Оптико-акустическая томография поглощающих объектов в рассеивающей среде многоэлементной фокусированной антенной (1104209), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Расчет переходной характеристики цилиндрически фокусированного пьезоприемника конечной толщины в общем случае является очень сложной задачей, и в данномтьос ениякос жпл браX из орешению. Основан он на приближении локальнонормального падения волны на приемник, чтопозволяет не учитывать преобразования продольныхYакустическихZθRhразделе предлагается упрощенный подход к ееволнвсдвиговые.Данноеприближение позволяет разбить задачу расчетапереходной характеристики на два этапа, на первомдемпфероез т ыьп енемэлизучитываетсяспомощьювлияниеинтегралаконечностиРэлея,размеровприемника и кривизны его поверхности, а на втором–Рис.
1 Многоэлементная антеннадля двумерной ОА томографии ипараметры отдельного ее элемента– широкополосного, цилиндрическифокусированного гидрофона: R радиус кривизны, θ - уголфокусировки, h - ширина.которых,егоспектральнаячувствительность,котораярассчитывается с помощью модифицированногоматричного метода.Далее в разделе 1.2 определяется понятиекарты фокальной области приемника - зависимостинекоторой9характеристикивыходногосигналаприемника при регистрации ОА сигнала от точечного источника, от положения источника вплоскости приемника XY . В качестве такой характеристики сигнала было выбрано пиковоеположительное значение функции −∂p, где p(t ) - зарегистрированный импульс давления.∂tИменно эта величина определяет яркость изображения в ОА томографии при использованиидля его построения алгоритма обратного распространения.
Для рассматриваемой далеемногоэлементной антенны поперечный размер фокальной области отдельного приемникабудет соответствовать разрешению δY антенны в направлении перпендикулярном плоскостиизображения. Продольный размер фокальной области L будем называть глубиной обзора.Глубина обзора определяет размер диагностического окна антенны. Пример картыфокальной области приведен на рис. 2.Y, мм501.00.5Отн. ед.Отн. ед.1.00.0-0.5-1.0-5-15-1000.2-505X, мм0.40.610150.80.50.0-0.540.541.0Время, мкс41.540.541.0Время, мкс41.51(б)(а)(в)Рис. 2 (а) Пример карты фокальной области цилиндрически фокусированногоширокополосногогидрофонасоследующимихарактеристиками:R = 60 мм,oθ = 30 , h = 1 мм, f 0 = 1.8 МГц. Относительно карты гидрофон находится слева.
Жирнойчерной линией отмечен уровень ½. (б) Выходной сигнала гидрофона при регистрации ОАсигнала от точечного источника и (в) производная сигнала, взятая с обратным знаком.Следующей задачей данного раздела являлось установление зависимостей δY и L отпараметров приемника – его ширины h , угла фокусировки θ , радиуса кривизны R , иширины полосы принимаемых частотf 0 .
Спектральная чувствительность приемникааппроксимировалась гауссовской функцией, а ширина f 0 определялась по уровню 1 / e . Длярешения данной задачи были численно рассчитаны карты фокальной области приемника приизменении его параметров в диапазоне, характерном для задач ОА диагностики биотканей.Согласно результатам расчета, при выполнении определенных условий на R и h , величиныL и δYзависят лишь от θ иf 0 , и результаты численного расчета могут бытьаппроксимированы с погрешностью не более 6% следующими функциями:L=(1.1 c 0( 2 ))f 0 1 − cos θ, δY =100.5c 0f 0 sin θ( 2)(1)где c0 - скорость звука. Данные зависимости с точностью до множителя совпадают сполученными в 1949 г.
выражениями для размеров перетяжки сферически фокусированногомонохроматическогоультразвуковогоизлучателясравномернымраспределениемамплитуды колебательной скорости по его поверхности.Для подтверждения корректности предложенного в данном разделе метода расчетабыли экспериментально измерены переходные характеристики и карта фокальной областицилиндрически фокусированного широкополосного гидрофона. В качестве точечного ОАисточника использовалась черная полиэтиленовая пленка, на которую направлялся узкийпучок выходящего из волокна излучения Nd:YAG лазера ( λ = 1064 нм).
