RU2735466C1 - Method and apparatus for determining average ultrasonic attenuation coefficient in soft tissues - Google Patents
Method and apparatus for determining average ultrasonic attenuation coefficient in soft tissues Download PDFInfo
- Publication number
- RU2735466C1 RU2735466C1 RU2020104802A RU2020104802A RU2735466C1 RU 2735466 C1 RU2735466 C1 RU 2735466C1 RU 2020104802 A RU2020104802 A RU 2020104802A RU 2020104802 A RU2020104802 A RU 2020104802A RU 2735466 C1 RU2735466 C1 RU 2735466C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- attenuation coefficient
- logarithmic
- calculator
- average
- coefficient
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к системам и способам ультразвуковой медицинской диагностики, которые используют ультразвуковое зондирование для определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях.The invention relates to systems and methods for ultrasound medical diagnostics that use ultrasound probing to determine the attenuation coefficient of ultrasound in soft tissues.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
При ультразвуковом зондировании тканей амплитуда сигнала ультразвукового отклика отображает уровень интенсивности падающих волн, величину отражательной способности тканей, уровень спекл-шумов в измерительных объемах и средний коэффициент затухания в ткани. Уровень интенсивности падающих ультразвуковых волн в данном измерительном объеме зависит от глубины его расположения и среднего коэффициента затухания.During ultrasonic sensing of tissues, the amplitude of the ultrasonic response signal reflects the level of intensity of incident waves, the value of the reflectivity of tissues, the level of speckle noise in the measuring volumes and the average attenuation coefficient in the tissue. The intensity level of the incident ultrasonic waves in a given measuring volume depends on the depth of its location and the average attenuation coefficient.
Определение затухания ультразвука в мягких тканях биологических органов является важным при диагностике ряда заболеваний и поэтому используется во многих предложенных диагностических способах и приборах (см. US 5627906, US 8781202, US 10206661). Например, если в печени наблюдается сильное затухание принятого ультразвукового сигнала, то есть основания подозревать наличие большого количества липидных капелек, что является признаком ожирения печени (см. US 7068827, Japanese Patent Application 2015-230901).Determination of ultrasound attenuation in the soft tissues of biological organs is important in the diagnosis of a number of diseases and therefore is used in many proposed diagnostic methods and devices (see US 5627906, US 8781202, US 10206661). For example, if there is a strong attenuation of the received ultrasound signal in the liver, then there is reason to suspect the presence of a large number of lipid droplets, which is a sign of fatty liver (see US 7068827, Japanese Patent Application 2015-230901).
В подавляющем большинстве известных ультразвуковых способов и устройств для определения величины коэффициента затухания ультразвука общим является то, что информация о величине коэффициента затухания получается с помощью ультразвуковых сигналов отклика мягкой ткани от измерительных объемов, расположенных на разной глубине (см. US 4389893, US 4534359, US 5524626, US 5627906, WO 2014/113442 A1, US 2013/0345565 А1, Japanese Patent Application 2015-230901).In the overwhelming majority of known ultrasonic methods and devices for determining the value of the attenuation coefficient of ultrasound, it is common that information on the value of the attenuation coefficient is obtained using ultrasonic signals of the response of soft tissue from measuring volumes located at different depths (see US 4389893, US 4534359, US 5524626, US 5627906, WO 2014/113442 A1, US 2013/0345565 A1, Japanese Patent Application 2015-230901).
Известны способы и устройства для измерения коэффициента затухания ультразвука (см. US 4621645, US 4534359, US 5524626), которые основаны на излучении и приеме ультразвуковых волн, которые имеют разную частоту, или на использовании широкополосных зондирующих импульсов. Суть этих методов заключается в учете зависимости коэффициента затухания ультразвука от частоты. Как известно, коэффициент затухания возрастает с повышением частоты ультразвуковых волн. Так же высокочастотные спектральные компоненты ультразвукового импульса затухают сильнее, чем низкочастотные, в результате чего коэффициент затухания при распространении волн постепенно уменьшается. Путем анализа затухания зондирующего импульса с гауссовским спектральным распределением мощности или узкополосных импульсов с разной частотой возможно определение коэффициента затухания α0 (дБ/МГц⋅см), который не зависит от пройденного волнами расстояния и частоты. Кроме того, возможно повышение точности измерений путем усреднения коэффициентов затухания, полученных для разных частот.Known methods and devices for measuring the attenuation coefficient of ultrasound (see US 4621645, US 4534359, US 5524626), which are based on the emission and reception of ultrasonic waves that have different frequencies, or on the use of broadband sounding pulses. The essence of these methods is to take into account the dependence of the attenuation coefficient of ultrasound on frequency. As you know, the attenuation coefficient increases with increasing frequency of ultrasonic waves. Also, the high-frequency spectral components of the ultrasonic pulse attenuate more strongly than the low-frequency ones, as a result of which the attenuation coefficient during the propagation of waves gradually decreases. By analyzing the attenuation of a probe pulse with a Gaussian spectral power distribution or narrow-band pulses with different frequencies, it is possible to determine the attenuation coefficient α 0 (dB / MHz⋅cm), which does not depend on the distance and frequency traveled by the waves. In addition, it is possible to improve the measurement accuracy by averaging the attenuation coefficients obtained for different frequencies.
