Исследование влияния толщины жировой ткани на контраст ультразвукового изображения

Куликов Андрей Юрьевич; Стрыгина Елена Викторовна

УДК 620.179.16

DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-6-1389-1391

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТОЛЩИНЫ ЖИРОВОЙ ТКАНИ НА КОНТРАСТ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Тамбовский государственный технический университет 392000, Российская Федерация, г. Тамбов, ул. Советская, 106 E-mail: [email protected]

Разработана методика проведения экспериментального исследования распространения ультразвуковых волн в тканеимитирующем материале фантома, проходящих через имитацию жировой прослойки. Доказана тенденция к снижению контраста слабоконтрастных кистоподобных объектов на изображении при увеличении толщины жировой прослойки.

Ключевые слова: контраст; затухание; ультразвуковые волны; жировая ткань

ВВЕДЕНИЕ

Любое изображение характеризуется яркостным контрастом, определяемым как отношение абсолютного значения разности яркостей изображений объекта и окружающего его фона к их максимальному значению. Контраст может выражаться как в относительных единицах, так и в процентах. Обычно контраст до 20 % рассматривается как малый, до 50 % - средний и свыше 50 % - высокий. Для того чтобы исследовать влияние толщины жировой прослойки на контраст изображения, необходимо экспериментальным путем получить глубинно-контрастную характеристику прибора ультразвуковой диагностики.

Контрастная разрешающая способность ультразвукового сканера - способность прибора различать биологические ткани по уровню отраженных от них эхо-сигналов на общем фоне. Чем выше эта способность, тем лучше можно передать различие в уровне сигналов на экране прибора. Таким образом, контрастная разрешающая способность определяет качество полученного ультразвукового изображения. Приборы с высокой контрастной разрешающей способностью имеют изображение с «мягкой» картиной, передающие легкие полутоновые различия яркостных отметок [1].

Из врачебной практики известно, что у пациентов с толстой жировой прослойкой, т. н. «тучных» пациентов, при проведении ультразвуковой диагностики не

Рис. 1. Схема экспериментальной установки

всегда диагностируются различные новообразования и полости. Одна из вероятных причин - изменение контрастной разрешающей способности ультразвукового сканера при прохождении ультразвука через жировую прослойку, что приводит к ухудшению контраста изображения исследуемых объектов.

Можно отметить, что имеющиеся на сегодняшний день исследования распространения ультразвуковых волн в толстой жировой прослойки являются недостаточными.

В связи с этим основной целью эксперимента является исследование влияния толщины жировой прослойки на контраст изображения объекта.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема экспериментальной установки. Рассмотрим экспериментальную установку, основные параметры образцов, методику измерений и расчета контрастного разрешения.

Экспериментальная установка состоит из ультразвукового сканера Sonoscape SSI-8000, прецизионного фантома Gammex для контроля качества визуализации ультразвукового медицинского диагностического оборудования в В-режиме, линейки для измерения толщины жировой прослойки, струбцины для крепления образцов жира (рис. 1).

Технические характеристики экспериментальной установки. Фантом: скорость распространения звука - (1540 ± 10) м/с при 22 °С; коэффициент затухания -(0,5 ± 0,05) дБ-см-1-МГц-1 или (0,7 ± 0,05) дБ-см-1-МГц-1.

Безэховые мишени для имитации сосудов и кист: диаметр, расположение в мере - 1, 2, 4 мм на глубине 3 и 6 см; скорость распространения звука - (1540 ± 10) м/с при 22 °С; коэффициент затухания: (0,5±0,05) дБ-см-1 МГц-1 или (0,7 ± 0,05) дБ-см-1-МГц-1.

Для оценки осевой разрешающей способности: расстояние по вертикали между соседними нитями - 1, 2, 4 мм на глубине 3 и 6 см.

