Акустический термометр для пассивной акустической термотомографии

Полезная модель позволяет восстанавливать пространственное распределение температуры объекта по данным дистанционного измерения спектра акустического шума и поверхностной температуры этого объекта. Акустический термометр представляет собой (рис.1): термостабилизированный акустический приемник, осуществляющий измерения широкополосного шумового акустического сигнала. Выход акустического приемника соединен с входом аналогово-цифрового преобразователя, с соответствующего выхода которого оцифрованный сигнал передается в компьютер, который осуществляет вычисление спектра временного сигнала, а также восстановление пространственного распределения температуры по вычисленному спектру сигнала посредством решения обратной задачи пассивной многочастотной акустотермотомографии.

В результате применения полезной модели можно осуществлять неинвазивные измерения пространственного распределения температуры с точностью до 0.1 К и пространственной разрешающей способностью свыше 5 мм. Достигнутые технические показатели позволяют применять разработанную полезную модель в первую очередь в медицине для неинвазивного контроля внутренней температуры при гипертермии, а также для неинвазивной диагностики различных заболеваний внутренних органов, связанных с локальным повышением внутренней температуры.

Акустотермометрия [1] считается одним из перспективных методов контроля температуры в медицине. Перспективность акустотермометрии при решении медицинских задач [2] обусловлена уникальными физическими характеристиками метода. Чувствительность акустотермометрии составляет до 0.1 градуса, глубина диагностики свыше 5 см. Неинвазивность и пассивность измерений обуславливает возможность осуществлять термометрию без хирургического вмешательства и в отсутствие внешнего воздействия на организм. Слабое поглощение ультразвука миллиметрового и субмиллиметрового диапазона в биологической ткани позволяет создавать компактные фокусируемые антенны [3], осуществляющие измерения в одной или даже нескольких точках исследуемой среды.

Однако в современной медицине требуются более сложные системы (термотомографы), которые осуществляли бы картирование температуры в как можно более обширной области диагностируемого организма с миллиметровым пространственным разрешением. Возможностям построения акустических термотомографов было посвящено несколько работ [4-7]. При этом, перспективы создания пассивных акустических термотомографов связывались, прежде всего, с использованием большого количества антенн, осуществляющих сканирование объекта вдоль различных направлений с записыванием результатов измерений в память компьютера, после чего производится восстановление глубинного профиля температуры при помощи алгоритмов реконструктивной томографии (APT).

Основными недостатками таких систем являются: необходимость осуществления сканирования, техническая сложность размещения большого количества акустических датчиков на поверхности объекта, а также невозможность контролировать достоверность картирования температуры при применении АРТ-алгоритмов. Таким образом, описанные термотомографические системы [4-7] не смогли продемонстрировать свою эффективность при решении реальных медицинских задач.

В настоящей заявке предлагается использовать принципиально другой подход к пассивной акустической термотомографии, основанный на многочастотном акустическом приеме. Поскольку коэффициент акустического поглощения в биологической ткани зависит от частоты (f)0.23(см^-1МГц^-1)f(МГц) [8], то при осуществлении независимых акустических измерений на нескольких частотах появляется возможность определять температуру на нескольких характерных глубинах (f)^-1. Наиболее близким аналогом предлагаемого подхода является принцип мультиспектральной акустотермометрии, предложенный в [9]. Существенным недостатком принципа мультиспектральной акустотермометрии [9] является наличие «слепых» частотных промежутков вблизи антирезонансных частот пьезопреобазователя (поскольку в [9] предлагается использовать только кратные резонансные гармоники пьезопреобразователя). К примеру, датчик с резонансными гармониками на 1, 3, 5 МГц позволял бы определять температуру на трех характерных расстояниях 4.5, 1.5, и 0.9 см соответственно. Температура на промежуточных глубинах, соответствующих антирезонансным частотам (в том числе и в весьма широком диапазоне глубин от 1.5 см до 4.4 см) оставалась бы, вообще говоря, неизвестной. Кроме того, предложенный принцип мультиспектральной акустотермометрии с использованием резонансных гармоник пьезопреобразователя [9] исключает возможность использования пьезопреобразователей с четвертьволновыми просветляющими слоями [10] (что означает относительную потерю чувствительности через уменьшение КПД антенны на величину до 50%).

Более эффективным техническим решением, лишенным перечисленных недостатков, будет являться акустический термотомограф на основе пьезопреобразователя, представленного на фиг.1. В схеме используется широкополосный акустический датчик с одним или несколькими просветляющими слоями (обеспечивающими КПД датчика на уровне до 90%), осуществляющий измерения теплового акустического шума в сплошном спектральном диапазоне. К примеру, современные технические средства позволяют изготовить широкополосный акустический датчик с рабочим частотным диапазоном от 0.5 МГц до 4 МГц. Использование датчика с такой полосой рабочих частот в схеме акустического термотомографа означает, что в спектре сигнала, измеренного из биологической ткани, будет содержаться информация о распределении температуры в непрерывном диапазоне глубин от 1 до 9 см (без «слепых» промежутков на этом интервале).

Для выделения сигналов, ответственных за температуру на различных глубинах, можно (как в [9]) использовать набор независимых подстраиваемых аналоговых полосовых фильтров и связанных с ними детекторов и интеграторов (рис.2). При этом важно понимать, что для получения более точных данных о распределении температуры на различных глубинах, требуется большее количество независимых частотных каналов, осуществляющих фильтрацию, детектирование, интегрирование. Однако, изготовление подобной схемы в аналоговом исполнении даже для малого числа независимых частотных фильтров, весьма сложная техническая задача. Кроме того, изготовление большого количества каналов ведет к существенному увеличению веса и размеров термотомографа.

