Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ на тему:
«Класифікація методів діагностики. Системи фокусування НВЧ-енергії»
МІНСЬК, 2008
Класифікація методів діагностики
Інтроскопія - внутрівіденіе (intro - всередині, лат., Skopeo - дивлюся, спостерігаю, грец.) - Візуальне спостереження об'єктів, явищ і процесів в оптично непрозорих тілах і середовищах, а також в умовах поганої видимості.
Сучасна медична інтроскопія має в своєму арсеналі сотні різноманітних приладів, що використовують рентгенівське випромінювання з енергіями від 10 до 100 кеВ (рентгенівська діагностика), гамма-випромінювання штучних радіоактивних ізотопів з енергіями 10-300 кеВ (ізотопна діагностика), інфрачервоне випромінювання людського тіла (теплобачення) , оптичний діапазон випромінювань (ендоскопія). Ведуться дослідження з реєстрації випромінювання людським тілом радіочастотного діапазону (НВЧ-інтроскопія). Використовуються джерела НВЧ для отримання зображень внутрішніх структур організму на основі ядерного магнітного резонансу (ЯМР-інтроскопія).
Але одного лише електромагнітного випромінювання вже недостатньо для сучасної медичної діагностики. Робляться спроби використовувати для цілей візуалізації внутрішніх структур організму корпускулярне випромінювання: електрони, нейтрони, протони.
Надзвичайно ефективним виявилося застосування для задач медичної інтроскопії високочастотних звукових коливань (ультразвукова діагностика).
І все-таки найбільш разючі результати принесло в останні роки медичної інтроскопії освоєння неосяжних можливостей ЕОМ і мікропроцесорної техніки. Вперше обчислювальна машина була використана в радіології лише трохи більше 30 років тому для обробки інформації, одержуваної коллімірованним гамма-лічильником, скануючим ділянку людського тіла, куди введено радіоактивний ізотоп. ЕОМ різко прискорила процес обробки радіометричної інформації, істотно скоротивши радіологи час постановки діагнозу.
В даний час у клініках і лікарнях світу функціонують десятки тисяч ЕОМ різного рівня для вирішення найрізноманітніших завдань, від розрахунку і розподілу потоків пацієнтів з рентгенодіагностичним відділенням великого діагностичного центру до автоматичної постановки попереднього діагнозу при профілактичному огляді. Мікропроцесори стають невід'ємною деталлю схем управління сучасних інтегралів.
Завдання, які вирішуються ЕОМ, в медичній інтроскопії можна розділити на три основні типи. Перший - обробка інформації, включаючи і безпосередню обробку зображень. Другий - відновлення двох і тривимірних зображень по серії разноракурсних одновимірних сигналів детекторів, чутливих до вживаного для дослідження виду випромінювання. Третій - автоматичний аналіз медичних зображень.
Особливості цих трьох аспектів застосування ЕОМ у медичній інтроскопії розглянемо далі в наведеному вище порядку.
Не зупиняючись докладно на досить складні механізми взаємодії використовуваного для інтроскопії випромінювання з об'єктом дослідження, відзначимо лише, що при всій різноманітності методів за принципом реєстрації їх можна розділити на чотири групи (рис. 1).
Рис. 1.
1. Реєстрація випромінювання, що пройшло через досліджуваний об'єкт (рис. 1, а). Джерело випромінювання І і приймач П розташовуються на протилежних сторонах від об'єкта О. Природно, такий метод можна застосовувати тільки при використанні сильного «проникаючого» випромінювання: рентгенівського, іноді ультразвукових хвиль, потоку нейтронів.
2. Реєстрація відбитого випромінювання (рис. 1, б). Приймач при цьому може розташовуватися там же, де і джерело, або поряд з ним в залежності від того, який відбитий сигнал потрібно зареєструвати. Іноді джерело поєднується з приймачем. Подібним чином працюють оптичні внутрішньопорожнинні ендоскопи та ультразвукові сканери. Реєстрація власного випромінювання об'єкта. Живі організми випромінюють ІЧ-випромінювання та електромагнітне випромінювання радіочастотного діапазону. Якщо в досліджуваний орган введено радіоактивний ізотоп, то реєструється розподіл його активності (ізотопна діагностика, рис. 1, в).