Ультразвуковой сканер Sonoscape SSI-8000: частота линейного датчика L743 - 7-13 МГц; установленный динамический диапазон - 200; мощность излучения -100 %; усиление - 146.

Образцы жировой ткани: плотность 0,92-0,94 г/см3; толщина 0,5-3,0 см.

Фантом является средством, используемым для контроля характеристик ультразвукового медицинского диагностического оборудования (УМДО) в допле-ровском и В-режиме, контроля качества визуализации. Тканеэквивалентный гель (тканеимитирующий материал, ТИМ), используемый в фантоме, по ультразвуковым свойствам подобен ткани человеческого тела. Внутри расположены 3 группы слабоотражающих мишеней в виде цилиндров диаметром 1, 2 и 4 мм, расположенные на глубине 3 и 6 см. Это позволяет использовать стандартные настройки сканера и обеспечивает соответствие измеренных рабочих характеристик характеристикам сканера во время проведения клинических исследований [2].

Методика оценки контрастной разрешающей способности. Оценка контрастного разрешения производилась с помощью безэховых (кистоподобных) мишеней, расположенных в фантоме Gammex, на которых проводился количественный тест.

Для измерения уровня яркости изображения мишени выделялась интересующая область и определялось среднее значение яркости пикселей. Для уменьшения влияния небольших искажений выполнялось несколько измерений, и результаты измерений усредняли.

Задача - выделить интересующую область, измерить значение уровня яркости изображения каждой мишени.

Перед проведением эксперимента была проведена начальная настройка:

- выбрано фокусное расстояние сканера, соответствующее глубине расположения группы кистообраз-ных мишеней;

- установлены усиление, выходная мощность и TGC так, чтобы были видны большинство слабоотра-жающих мишеней на выбранной глубине;

- отсканирован фантом в месте расположения выбранной группы слабоотражающих мишеней;

- настроен коэффициент усиления системы так, чтобы был обеспечен едва различимый уровень шумов;

- зарегистрированы значения коэффициента усиления системы для использования его для всех последующих проверок.

Алгоритм проведения проверок:

1) установить значения параметров управления сканером в соответствии со значением, применявшимся при начальном контроле;

2) через слой жировой прослойки сканировать мишени для оценки контрастного разрешения и вывести на монитор их изображение по возможности большего размера; установить такие же, как и при начальной проверке, параметры системы управления сканером;

3) заморозить изображение и выделить часть изображения мишени для оценки контрастного разрешения как интересующую область;

4) измерить и зарегистрировать уровень яркости ТИМ, расположенного непосредственно за безэховой мишенью, разморозить изображение;

5) выполнить эту операцию трижды и зарегистрировать средний уровень яркости каждой мишени для оценки контрастного разрешения;

6) увеличить слой жировой прослойки и повторить эксперимент.

Количественная оценка основана на расчете ярко-стного контраста по формуле:

К =

(В1 - ВТ) В1 + В2 '

где В1 - яркость объекта; В2 - яркость фона.

Рис. 2. Изображение точек безэховых мишеней

К 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4-0,6 -0,8 -1

№5

№

№ Зи .. — "■— _ — -я — - — ■

№ 2Р- ш '

0,7 1 . - ' 1*5 г 3

№ 1 . ■

1_, СМ

Рис. 3. Зависимость контрастной разрешающей способности от толщины жировой ткани: № 1 - мишень (анэхогенный объект); N° 2 - мишень (гипоэхогенный объект); N° 3 и 4 -мишени (эхогенные объекты); № 5 - мишень (гиперэхогенный объект); К - контраст; Ь - толщина жировой ткани, см

Для определения контраста в точках безэховых мишеней (рис. 2) и изображений, полученных при прохождении ультразвукового луча через жировую ткань толщиной 1,0, 1,5, 2,5 и 3,0 см, определяем усредненную яркость мишеней № 1, 2, 3, 4, 5 и фона. Мишенью № 5 является яркостная точка диаметром 0,1 мм на глубине 5 см.

