Последние 30 лет ультразвук претерпевает значительные изменения: производители стараются разрабатывать новые решения, которые бы удовлетворяли потребности врачей. Каждое из них – от первой реализации статического В-режима до цветного доплера и визуализации в реальном времени – способствовало существенному прогрессу в диагностическом ультразвуке.
Появляются новые технологии формирования луча, призванные существенно повысить эффективность визуализации.
Благодаря таким перспективным разработкам ультразвук совершенствует поддержку клинических решений и эволюционирует в более основательный метод визуализации, роль которого в будущем может быть расширена.
На заре ультразвуковых исследований в реальном времени для получения изображений одноэлементный датчик с фиксированным фокусом механически перемещали туда-обратно по полю изображения. Фокусировка датчика обеспечивалась акустической линзой и была фиксированной как на передачу волны, так и на прием эхо-сигнала, поэтому качество изображения было наилучшим только в районе фиксированной глубины фокусировки.
В 1980-х годах появились датчики с твердотельной фазированной решеткой. Вместе с многоэлементными датчиками в ультразвук пришла технология электронного «формирования луча», которая обеспечила новые уровни клинической универсальности и новые возможности визуализации. Формирователь луча сделал возможным изменение направления излучения, фокусировку на передачу и фокусировку на прием.
Программируемый цифровой формирователь луча обеспечил возможность постоянной фокусировки эхо-сигналов при приеме многоэлементным датчиком, и принятые лучи поддерживались в постоянном фокусе.
Это достигалось постоянным обновлением фокусных задержек формирователя луча при возвращении эхо-сигналов с постоянно возрастающей глубины поля. Однако это решило только половину проблемы фокусировки. Передающий луч по-прежнему фокусировался только на одной глубине поля, и оптимальное разрешение достигалось лишь в районе фокусной зоны передачи (Рисунок 1). Двусторонний профиль луча, образованный профилем передающего луча и профилем приемного луча, по-прежнему мог быть улучшен.
Частота кадров ультразвуковых изображений зависит от времени, которое требуется на сканирование всего поля изображения, которое в свою очередь является функцией количества циклов передачи-приема, необходимых для сканирования изображения. При самом простом формировании луча одна передача обеспечивает один прием линии данных, используемых для построения изображения (Рисунок 2).
В 1990-х годах были предприняты две попытки уменьшить количество циклов приема-передачи. Первой было увеличение расстояния между линиями сканирования и интерполирование синтетических линий сканирования между реально полученными. Интерполяция мгновенно увеличивала частоту кадров, но имела свои ограничения. Разрешение анатомических структур уменьшалось, поскольку интерполированные линии сканирования получали усреднением реальных ультразвуковых данных с обеих сторон.
Предел увеличения расстояния между реальными линиями сканирования определяется потребностью в адекватном пространственном отображении поля сканирования с помощью передаваемого и принимаемого ультразвука. Интерполяция улучшала временное разрешение, но при этом требовала компромисса в пространственном разрешении изображения.
Вторая попытка улучшения временного разрешения оказалась более значимой. Появилась коммерческая технология параллельной обработки приемных лучей в виде многоканального формирования луча. Прогресс вычислительной мощности обеспечил возможность облучения ультразвуком широкой области, включающей несколько линий сканирования, и одновременного приема и формирования лучей, образующих различные линии сканирования.
Вместо получения четырех линий сканирования за четыре цикла передачи-приема теперь четыре линии сканирования можно было получить в результате одной передачи (Рисунок 3). В данном примере время сканирования всего поля изображения, а следовательно и частота кадров визуализации, улучшилось в 4 раза. Однако повышение уровня многоканальности требует расширения передающего луча для охвата большего количества линий сканирования.
Передающий луч стал еще менее сфокусированным, чем в прошлом, что привело к образованию артефактов изображения. Тем не менее, даже с учетом артефактов, многоканальное формирование луча стало важным шагом к повышению частоты кадров.
Не так давно в продаже появилась технология формирования луча с синтетической фокусировкой (также известная как зонная фокусировка или визуализация плоской волны). Технология формирования луча с синтетической фокусировкой известна с середины 1970-х годов, но до недавних лет она вызывала лишь академический интерес. Хранение данных с высокой плотностью и повышение вычислительной мощности микропроцессоров обеспечили возможность работы над практическим применением технологии.
Синтетическая фокусировка пытается преодолеть некоторые ограничения традиционного формирования луча путем облучения ультразвуком всего поля изображения или большей его части во время каждой передачи – это, по сути, уменьшает влияние фокусировки передачи на финальное изображение (Рисунок 4).
