Приложение А (справочное). Описание конструкции фантома и результатов проверки

Приложение А
(справочное)

Описание
конструкции фантома и результатов проверки

А.1 Общие положения

В этом приложении описывается фантом, конструкция и свойства которого, удовлетворяют требованиям настоящего стандарта, а также примеры испытаний с его использованием.

Оборудование, необходимое для измерения VDR, состоит из фантома, ползунка позиционирования УЗ датчика с платформой, ПК (или ноутбука), с программным обеспечением для записи и анализа изображений, оборудования для подключения к видеовыходу УЗДП и ползунка позиционирования (см. рисунок А.1).

"Рисунок А.1 - Пример оборудования для проведения измерений"

Это техническое решение подходит для проверки УЗ датчиков с линейными решетками и криволинейными решетками при определенных условиях (см. приложение D).

А.1.1 Термины и определения, применяемые в приложении А

А.1.1.1 система сбора данных: Централизованная система, получающая данные из одной или нескольких удаленных точек.

Примечания

1 Данные могут передаваться в аналоговом виде, а затем быть оцифрованы, если это необходимо.

2 В данном случае данные получаются при помощи устройства захвата кадра или конвертера доступных выходных сигналов УЗДП.

[МЭК 62270:2004, 3.14]

А.1.1.2 слой: Срез ТИМ с затуханием и обратным рассеянием.

А.1.1.2.1 слой затухания: Срез ТИМ, у которого коэффициент затухания больше, чем средний коэффициент затухания по фантому в целом.

А.1.1.2.2 слой пустот: Срез ТИМ, содержащий пустоты и имеющий коэффициент затухания меньше, чем средний коэффициент затухания по фантому в целом.

А.1.1.3 фантом с искусственными кистами для трехмерного отображения: Фантом содержит чередующиеся слои материала ("затухание" и "пустота") с обратным рассеянием, ориентированные перпендикулярно к направлению распространения звука и наполненные звукопоглощающим жидким материалом, таким, что скорость звука, среднее затухание и коэффициенты обратного рассеяния фантома приблизительно те же, что у мягких тканей человека.

Примечание - эта информация взята из документа "Tissue Characterization Consulting, А-4850 Timelkam Austia". Она дается для удобства пользователей настоящего стандарта и не является одобренной МЭК.

А.2 Фантом

А.2.1 Общие сведения

Фантом размещается в жесткой пластиковой коробке со следующими размерами: высота - 22 см, длина - 15 см, ширина - 8 см.

Фантом состоит из чередующихся слоев пенополиуретана (слои затухания и слои пустот), каждый из которых имеет толщину 5 мм. Каждый второй слой (слой пустот) содержит цилиндрические пустоты, вырезанные в пене (см. рисунки А.2, А.3 и А.4). Пена и пустоты пропитаны дегазированной (7%-ной весовой концентрации) соленой водой. Концентрация соли регулируется таким образом, чтобы скорость звука в пропитанной пене была (154010) на 20°С. Было установлено, что уровень обратного рассеяния для пенополиуретана, пропитанного солевым раствором, был тем же.

Примечание - Свойства пенополиуретана достаточно стабильны, и он доступен от разных производителей по всему миру.

Пачка слоев имеет высоту около 18 см. После заполнения фантома солевым раствором необходимо выполнить вакуумирование, чтобы удалить оставшиеся пузырьки воздуха. Фантом герметизируют полиуретановой пленкой толщиной 0,25 мм над первым слоем пустот. Пленка используется в качестве связующего окна, площадью 11 х 5,5 , ее затухание пренебрежимо мало.

"Рисунок А.2 - слои ТИМ"

Пенополиуретановый слой затухания имеет плотность от 120 до 130 , а слой с пустотами - от 20 до 30 . Для слоев затухания частотный коэффициент затухания - около 0,7 дБ , для слоев пустот около 0,2 дБ . Таким образом средний частотный коэффициент затухания фантома - около 0,45 дБ .

Слои затухания используются для того, чтобы ослабить УЗ импульсы, потому что "слои пустот" не ослабляют их. В этом случае не происходит выделение сигнала от искусственных кист. Наличие пустот с низким коэффициентом затухания, находящихся в слоях фантома, обладающих низким коэффициентом затухания, делает выделение удаленных от центра (дистальных) артефактов, полученных от пустот, пренебрежимо малым.

