РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА SWEI НА АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ VERASONICS

Эластография на сдвиговых волнах (метод SWEI Shear Wave Elasticity Imaging) на сегодняшний день является одним из наиболее информативных методов ультразвуковой диагностики. Данный метод позволяет на основе измерения скорости сдвиговых волн оценить вязкоупругие свойства мягких биологических тканей, а именно модули сдвига и Юнга, коэффициент вязкости среды [1]. На сегодняшний день существует множество экспертных ультразвуковых систем, в которых реализуется данный метод. В перспективе, данный метод может стать основным для диагностики онкологических заболеваний, заменив тем самым биопсию. Также эластография уже сейчас активно применяется при обследовании заболевании печени.

В Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского на кафедре акустики активно работает лаборатория биомедицинских технологий, медицинского приборостроения и акустической диагностики «МедЛаб». Одним из направлений исследований является эластография на сдвиговых волнах, в рамках которого данный метод был реализован на акустической системе Verasonics с открытой архитектурой (см. рис. 1). Данная система является универсальным ультразвуковым прибором, предназначенным для макетирования и отладки различных алгоритмов медицинской акустики. Система представляет собой управляющий блок, подсоединяемый к компьютеру-хосту с помощью карты расширения. Передаваемый сигнал формируется формирователем, после чего поступает в многоканальный цифро-аналоговый преобразователь. Он соединяется со стандартным медицинским ультразвуковым датчиком L7-4. Принятый на него сигнал поступает в многоканальный аналого-цифровой преобразователь, после чего накапливается в выходном буфере. Далее по команде сигнал передается из буфера в компьютер-хост. Имеется также внешний блок питания, используемый для реализации режимов повышенной мощности.

Рисунок 1. Акустическая система Verasonics в лаборатории «МедЛаб»

На системе Verasonics была реализована классическая схема измерения скорости сдвиговых волн SWEI [2]. Сдвиговая волна возбуждается мощной сфокусированной волной в толще образца. Для этого в среду направляется радиоимпульс обычной (продольной) ультразвуковой волны. Длительность импульса выбирается порядка 100 мкс. В результате действия на среду радиационной силы в среде начинает распространятся сдвиговая волна в положительном и отрицательном направлении оси x (см. рис. 2).

Рисунок 2. Схема эксперимента

При этом волна поляризована в направлении оси y. Целью процесса регистрации является запись y-компоненты смещения частичек среды, обозначаемой как ξ(x,t). Смещение среды определяется ультразвуковым методом. Для этого до сфокусированного импульса подается короткий несфокусированный опорный изображающий импульс. После толкающего импульса в среду подается последовательность изображающих импульсов, идентичных опорному (см. рис. 3).

Рисунок 3. Временная диаграмма импульсов, посылаемых в среду

С помощью вычисления корреляции данных импульсов с опорным регистрируется смещение среды ξ(x,t) как функция времени t на различных расстояниях х от точки фокуса толкающего импульса. Различные значения x соответствуют различным кривым. На каждом графике имеется максимум, соответствующий фронту сдвиговой волны. Из графиков можно определить время прихода фронта в определенную точку и посчитать скорость волны.  Далее скорость пересчитывается в модуль Юнга по формуле (1).

                                                             (1)

где E – модуль Юнга, ρ – плотность среды, C_sh – скорость сдвиговых волн.

В целях демонстрации возможностей акустической системы Verasonics, а также качества реализации метода SWEI на данной системе был проведен ряд экспериментов по измерению вязкоупругих характеристик калиброванного фантома CIRS Model 49 Elasticity QA Phantoms, который представляет собой блок прямоугольной формы, в котором в однородном матриксе (background) находятся сферические вложения с отличающимся модулем Юнга (см. рис. 4).

Рисунок 4. Схема CIRS Model 49 Elasticity QA Phantoms

Для сравнения были также проведены опыты с помощью современных ультразвуковых томографов Siemens Acuson S2000 и Supersonic Aixplorer. В Siemens Acuson S2000 реализован стандартный метод эластографии на сдвиговых волнах. За счет этого мы можем сравнивать результаты, полученные на акустической системе Verasonics, на которой, как было описано выше, реализован метод эластографии на сдвиговых волнах, с реальным ультразвуковым томографом, в котором реализован аналогичный метод. Это также позволяет проверять методологию измерения вязкоупругих характеристик на реальном ультразвуковом томографе, ранее отработанную в лаборатории «МедЛаб» на Verasonics.  Экспертная система Supersonic Aixplorer интересна тем, что в ней реализована более новая технология sSWE (supersonic shear wave elastography). Обе экспертные системы имеются в Приволжском окружном медицинском центре.

Таблица 1.

Результаты измерений скорости сдвиговых волн (м/с) в фантомах CIRS Model 49 Elasticity QA Phantoms

Как видно, есть хорошая сопоставимость результатов между акустической системой Verasonics и ультразвуковыми томографами при измерении сферических вложений 1 и 2 типа, а также матрикса, особенно с Siemens Acuson S2000. Но у 3 типа сферических вложений можно наблюдать различие в результатах. Это можно объяснить тем, что метод SWEI рассчитан на исследования менее жестких сред, свойственных биологическим объектам, добиваясь наиболее высокой точности и вопроизводимости результатов в пределах до 20 кПа.

Список литературы:

1. Руденко О.В., Сафонов Д.В., Рыхтик П.И., Гурбатов С.Н., Романов С.В. // Радиология – практика. 2014. № 4 (46). С. 62.
2. Khalitov R.Sh., Gurbatov S.N., Demin I.Yu. // Phys.Wave Phenom. 2016. V. 24. №. 1. P. 73.