Это позволяет каждому элементу датчика получать энергию с большей части целевой области так, что вся двусторонняя фокусировка, необходимая для генерации изображения, может осуществляться при приеме. Это обеспечивает возможность значительного увеличения частоты кадров при адекватном пространственном разрешении.
Тем не менее, формирователи луча с синтетической фокусировкой имеют свои ограничения. Поскольку синтетическая фокусировка при передаче использует низкоинтенсивные несфокусированные плоские волны, фокусировка происходит только на приеме. Низкая интенсивность передачи приводит к плохому соотношению сигнал-шум и потере проникающей способности.
Если попытаться восстановить соотношение сигнал-шум усреднением изображений, полученных от различных передач, снижается частота кадров, что плохо подходит для визуализации сердца и других движущихся структур. Гармоническая визуализация тканей, в частности, требует генерации ультразвуковых волн с более высокой амплитудой, а это обычно требует некоторой фокусировки при передаче, что несовместимо с синтетической фокусировкой.
Несмотря на все эти постепенные улучшения фокусировки луча, разрешения изображения и частоты кадров, передающий луч оставался таким же самым. Он по-прежнему был сфокусирован в программируемой фокальной точке, а его профиль имел форму песочных часов (Рисунок 5).
При традиционном формировании луча параметры визуализации, такие как пространственное разрешение, временное разрешение и однородность ткани связаны – это означает, что улучшение одного параметра влечет за собой ухудшение другого (Рисунок 6).
Чтобы компенсировать улучшение какого-либо параметра, приходится всегда жертвовать одним или несколькими другими. Например, если пользователю нужна высокая частота кадров – для визуализации быстро движущейся структуры или при передвижении датчика в поисках патологии – он должен пожертвовать качеством изображения, обычно пространственным разрешением.
Этот подход изменила технология nSIGHT – совершенно новый метод формирования изображений, в котором отсутствует необходимость компромисса, присущая традиционными архитектурами. Технология nSIGHT обеспечивает практически идеальные передающие лучи по всей глубине поля.
Двусторонний профиль луча больше не имеет форму песочных часов при передаче и форму карандаша при приеме, теперь это сочетание двух четких карандашеобразных профилей (Рисунок 7).
Результатом становится резкое улучшение контрастного разрешения, детализации и глубины поля, в частности в очень ближнем и очень дальнем полях. При использовании технологии nSIGHT пространственное разрешение, временное разрешение и однородность тканей не связаны, что позволяет пользователю улучшить все параметры визуализации, не жертвуя ни одним из них (Рисунок 8).
Технология nSIGHT – это уникальная комбинация нового точного формирователя луча и массовой параллельной обработки. Инновационная архитектура обеспечивает возможность когерентного преобразования луча в реальном времени и сочетает в себе лучшие аспекты многоканального формирования луча и методов синтетической фокусировки (Рисунок 9).
Технология nSIGHT поддерживает намного более высокий уровень параллельного формирования лучей, чем традиционная многоканальная технология, и обеспечивает больше возможностей для повышения частоты кадров. Метод объединения нескольких приемных лучей с приемными лучами от различных передач – по сути, форма инверсной фильтрации – автоматически корректирует расширенные профили передающих лучей и убирает артефакты многоканальности.
Инверсная фильтрация также постоянно адаптируется вместе с глубиной по мере изменения профиля передающего луча (из-за фокусировки передачи) и таким образом увеличивает глубину поля каждой фокусировки передачи.
Поскольку для создания каждого двустороннего луча комбинируется несколько передающих лучей и передающий луч имеет свое распределение шумов, шум суммируется некогерентно, а сигнал суммируется когерентно, что улучшает соотношение сигнал-шум и проникающую способность.
Для лучшего понимания технологии nSIGHT давайте рассмотрим ультразвуковые лучи традиционного цикла передачи-приема (Рисунок 10). Красная линия фокусировки – центр передающего луча, а синяя линия – выровненный приемный сфокусированный луч. Когда передающий луч испускается решеткой датчика, он регулируется по времени и образует изогнутый волновой фронт, который заставит его сходиться в предопределенной точке фокуса.
На рисунке сходящийся фронт передающей волны со стороны решетки выглядит выпуклым. После схождения в фокусе волновой фронт начинает расходиться и со стороны решетки выглядит вогнутым. Этот процесс схождения, фокусировки и расхождения обеспечивает лучу классический профиль песочных часов с каждой стороны от центра луча. Приемный луч, постоянно фокусируемый при приеме, имеет узкий карандашеобразный профиль.