Постепенное уменьшение коэффициента затухания приводит к нелинейной зависимости логарифмической амплитуды ультразвукового отклика от расстояния. Недостатком этих способов является то, что независимо от спектра зондирующих импульсов к такой же зависимости могут приводить также неоднородности отражательной способности тканей, которые не зависят от пройденного волнами расстояния и частоты. Кроме того, возможно повышение точности измерений путем усреднения коэффициентов затухания, полученных для разных частот. При наличии как мелкомасштабных, так и крупномасштабных неоднородностей, связанных со строением биологического органа, точность определения коэффициента затухания существенно ухудшается. В отдельных случаях достоверное определение коэффициента затухания становится вообще невозможным независимо от спектра зондирующих сигналов.A gradual decrease in the attenuation coefficient leads to a non-linear dependence of the logarithmic amplitude of the ultrasonic response on the distance. The disadvantage of these methods is that irrespective of the spectrum of the probing pulses, the same dependence can also lead to inhomogeneities in the reflectivity of tissues, which do not depend on the distance and frequency traveled by the waves. In addition, it is possible to improve the measurement accuracy by averaging the attenuation coefficients obtained for different frequencies. In the presence of both small-scale and large-scale inhomogeneities associated with the structure of a biological organ, the accuracy of determining the attenuation coefficient significantly deteriorates. In some cases, reliable determination of the attenuation coefficient becomes generally impossible, regardless of the spectrum of the probing signals.
Наиболее близким по техническому решению к способу и устройству, которые предлагаются, является способ и устройство для измерения коэффициента затухания ультразвука в реальном времени (Патент 
На Рис. 1а приведен пример зависимости от глубины логарифмической амплитуды отклика. Данным на каждой из вертикальных линий соответствуют амплитуды от измерительных объемов, которые расположены на одинаковой глубине зондирования, но в разных направлениях зондирования. Коэффициент затухания α (дБ/см) определяет зависимость логарифмической амплитуды от глубины следующим образом:In Fig. 1a shows an example of the depth dependence of the logarithmic response amplitude. The data on each of the vertical lines correspond to the amplitudes from the measurement volumes, which are located at the same sounding depth, but in different sounding directions. Attenuation coefficient α (dB / cm) defines the dependence of the logarithmic amplitude on the depth as follows:
где u(х,yi) - амплитуда отклика от измерительного объема, который расположен на глубине х и имеет координату yi в направлении, перпендикулярном к направлению зондирования, х - глубина расположения измерительного объема с номером j. При идеальных условиях уравнение (3) является одинаковым для всех направлений зондирования, то есть lg u(xj+х,yi) = lg u(xj+х), lg u(xj,yi) = lg u(xj). Согласно описанному способу находится оценка параметров lg u(xj) и α такой линейной зависимости (3), которая является наиболее вероятной с учетом данных для K глубин зондирования и N направлений зондирования, которые соответствуют выбранной области интереса. На Рис. 1а показан случай, когда K=4 и N=6 (d - расстояние между смежными измерительными объемами). Уточнение полученного параметра lg u(xj) и среднего коэффициента затухания α проводится после извлечения значений логарифмической амплитуды, имеющих наибольшее отклонениеwhere u (x, y i ) is the amplitude of the response from the measurement volume, which is located at a depth x and has a coordinate y i in the direction perpendicular to the sounding direction, x is the depth of the location of the measurement volume with number j. Under ideal conditions, equation (3) is the same for all sounding directions, that is, log u (x j + х, y i ) = log u (x j + х), log u (x j , y i ) = log u ( x j ). According to the described method, an estimate of the parameters log u (x j ) and α of such a linear relationship (3) is found, which is the most probable given the data for K sounding depths and N sounding directions that correspond to the selected area of interest. Fig. 1a shows the case when K = 4 and N = 6 (d is the distance between adjacent measuring volumes). Refinement of the obtained parameter log u (x j ) and the average attenuation coefficient α is carried out after extracting the values of the logarithmic amplitude with the greatest deviation
Отбрасываются те значения логарифмической амплитуды, для которых отклонение превышает заранее заданную величину или заранее заданный процент логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение. Сформированный таким образом новый массив данных по логарифмическим амплитудам служит для второго шага итерационного метода.Discard those values of the logarithmic amplitude for which the deviation exceeds a predetermined value or a predetermined percentage of logarithmic amplitudes that have the greatest deviation. The new dataset of logarithmic amplitudes formed in this way serves for the second step of the iterative method.
