USB2185 - акустический томограф

Подробное описание:

Введение.

Задача медицинской диагностики всегда была актуальной, однако особенно остро в настоящее время встала проблема ранней диагностики различных опухолевых новообразований в организме человека. Одной из глобальных бед нового тысячелетия уже сейчас можно смело назвать рак. По данным статистики, в 2003 году только в США более чем у двухсот тысяч женщин обнаружен рак груди, в то же время раковые заболевания легких имеют даже большие масштабы. Раннее обнаружение злокачественных новообразований просто жизненно необходимо, потому как вовремя принятые меры позволяют полностью излечить заболевание без причинения большого вреда организму.

В медицинской диагностике с успехом применяются такие методы, как ИК-тепловидение, СВЧ-радиометрия, ЯМР-диагностика, ультразвуковая интроскопия. Однако каждый из них обладает наряду с преимуществами, теми или иными недостатками, которые не позволяют полностью решить обозначенную проблему. В связи с этим сейчас в акустике большие надежды связаны с развитием методов диагностики нелинейного акустического параметра. Независимые исследования показали, что относительное изменение значений нелинейных параметров для здоровой и больной ткани существенно превышает аналогичные изменения её линейных характеристик. Таким образом, эффективное отношение (изменение)/(фоновое значение) в системах регистрации нелинейного параметра на порядок превышает показатели систем, регистрирующих линейные параметры, что дает возможность сокращать время измерений или улучшать разрешающую способность.

В нашей лаборатории был предложен уникальный подход к задаче восстановления пространственного распределения нелинейного акустического параметра. Данный подход использует эффект рассеяния звука на звуке в сочетании с широкополосным кодированием первичных волн, что позволяет применять когерентную временнýю обработку сигналов высокой сложности (типа многоканальной согласованной фильтрации) вместо трудоемких процессов пространственной обработки. Тем самым, на временнýю обработку переносится основная информационная нагрузка и, как следствие, существенно сокращается число приемных и излучающих преобразователей.

Известно, что зависимость плотности среды от воздействующего на нее давления не является линейной, из-за чего изменение этих параметров непропорционально друг другу. То же самое происходит и при распространении акустической волны – отклик среды на колебания давления нелинеен, что приводит к искажению распространяющейся волны. Нелинейный акустический параметр как раз и характеризует среду с точки зрения ее неидеальности, т.е. насколько сильно она искажает идущую волну.

Эффект рассеяния звука на звуке возникает именно в нелинейной среде. Этот эффект заключается в возникновении комбинационных волн суммарных и разностных частот при взаимодействии двух и более первичных волн. Используя сложным образом кодированные первичные сигналы и регистрируя рассеянные комбинационные сигналы, можно восстановить двумерное распределение нелинейного параметра исследуемого объекта, помещённого в область пересечения всех трех первичных волн.

Экспериментальная установка.

На кафедре акустики физического факультета им. М.В. Ломоносова была собрана модельная схема, реализующая процесс томографирования среды с использованием сложного кодирования первичных волн и эффекта нелинейного рассеяния. На апертурной окружности располагаются три плоских излучателя и плоский широкополосный приёмник (рис.1). Исследуемый объект находится внутри области пересечения ближних зон всех четырёх преобразователей. На широкополосные излучатели 1 и 2 подаются независимые фазоманипулированные (или другим образом кодированные) сигналы с несущими частотами 2 МГци полосами 1.7..2.3 МГц. Третий преобразователь излучает монохроматическую волну на частоте 1.3 МГц. Приемник регистрирует комбинационный сигнал на разностно-суммарной частоте в полосе1.0 .. 1.6 МГц. Присутствующий в данной принимаемой полосе первичный монохроматический сигнал отфильтровывается фильтром-пробкой.

Эксперимент проводился в круглой плоской кювете, диаметром 35 см, высотой 12 см. Кювета была заполнена водой, стенки и дно были покрыты поглощающей акустическое излучение резиной.

