Моделирующий программный комплекс для исследования пространственно-частотных свойств сигналов ультразвукового локатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербург

2006

Моделирующий программный комплекс для исследования пространственно-частотных свойств сигналов ультразвукового локатора

Аннотация

В данном документе содержится описание моделирующего программного комплекса, предназначенного для построения моделей ультразвукового локационного канала и расчета временных, частотных и пространственных характеристик акустических сигналов и полей в приложении к ультразвуковой медицинской диагностике. Программный комплекс включает в себя описание моделей реальных биологических сред, моделей зондирующих сигналов, моделей излучающих и приемных акустических антенн, позволяет моделировать прохождение излучаемых сигналов в канале распространения для различных биологических сред и при наличии различных отражателей в среде, позволяет рассчитывать временные и частотные характеристики сигналов в каждой точке исследуемого пространства.

Программный комплекс реализован в среде MatLab 6.5.

диагностика ультразвуковой медицинский

Содержание

1. Общие сведения

2. Описание задачи

3. Функциональное назначение программы

4. Описание логической структуры программы

5. Используемые технические средства

6. Входные и выходные данные

Литература

1. Общие сведения

Моделирующий программный комплекс предназначен для построения моделей ультразвукового локационного канала и расчета временных, частотных и пространственных характеристик акустических сигналов и полей в приложении к ультразвуковой медицинской диагностике. Программный комплекс включает в себя описание моделей реальных биологических сред, моделей зондирующих сигналов, моделей излучающих и приемных акустических антенн, позволяет моделировать прохождение излучаемых сигналов в канале распространения для различных биологических сред и при наличии различных отражателей в среде, позволяет рассчитывать временные и частотные характеристики сигналов в каждой точке исследуемого пространства.

Программный комплекс реализован в среде MatLab 6.5.

2. Описание задачи

Для улучшения достоверности изображения, получаемого в ультразвуковых диагностических эхолокационных системах (УДЭС) медицинского назначения, разработчиками обычно ставится задача уменьшения длительности зондирующего импульса, и фокусировки на прием в каждую точку дальности для улучшения разрешающей способности в поперечном направлении.

Таким образом, рабочими сигналами в современных ультразвуковых медицинских эхотомоскопах являются широкополосные сигналы, к которым неприменимо определение диаграммы направленности антенн, введенное для узкополосных сигналов.

Рис.1. Пример распределения поля излучения круглого плоского датчика при использовании короткого импульса.

Кроме того, в диагностической ультразвуковой медицинской эхолокации работа осуществляется в зоне Френеля, и, таким образом, становится невозможным рассчитывать диаграмму направленности в зависимости только от угловой координаты - распределение поля оказывается зависимым и от дальности, что заставляет вводить при расчете поля две независимые пространственные переменные, а диаграмма направленности становится трехмерной. Это заставляет ввести в употребление применительно к работе в зоне Френеля вместо термина «диаграмма направленности» термин «распределение поля». На рис. 1 приведен типичный пример распределения поля излучения круглого плоского датчика при работе с коротким импульсом ([1]).

Можно предположить, что в том случае, когда излучение является не непрерывным, а импульсным, характер распределения поля излучения и поля приема УДЭС будет зависеть от формы огибающей зондирующих импульсов. В частности, от вида используемых сигналов будут зависеть такие параметры, как ширина диаграммы направленности (ШДН) и уровень боковых лепестков (УБЛ).

Для получения возможностей улучшения качества медицинской диагностики по эхограмме наряду с вопросами, связанными с пространственными характеристиками распределения акустических полей, требуют исследования вопросы временной и частотной эволюции сигналов при распространении в реальных биологических средах. И если пространственное распределение поля зависит, прежде всего, от характеристик излучающей и приемной антенн, то временные и частотные свойства сигналов в канале распространения связаны и со специфическими частотными свойствами реальных биологических сред и отражателей.

