Пространственная разреша­ющая способность (разрешение)

Служит важнейшей характеристикой прибора, так как от нее зависит способность различать малые объекты и структуры, близко расположенные друг к другу. В качестве меры разре­шающей способности принимается минимальное

расстояние между дву­мя малыми отражающими объектами, при котором, наблюдая изображение на экране, можно их видеть раздель­но, т.е. принять решение о наличии двух элементов. Для того чтобы ис­ключить влияние размеров объектов на оценку разрешающей способнос­ти, в качестве элементов принимают­ся точечные отражающие объекты.

На практике для определения ми­нимального расстояния различимос­ти используется классический крите­рий, при котором полагается, что точечные объекты разрешаются (т.е. воспринимаются раздельно), если в суммарном сиг- нале от них есть про­вал (двугорбость). На рис. 4.7 изобра­жены типичные случаи: а) хорошего разрешения - сигналы от точечных отражателей воспринимаются раз­дельно; б) предельного разрешения - сигналы от отражателей воспринима­ются раздельно, но при дальнейшем сближении отражателей сигналыотних сливаются, т.е. провал между ни­ми исчезает, и тогда имеет место слу­чай; в) - разрешения нет. Описанный критерий разрешаю­щей способности называется разрешением по Рэлею (Rayleigh resolu­tion).

Применительно к УЗ - системам по­лучения изображения следует разли­чать продольную разрешающую способность (longitudinal resolution) и поперечную разрешающую спо­собность (lateral resolution).

О продольной разрешающей способности мы говорим, когда то­чечные отражатели находятся в одном УЗ - луче и изменяется их взаимное по­ложение вдоль оси луча (рис. 4.8). Эхо-сигналы от элементарных отражателей а и б раз-

Р ис. 4.7. К определению разрешающей способности по Рэлею: а –

хорошее разрешение; б - предельное разрешение (L - мера

разрешающей способности); в – разрешения нет

решаются, если огибающие этих сигналов пересекаются на доста­точно низком уровне (рис. 4.7,а, 4.7,б). На рис. 4.8 огибающие эхо-сигналов обозначены пунктиром. Видно, что ес­ли огибающая сигнала менее протя­женная во времени, т.е. сигнал во вре­мени занимает более короткий интер­вал (случай I), то раз- решающая спо­собность выше. В случае I отражатели а и б могут располагаться ближе, чем в случае II, и при этом наблюдаться раздельно, не сливаясь.

Рис. 4.8. Продольное разрешение

Эхо-сигнал получается в результате отражения зондирующего сигнала и практически повторяет его вид, поэтому продоль­ная разрешающая способность определяется видом зондирующего им­пульса, прежде всего протяженностью его огибающей во времени, а также формой, в частности наличием или от­сутствием так называемых «боковых лепестков».

Для получения более высокой про­дольной разрешающей способности желательно использовать более ко­роткие зондирующие сигналы. Одна­ко имеются определенные физичес­кие ограничения - в акустическом сигнале не может быть менее 1-2 пе­риодов колебаний. Поэтому зондиру­ющий импульс с более высокой час­тотой колебаний внутри огибающей в принципе может быть короче, чем им­пульс с более низкой частотой (слу­чай I по сравнению со случаем II на рис. 4.8). Вот почему датчики с высокой частотой обеспечивают более высо­кую разрешающую способность. В табл.1 даны примерные количественные оценки продольной разреша­ющей способности для современных приборов среднего класса. Нетрудно заметить, что продольная разрешающая способность обратно пропорци­ональна частоте датчика. При данной рабочей частоте датчика продольная разрешающая способность несколь­ко ухудшается с увеличением глуби­ны, что связано с частотнозависимым характером затухания сигналов с глу­биной.

О поперечной разрешающей способности говорится в случае, когда точечные отражатели распола­гаются на одной глубине или на ли­нии, перпендикулярной осям УЗ - лу­чей (рис. 4.9). Интересно рассмотреть следующие практические случаи.

I. Отражатели а и б находятся в гра­ницах одного луча. При этом отсутст­вует возможность принять решение о разрешении двух отражателей.

II. Отражатели находятся в двух со­седних лучах. И в этом случае, если не используются специальные методы обработки сигналов, невозможно принять решение о том, что наблюда­ется - два отражателя или один про­тяженный объект, одновременно на­ходящийся в двух соседних лучах.

III. Отражатели находятся в различ­ных лучах, между которыми есть один или несколько лучей. В этом случае отражатели полностью разрешаются.

Таким образом, поперечная разре­шающая способность определяется расстоянием между лучами и ухудша­ется с увеличением этого расстояния. Располагая лучи ближе друг к другу в процессе сканирования, т.е. повышая плотность лучей, можно улучшить поперечную разрешающую способ­ность. При этом ширина лучей должна быть меньше или того же порядка, что и расстояние между их осями, - только тогда будет достигнут эффект улучшения разрешающей способности.

Очевидно, что между соседними лучами не должно быть больших про­межутков. В противном случае появляется риск не увидеть отражатель, находящийся между границами со­седних лучей (см. случай IV на рис. 4.9). Поэтому стремятся обеспечивать до­статочно высокую плотность лучей и даже частичное наложение лучей друг на друга. Конечно, взаимное распо­ложение лучей в существенной мере зависит от характера сканирования линейного, конвексного или сектор­ного. Вследствие этого от способа сканирования зависит и разре- шаю­щая способность.