Результирующий двухсторонний профиль луча (который определяет боковое разрешение) образован профилями передающего и приемного луча. Поэтому, если даже передающий луч не так хорошо сфокусирован, как приемный, двусторонний профиль луча все равно будет острее (уже). Однако, если оба луча будут очень узкими, тогда их сочетание даст нам максимально узкий двусторонний луч, особенно вдали от изначального фокуса передачи. Это то, что обеспечивает технология nSIGHT.
В технологии nSIGHT множественные циклы передачи-приема используются с пространственно разными профилями передающего луча. Например, на Рисунке 11 изображены три пространственно смежных передающих луча T1, T2 и T3. Все три передающих луча имеют одинаковые сходящиеся и расходящиеся волновые фронты, как показано на рисунке, и все три сфокусированы на одной глубине, отмеченной вертикальной красной линией в центре.
На приеме в ответ на каждый передающий луч формируется луч с тем же пространственным расположением, обозначенный синим приемным лучом R. В каждом случае формирование приемного луча одинаковое, таким образом, три динамически сфокусированных приемных луча принимаются вдоль синей стрелки R.
Все три передающих луча тщательно сфокусированы на глубине фокусировки, однако видно, что их волновые фронты не совпадают по фазе до и после схождения в фокусе.
Рассмотрим только ближнее поле, изображенное на Рисунке 12.
«Одиночный» центральный луч находится в правильной фазе, а два внешних луча (верхний и нижний) в неправильной фазе, а технология nSIGHT синхронизирует их с центральным лучом.
Технология nSIGHT убирает фазовое рассогласование, синхронизируя несовпадающий по фазе волновой фронт с центральными волновыми фронтами, как показано на Рисунке 13.
Это достигается не изменением формы самой передающей волны, поскольку, как говорилось ранее, как только фронт передающей волны входит в тело, ультразвуковая система уже не может его изменить. Фазовая синхронизация достигается воздействием на хранимые принятые сигналы, на которые влияет двусторонний профиль луча и задержки системы, поэтому кажется, что двусторонние сигналы были динамически сфокусированы на передачу.
На Рисунке 13 видно несколько положительных эффектов технологии nSIGHT. Во-первых, три передающих волновых фронта совпадают по фазе на линии сканирования, что отмечено желтым кругом. Таким образом, сигналы всех трех лучей конструктивно усиливают друг друга и комбинируются, создавая более четкий и сильный сигнал точно на линии сканирования, образуемой формирователем луча. Видно, что по обеим сторонам линии сканирования три волновых фронта не совпадают по фазе друг с другом. Соответственно, они будут деструктивно интерферировать друг с другом вне оси линии сканирования.
В результате желаемые сигналы линии сканирования будут позитивно усилены, а нежелательные соседние сигналы и шум будут погашены. Это можно сравнить с усреднением кадров в ультразвуке. Но вместо комбинирования одного целого кадра с другим, сигналы, полученные из поля изображения, регулируются и комбинируются индивидуально, точка за точкой, во всем поле изображения.
Это обеспечивает более четкие изображения, чем когда-либо ранее. В примере на Рисунке 13 детализированные структуры в ближнем поле, такие как исчерченность мышц, очень поверхностные образования в молочной железе и узлы в капсуле печени, будут визуализированы с ранее недостижимым разрешением.
Технология nSIGHT обеспечивает улучшение проникающей способности в дальнем поле, как показано на Рисунке 14. В дальнем поле расходящиеся волновые фронты аналогичным образом приводятся в фазовую когерентность в точке, обозначенной желтым кругом.
Поскольку сигналы трех передач-приемов комбинируются, имеет место усреднение импульсов. Слабые сигналы из дальнего поля в несколько раз усиливаются, что обеспечивает повышенную четкость и разрешение на больших глубинах поля. Как в примере с ближним полем, внеосевые сигналы не совпадают по фазе, поэтому гасятся.
Шум усредняется, что увеличивает проникающую способность и разрешение. В результате артефакты дальнего поля, типичные для предыдущих ультразвуковых систем, например помехи при визуализации желудочка, существенно уменьшаются благодаря технологии nSIGHT.
Динамически перефокусированный преобразованный передающий луч теперь точно сфокусирован по всей глубине поля и имеет такой же узкий однородный профиль, как динамически сфокусированные приемные лучи. Профили двух лучей образуют необходимый карандашеобразный двусторонний профиль луча, как показано на Рисунке 7.
Еще одно преимущество технологии nSIGHT в том, что глубина фокуса при передаче больше не имеет такого критического значения.