Реєстрація розсіяного випромінювання (рис. 1, г). Взаємодіючи з тканинами організму, проникаюче випромінювання частково поглинається, частково проходить через об'єкт без змін, а істотна частка випромінювання видозмінюється: міняє напрямок і енергію - розсіюється на всі боки. Окремим випадком розсіювання є відображення. На принципі реєстрації розсіяного випромінювання побудовані деякі типи рентгенівських томографів. Сюди ж можна віднести томографи на основі ядерного магнітного резонансу.
В усіх чотирьох типах інтроскопії необхідно виробляти багатоступінчасте перетворення зображень для приведення їх до виду, доступному для аналізу оператором. Незважаючи на те, що випромінювачі та первинні перетворювачі випромінювання в кожному виді інтроскопії специфічні по конструкції і цілком залежать від виду застосовуваного випромінювання, подальший тракт перетворення випромінювання та його обробки для більшості систем практично однаковий. Перетворювачі випромінювання, як правило, перетворюють приховане зображення, отримане «у використовуваному випромінюванні», або в оптичне, доступне оку, або в послідовність електричних сигналів. Оптичне зображення може бути посилене із допомогою електронно-оптичних методів посилення і перетворено в послідовність електричних сигналів за допомогою, наприклад, телевізійних систем або подане для вивчення оператором.
Послідовність електричних сигналів являє собою найбільш зручну форму для подальшої обробки зображення. Обробка може здійснюватися як електронними аналоговими, так і цифровими методами. Для цілей цифрової обробки аналогові сигнали перетворюються в дискретну форму за допомогою аналого-цифрових перетворювачів АЦП і в такому вигляді надходять в ЕОМ.
На рис. 2 як приклад представлений тракт перетворення зображення при рентгенівському дослідженні за допомогою ЕОМ. Отримане на флюороскопіческом екрані П світлове зображення посилюється електронно-оптичним перетворювачем (ЕОП) і надходить через оптичну систему на вхід телевізійної трубки ТТ, перетворюючись в послідовність електричних сигналів. За допомогою АЦП виробляється дискретизація і квантування, а далі запис в оперативну цифрову пам'ять - ОЗУ і обробка сигналів зображення за заданими програмами в ЕОМ. Перетворене зображення знову перетворюється на аналогову форму за допомогою цифро-аналогового перетворювача ЦАП і виводиться на екран відеоконтрольного пристрої СКУ напівтонового дисплея. Для порівняння на іншому СКУ може реєструватися первинне зображення безпосередньо з телевізійної трубки ТТ.
Замість електричного сигналу від телевізійної трубки в деяких видах інтроскопії можуть використовуватися сигнали скануючих датчиків випромінювання (термографія, УЗ-діагностика), сигнали матриці фотоелектронних помножувачів (радіоізотопна діагностика), але подальший тракт перетворення у всіх системах, що працюють «он лайн» (в одній лінії з ЕОМ), практично однаковий.
У варіанті «офлайн» (коли ЕОМ відокремлена від інтроскопи) оптичне зображення реєструється на фотоплівці, яка потім переноситься на ЕОМ, де попередньо зображення зчитується тими ж електронними, зокрема телевізійними, методами і обробляється аналогічним чином.
Така спільність систем перетворення інтроскопічних зображень, а також методів і засобів їх обробки дозволяє розглянути особливості застосування ЕОМ у медичній інтроскопії без поділу за видами досліджень. Там, де це виявляється необхідним для розуміння особливостей роботи ЕОМ, ми коротко викладемо принципи того чи іншого виду інтроскопії, але основна увага буде зосереджена на загальних питаннях обробки, відновлення та аналізу медичних зображень.
І останнє міркування, перш ніж буде підведений підсумок нашому тривалому введення. Спільність методів і засобів обробки іітроскопіческіх зображень уже зараз дозволяє ставити питання про створення єдиної цифрової системи для роботи з медичними зображеннями і про організацію єдиних діагностичних відділень на основі широкого застосування ЕОМ в клінічній практиці. Крім значного економічного ефекту за рахунок багаторазового зменшення витрати срібновмістких фотоматеріалів і підвищення продуктивності праці лікаря-діагноста, така система дозволить різко розширити діагностичні можливості сучасної інтроскопії і підніме на новий рівень якість медичного обслуговування населення нашої країни.