В состав экспериментальной установки также входили полосовые LC-фильтры, формировавшие полосы пропускания частот на излучатели, приёмный фильтр, выделяющий полезную часть сигнала, излучающие усилители и широкополосный приёмный усилитель (рис.2). Формирование кодированных и монохроматического сигналов происходило с помощью ПЛИС Altera с тактовой частотой 36МГц.

 
Рис.1. Экспериментальная установка.

Центральная роль электронной части экспериментальной системы была отведена интерфейсной плате USB2185 (рис. 2), производство «НПГ Р-Технолоджи». С одной стороны, плата USB2185 осуществляла управление формирователями сигналов – по команде с компьютера плата давала сигналы для активизации излучающей части и, в качестве задающего генератора, осуществляла формирование кодированных сигналов с необходимой тактовой частотой (частота могла изменяться программным образом). Кодирование сигналов производилось на ПЛИС Altera при помощи компактных алгоритмов, реализующих так называемые М-последовательности. В результате применения описанных алгоритмов было возможно формировать уникальные неповторяющиенся сигналы длительностью 20 минут (при частоте излучения 1 МГц).

С другой стороны, плата USB2185 также осуществляла трансляцию зарегистрированных данных в компьютер для последующей обработки. Вместе с началом формирования кодированных сигналов, плата USB2185 производила опрос АЦП с частотой, также задаваемой программным образом, и по шине USB отправляла данные в компьютер, где они сохранялись на жесткий диск. При используемых 12-битных АЦП (пересылались 2 байтовые слова), удалось добиться безошибочного потока данных с максимальной скоростью 9 МБ/с (что соответствовало оцифровке с частотой 4.5 МГц), хотя сама плата была способна производить трансляцию и сохранение данных вплоть до 12 МБ/с. Объем принимаемых пакетов физически был ограничен только размером свободного места на жестком диске.

Для управления работой платы была написана консольная программа в среде Borland C++ 5.02. Стоит отметить хорошие примеры программ от производителя, что позволило существенно сократить время на разработку интерфейсной части и сконцентрироваться на процессе проведения эксперимента и обработке полученных результатов. Также был скорректирован драйвер установленного на плату процессора ADSP2185M (производство Analog Devices) в соответствии с нашими задачами. Компилятор и исходники драйвера на Assembler входили в комплект поставки. «Вершиной» программной части являлся скрипт, написанный в среде Matlab™ 7.

Работа системы была организована следующим образом: основная программа в Matlab вызывала консольную часть, передавала ей необходимые данные и ждала завершения работы консольного приложения; в свою очередь консольная программа загружала драйвер процессора ADSP2185M, который управлял процессом излучения и сбора данных с АЦП, перехватывала данные измерений с процессора ADSP2185M и сохраняла их на жесткий диск компьютера; после приема запрошенного количества данных, консольная программа передавала управление назад – в Matlab, где и производилась обработка данных с применением методов согласованной фильтрации, спектрального анализа и моделирования процесса рассеяния для формирования опорных сигналов.

Следует отметить гибкость использования платы USB 2185, которая с успехом использовалась и в другом акустическом эксперименте с двухканальным АЦП.

 
Рис.2. Функциональная схема экспериментальной установки.

Эксперимент.

Результат воспроизведения тонкой полоски шерстяной ткани в эксперименте на основе комбинационных частот третьего порядка представлен на рис.3. В следующем эксперименте восстанавливался столбик из свиного сала (рис.4), имеющий квадратное поперечное сечение размером около 7 x 7 мм.

 
Рис. 3. Трёхмерное представление результата восстановления на основе эффектов третьего порядка нелинейного рассеивателя в виде полоски шерстяной ткани.

 
Рис. 4. Трёхмерное представление результата восстановления на основе эффектов третьего порядка нелинейного рассеивателя в виде столбика свиного сала.