Например, к настоящему моменту достаточно хорошо [2, 6] изучено in vitro акустическое затухание в биологических тканях. Экспериментально установлено, что частотная зависимость коэффициента затухания в биологических тканях близка к линейной в диапазоне частот, используемых в медицинской диагностике [2]. Тот факт, что затухание является частотно-зависимым, означает, что биологическая среда как канал распространения имеет свою пространственную амплитудно-частотную характеристику (ПАЧХ), т.е. различные АЧХ в каждой точке исследуемой среды.

Таким образом, в отличие от классической радиолокации, где используются узкополосные сигналы, а амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) канала распространения можно считать равномерной в области частот, где расположен спектр излучаемых и принимаемых сигналов, в ультразвуковой медицинской эхолокации появляются существенные отличия от радиолокации, а именно: цель является пространственно распределенной, одновременно являясь и каналом распространения, размеры излучателя соизмеримы с дальностями до цели, в среде присутствует частотно-зависимое затухание, ультразвук подвержен реверберации, рассеянию в слоисто-неоднородной среде, зондирующие и принимаемые сигналы являются относительно широкополосными (относительно несущей) и комплексно-частотные характеристики отражателей, среды и антенны начинают существенно влиять на структуру спектра зондирующего сигнала.

Повысить качество и достоверность диагностики при использовании ультразвуковых сканеров возможно при наличии данных об эволюции сигнала в канале распространения. Получение аналитических выражений для расчета структуры поля и временной структуры сигналов встречает серьезные препятствия. В общем случае очень трудно или практически невозможно построить аналитическую модель распространения сигнала в общем виде, учитывающую все факторы, влияющие на сигнал, и даже при незначительном изменении системы может потребоваться полная переработка ее аналитической модели, а упрощенная аналитическая модель не позволит провести все необходимые исследования. Так, например, очень сложно получить аналитическое выражение для поля неточечного источника неправильной формы при немонохроматическом излучении. Кроме того, слоисто-неоднородный характер канала распространения со случайно расположенными отражателями также не дает возможности построить аналитическую модель распространения сигнала. Исходя из этого, для исследования пространственно-частотных свойств сигналов ультразвукового локатора разработан моделирующий программный комплекс, с помощью которого можно построить различные модели распространения акустических сигналов в реальных биологических средах.

3. Функциональное назначение программы

Программный комплекс предназначен для построения моделей распространения акустических сигналов в реальных биологических средах и исследования их характеристик в зависимости от влияния различных факторов.

С помощью программного комплекса возможно:

- рассчитать пространственно-импульсные характеристики и комплексные пространственно-частотные характеристики систем «излучающая антенна - среда», «среда - приемная антенна» или «излучающая антенна - среда - приемная антенна» для каждой точки исследуемой среды при наличии различных акустических неоднородностей на пути распространения сигнала;

- рассчитать временную структуру и спектр сигналов в каждой точке исследуемого пространства для различных видов зондирующих сигналов;

- оценить длительность пространственно-импульсной характеристики и сигнала в каждой точке исследуемого пространства;

- рассчитать распределение акустического поля на излучение, на прием, сквозное для различных видов зондирующих сигналов при различных вариантах пространственной фокусировки антенных систем;

- оценить ширину диаграммы направленности и уровень боковых лепестков для различных видов зондирующих сигналов при различных вариантах пространственной фокусировки антенных систем;

- моделировать влияние аппаратных погрешностей и ошибок на вышеперечисленные параметры.

4. Описание логической структуры программы

В моделирующем программном комплексе каждый тип элемента канала распространения сигнала, а это излучающая антенна, слой однородной биологической среды, отражатель, приемная антенна, считается линейным блоком и описывается во временной и частотной области своими импульсной и комплексно-частотной характеристиками.

Система требуемой структуры собирается из этих линейных блоков. Все параметры настраиваются отдельно для каждого блока.

Для получения временной структуры сигналов и полей используется метод импульсных характеристик [3], при использовании которого сигнал на выходе каждого блока можно получить, применив операцию свертки к излученному сигналу и соответствующей пространственно-импульсной характеристике, согласно свойствам линейных систем [5].