Описанное исчисление среднего коэффициента затухания ультразвука с учетом данных от множества объемов на разных глубинах расположения и на разных направлениях зондирования повышает точность его определения благодаря уменьшению влияния спекл-шумов. Оно позволяет также уменьшить влияние локальных неоднородностей отражательной способности тканей, обусловленных, в частности, мелкими кровеносными сосудами. Недостатком описанного способа является то, что при наличии крупномасштабных неоднородностей ткани, связанных со строением биологического органа, точность определения коэффициента затухания существенно ухудшается. Например, в печени к искажению линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины приводят кровеносные сосуды, капсула печени, подкожная жировая клетчатка и прочее.The described calculation of the average attenuation coefficient of ultrasound, taking into account data from many volumes at different depths of location and in different directions of sounding, increases the accuracy of its determination due to a decrease in the influence of speckle noise. It also makes it possible to reduce the influence of local irregularities in the reflectivity of tissues, caused, in particular, by small blood vessels. The disadvantage of the described method is that in the presence of large-scale tissue inhomogeneities associated with the structure of a biological organ, the accuracy of determining the attenuation coefficient significantly deteriorates. For example, in the liver, blood vessels, a liver capsule, subcutaneous adipose tissue, etc., lead to a distortion of the linear dependence of the logarithmic amplitude on depth.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Изобретение, которое предлагается, направлено на повышение точности и достоверности измерений среднего коэффициента затухания ультразвука с учетом влияния неоднородностей отражательной способности мягких тканей.The invention, which is proposed, is aimed at improving the accuracy and reliability of measurements of the average attenuation coefficient of ultrasound, taking into account the influence of non-uniformities in the reflectivity of soft tissues.
Поставленная задача решается с помощью способа для определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях, который включает:The problem is solved using a method for determining the attenuation coefficient of ultrasound in soft tissues, which includes:
задание множества направлений зондирования и излучение вдоль каждого из направлений множества зондирующих ультразвуковых импульсов,setting a plurality of sounding directions and radiation along each of the directions of a plurality of sounding ultrasonic pulses,
прием множества ультразвуковых сигналов отклика биологической ткани на множество зондирующих ультразвуковых импульсов,reception of a plurality of ultrasonic signals of biological tissue response to a plurality of probing ultrasonic pulses,
вычисление амплитуды сигналов отклика и определение по этим данным значения логарифмической амплитуды для всех измерительных объемов на всех направлениях зондирования и глубинах расположения,calculation of the amplitude of the response signals and determination of the value of the logarithmic amplitude from these data for all measurement volumes in all directions of sounding and location depths,
получение изображения пространственного распределения коэффициента затухания в выбранной области интереса,obtaining an image of the spatial distribution of the attenuation coefficient in the selected region of interest,
установление наиболее вероятной линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины в выбранной области интереса,establishing the most likely linear dependence of the logarithmic amplitude on the depth in the selected area of interest,
получение среднего коэффициента затухания на основе зависимости логарифмической амплитуды от глубины,obtaining the average attenuation coefficient based on the dependence of the logarithmic amplitude on the depth,
извлечение с помощью полученного среднего коэффициента затухания тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости,extracting, using the obtained average attenuation coefficient, those logarithmic amplitudes that have the greatest deviation from the most probable linear dependence,
формирование нового массива данных для логарифмических амплитуд в выбранной области интереса,formation of a new data array for logarithmic amplitudes in the selected region of interest,
применение итерационной процедуры для вычисления конечной величины среднего коэффициента затухания,applying an iterative procedure to calculate the final value of the average attenuation coefficient,
в котором дополнительно проводятwhich additionally conduct
определение параметра квадратичной нелинейности зависимости логарифмических амплитуд от глубины в выбранной области интереса на основе найденного среднего коэффициента затухания.determination of the quadratic nonlinearity parameter of the dependence of the logarithmic amplitudes on the depth in the selected area of interest based on the found average attenuation coefficient.
В варианте воплощения изобретения, которому отдается предпочтение, получение среднего коэффициента затухания на основе зависимости логарифмической амплитуды от глубины включает в себя:In the preferred embodiment of the invention, deriving an average damping factor based on log amplitude versus depth includes:
задание по крайней мере двух значений, которые определяются на основе полученного среднего коэффициента затухания,setting at least two values, which are determined on the basis of the obtained average attenuation coefficient,
сравнение полученного параметра квадратичной нелинейности с по крайней мере двумя заданными значениями,comparison of the obtained parameter of quadratic nonlinearity with at least two specified values,
если величина параметра нелинейности принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается достоверным,if the value of the nonlinearity parameter belongs to the range of values determined by the specified values, then the obtained attenuation coefficient is considered reliable,
если величина параметра нелинейности не принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается недостоверным и его определение производят в другой области интереса.if the value of the nonlinearity parameter does not belong to the range of values that is determined by the given values, then the obtained attenuation coefficient is considered unreliable and its determination is made in another area of interest.