А.2.2 Структура пены

Структуру пены с открытыми стенками пор (толщиной от 0,1 до 0,25 мм) см. на рисунке А.3. Для получения рассеяния важно, чтобы толщина не была больше, чем длина волны исследуемого ультразвукового сигнала.

"Рисунок А.3 - Структура пены"

"Рисунок А.4 - С-изображения пустот"

А.2.3 Рэлеевское распределение для пены

Структура пенополиуретана характеризуется случайным распределением рассеяния ультразвука. Поэтому можно ожидать рэлеевского распределения уровней эхо-сигналов.

На нижней части рисунка А.5 приведено сравнение распределения амплитуд, выпрямленных эхо-сигналов в пенополиуретане и рэлеевского распределения. Оба распределения представлены в линейном масштабе. Сигналы изображения, полученного с УЗДП, обычно отображаются в логарифмическом или похожем на него сжатом масштабе. Рэлеевское распределение меняется на нормальное логарифмическим сжатием.

"Рисунок А.5 - Экспериментальное подтверждение рэлеевского распределения для ТИМ с затуханием"

А.2.4 Скорость звука

Температура и соленость воды, заполняющей фантом, влияют на скорость звука. Их влияние на характеристики фантома можно оценить исходя из данных о солености воды (без пены), показанных на рисунке А.6. Зависимость скорости звука от температуры и солености воды, а также от глубины можно представить в виде формулы:

,

(А.1)

где с - скорость звука, ;

Т - температура, °С;

S - соленость, промилле;

z - глубина, м.

Информация взята из [8, 9, 10]

Зависимость скорости звука от температуры при солености х

"Рисунок А.6 - Скорость звука в соленой воде"

А.3 Платформа, обеспечивающая проверку датчика на трехмерном фантоме

В левой части рисунка А.7 показаны сменные адаптеры для различных типов датчиков, например, линейных, конвексных, фазированных и секторных (для основного использования). Справа показан адаптер для внутриполостных датчиков (на рисунке - адаптер без трансректальных или трансвагинальных датчиков).

"Рисунок А.7 - Фантом с электрическим приводом и двумя типами адаптеров."

На верхней части фантома датчики помещаются внутри каретки, которая либо перемещается вручную, или - с помощью привода с шаговым двигателем.

Движение каретки перпендикулярно В-плоскости сканирования датчика. Движение возможно как назад, так и вперед. Датчик скользит по диафрагме фантома. Для того, чтобы обеспечить хороший акустический контакт между датчиком и фантомом, между датчиком и окном фантома вводят акустический гель. Для конвексных датчиков в качестве связующего элемента может быть использована вода (водяная баня).

Программное обеспечение использует электрический привод для сканирования ROI, находящийся за акустическим окном фантома. Устройство, определяющее положение УЗ датчика, посылает сигнал обратной связи. Это позволяет избежать проблем с корректировкой расположения.

А.4 Соединение УЗ оборудования с ПК

Изображения, полученные с УЗДП, передаются в режиме реального времени на компьютер с помощью цифрового преобразователя или конвертера, в зависимости от доступного выхода сигнала УЗДП см. рисунок А.1. Для конвертера необходим, например, VGA или DVI выход. В УЗДП рекомендуется применять устройство захвата кадров с VHS или SVHS выходом.

А.5 Порядок проведения измерений

Измерения осуществляются в полуавтоматическом режиме. Они включают в себя:

1) фиксацию датчика на фантоме, обеспечение акустического контакта;

2) настройку УЗДП (яркость, контрастность, размер изображения, динамический диапазон (60 дБ), параметры препроцессинга и постпроцессинга);

3) соединение выхода УЗДП с выходом цифрового преобразователя ПК;

4) настройку цифрового преобразователя и окна записи изображения ПО;

5) начало сканирования (моторизированное или ручное).

"Рисунок А.8 - В-, D-, С-изображения и шкала серого"

ПО, установленное на ПК, с помощью электрического привода позволяет сканирование ROI с постоянной скоростью. Для визуального контроля изображения фантома в В-, С-, D-плоскостях вместе с динамическим диапазоном на серой шкале отображаются на мониторе ПК (см. рисунок А.1 или рисунок А.8). Кроме того, возможны различные варианты отображения значений VDR (см. ниже).