5. Используемые технические средства

- ПЭВМ с процессором i586 или выше

- Среда создания научных и инженерных приложений MalLab 6.5 и выше.

6. Входные и выходные данные

При работе с программным комплексом используется интерактивный режим. Оператор собирает исследуемую систему и задает численные значения параметров каждого блока системы. Принципиально возможно задание трех видов исследуемых систем: на передачу - система вида «передающая антенна - среда», на прием - система вида «среда - приемная антенна», сквозная - «передающая антенна - среда - приемная антенна».

При расчете пространственно-импульсных характеристик и комплексных пространственно-частотных характеристик системы задание вида и характеристик зондирующего сигнала не требуется. При исследовании эволюции сигнала во временной и частотной области, а также при расчете акустических полей импульсных сигналов и их характеристик (ширины диаграммы направленности и уровня боковых лепестков) требуется задать вид зондирующего сигнала и его параметры.

Набор параметров, задаваемых в начале работы для настройки линейной системы, моделирующей прохождение сигнала в канале распространения, включает в себя следующее:

Antenna - вид используемой фазированной антенной решетки (ФАР): линейная в виде отрезка прямой, линейная в виде отрезка кривой, из точечных излучателей, из малых непрерывных излучателей.

L_Aperture - размер апертуры ФАР. Предполагается, что на излучение и на прием используется одна и та же антенна.

N_Array - количество элементов ФАР.

D_Step - шаг решетки.

D_Size - размер одного излучателя ФАР.

Apodis - вид аподизации для передающей ФАР. Представляет собой вектор значений амплитудно-фазового распределения поля на раскрыве. Можно задавать стандартные виды аподизации (равномерная, косинус на пьедестале, Хэмминга и т.д.) и генерировать собственные.

R_Focus, E_Focus - декартовы координаты точки фокусировки антенны.

R_Work, E_Work - декартовы координаты исследуемой точки пространства.

SignalForm - форма импульса зондирующего сигнала.

SignalDuration - длительность зондирующего импульса.

SignalFrequency - несущая частота зондирующего сигнала.

TissueAlfa - удельный коэффициент акустического ослабления в биологической среде.

Выходными данными программного комплекса являются временные диаграммы, спектры, одномерные и двумерные диаграммы распределения акустических полей.

По временным диаграммам и спектрам можно наблюдать и исследовать эволюцию формы зондирующего импульса в процессе распространения сигнала, измерить длительность сигнала на выходе каждого блока, изменение ширины спектра, смещение несущей частоты. По диаграммам распределения акустических полей можно наблюдать влияние различных факторов на структуру полей, измерять ширину луча (ширину диаграммы направленности) на различных дальностях, измерять уровень боковых лепестков.

Литература

Осипов Л.В. Принципы фокусировки и сканирования в ультразвуковых диагностических эхотомоскопах. / ТС-10 «Медицинские приборы, оборудование и инструменты». Обзорная информация. Выпуск 1. -М.: Информприбор, 1991.

Применение ультразвука в медицине. Физические основы. Под ред. К.Хилла. / Пер. с англ. . - М.: Мир, 1989.

Бакшеева Ю.В. Оценка ухудшения потенциальной разрешающей способности по дальности ультразвуковых диагностических медицинских систем в условиях реальных биологических сред. // Труды РНТОРЭС им. А.С.Попова. Серия: «Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике». Выпуск 1. М., 2005. С.48-51.

Шутилов В.А. Основы физики ультразвука. Л.: Изд-во ленинградского университета, 1980.

Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 1986.

Р. Как. Границы акустического ослабления в небольших областях мягких биотканей, получаемых при анализе отраженных ультразвуковых волн. - ТИИЭР, т.73, 1985, стр. 6-20.

Поршнев С.В. Компьютерное моделирование физических процессов в пакете MatLab. - М.:Горячая линия-Телеком, 2003.

Размещено на Allbest.ru