В варианте воплощения изобретения, которому отдается предпочтение, извлечение с помощью полученного среднего коэффициента затухания тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости, производится с учетом полученного параметра нелинейности.In the preferred embodiment of the invention, the extraction, using the obtained average damping factor, of those logarithmic amplitudes that deviate most from the most likely linear relationship is based on the obtained nonlinearity parameter.
Другим объектом изобретения является для определения среднего коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях, которое содержит:Another object of the invention is to determine the average attenuation coefficient of ultrasound in soft tissues, which contains:
ультразвуковой преобразователь, приемо-передатчик,ultrasonic transducer, transceiver,
вычислитель амплитуды отклика,response amplitude calculator,
блок вычисления коэффициента затухания, который содержит вычислитель коэффициента затухания и дискриминатор,a damping factor calculator, which contains a damping factor calculator and a discriminator,
блок накопления и усреднения данных,data accumulation and averaging unit,
устройство отображения информации, гдеinformation display device, where
блок вычисления коэффициента затухания с вычислителем коэффициента затухания и дискриминатором дополнительно содержит:damping coefficient calculator with damping coefficient calculator and discriminator additionally contains:
вычислитель квадратичной нелинейности, первый вход которого соединен со вторым выходом вычислителя амплитуды отклика, второй вход с первым выходом вычислителя коэффициента затухания, первый выход подключен ко второму входу вычислителя коэффициента затухания, а второй выход ко входу входу компаратора,quadratic nonlinearity calculator, the first input of which is connected to the second output of the response amplitude calculator, the second input to the first output of the decay coefficient calculator, the first output is connected to the second input of the decay coefficient calculator, and the second output to the input of the comparator,
компаратор, выход которого соединен с третьим входом вычислителя коэффициента затухания.a comparator, the output of which is connected to the third input of the damping coefficient calculator.
Введение в известное устройство указанных дополнительных элементов и связей позволяет реализовать предложенный способ определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях и тем самым обеспечить повышение точности и достоверности измерений коэффициента затухания ультразвука с учетом влияния неоднородностей отражательной способности тканей.The introduction of the specified additional elements and connections into the known device makes it possible to implement the proposed method for determining the attenuation coefficient of ultrasound in soft tissues and thereby increase the accuracy and reliability of measurements of the attenuation coefficient of ultrasound taking into account the influence of inhomogeneities in the reflectivity of tissues.
ОПИСАНИЕ РИСУНКОВDESCRIPTION OF FIGURES
На Рис. 1 приведен пример зависимости от глубины логарифмической амплитуды отклика (а) и получения параметра квадратичной нелинейности от глубины (b).In Fig. 1 shows an example of the dependence of the logarithmic amplitude of the response (a) on the depth and obtaining the parameter of the quadratic nonlinearity on the depth (b).
На Рис. 2 приведен пример извлечения в дискриминаторе логарифмических амплитуд отклика с наибольшим отклонением от линейной зависимости (а) и новый массив данных после извлечения (b).In Fig. 2 shows an example of extracting in the discriminator the logarithmic response amplitudes with the largest deviation from the linear dependence (a) and a new data array after extracting (b).
На Рис. 3 показана блок-схема устройства для определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях.In Fig. 3 shows a block diagram of a device for determining the attenuation coefficient of ultrasound in soft tissues.
На Рис. 4 приведен пример отображения результатов определения коэффициента затухания в печени.In Fig. 4 shows an example of displaying the results of determining the attenuation coefficient in the liver.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
В соответствии с изобретением способ определения коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях включает в себя задание направлений зондирования. Вдоль каждого из направлений излучается множество зондирующих ультразвуковых импульсов и принимается множество ультразвуковых сигналов отклика биологической ткани на множество зондирующих ультразвуковых импульсов. Вычисляются амплитуды сигналов отклика и определяются по этим данным значение логарифмической амплитуды для всех измерительных объемов на всех направлениях зондирования и глубинах расположения и проводится логарифмическое преобразование данных об амплитуде. Строится изображение пространственного распределения коэффициента затухания в выбранной области интереса. Устанавливаются параметры наиболее вероятной линейной зависимости логарифмической амплитуды от глубины в выбранной области интереса и проводится оценка среднего коэффициента затухания. Определяется параметр квадратичной нелинейности зависимости логарифмических амплитуд от глубины в выбранной области интереса на основе найденного среднего коэффициента затухания. Задаются по крайней мере два значения, которые определяются на основе полученного среднего коэффициента затухания, и проводится сравнение полученного параметра квадратичной нелинейности с этими заданными значениями. Если величина параметра нелинейности принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается достоверным. Если величина параметра нелинейности не принадлежит к диапазону значений, который определяется заданными значениями, то полученный коэффициент затухания считается недостоверным и его определение производят в другой области интереса. С помощью полученного среднего коэффициента затухания и полученного параметра нелинейности проводится извлечение тех логарифмических амплитуд, которые имеют наибольшее отклонение от наиболее вероятной линейной зависимости. После извлечения части логарифмических амплитуд формируется