Изображение будет более сфокусированным по всей глубине поля и менее зависимым от выбранной фокальной точки. Полная фокусировка изображения, которая в прошлом достигалась за счет нескольких фокусных зон в технологии зонной фокусировки, теперь достигается автоматически с помощью технологии nSIGHT без необходимости существенного уменьшения частоты кадров, которое имело место в различных технологиях зонной фокусировки на передачу. Проблемы, связанные с созданием фокусных зон, теперь актуальны только для традиционного диагностического ультразвука.
Если бы предыдущая обработка осуществлялась с тремя традиционными циклами передачи-приема, как показано на Рисунке 11, частота кадров бы уменьшилась втрое. Этот отрицательный эффект отсутствует в технологии nSIGHT, которая использует многоканальную передачу и прием высокого порядка, как показано на Рисунке 15. В данном примере четыре цикла передачи-приема с четырьмя лучами передачи T1, T2, T3 и T4. Центры лучей передачи смещаются вдоль решетки от одного цикла к другому, как показано на рисунке.
Вместо приема одного луча, как на Рисунке 11, в ответ на каждый передающий луч получаем шестнадцать (или более) приемных лучей. Черная стрелка показывает, что результатом этих четырех передач-приемов станет формирование линии сканирования, сфокусированной на передачу и прием. На Рисунке 15 также видно, что на данном этапе можно сформировать три других полностью сфокусированных луча, один над черной стрелкой и два под ней.
Таким образом, в результате каждой инкрементальной передачи будут сформированы четыре полностью сфокусированных линии сканирования с значительно более высокой частотой кадров, чем при традиционном приеме одного луча, и с значительно большим разрешением и детализаций, чем в примере с тремя циклами на Рисунках 11-14. Это означает, что частота кадров и временное разрешение будут в четыре раза больше, чем при традиционном подходе. С запатентованной технологией nSIGHT от Philips больше нет необходимости жертвовать временным разрешением ради пространственного разрешения и детализации.
Точное преобразование луча, используемое в nSIGHT, требовало мощной обработки. Для осуществления фактически мгновенного преобразования луча требовалась разработка новой архитектуры. Результатом стало запатентованное аппаратное и программное обеспечение, способное осуществлять массовую параллельную обработку данных.
Уникальная архитектура nSIGHT способна выполнять 450 x 109 40-битных умножений с накоплением в секунду.
Для сравнения это равняется следующему:
~ 5000x суперкомпьютеров Cray-1, работающих в унисон (5-8 тысяч долларов каждый в 1980 г.)
~ 75x высококлассных многоядерных процессоров DSP, работающих в унисон (3 ядра, 2 32-битных умножений с накоплением в секунду на ядро, 1 ГГц)
~ 25x высокотехнологичных игровых настольных ПК, работающих в унисон (двойной сокет, 8 ядер на сокет, 2 ГГц)
Потенциал новой мощной архитектуры формирователя луча, способной визуализировать мелкие детали во всем поле изображения, можно полностью реализовать, только если путь до формирователя луча обеспечивает наивысшее качество информационного сигнала.
Поэтому компания Philips разработала входной модуль системы EPIQ, который дал возможность приема и доставки сигналов с более высоким содержанием информации об изображении, чем ранее. Приемный тракт получил новую входную аналоговую схему, которая обеспечила увеличение диапазона частот акустического сигнала, что особенно важно для достижения максимальной чувствительности и проникающей способности на самых высоких частотах визуализации.
Также был увеличен динамический диапазон, это позволило детектировать более широкий диапазон амплитуд акустических сигналов без искажения для более высокого разрешения и детализации.
Благодаря новому тракту сигнала с увеличенной полосой частот и динамическим диапазоном технология nSIGHT обеспечивает непревзойденные уровни эффективности.
Технология nSIGHT обеспечивает поистине выдающиеся клинические результаты в различных областях. Улучшения во всех аспектах визуализации представлены в таблице ниже.
Технология nSIGHT: видеть – значит верить
Ультразвуковая система Philips EPIQ с технологией nSIGHT – это действительно новая эра в ультразвуке премиум-класса, которая гарантирует новый уровень диагностической достоверности и клинической уверенности.
Благодаря самой мощной на сегодняшний день ультразвуковой архитектуре, Philips EPIQ оставляет далеко позади все представленные ранее ультразвуковые системы премиум-класса, обеспечивая исключительное качество изображения, непревзойденное удобство для пользователя и беспрецедентные уровни адаптивного интеллекта.
183
39017
0
5950
0
27399
0
17083
0
11711
1
38083
0
11720
0
18116
0
18048
Если вы впервые на сайте, заполните, пожалуйста, регистрационную форму.
Главная
Новости
Аппараты УЗИ
Обучение
Блоги
Форум
О проекте
Комментариев еще нет