Обсчет данных можно сделать уже независимо от сохраненных данных. УЗ изображения анализируются с помощью специального ПО (см. ниже). Первым шагом в этом анализе является открытие серии измерений в окне оцифровщика на экране и задание на нем ROI вручную. После автоматического рендеринга изображений можно переходить к дальнейшим операциям.

А.6 Автоматизированная оценка результатов измерения

В процессе измерения получается множество УЗ изображений. Изображения В-плоскостей сохраняются в трехмерной матрице. Из этой матрицы строятся также изображения С- и D-плоскостей. С-плоскости параллельны поверхности сканирования; на них пустоты отображаются в виде круглого сечения.

Боковые стенки имеют неправильные контуры из-за структуры пены (см. рисунки А.3 и А.4). D-плоскости перпендикулярны к В- и С-плоскостям. На В- и D-плоскостях пустоты отображаются в виде прямоугольников (см. рисунок А.8, слева). В нижняя и верхняя части пустоты чаще всего дают сильный сигнал из-за когерентного рассеяния, что можно видеть на рисунке А.8. В правой части рисунка А.8 показаны уровни серого вдоль трех направлений фантома, показанных линиями на изображениях (см. левую часть рисунка А.8).

Для этого типа отображения полезно проверять, чтобы уровни серого при отображении не достигали максимального значения, но и не падали до нулевого уровня. Большие пустоты отображаются насыщенными, когда динамический диапазон УЗДП - менее 60 дБ.

А.7 Расчет VDR

Для расчета значений VDR нужно проделать следующее. Первая область интереса (трехмерная ROI) задается вручную на изображении. Обычно это трехмерный объем (как показано на рисунке А.10), но для пояснения мы будем использовать данные одной линии (как показано на рисунке А.5). Для трехмерной ROI автоматизация разницы между областями соответствующих пустот и областей ТИМ выполнена по следующему алгоритму (см. рисунок А.9).

В пределах трехмерной ROI рассчитывается средний уровень сигнала . Все точки с уровнем серого , определяются как пустоты, остальные точки определяются как ТИМ. Высокие значения , включенные в значения ТИМ, вызваны отражением от нижних или верхних частей пустот. Для точек ТИМ рассчитывается среднее значение и среднеквадратичное отклонение . Для всех вокселей в трехмерной ROI, рассчитывается для по формуле

(А.2)

Появление наибольшего значения VDR в определенной области (линия, плоскость, ROI или изображение пустоты) используется для описания сигналов в этой области и соответствует точке с самым низким уровнем серого.

Таким образом, для пустоты рассчитывается с самого низкого уровня серого для изображения этой пустоты по формуле

(А.3)

"Рисунок A.9 - Иллюстрация расчета VDR для области интереса, состоящей из одной линии"

На рисунке А.9 проиллюстрирована разница между точками пустот и точками ТИМ, в обозначениях, используемых в формулах (А.2) и (А.3).

Мониторы с инвертированной шкалой уровней серого могут быть полезны, т.к. пустоты будут отображаться белые пятна на черном фоне. Они лучше распознаются, чем темные пятна на белом фоне. Инвертированная шкала серого используется на большинстве следующих рисунков.

Примечание - Определение , предполагает некоторое снижение уровня спекл-структуры, возникающее в обработке УЗ изображений, т.о., что случайные нулевые уровни сигнала в спекл-структуре не делают исключительно полезной мерой шума.

"Рисунок А.10 - В,- C, -D-плоскости"

На рисунке А.10 показано:

слева - В,- C, -D-плоскости для трехмерных значений , которые были получены исходя из информационной шкалы серого ультразвуковых изображений;

справа - для набора ROI, выбранных из следующих друг за другом С-плоскостей, значения VDR(max) показаны как функция глубины. Положение абсолютного максимума VDR приведено в координатах XYZ.

Примечание - и Sgmax, отображаются как основная информация без количественной шкалы оценки, потому что характеристики частей приема сигнала УЗДП весьма разнятся и сравнение УЗДП А с УЗДП В невозможно. Сравнимы лишь различные нахождения пустот в рамках одного УЗДП.