новый массив данных для логарифмических амплитуд в выбранной области интереса. В дальнейшем для вычисления конечной величины среднего коэффициента затухания и параметра квадратичной нелинейности применяется итерационная процедура.In accordance with the invention, a method for determining an ultrasound attenuation coefficient in soft tissues includes specifying probing directions. Along each of the directions, a plurality of probing ultrasonic pulses are emitted and a plurality of ultrasonic signals of the biological tissue response to a plurality of probing ultrasonic pulses are received. The amplitudes of the response signals are calculated and the value of the logarithmic amplitude is determined from these data for all measurement volumes in all directions of sounding and the depths of location, and the logarithmic transformation of the amplitude data is carried out. An image of the spatial distribution of the attenuation coefficient in the selected region of interest is constructed. The parameters of the most probable linear dependence of the logarithmic amplitude on the depth in the selected area of interest are established and the average attenuation coefficient is estimated. The parameter of the quadratic nonlinearity of the dependence of the logarithmic amplitudes on the depth in the selected area of interest is determined based on the found average attenuation coefficient. At least two values are set, which are determined based on the obtained average damping coefficient, and the obtained quadratic nonlinearity parameter is compared with these specified values. If the value of the nonlinearity parameter belongs to the range of values, which is determined by the specified values, then the obtained attenuation coefficient is considered reliable. If the value of the nonlinearity parameter does not belong to the range of values that is determined by the given values, then the obtained attenuation coefficient is considered unreliable and its determination is made in another area of interest. Using the obtained average attenuation coefficient and the obtained nonlinearity parameter, the extraction of those logarithmic amplitudes is carried out that have the greatest deviation from the most probable linear dependence. After extracting a portion of the logarithmic amplitudes, a new dataset is generated for the logarithmic amplitudes in the selected ROI. In the future, an iterative procedure is used to calculate the final value of the average attenuation coefficient and the quadratic nonlinearity parameter.
Блок-схема устройства для ультразвукового определения коэффициента затухания мягких тканей, которая показана на Рис. 3, содержит ультразвуковой преобразователь 310, приемо-передатчик 320, вычислитель амплитуды отклика 330, блок вычисления коэффициента затухания 340, вычислитель коэффициента затухания 345, дискриминатор логарифмических амплитуд 350, вычислитель квадратичной нелинейности 355, компаратор 360, блок накопления и усреднения данных 370 и устройство отображения информации 380.A block diagram of a device for ultrasonic determination of the attenuation coefficient of soft tissues, which is shown in Fig. 3, contains an
При реализации предложенного способа устройство работает следующим образом. Приемо-передатчик 320 генерирует импульсный периодический сигнал, который преобразуется в ультразвуковом преобразователе 310 в последовательность зондирующих ультразвуковых импульсов, излучаемых в каждом из заданных направлений зондирования. Ультразвуковые сигналы отклика биологической ткани из выбранной области интереса на множество зондирующих ультразвуковых импульсов принимаются ультразвуковым преобразователем 310 и превращаются в электрические сигналы отклика, которые поступают в приемо-передатчик 320, где усиливаются до величины необходимой для дальнейшей обработки в вычислителе амплитуды сигналов 330.When implementing the proposed method, the device operates as follows. The
В приемо-передатчике 320 с использованием комплексного сигнала гетеродина осуществляется квадратурная демодуляция радиочастотных сигналов отклика, в результате чего формируются низкочастотные комплексные I-Q сигналы отклика в виде двух квадратурных составляющих для зондирующих импульсов каждого направления зондирования. В приемо-передатчике 320 осуществляется также аналого-цифровое преобразование сигналов, в результате чего на вход вычислителя амплитуды сигналов 330 поступают дискретные комплексные I-Q сигналы отклика из всех измерительных объемов на всех направлениях зондирования и глубинах расположения.In the
Вычисленные логарифмические амплитуды сигналов поступают в блок накопления и усреднения данных 370. В блоке 370 формируется массив данных для отображения в устройстве отображения информации 380.The calculated logarithmic signal amplitudes are fed to the data accumulation and averaging
Вычисленные логарифмические амплитуды сигналов поступают также в блок вычисления коэффициента затухания 340. Вычислитель 345 определяет локальные значения коэффициента затухания в выбранной области интереса следующим образомThe calculated logarithmic signal amplitudes are also fed to the
Эти данные передаются в блок накопления и усреднения данных 370 с последующим отображением в устройстве отображения информации 380.This data is transmitted to the data accumulation and averaging
Для точного определения среднего коэффициента затухания в выбранной области интереса, размеры которой определяются параметрами K и N, находится оценка параметров lg u(xj) и а для такой линейной зависимости (3), которая является наиболее вероятной с учетом данных для всех K глубин зондирования и всех N направлений зондирования. Нахождение этих параметров возможно, например, по признаку минимального среднеквадратичного отклонения и другими известными способами.To accurately determine the average attenuation coefficient in the selected area of interest, the dimensions of which are determined by the parameters K and N, an estimate of the parameters log u (x j ) and a is found for such a linear dependence (3), which is the most probable given the data for all K sounding depths and all N directions of sounding. Finding these parameters is possible, for example, based on the minimum standard deviation and other known methods.