Системи фокусування НВЧ-енергії та перспективи їх застосування
Для вирішення завдань виявлення об'єктів в оптично непрозорих середовищах останнім часом стало перспективним використання бліжнезонних фокусуючих систем НВЧ-діапазону. Серед відомих способів концентрації НВЧ-випромінювання кращі результати (досягнення високої точності фокусування, роздільної здатності, достатньої щільності потоку потужності, завадостійкості) дає застосування РТС на базі адаптивних антенних решіток з використанням як антенної системи фазованою антеною решітки (ФАР). У цьому випадку пов'язане з антеною гратами пристрій обробки сигналу визначає основні характеристики системи відповідно до інформації, що витягується при обробці прийнятих сигналів, містить обчислювальний пристрій, ланцюги самонастроювання, блок формування амплітудно-фазових розподілів на розкриві антеною системи.
Розглянемо застосування малапараметріческой фокусування НВЧ-енергії для вирішення інформаційних завдань в ближній зоні антеною системи.
Просторова фокусування на прийом і на випромінювання здійснюється завдяки великому розкриву антеною системи (АС), що забезпечує просторово-тимчасове когерентне додавання або прийнятих коливань з усього розкриву деякої АС - безперервній або дискретній (розрідженій), або випромінюють тієї ж АС коливань, створюючи просторову щільність потоку енергії в зоні фокусування - більшу, ніж на розкриві АС з площею розкриву S а = L a ┴ * L a
тобто на відстанях r 0 S ά / λ, що задовольняють умові зони Френеля.
Існує деяка точка простору з координатами ά 0, β 0, r 0 відповідна максимуму діаграми фокусування, яка характеризує фокусують властивості АС. Вперше ввівши нову сутність - діаграму фокусування, яка в рівній мірі відноситься як до режиму прийому, так і до режиму випромінювання, під нею слід розуміти залежність результуючої амплітуди когерентно-складених коливань від трьох координат деяких точок простору G ( , Г), з яких здійснюється випромінювання і виробляється фокусування на прийом прийнятих АС коливань. На відміну від діаграми спрямованості АС, яка є функцією лише двох кутових координат, діаграма фокусування є функцією трьох координат - двох кутових і дальності. Однак існує деяка область простору в околиці зазначеної точки, в якій відносний рівень сфокусованого НВЧ сигналу виявляється не нижче заданого. Цю область простору слід називати зоною фокусування.
Що стосується тимчасової концентрації НВЧ енергії, то вона здійснюється завдяки широкому спектру випромінюваного (прийнятого) сигналу, що забезпечує тимчасове стиснення сигналу, пропорційно його базі, тобто твору тривалості на ширину спектра, в силу чого потужність (тимчасова щільність енергії) збільшується в те ж число раз.
Обмежимося розглядом тільки просторової фокусування НВЧ енергії, вважаючи тимчасову структуру прийнятих або випромінюваних коливань відповідної монохроматичним сигналом. У зоні Френеля-фронт такої хвилі характеризується нахилом у двох площинах 0 і
0 по відношенню до розкриву АС і кривизною
0 = 1 / r о.
Когерентне складання сигналів
M kl = E 0. e ikθ. e ilθ e i (k 2 + l 2) θ
з елементів ФАР під номером k1, де k-рядок, а l - стовпець елементів двовимірної ФАР, розташованих еквідистантно з кроком Δ1, передбачає корекцію їх поканального набігів фази Δθ 1, Δθ 2, Δθ 3, обумовлених нахилом і кривизною хвильового фронту (ВФ):
Δθ 1 = Ώ c 1 Δ1 = 2 π / λ sin ά 0 . Δ1
Δθ 2 = Ώ c 2 Δ1 = 2 π / λ sin β 0 . Δ1
Δθ 3 = 2 π / λ γ 0 / 2. (Δ1) 2
а також юстировку початкового фазового розподілу, обумовленого
сукупністю причин інструментального характеру
S =
G
Замінюючи обмежений розкривши АС L = N . Δ1 з рівномірним розподілом амплітудним нескінченним розкриваючи з гауссових амплітудним розподілом, знаходимо діаграму фокусування .-
,
де Δά = ά 0-ά k, Δβ 0 = β 0-β k, Δ r = r 0 - r k-неузгодженості в площинах і по дальності відповідно, Ефективні розміри зони фокусування:
Співмножник G (0,0,0) = E о. L 1. L 2 / (Δ l) 2 = E 0. N 1 . N 2 відображає амплітуду результуючого коливання, як результату когерентного додавання коливань від N = N 1. N 2 елементів ФАР.