Источникперемещался в плоскости приемника с помощью трансляторов. Экспериментальные данныеоказались в хорошем соответствии с результатами расчетов.В разделе 1.3 описывается метод численного расчета ОА сигнала от произвольногораспределения тепловых источников. Метод основан на принципе Гюйгенса-Френеля:каждый элементарный объем трехмерного распределения тепловых источников испускаетсферическую акустическую волну с амплитудой, соответствующей значению поглощеннойэнергии в данной точке и временным профилем, соответствующим сигналу от сферическойнеоднородности.
Результирующий сигнал давления в определенной точке пространстварассчитывается как суперпозиция волн от каждого элементарного объема. Для проверкиправильности данной модели было проведено сравнение аналитического выражения для ОАсигнала, возбуждаемого плоским сильно поглощающим слоем, с соответствующимсигналом, рассчитанным численно.Далее в разделе речь идет о применении предложенного метода для расчета ОАсигналов, зарегистрированных антенной из фокусированных гидрофонов в задачедиагностики рака молочной железы человека. В качестве модельной среды рассматриваласьоднородная рассеивающая среда, содержащая сферическую поглощающую неоднородность соптическими коэффициентами характерными для здоровой и опухолевой тканей молочнойжелезы человека на длине волны лазерного излучения λ =0.755 мкм, соответствующеймаксимальному контрасту коэффициентов поглощения в здоровой и опухолевой тканях. Вмодели учитывались медицинские ограничения на плотность мощности лазерногоизлучения.
Исходное распределение тепловых источников моделировалось методом МонтеКарло, а затем рассчитывался ОА сигнал от этого распределения, зарегистрированныйантенной из фокусированных приемников. Переходная характеристика приемников при этомучитывалась с помощью подхода, описанного в разделе 1.2. ОА изображение строилось наоснове рассчитанных сигналов методом обратного распространения.11ПолученныеX, ммX, мм(а)-20используются далее для оценки(б)-20сигналывозможностей ОА томографии в-10-10001010железы человека – максимальной2020глубины-20 -1001020задаче-20 -10Z, мм000101молочнойзондирования,контрастности20Z, мм0.5диагностикиполучаемыхизображений.Максимальнойглубиной зондирования в работе1.51Рис.
3 ОА изображение сферического поглотителяразмером 3 мм, находящегося в рассеивающей среде,восстановленное по рассчитанным сигналам до (а) ипосле (б) процедуры фильтрации сигналовназываетсятакаяглубина,накоторой опухоль заданного размераеще может быть обнаружена ОАметодом,тоесть,амплитудазарегистрированного ОА сигнала превышает тепловой шум приемника, который считалсябелым. Под контрастностью ОА изображения объекта понимается величина K :K=I abs − I bgI abs + I bg⋅ 100%(2)где I bg - яркость «фона», I abs - яркость изображения объекта. В данном разделе предлагаетсяи апробируется удобная процедура низкочастотной фильтрации зарегистрированных ОАсигналов, позволяющая подавить сигнал от рассеивающей среды и, тем самым, повыситьконтрастность изображения.
Рис. 3 иллюстрирует процедуру фильтрации.Дляподтвержденияправильностиполученных вданномразделе численныхрезультатов был проведен модельный эксперимент. В качестве рассеивающей средыиспользовалось разбавленное водой молоко, а в качестве поглощающей неоднородности –до фильтрациипосле фильтрации25 30 35 40 45 50 55Время, мкс(а)3210-1-2-320Сигнал, мВ43210-1-2-3-4Сигнал, мВСигнал, мВобразец свиной печени размером 3 мм. Как видно из рис. 4, зарегистрированныеТеорияЭксперимент30405060Время, мкс(б)1.00.50.0-0.5-1.0ТеорияЭксперимент-1.539 4041 42 43 44 45Время, мкс(в)Рис.
4Экспериментально зарегистрированный ОА сигнал от модельнойрассеивающей среды, содержащей поглощающую неоднородность, до и послечастотной фильтрации (а); рассчитанный и измеренный сигналы отрассеивающей среды(б) и поглощающей неоднородности (в) по отдельности.12многоэлементной антенной сигналы находились в хорошем соответствии с рассчитанными.Эффективность предложенной процедуры фильтрации была также подтверждена.Глава 2 посвящена исследованию возможности восстановления распределениятепловых источников в двумерной ОА томографии в абсолютных величинах.В разделе 2.1 приведен обзор литературы по методам решения обратной задачи ОАтомографии. Эта задача решается точно и имеет единственное решение при условии полныхтомографических данных и бесконечного числа идеальных приемников, расположенных наповерхности регистрации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