На рисунке А.10 показаны различные варианты изображений в градациях серого в трех взаимноперпендикулярных В-, D-, С-плоскостях. Три элемента, находящиеся справа, используемые в формуле (А.2), показаны как функция глубины (для последовательности С-плоскостей): , Sgmax равны максимальным значениям () и VDR (max).

Обратите внимание, что при использовании значений С-плоскостей, теряется необходимость в соответствии ультразвукового пучка пустотам. Для вычислений можно использовать максимальное значение от УЗ пучка совпадающего с пустотой.

А.8 Интерпретация геометрии

На рисунке А.11 показано прохождение ультразвукового луча через искусственные кисты фантома. На рисунке А.12 показана связь между геометрией датчика (сканера) и изображениями B-, D- и С-плоскостей на рисунке А.11. Ультразвуковой пучок показан в определенный момент сканирования. Некоторые пьезокристаллы в датчике способствуют фокусировке пучка в В-плоскости (плоскости сканирования). Фокусировка на вертикальной плоскости получается из-за конструкции пассивной линзы. УЗДП вызывает перемещение УЗ луча в В-плоскости, а электрический привод перемещает датчик, обеспечивая таким образом движение в D-плоскости. Различные С-плоскости получаются из-за задержки УЗ эхо-сигнала.

"Рисунок А.11 - Описание работы элементов УЗ датчика и УЗ пучка"

"Рисунок А.12 Схематическое изображение B-, D-, C-плоскостей"

слева - В-, D-, С-плоскости с изображенными пустотами, отображенными по глубине;

справа - схема В-, D-, С-плоскостей

А.9 Возможность обнаружения пустоты с помощью измерения VDR

"Рисунок А.13 - Изображения, полученные на трехмерном фантоме"

Объемная визуализация на изображении фантома представлена как В-, С- и D-изображения в сечениях по осям "х у z". Три видимых линии в B-, D-, С-изображениях показывают пересечения плоскостей. На С-изображении могут быть определены три области, содержащие пустоты различного размера (см. 6.4). ROI выделенные вручную и расположенные на В-, С-изображениях (прямоугольники), определяют пустоты, требуемые для измерения VDR (см. рисунок А.13). Какие пустоты будут включены в ROI зависит от частоты датчика (см. 6.4). Полоса в правой части рисунка А.13 необходима для калибровки толщины среза (два среза равны 10 мм) изображения фантома относительно коэффициента масштабирования УЗДП. На рисунке А.14 В-, D-, С-изображения отображаются в инвертированной шкале градаций серого для лучшей визуализации; рабочий диапазон VDR по глубине показан на рисунке А.14 справа.

"Рисунок А.14 - В-, D-, С-изображения и VDR"

"Рисунок А.15 - Значения VDR"

По рисунку А.15 следует отметить следующие особенности.

Рисунок А.15 а) - диаграмма в левой части демонстрирует результаты тестирования для датчика с криволинейной решеткой элементов, 40 мм радиус, 3,5 МГц, с рассчитанными значениями VDR обнаруженных пустот диаметром 4 мм и 2,5 мм. Разделенные изображения на правой стороне (С-изображения на глубинах, показанных горизонтальными линиями) показывают различимость пустот. Уровни серого слева инвертированы для лучшей визуализации. Срок эксплуатации датчика составлял 3 г.

Рисунок А.15 b) - диаграмма в левой части демонстрирует рассчитанные значения VDR для пустот диаметром 4 мм и 2,5 мм и в диапазоне между 4 и 5 см по глубине. Разделенные изображения на правой стороне (С-изображения на глубинах, показанных горизонтальными линиями) показывают, что артефактных сигналов больше, чем различимость пустот.

Примечание - Прежде, чем приступить к испытаниям, все криволинейные решетки элементов должны быть проверены на однородность, как описано в приложении D.

"Рисунок A.16 - Пример: Линейный датчик, 13 МГц"

На рисунке А.16 показан рабочий диапазон линейного датчика (13 МГц) и четкое изображение обнаруженных пустот диаметром 2,5 мм и 1 мм, вместе с изображением рендеринга наблюдаемых пустот. Рендеринг является частью ПО и делает визуальную оценку измерения VDR более информативной.

А.10 Интерпретация параметра VDR

А.10.1 Характерные особенности

Следующий пример, показанный на рисунке А.17, характерен для линейного датчика (3,5 МГц).