Апріорна невизначеність щодо розташування зони фокусування і елементів ФАР вимагає використання принципів самонастройки (адаптації) у системі фокусування НВЧ енергії. Адаптивне управління амплітудно-фазовим розподілом системи фокусування НВЧ енергії може бути організовано на різних принципах. Якщо забезпечувати синфазное (когерентне) складання коливань від усіх елементів ФАР з коливанням якогось одного опорного елемента, то така система самонастройки буде багатопараметричної, яка в порівнянні з малопараметріческой не вимагає попередньої юстування початкового фазового розподілу.
Проведений синтез дискримінаторів нахилу і кривизни ВФ показав, що формування сигналу помилки нахилу ВФ має здійснюватися шляхом формування двох каналів, взаємно засмучених по просторовій частоті щодо єдиного фазового центру АС, сумарно-різницевої обробки і скалярного множення (метод АМС), або шляхом формування двох каналів з взаємно рассовмещеннимі фазовими центрами на відстані, що не перевищує розкриву біля кожного фазового центру, сумарно-різницевої обробкою і перемножуванням з попередніми зрушенням за фазою на п / 2 радіан одного із співмножників (метод ФМС). Формування сигналу помилки кривизни ВФ має здійснюватися шляхом формування трьох каналів, взаємно засмучених по просторовій частоті щодо єдиного фазового центру АС, подвійний сумарно-різницевої обробки і перемножування із зсувом по фазі одного із співмножників на п / 2 радіан (метод АМС), або шляхом формування трьох каналів зі взаємно рассовмещеннимі фазовими центрами, подвійний сумарно-різницевої обробкою і перемножуванням із зсувом по фазі одного із співмножників на п / 2 радіан (метод ФМО). Дискримінаційні характеристики дискримінаторів нахилу і кривизни ВФ (при L 1 = L 2 = L) можуть бути описані виразами виду:
де Gо і Δ r еф - коефіцієнт спрямованої дії АС і ефективна довжина зони фокусування по дальності відповідно. Звідки крутизна дискримінаційних характеристик:
[В / рад],
Визначено спектральні щільності збурюючих впливів дискримінаторів нахилу і кривизни ВФ:
де Δ еф - роздільна здатність системи фокусування по деякому узагальненому параметру (нахилу, кривизні), μ - відношення сигнал шум, ΔF oбp - смуга пропускання фільтра обробки сигналу. Вважаючи сигнал сильним, дисперсія флуктуаційної помилки самонастроювання по вимірюваному узагальненому параметру дорівнює: , Де ρ a - еквівалентний відношення сигнал / шум за потужністю в ланцюзі самонастроювання. Щоб помилка адаптації не призводила до помітного зниження ефективності фокусування, необхідне виконання умови:
. для чого необхідно, щоб
. Це означає, що енергія сигналу, накопиченого в ланцюзі самонастроювання, повинна бути, принаймні, на порядок більше спектральної щільності шумів. Якщо орієнтуватися лише на джерело внутрішніх шумів з коефіцієнтом шуму до ш = 250, який неважко забезпечити, то
Тривалість перехідних процесів (час адаптації) в ланцюгах самонастроювання при несприятливому вихідному положенні ланцюгів самонастроювання в області нестійкої рівноваги з дуже низьким коефіцієнтом позитивного зворотного зв'язку на порядок може перевищувати час пам'яті замкненого кола самонастроювання в усталеному режимі: T Адапт. = 10. T а = 10 / Δ f a тому, бажаючи мати швидкодіючу систему фокусування НВЧ енергії з часом адаптації близько 10 мкс, необхідно забезпечити смугу пропускання замкненого кола самонастроювання в усталеному режимі порядку I МГц.