Для численного описания затухания ультразвукового луча при прохождении жировой ткани использовался расчет контрастности.

На рис. 3 представлена зависимость контрастной разрешающей способности от толщины жировой ткани.

Полученная зависимость позволяет сделать вывод, что для всех анализируемых изображений при увеличении толщины жировой прослойки снижается контраст изображения, причем контраст гиперэхогенных объектов меняется незначительно, а гипоэхогенных -

уменьшается в большей степени: так, объекты № 1 (анэхогенный) и № 2 (гипоэхогенный) - контраст снижается до нуля, объекты № 3 и № 4 (эхогенные) -контраст снижается на 35 %, объект № 5 (гиперэхо-генный) - контраст не меняется. Из вышесказанного следует, что для получения изображения максимального качества при проведении исследования «тучных» пациентов необходимо применять дополнительную постобработку, повышающую контраст изображения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы. М., 1999.

2. Меры длин акустических Gammex 1425 A LE, GAMMEX 1430 LE. Руководство по эксплуатации ФВКМ.402169.002РЭ. М.: Научно-производственное предприятие «Доза», 2012.

Поступила в редакцию 14 августа 2017 г.

Куликов Андрей Юрьевич, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры биомедицинской техники, e-mail: [email protected]

Стрыгина Елена Викторовна, Тамбовский государственный технический университет, г. Тамбов, Российская Федерация, аспирант, кафедра биомедицинской техники, e-mail: [email protected]

UDC 620.179.16

DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-6-1389-1391

THE STUDY OF FAT TISSUE THICKNESS INFLUENCE ON THE CONTRAST OF ULTRASOUND IMAGE

Tambov State Technical University 106 Sovetskaya St., Tambov, Russian Federation, 392000 E-mail: [email protected]

The methods of experimental research of ultrasound waves transmission in tissue imitating material of phantom, crossing the imitation of fat layer imitation. The tendency to decrease of low-contrast cystiform objects at the image at thickening of fat layer is proved. Keywords: contrast; fading; ultrasound waves; fat tissue

REFERENCES

1. Osipov L.V. Ul'trazvukovye diagnosticheskiepribory [Ultrasound Diagnostic Units]. Moscow, 1999. (In Russian).

2. Mery dlin akusticheskikh Gammex 1425 A LE, GAMMEX 1430 LE. Rukovodstvo po ekspluatatsii FVKM.402169.002RE [Perches of Obstetrical Gammex 1425 A LE, GAMMEX 1430 LE. A Guide to Exploitation]. Moscow, SPC "Doza", 2012. (In Russian).

Received 14 August 2017

Kulikov Andrey Yurevich, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Biomedical Engineering Department, e-mail: [email protected]

Strygina Elena Viktorovna, Tambov State Technical University, Tambov, Russian Federation, Post-graduate Student, Biomedical Engineering Department, e-mail: [email protected]

Для цитирования: Куликов А.Ю., Стрыгина Е.В. Исследование влияния толщины жировой ткани на контраст ультразвукового изображения // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2017. Т. 22. Вып. 6. С. 13891391. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-6-1389-1391

For citation: Kulikov A.Y., Strygina E.V. Issledovanie vliyaniya tolshchiny zhirovoy tkani na kontrast ul'trazvukovogo izobrazheniya [The study of fat tissue thickness influence on the contrast of ultrasound image]. Vestnik Tambovskogo universiteta. Seriya Estestvennye i tekhnicheskie nauki — Tambov University Reports. Series: Natural and Technical Sciences, 2017, vol. 22, no. 6, pp. 1389-1391. DOI: 10.20310/1810-0198-2017-22-6-1389-1391 (In Russian, Abstr. in Engl.).

The study of fat tissue thickness influence on the contrast of ultrasound image

Текст научной работы на тему «Исследование влияния толщины жировой ткани на контраст ультразвукового изображения»