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В.

Ломоносова.Научные руководители:доктор физико-математических наук,профессор В.А. БУРОВ,МГУ имени М.В.Ломоносова,физический факультет, г. Москвакандидат физико-математических наукРУМЯНЦЕВА Ольга Дмитриевна,МГУ имени М.В.Ломоносова,физический факультет, г. МоскваОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор ПИРОГОВ Юрий Андреевич,МГУ имени М.В.Ломоносова,физический факультет, г. Москвакандидат физико-математических наук,начальник отдела гидроакустических системПРУДНИКОВА Инесса Петровна,ОАО “Тетис Про”, г. МоскваВедущая организация:Нижегородский государственныйуниверситет имени Н.И.Лобачевского,г. Нижний НовгородЗащита диссертации состоится “ 26 ”июня 2014 г. в 11-00 часов на заседанииСпециализированного Совета Д.501.001.67 в МГУ им. М.В. Ломоносова поадресу: 119991, г.

Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ, физическийфакультетС диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ им М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “” мая 2014 г.Ученый секретарьСпециализированного Совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук2А.Ф. КОРОЛЕВОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыВ настоящее время медицинские УЗ методы исследования являютсясамым распространенным средством диагностики внутренних органов.УЗ используется, начиная от контроля внутриутробного развития плода изаканчивая мониторингом проведения операционного вмешательства, начинаяот диагностики начальных стадий ряда заболеваний и заканчиваятерапевтическим применением при лечении.

Во многих случаях знаниереальной картины состояния органов, в том числе, и скорости кровотока оченьважно при принятии правильных и своевременных решений, от которыхзависит здоровье пациентов.Одним из режимов диагностики в УЗИ-системах является исследованиекровотока. Рассеивающими центрами УЗ сигналов являются кластерыкровеносных телец. Однако, поскольку в процессе движения крови локальноераспределение рассеивающих центров в кровеносных сосудах полностьюменяется, именно некогерентные методы в сочетании с многоракурснымиданными рассеяния позволяют с достаточно высокой точностью не толькополучить картину распределения этих кровеносных сосудов, но и восстановитьполный вектор скорости кровотока в них.

Таким образом, для задачвосстановления картины кровоснабжения, некогерентные методы не менееперспективны. Применяемые при этом принципы томографирования и ихтехнические воплощения достаточно разнообразны. В некогерентных (преждевсего, в мультипликативных, т.е.

корреляционных) системах акустоскопиинакопление осуществляется на более ранних этапах, обычно в видепространственно-временнóй корреляционной обработки первичных сигналов,принимаемых антенной решеткой. Корреляционные системы обладают рядомприсущих только им достоинств. К ним относятся меньшая критичность кнекоторым видам фазовой нестабильности систем, а также возможностьвторичной адаптации и накопления некогерентных данных, бесполезных вкогерентных системах.

Основной же особенностью таких устройств являетсяквадратичная зависимость выходного эффекта от входного отношениясигнал/помеха, эффект подавления слабых сигналов и, соответственно,бóльший объем необходимых вычислений, обеспечивающий достаточнуюинформативность корреляционных систем. Таким образом, использованиенекогерентных пространственно-корреляционных методов в томографическихсистемах создает ряд специфических проблем, но, в то же время, позволяетрасширить возможности восстановления картины кровоснабжения. Это связанос тем, что такая многоракурсная томографическая схема допускает накоплениеданных от движущейся крови (содержащей или не содержащей акустическиконтрастныйагент)приразныхположенияхприемоизлучающихпреобразователей, т.е.

некогерентное пространственное накопление.В связи с этим, целью диссертационной работы являлась разработкаалгоритмов, позволяющих получить карту кровеносных сосудов в исследуемой3области и оценить численно полный вектор скорости кровотока по даннымрассеяния, измеренным в рамках обследования, проводимого томографическойсистемой. При этом нужно отметить, что сочетание томографическоговосстановления распределения скорости звука и коэффициента поглощения салгоритмами восстановления картины кровотока является важной задачей.

Взависимости от исследуемого интервала скоростей кровотока, должныподбираться режимы измерений всей работы томографической системы.Для достижения цели работы были поставлены и решены следующиезадачи:1. Исследование возможности использования спекл-структур в получениикартины кровоснабжения и оценки полного вектора скорости кровотока.2. Разработка алгоритмов для получения картины кровоснабжения иоценки полного вектора скорости кровотока в процессе многоканальногокорреляционноголинейногоикорреляционногонелинейноготомографирования.3.Оценкапомехоустойчивостиалгоритмовиграницихработоспособности.4.