Оцінивши розміри - елемента дозволу можна з такою точністю здійснювати програмний перегляд простору. Слово «програмний» має на увазі програмне керування як самим амплітудно-фазовим розподілом на розкриві антеною системи, так і управління РТС в цілому. Огляд здійснюється занесенням дискретних розподілів для послідовної фокусування. Іншими словами відбувається, установка максимуму діаграми спрямованості у заздалегідь обрані вузлові точки перегляду простору ближньої зони. Часто доцільно отримати картину розподілу об'єктів в деякій площині. У цьому випадку завдання перегляду спрощується і зводиться до сканування з постійною дальністю перегляду.
Якщо в області простору виявлення, куди в даний момент була встановлена зона фокусування, знаходиться якийсь відображає об'єкт, то в силу принципу Гюйгенса-Френеля він стане джерелом вторинного електромагнітного випромінювання. Воно буде прийнято прийомним блоком системи до завантаження чергового розподілу на ФАР. При перевищенні цим сигналом рівня порога спрацьовування автоматично приймається рішення про наявність об'єкту в даному елементі дозволу з присвоєнням апріорно відомих координат вузлової точки фокусування. На цьому закінчується перший етап - виявлення об'єкта і грубе, з точністю до елемента дозволу, визначення його координат, (можливий рис. Перегляду в картинній площині)
Для поліпшення точносних характеристик вимірювання координат пропонується на другому етапі перейти в режим програмного адаптивного пошуку об'єкта в межах виділеного обсягу елемента простору виявлення. Це абсолютно не тягне за собою будь-яких структурних перебудов макета, а лише полягає в автоматичному (при бажанні оператора) перекладі системи на новий режим функціонування. Головна відмінність нового етапу - в необхідності розрахунку амплітудно-фазових розподілів для фокусування в проміжні точки адаптивного пошуку. Їх координати визначаються безпосередньо в процесі роботи і заздалегідь не відомі, що не дозволяє апріорно мати готові розподілу. Таким чином, на другому етапі зростають тимчасові витрати, але вони можуть компенсуватися використанням швидкодіючих обчислювачів та оптимальних алгоритмів пошуку. Можна відмовитися від розрахунків АФР, а зберігати їх у пам'яті обчислювача, але це вимагає її значних обсягів і призводить до обмеження точності виявлення. Так, для збільшення точності визначення координат на порядок необхідний обсяг пам'яті зростає на три порядки (при об'ємному скануванні).
Точність вимірювання координат визначається вибором порогу адаптації, а швидкість адаптації (число ітерацій) - вибором оптимальних коефіцієнтів передачі каналів самонастроювання за параметрами хвильового фронту.
Пропонована система поєднує в собі переваги грубого виявлення при скануванні по вузловим точкам (з використанням готових АФР) і точне адаптивне вимірювання координат (з обчисленням проміжних АФР). Головне достоїнство системи - визначення трьох координат, як активних так і пасивних цілей в ближній зона антеною системи при простоті структурної побудови (монохроматичне сигнал, єдина прийомна й передавальна антенна система, малопараметріческая фокусування СВЧ). Істотним недоліком є погане дозвіл об'єктів по дальності в силу значної протяжності зони фокусування по цій координаті.
ЛІТЕРАТУРА
Охріменко А.Є. Основи вилучення, обробки і передачі інформації. (В 6 частинах). Мінськ, БДУІР, 2004.
Девятко Н.Д., Голант М.Б., Реброва Т.Б.. Радіоелектроніка та медицина. -Мн. - Радіоелектроніка, 2002.
Медична техніка, М., Медицина 1996-2000 р.
Сіверс А.П. Проектування радіоприймальних пристроїв, М., Радіо і зв'язок, 2006.
Чердинцев В.В. Радіотехнічні системи. - Мн.: Вища школа, 2002.
Радіотехніка та електроніка. Межведоств. темат. наук. збірник. Вип. 22, Мінськ, БДУІР, 2004.