"Рисунок А.17 - Интерпретация параметра VDR"

По рисунку А.17 необходимо отметить следующие особенности:

VDR(max) функция А (верхняя кривая):

кривая определяет коэффициент обнаружения пустот;

это типовая кривая для хорошо работающего линейного датчика;

является переменной величиной и зависит от характеристик работы датчика, его производителя и типа;

глубина - переменная величина и зависит от выбора шкалы (масштаба) для УЗДП и характеристик соответствующего датчика;

верхняя кривая представляет функцию VDR (max) для диапазона глубин от до ;

положение глубины со значением соответствует акустической точке фокуса системы в целом.

VDR(max) функция В (нижняя кривая):

Является возможной кривой для измерений подобного линейного датчика с центральной частотой 3,5 МГц, но с значительно более низкой акустической мощностью (<=4,0). Датчик достиг эмпирического предела применимости в диагностике.

Пороговые значения VDR:

эмпирический порог для измерений по обнаружению пустот лежит на = 2,5 (нижняя пунктирная линия). Эта линия соответствует пределу шума и информация об изображении ниже этого предела отсутствует;

эмпирический порог для визуального распознавания пустот представляет собой VDR (max) приблизительно равный трем (штрих-пунктирная линия);

значения VDR (max) выше заданного порога включают в себя полный рабочий диапазон УЗДП с соответствующим датчиком. Этот диапазон характеризуется обнаружением пустот с размерами, пригодными для постановки диагноза;

эмпирический порог для хорошего и безопасного визуального распознавания пустот представляет собой VDR (max) приблизительно равный четырем (штрих-пунктирная линия). Значения VDR (max) выше заданного порога, включают в себя оптимальный рабочий диапазон УЗДП с соответствующим датчиком. Этот диапазон характеризуется хорошим распознаванием пустот необходимых размеров.

А.10.2 Насыщение

Малые и большие пустоты формируют на профиле серой шкалы похожие клиновидные фигуры см. рисунок А.18)#. Больший клин "вырезан" по форме локальной динамической кривой. Для УЗДП с большим локальным динамическим диапазоном насыщение возможно только при низком усилении сигнала. Для сравнения качества аналогичных УЗДП и типов датчиков, параметр не может использоваться, как единственный, для оценки качества. Оценка качества зависит от обнаружения пустот определенных размеров относительно соответствующей частоты преобразователя и предельных значений VDR (см. А.10.1).

"Рисунок А.18 - Интерпретация насыщения (диапазон серой шкалы от 0 до 255)"

Изображения на рисунке А.19 показывают эффект насыщения, который можно наблюдать по форме огибающей для пустот размером 2,5, 3,0 и 4,0 мм для функции распределения VDR в зависимости от глубины. Формы огибающих меняются, т.к. VDR (max) не могут достичь ожидаемых значений. Насыщение проходит мягко и незаметно. Далее показано как происходит насыщение в устаревших типах УЗДП или в современных УЗДП с низким локальным динамическим диапазоном ниже 50 дБ.

"Рисунок А.19 - Эффект насыщения"

"Рисунок А.20 - Анализ области пустоты"

Небольшие пустоты отображаются на профиле серой шкалы в форме "клиньев" (см. рисунок А.20). Большие пустоты, однако, "обрезаны", появляются в неполноразмерном, ожидаемом виде. Причиной может служить:

- насыщение из-за ограниченного динамического диапазона;

- боковые лепестки и артефактные сигналы от решетки, которые "наполняют" пустоту;

- одновременное действие насыщения и эхо-сигналов боковых лепестков.

"Рисунок А.21 - Локальный динамический диапазон"

Большинство старых УЗДП имеют ограниченный локальный динамический диапазон от 40 до 50 дБ и насыщение происходит на "нулевом уровне". К сожалению, у многих УЗДП для подавления электронных помех "нулевой уровень" поднят до значений от 30 до 50 дБ (см. рисунок А.21а)).

Старые и новые УЗДП отличаются своими локальными динамическими кривыми. На рисунке А.21b) показано изображение ожидаемой огибающей VDR (темная кривая), если бы не было насыщения. Современные УЗДП имеют настраиваемый локальный динамический диапазон от 40 до 120 дБ. Более старые УЗДП имеют ограниченный динамический диапазон от 40 до 50 дБ.