Из вычислителя 345 найденный параметр lg u(xj) и средний коэффициент затухания а передаются в вычислитель квадратичной нелинейности 355. Сюда же из вычислителя амплитуды отклика 330 поступают данные о логарифмических амплитудах. Это дает возможность оценить параметры а и b следующей квадратичной функцииFrom the
Согласно предложенного способа определяются такие параметры функции f(x) (Рис. 1b), которые являются наиболее вероятными. Такая оценка может проводиться, в частности, по критерию наименьшего среднеквадратичного отклонения с учетом данных для K глубин зондирования и N направлений зондирования.According to the proposed method, such parameters of the function f (x) (Fig. 1b) are determined, which are the most probable. Such an assessment can be carried out, in particular, according to the criterion of the smallest standard deviation, taking into account the data for K sounding depths and N sounding directions.
С вычислителя квадратичной нелинейности 355 параметры а и b поступают в вычислитель 345, а параметр b дополнительно в компаратор 360, где он сравнивается с заданными величинами.From the
В некотором варианте воплощения изобретения таких заданных величин две: 
то независимо от причины появления квадратичной нелинейности в зависимости от глубины (тканевая неоднородность и/или уменьшение коэффициента затухания), измерения среднего коэффициента затухания являются достоверными. Таким образом, двойное неравенство (5) определяет диапазон таких значений параметра нелинейности, для которых измерения являются достоверными.then regardless of the reason for the appearance of square-law nonlinearity depending on the depth (tissue heterogeneity and / or a decrease in the attenuation coefficient), measurements of the average attenuation coefficient are reliable. Thus, double inequality (5) determines the range of such values of the nonlinearity parameter for which the measurements are reliable.
В некотором варианте воплощения изобретения для определения среднего коэффициента затухания используют узкополосные зондирующие импульсы с несущей частотой f. В этом случае можно пренебречь уменьшением среднего коэффициента затухания с глубиной вследствие затухания высокочастотных составляющих. В некотором варианте изобретения заранее заданные значения можно выбрать следующим образом: 
В некотором варианте воплощения изобретения для определения среднего коэффициента затухания используют широкополосные зондирующие импульсы. Если параметр нелинейности положительный и удовлетворяет двойному неравенству (5), то независимо от причины появления квадратичной нелинейности в зависимости от глубины (тканевая неоднородность и/или уменьшение коэффициента затухания), измерения среднего коэффициента затухания являются достоверными.In an embodiment of the invention, broadband sounding pulses are used to determine the average attenuation factor. If the nonlinearity parameter is positive and satisfies the double inequality (5), then regardless of the cause of the appearance of the quadratic nonlinearity depending on the depth (tissue inhomogeneity and / or a decrease in the attenuation coefficient), the measurements of the average attenuation coefficient are reliable.
Результат измерений отражает среднее значение коэффициента затухания в области интереса, и именно это значение является диагностическим параметром. Например, при отсутствии тканевых неоднородностей в печени без ожирения величина параметра нелинейности, обусловленного затуханием высокочастотных составляющих широкополосного зондирующего импульса, должна быть небольшой так же, как и средний коэффициент затухания. В печени с ожирением (стеатоз) параметр нелинейности будет значительно больше, чем в печени без ожирения, но и средний коэффициент затухания будет значительно больше. Это обстоятельство объективно позволяет по величине среднего коэффициента затухания устанавливать уровень ожирения печени.The measurement result reflects the average value of the attenuation coefficient in the region of interest, and it is this value that is the diagnostic parameter. For example, in the absence of tissue inhomogeneities in the liver without obesity, the value of the nonlinearity parameter due to the attenuation of the high-frequency components of the broadband probing pulse should be small, as well as the average attenuation coefficient. In an obese liver (steatosis), the nonlinearity parameter will be significantly greater than in a non-obese liver, but the average attenuation coefficient will also be much larger. This circumstance objectively makes it possible to establish the level of fatty liver by the value of the average attenuation coefficient.