Современный уровень развития техники позволяет существенно упростить принцип построения вспомогательного блока (фиг.2). Для этого предлагается реализовать фильтрацию, интегрирование, детектирование сигнала не в аналоговом, а в цифровом исполнении с использованием современных компьютерных средств, то есть осуществить аналогово-цифровое преобразование сигнала на выходе антенного блока (фиг.1).

Задача, которую призвано решать устройство, предлагаемое в качестве полезной модели, заключается в измерении акустического шума в нескольких частотных диапазонах при помощи современных технических средств, а также в осуществлении записи измеренных сигналов в компьютер в режиме реального времени. Наличие достоверных данных о спектре акустического шума нагретой среды позволяет осуществлять восстановление неизвестного распределения температуры в этой среде при помощи того же компьютера посредством решения обратной задачи акустотермометрии, сформулированной, например, в [11] на основе алгоритмов решения подобных задач [12].

Схема предлагаемого устройства для осуществления пассивной акустической многочастотной термотомографии, представленная на фиг.1, включает в себя: акустический приемник излучения (1) в виде заполненной жидкостью камеры (2) с входным окном (3), содержащей широкополосный пьезопреобразователь (4) с согласующими слоями (5), усилитель (6); полосовой фильтр (7), термостабилизатор камеры (8); сигнал с выхода акустического приемника (1) подается на один из каналов аналогово-цифрового преобразователя (9), с соответствующего выхода которого снимается уже оцифрованный сигнал и подается в компьютер (10), который осуществляет вычисление спектра временного сигнала, а также восстановление пространственного распределения температуры по измеренному спектру сигнала с возможностью использования также данных с контактных датчиков (11) для повышения точности определения внутренней температуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Passechnik V.I., Anosov A.A., Isrefilov M.G. // Ultrasonics V.34 1996, pp.511-512.

2. Воробьев Л.П., Шестаков В.А., Эгильская В.И. Тепловидение в медицине. М. Знание 1985 64 с.

3. Рейман A.M., Кротов Е.В., Субочев П.В. // Акуст.журн. 2007. Т.53. 6. С.779-78

4. Гуляев Ю.В., Бограчев К.М., Боровиков И.П. и др. // Радиотехника и электроника. 1998. Т.43. 9. C.1140-1146.

5. Ксенофонтов С.Ю., Мансфельд А.Д., Рейман A.M. // Изв. ВУЗов Радиофизика. 1997. Т. 40. 6. С.752-760.

6. Burov V.A., Kasatkina E.E., Rumyantseva O.D. et al. // Acoust. Imaging. N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers. 2002. V. 26. P. 265-280, P. 231-238.

7. Миргородский В.И., Герасимов В.В., Пешин С.В. // Акуст.Журн. 2006. Т. 52. 5. С.702-709.

8. Kruger R.A., Kiser W.L., Romilly A.P. etc // Proc. SPIE. 2001. V. 4256, P. 1-5.

9. Аносов A.A., Пасечник В.И., Шаблинский В.В. // Патент РФ. 1996. 2061408.

10. Санин А.Г., Чичагов П.K., Рейман A.M. // Ультразвуковая диагностика. Горький: ИПФ РАН СССР. 1983. С.21-36.

11. Резник А.Н., Субочев П.В. // Акуст.Журн. 2009. Т.55. 6. С.1-11.

12. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола В.В. Численные методы решения некорректных задач. М: Наука 1990 115 С.

1. Акустический термометр, содержащий приемник акустического излучения, состоящий из заполненной жидкостью камеры с входным окном, пьезопреобразователя, усилителя, полосового фильтра, термостабилизатора камеры, отличающийся тем, что упомянутый пьезоэлектрический преобразователь выполнен широкополосным, упомянутая жидкость является диэлектриком, при этом дополнительно введен аналого-цифровой преобразователь, подключенный к выходу приемника акустического излучения для подачи оцифрованного сигнала на вход компьютера.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержится набор полосовых фильтров, построенный таким образом, что нижняя частота первого полосового фильтра совпадает с нижней частотой пьезопреобразователя, верхняя частота первого полосового фильтра совпадает с нижней частотой второго полосового фильтра, верхняя частота предпоследнего фильтра совпадает с нижней частотой последнего полосового фильтра, верхняя частота последнего полосового фильтра совпадает с верхней частотой пьезопреобразователя, при этом вход каждого полосового фильтра соединен с выходом приемника акустического излучения, а выход каждого полосового фильтра соединен с независимым входом аналого-цифрового преобразователя.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что между выходом каждого полосового фильтра и соответствующим входом аналогово-цифрового преобразователя располагается цепочка из последовательно соединенных детектора, интегратора и усилителя.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что усилитель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь расположены внутри камеры.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что усилитель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь и набор полосовых фильтров расположены внутри камеры.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что усилитель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь и набор полосовых фильтров и цепочки из последовательно соединенных детекторов, интеграторов и усилителей расположены внутри камеры.

7. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что приемник акустического излучения дополнительно содержит второй усилитель.

8. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что на рабочую поверхность пьезопреобразователя дополнительно нанесены согласующие слои.

9. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что отдельные входы аналогово-цифрового преобразователя дополнительно соединены с контактными датчиками температуры, расположенными как на поверхности объекта со стороны акустического приемника, так и на противоположной поверхности объекта.

10. Устройство по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что акустический термометр содержит несколько приемников акустического излучения.