Проведение модельных численных расчетов, имитирующихфизический эксперимент.5. Проведение физического эксперимента.Научная новизна работы1. Разработаны два алгоритма, позволяющих, в рамках системылинейного томографирования, получить картину кровоснабжения и оценкувектора скорости кровотока на основе анализа спекл-структур.2. Проведены модельные оценки, показывающие работоспособностьалгоритмов, и выполнен физический эксперимент на опытном образцеультразвукового томографа.3. Проверена возможность использования алгоритмов получения картысосудов и оценки вектора скорости в них за счет акустического нелинейногопараметра крови, в сочетании с процессом полного томографированияраспределения нелинейного параметра.ДостоверностьДостоверность результатов решения обратной задачи рассеянияподтверждается соответствием восстановленных данных заданным в моделипараметрам в пределах ошибки и с учетом помех, а также результатамивычислений, полученных на основе физического эксперимента.Научная и практическая значимость работыПредложенныеалгоритмыпространственноговосстановленияизображения картины кровеносных сосудов и численной оценки скоростикровотока на основе корреляционных данных могут использоваться вразличных УЗ приборах медицинской диагностики, в том числе, в томографах в4сочетании с оценками пространственных распределенийхарактеристик и нелинейных параметров биологической ткани.линейныхОсновные положения, выносимые на защиту1.

Использование рассеянного акустического поля, являющегосярезультатом взаимодействия излученных акустических импульсных сигналов сдвижущимися рассеивателями в исследуемой области, позволяет восстановитьизображения, обладающие спекл-структурой, и, как следствие, получитьпространственную оценку параметров кровотока.2. Предварительная селекция принимаемых сигналов от движущихсярассеивателей уменьшает вклад от малоподвижного фона в процессевосстановления изображения.3.

Метод корреляционной обработки множества пар изображений спеклструктур, соответствующих зондирующим импульсам в различные моментывремени, позволяет определить участки с движущимися рассеивателями иоценить значение скорости в этих участках в рамках как линейного, так инелинейного акустических томографов.•••••Апробация работыМатериалы докладывались на следующих конференциях:Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам “Ломоносов-2003”. Секция “Физика”.Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам “Ломоносов-2004”.

Секция “Физика”.II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии“Медицинская физика-2005” 21-24 июня 2005.X Всероссийская школа-семинар “Волновые явления в неоднородныхсредах”. Звенигород, Московская область, 22-27 мая 2006.The 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing.Ed.

I.A.Znamenskaya. Moscow: Moscow State University, 2011 (8-й мировойсимпозиум по визуализации потоков и вычислению изображений им. И.А.Знаменской, МГУ, 2011).ПубликацииОсновные результаты диссертации изложены в 12 работах [А1–А12], втом числе, четыре статьи опубликованы в журналах, включенных врекомендованный список ВАК РФ [А1, А2, А3, А4]. Список публикацийприводится в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, двух глав, заключения и спискалитературы. Список литературы состоит из 102 наименований. Общий объемработы составляет 165 страниц, включая 32 рисунка.5Личный вклад автора.Все результаты получены автором лично на основе модельных данных,полученных по методам, разработанным автором.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первой главе в разделе 1.1 приведено обоснование актуальностивыбранной темы диссертационной работы (далее – работы), показана цельработы и поставлены задачи, решенные по ходу работы.

Приведеныформулировки научной новизны и значимости работы. Показан вклад автора, идана формулировка, подтверждающая достоверность результатов работы.Раскрыты выносимые на защиту положения, перечислены конференции ипубликации, где докладывались и изложены результаты работы. В разделе 1.2представлен обзор научных публикаций по теме работы. Описано развитиесовременных методов УЗ диагностики от одноканальных систем домногоканальных систем, как линейных, так и нелинейных. Показаны связь иразличие доплеровских средств диагностики и корреляционных методов.Большинство появившихся в последние десятилетия систем медицинскойакустоскопии – ультразвуковые многоканальные системы активной локации(УЗИ) и разрабатывавшиеся в последние годы многоракурсныетомографические системы [1]. Эти диагностические комплексы представляютсобой, как правило, линейные когерентные системы активной локации,основанные на аддитивном (когерентном) сложении сигналов, принимаемыхэлементами антенной решетки.

Важным достоинством этих систем являетсялинейная зависимость выходного отношения сигнал/помеха от такого жевходного отношения. В когерентных системах, применяемых для диагностикисостояния кровеносной системы исследуемого органа, используетсядоплеровский эффект. Развитие таких систем шло от одноканальных систем [2]к многоканальным [1, 3] системам, на которых, в частности, основаныклассические УЗИ-системы. Когерентно-аддитивные методы требуют точногоаприорного знания обрабатываемого сигнала и для получения результатаиспользуют операцию согласованной фильтрации.