С другой стороны, из вышеизложенного следует, что величина 
Если полученная величина b < 0, то квадратичная зависимость функции f(x) обусловлена преимущественно тканевой неоднородностью. В этом случае результат определения коэффициента затухания будет считаться достоверным, если выполняется двойное неравенство (5) и заданная величина 
Если параметр нелинейности принадлежит диапазону значений (5), то в вычислителе 345 формируется массив данных для разностной логарифмической амплитуды следующим образом:If the nonlinearity parameter belongs to the range of values (5), then the
20 lg(-) u(xj+x,yi) = 20 lg u(xj+x,yi) - a - bx[x-(K-1)d]. Эти данные вместе с параметрами lg u(xj) и полученным средним коэффициентом затухания α передаются в дискриминатор 350, где вычисляется отклонение20 lg (-) u (x j + x, y i ) = 20 lg u (x j + x, y i ) - a - bx [x- (K-1) d]. These data, together with the parameters log u (x j ) and the obtained average attenuation coefficient α, are transmitted to the
для всех K⋅N измерительных объемов и отбрасываются значения разностной логарифмической амплитуды, для которых отклонение превышает заранее заданную для первого шага итерации величину или заранее заданный процент логарифмических амплитуд с наибольшим отклонением. Такое извлечение должно удалить из дальнейшего анализа ложные измерения амплитуды. В результате с помощью дискриминатора 350 в вычислителе 345 формируется новый массив данных по логарифмическим амплитудам отклика, который показан на Рис. 2а, необходимый для выполнения второго шага итерации. Второй шаг, как и все последующие шаги, полностью повторяет описанный выше первый итерационный шаг. В некотором варианте воплощения изобретения конечной считается та итерация, после которой не остается значений логарифмической амплитуды с отклонением (6), превышающем заранее заданную величину. В некотором варианте воплощения изобретения итерационная процедура продолжается до тех пор, пока массив данных по логарифмическим амплитудам не уменьшается до заранее заданной величины.for all K⋅N measuring volumes and the values of the difference logarithmic amplitude are discarded, for which the deviation exceeds a predetermined value for the first iteration step or a predetermined percentage of logarithmic amplitudes with the largest deviation. Such an extraction should remove false amplitude measurements from further analysis. As a result, using the
Если на каком-то шаге итерационной процедуры двойное неравенство (5) не выполняется, то измерение среднего коэффициента затухания прекращается, поскольку не является достоверным. В таком случае измерение среднего коэффициента затухания по описанной итерационной процедурой необходимо проводить в другой по расположению и/или форме области интереса.If at some step of the iterative procedure the double inequality (5) is not satisfied, then the measurement of the average attenuation coefficient is terminated, since it is not reliable. In this case, the measurement of the average attenuation coefficient according to the described iterative procedure must be carried out in a different location and / or shape of the region of interest.
Результат определения среднего коэффициента затухания ультразвука и параметра lg u(xj), полученный на последнем шаге итерационной процедуры, передается в блок накопления и усреднения данных 370 для построения линейной зависимости (3), которая отображается устройством отображения информации 380.The result of determining the average attenuation coefficient of ultrasound and the parameter lg u (x j ), obtained at the last step of the iterative procedure, is transmitted to the data accumulation and averaging
Наконец, устройство отображения информации 380 реализует индикацию результатов ультразвукового измерения коэффициента затухания ультразвука, как показано на Рис. 4, в виде полученного среднего коэффициента затухания 410, среднеквадратичного отклонения 420 этого значения, а также минимального 430 и максимального 440 значений в выбранной области интереса 450, где проведенные измерения были достоверными. Кроме того, отображается зависимость логарифмических амплитуд от глубины 460 для всех измерительных объемов и график полученной линейной зависимости 470 в выбранной области интереса.Finally, the
Для визуализации пространственного распределения коэффициента затухания в области интереса могут применяться как черно-белые, так и цветные изображения. В некотором варианте воплощения изобретения при кодировании коэффициента затухания применяется зелено-красная шкала 480, в которой относительно большие значения α≅3.5 дБ/см кодируются красным цветом, в то время как низкие значения α≅1 дБ/см кодируются зеленым цветом.Both black and white and color images can be used to visualize the spatial distribution of the attenuation coefficient in the region of interest. In an embodiment, the decay ratio is encoded using the green-red 480 scale, in which relatively large values of α≅3.5 dB / cm are encoded in red, while low values of α≅1 dB / cm are encoded in green.
