Внедрение: 2015 г.

В статье [1] ученых из Института прикладной физики РАН и Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского приведены теоретические соотношения, лежащие в основе дистанционных измерений сдвиговой упругости биологических тканей ультразвуковым доплеровским методом, а также описание реализующего этот подход аппаратно-программного комплекса и результаты экспериментов на фантоме биоткани и на печени человека in vivo. Выдержки из этой статьи приводим ниже. 

На рисунке 1 приведена блок-схема построенного специализированного аппаратно-программного комплекса для проведения измерений сдвиговых упругих характеристик биологических тканей.

Электронный блок комплекса обеспечивает ультразвуковую импульсную локацию тканей на глубину до 225 мм и обработку эхосигналов, включая нахождение квадратурных доплеровских сигналов. Средняя излучаемая мощность не превышает 100 мВт/см² при диаметре излучателя 1 см. При используемой несущей частоте 2,5 МГц и скважности 128 давление в импульсе оценивается как 0,62 МПа. Электрическое питание электронного блока осуществляется от USB-порта. Электронный блок содержит модуль интерфейса, в качестве которого использован USB-модуль ввода-вывода сигналов Е14-440.

Рисунок 1. Блок-схема АПК "Ультразвуковой доплеровский эластометр": ЗИ – зондирующий импульс: СИ – синхроимпульс; YS, YС – квадратурные доплеровские сигналы; "Эхо" – эхосигнал. "Модуль интнерфейса" – Е14-440.

Используется ждущий режим работы АЦП E14-440 с синхронизацией запуска сбора данных по заднему фронту зондирующего импульса. Тактовая частота сбора данных 400 кГц обеспечивает пространственное разрешение вдоль луча (длину измерительного объема) 1,875 мм. Соответственно, минимальная длина сегмента, в котором может быть определена упругость тканей, составляет 3,75 мм.

Первая серия экспериментов проведена на фантоме биоткани из желатина. Ниже приведена фотография соответствующей экспериментальной установки.

Рисунок 2. Вид экспериментальной установки для доплеровской эластометрии (а): 1 – фантом биоткани из желатина; 2 – вибратор; 3 – вода. Эхограмма из окна управляющей программы (по горизонтали отложено расстояние от датчика, по вертикали – амплитуда эхосигнала) (б). Восстановленные по доплеровским сигналам зависимости от времени вибрационных скоростей в точках фантома, отмеченных маркерами (в).

Рисунок 3. Окно управляющей программы АПК "Ультразвуковой доплеровский эластометр" при задании в фантоме вибраций на частоте 80 Гц.

На рисунке 3 приведено окно управляющей программы, соответствующее заданию вибраций на частоте 80 Гц амплитудой 50 мкм. Результат дистанционных измерений упругости фантома в сегменте между маркерами приведен справа от нижнего окна (выделен рамкой). Аналогичная картина наблюдается при задании вибраций на частоте 100 Гц амплитудой 26 мкм. Значения модуля сдвига, измеренные в двух независимых тестах с заданием вибраций на разных частотах, оказались достаточно близкими – соответственно 4,2 и 3,6 кПа. Программа разработана на базе библиотеки с открытым исходным кодом Qt 4.8 на языке программирования C++. 

Вторая серия измерений проведена на печени человека в условиях in vivo. Миниатюрный вибратор крепился ремнем на поясе испытуемого добровольца на правой срединно-подмышечной линии, непосредственно под нижним ребром и создавал вибрации перпендикулярно поверхности тела, уходящие вдоль оси в область печени. Испытуемый сидел на стуле с поднятой вверх правой рукой. Оператор удерживал ультразвуковой датчик в руке и поджимал его к телу испытуемого в область межреберья выше вибратора в непосредственной близости от его корпуса (на расстоянии около 2 см от вибрирующего диска). При выключенных вибрациях варьировался наклон датчика вблизи оси, параллельной оси задаваемых вибраций, пока на экране монитора не находилась эхограмма, на которой была видна задняя граница печени. Положение ультразвукового датчика фиксировалось, включались вибрации на частоте 100 Гц амплитудой 26 мкм, испытуемый задерживал дыхание, и запускалась запись в компьютер доплеровских сигналов длительностью 6,71 с.

Рисунок 4. Окно управляющей программы АПК "Ультразвуковой доплеровский эластометр" при задании вибраций на частоте 100 Гц в печени человека.

Пример полученных результатов приведен на рисунке 4. Здесь в верхнем окне пик эхограммы на расстоянии 60 мм от датчика соответствует задней границе печени, области расстояний до 25 мм соответствуют поверхностные мышечно-жировые слои, а области 25‑58 мм соответствуют ткани печени. Маркеры установлены в средней области печени на расстояниях 31 и 40 мм. В нижнем окне видны четкие вибрационные сигналы, получаемые из соответствующих маркерам измерительных объемов. Регистрируемые амплитуды вибрационной скорости составляют примерно 0.5 см/с, что на частоте 100 Гц соответствует амплитуде смещений 8 мкм. Вычисленные значения упругости во всех сегментах печени вдоль трассы зондирования хорошо соответствуют норме упругости печени. 

Было проведено 10 независимых установок ультразвукового датчика и 10 соответствующих записей сигналов. По результатам обработки в фиксированном сегменте печени на расстоянии 41,25 мм от датчика установлено среднее значение модуля упругости 2,9 кПа. Значение стандартного отклонения в серии составило 0,9 кПа (т.е. коэффициент вариации 30,2 %). Медианное значение модуля упругости и интерквартильный размах, использование которых принято в методике исследования печени средствами Фиброскана, составили 2,7 и 0,74 кПа (27.7 %). Таким образом, получаемые результаты вполне сопоставимы с результатами измерений средствами Фиброскана, где критерием надежности принимается получение интеркартильного размаха менее 25 %. Основной причиной разбросов, по-видимому, является неточность фиксации исследуемого сегмента в тканях за счет неточности установки и ориентации ультразвукового датчика, удерживаемого в руке.

Вывод: на основе использования ультразвукового доплеровского способа регистрации вынужденных вибрационных смещений в глубине тела человека возможно дистанционное измерение модуля сдвиговой упругости тканей, в частности, тканей печени человека, с точностью, достаточной для практического применения.

Работа выполнена при поддержке гранта Правительства РФ № 11.G34.31.0066.

Источник:
Тиманин Е.М., Ерёмин Е.В., Беляев Р.В., Мансфельд А.Д. Ультразвуковой доплеровский способ дистанционной эластометрии // Акустический журнал. – 2015. – Т. 61, № 2. – С. 274‑280.

Разработчик: Тиманин Е.М., Ерёмин Е.В., Беляев Р.В., Мансфельд А.Д.