ПРИМЕРEXAMPLE
В заявленном способе и устройстве для определения среднего коэффициента затухания ультразвука в мягких тканях блок вычисления коэффициента затухания 340 может быть реализован, например, на базе персонального компьютера с процессором Intel(R) Core(TM) i5-8400. Этот процессор способен осуществлять все необходимые вычисления в вычислителе коэффициента затухания 345, дискриминаторе логарифмических амплитуд 350, вычислителе квадратичной нелинейности 355 и компараторе 360 в реальном времени. Для обработки данных из области интереса с количеством измерительных объемов K×N = 64×40, с помощью которых вычисляется средний коэффициент затухания ультразвука по описанной итерационной процедурой, нужно время порядка 1 мс, что позволяет обновлять данные по коэффициенту затухания с частотой до 1000 Гц. Эта частота больше частоты повторения кадров во всех режимах ультразвуковой медицинской диагностики, которые реально применяются.In the claimed method and device for determining the average attenuation coefficient of ultrasound in soft tissues, the attenuation
Claims (28)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020104802A RU2735466C1 (en) | 2020-01-31 | 2020-01-31 | Method and apparatus for determining average ultrasonic attenuation coefficient in soft tissues |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020104802A RU2735466C1 (en) | 2020-01-31 | 2020-01-31 | Method and apparatus for determining average ultrasonic attenuation coefficient in soft tissues |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2735466C1 true RU2735466C1 (en) | 2020-11-02 |
Family
ID=73398394
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020104802A RU2735466C1 (en) | 2020-01-31 | 2020-01-31 | Method and apparatus for determining average ultrasonic attenuation coefficient in soft tissues |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2735466C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20130345566A1 (en) * | 2012-05-09 | 2013-12-26 | The Regents Of The University Of Michigan | Linear magnetic drive transducer for ultrasound imaging |
| UA111234C2 (en) * | 2014-04-25 | 2016-04-11 | Анатолій Іларіонович Марусенко | METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE REAL-TIME DIFFUSION OF ULTRASOUND |
| US20190269385A1 (en) * | 2010-06-09 | 2019-09-05 | Regents Of The University Of Minnesota | Dual mode ultrasound transducer (dmut) system and method for controlling delivery of ultrasound therapy |
-
2020
- 2020-01-31 RU RU2020104802A patent/RU2735466C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190269385A1 (en) * | 2010-06-09 | 2019-09-05 | Regents Of The University Of Minnesota | Dual mode ultrasound transducer (dmut) system and method for controlling delivery of ultrasound therapy |
| US20130345566A1 (en) * | 2012-05-09 | 2013-12-26 | The Regents Of The University Of Michigan | Linear magnetic drive transducer for ultrasound imaging |
| UA111234C2 (en) * | 2014-04-25 | 2016-04-11 | Анатолій Іларіонович Марусенко | METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE REAL-TIME DIFFUSION OF ULTRASOUND |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Viren R. Amin. Ultrasonic attenuation estimation for tissue characterization. 1989. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5730979B2 (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus and elasticity evaluation method | |
| CN110785126B (en) | Method for ultrasound system independent attenuation coefficient estimation | |
| JP5568199B1 (en) | Ultrasonic observation apparatus, operation method of ultrasonic observation apparatus, and operation program of ultrasonic observation apparatus | |
| WO2012063976A1 (en) | Ultrasound diagnostic device, operation method of ultrasound diagnostic device, and operation program for ultrasound diagnostic device | |
| US8917919B2 (en) | Ultrasonic observation apparatus, operation method of the same, and computer readable recording medium | |
| JP2013166059A (en) | Ultrasonic observation apparatus, and method and program for operating the same | |
| JP6216736B2 (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic diagnostic method | |
| JP5642910B1 (en) | Ultrasonic observation apparatus, operation method of ultrasonic observation apparatus, and operation program of ultrasonic observation apparatus | |
| US10299766B2 (en) | Ultrasound diagnosis apparatus, method for operating ultrasound diagnosis apparatus, and computer-readable recording medium | |
| RU2723753C1 (en) | Method and device for ultrasonic measurement and visualization of biological tissues elasticity in real time | |
| JP5974210B2 (en) | Ultrasonic observation apparatus, operation method of ultrasonic observation apparatus, and operation program of ultrasonic observation apparatus | |
| JP5788624B2 (en) | Ultrasonic observation apparatus, operation method of ultrasonic observation apparatus, and operation program of ultrasonic observation apparatus | |
| Zhou et al. | Hepatic steatosis assessment using ultrasound homodyned-K parametric imaging: the effects of estimators | |
| US20130096429A1 (en) | Ultrasonic diagnosis apparatus, operation method of the same, and computer readable recording medium | |
| US11850098B2 (en) | Method and device for measuring an ultrasound parameter of a viscoelastic medium | |
| CN116098652B (en) | Ultrasonic contrast blood pressure measuring device and method based on subharmonic resonance frequency | |
| JPWO2012011414A1 (en) | Ultrasonic diagnostic equipment | |
| US20140073922A1 (en) | Ultrasound with augmented visualization | |
| RU2735466C1 (en) | Method and apparatus for determining average ultrasonic attenuation coefficient in soft tissues | |
| WO2013132717A1 (en) | Ultrasound observation device, ultrasound observation device operation method, and ultrasound observation device operation program | |
| JP6138402B2 (en) | Ultrasonic observation apparatus, operation method of ultrasonic observation apparatus, and operation program of ultrasonic observation apparatus | |
| JP5932183B1 (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus, method for operating ultrasonic diagnostic apparatus, and operation program for ultrasonic diagnostic apparatus | |
| CN113491535B (en) | Ultrasonic diagnostic apparatus, signal processing apparatus, and recording medium | |
| Scorza et al. | A Comparative Study on the Influence of Phantoms and Test objects on Quality Control Measurements in B-mode ultrasound systems: preliminary results | |
| Carson et al. | Constant Depth Ultrasound Imaging Using Computer Acquisition, Display, and Analysis |