Ширина УЗ - луча с уменьшением глубины также уменьшается (рис.4.9). Исключение составляет так называемая ближняя зона (т.е. зона перед фокусом), где ширина лучей велика. Наименьшую величину шири­на лучей имеет в зоне фокуса, по ме­ре увеличения глубины ширина луча в дальней зоне увеличивается практи­чески пропорционально глубине и на максимальной глубине в ряде случаев может резко увеличиваться. Соответ­ственно и поперечная разрешающая способность, связанная с шириной УЗ - луча, изменяется в зависимости от глубины. Наилучшей она является в зоне фокуса, далее с глубиной она ухудшается. Наихудшая поперечная разрешающая способность - в ближ­ней зоне и на максимальной глубине.

Для того чтобы количественно оха­рактеризовать поперечную разреша­ющую способность, иногда ее оцени­вают на половине максимальной глу­бины, принятой для данной рабочей частоты датчика. В табл. 4.2 приведены примерные значения поперечной разрешающей способности на поло­винной глубине для различных частот датчика. Данные характеризуют при­боры среднего класса, в приборах высокого класса может достигаться более высокая поперечная разреша­ющая способность. В последнем столбце табл. 4.2 даны значения мак-

си­мальной рабочей глубины, характер­ные для приведенных рабочих частот

Таблица 4.2. Разрешающей способности УЗ – приборов среднего класса

Рабочая частота датчика, МГц	Продольная разрешающая способность, мм	Поперечная разрешающая способность, мм	Максимальная рабочая глубина, мм
3,5 5,0 7,5 10,	0,8 0,6 0,4 0,3	2,5 1,5 0,8 0,4

датчика. Поперечная разрешающая способность в принципе может быть увеличена за счет увеличения рабо­чей (излучающей и принимающей) поверхности датчика.

Как было показано, поперечная разрешающая способность, как пра­вило, хуже продольной и ухудшается с глубиной, что иллюстрирует рис. 4.9. Вместе эти две величины характери­зуют пространственную разреша­ющую способность, которая непо­средственно связана с таким поняти­ем, как зернистость изображения. Этим понятием часто пользуются спе­циалисты при сравнительной оценке качества изображения различных приборов. И хотя в этой оценке может быть некоторая субъективность, в ос­нове оценки - объективные техничес­кие возможности конкретных прибо­ров и прежде всего их пространствен­ная разрешающая способность. Рас­смотрим, как будет выглядеть на эк­ране прибора одиночный точечный отражатель (рис. 4.10). В зависимости от того, в какой зоне луча он будет нахо­диться (а, б, в, г, д), соответствующая ему яркостная отметка на экране бу­дет иметь вид чечевицы (эллипса) разного размера - на рис. 4.10 она изоб­ражена в виде заштрихованного пят­на. Хотя на размер этого пятна влия­ют отражающие свойства точечного объекта и разрешающая способность собственно монитора, тем не менее в основном размер малой оси эллипса (вдоль оси луча) определяется про­дольной разрешающей способнос­тью, а размер большой оси эллипса (поперек оси луча) - поперечной разрешающей способностью.

Рис. 4.10. Элементы изображения (пикселы).

Из таких отметок (пятен) различно­го уровня яркости строится акустиче­ское изображение, как из элементов мозаики. Чем меньше размер эле­ментов изображения (табл. 4.2), тем более четким и менее зернистым вос­принимается изображение.

2. Чувствительность. Наряду с разрешающей способностью чувстви-

тельность является важнейшей харак­теристикой, определяющей диагнос­тическую эффективность УЗ - сканера. Чувствительностью называется спо­собность обнаруживать и наблюдать малые элементы структуры на фоне мешающих сигналов (помех) и собст­венных шумов системы. Любая элек­тронная система, принимающая и отображающая сигналы, подвержена влиянию внешних помех (от посторон­них источников), внутренних помех (так называемых «наводок» на прием­ные цепи от других блоков системы) и, самое главное, собственных тепловых шумов приемного тракта, вызванных хаотическими движениями носителей электрического заряда в проводни­ках; интенсивность этих

движений за­висит от температуры. Прием сигна­лов от отражающих структур в

глубине обследуемого объекта происходит на фоне этих помех и шумов.

Рис. 4.11. Наблюдение сигнала на фоне шума

Типичный вид осциллограммы сме­си сигнала и шума на выходе приемно­го тракта УЗ - сканера показан на рис. 4.11, где видны случайные шумы, хаотичес­ки изменяющиеся по амплитуде, инаих фоне полезные эхо-сигналы (выде­лены жирной линией). Полезные сиг­налы малого уровня (1 и 4 на рис.4.11) практическине отличаются от шумовых импульсов. Относительно сигна­лов 2 и особенно 3 можно более или менее уверенно принять, что они явля­ются по- лезными сигналами. На экране монитора этим амплитудам соответст­вуют отметки различной яркости, по­этому, чтобы не отображать отметки от шумовых импульсов, устанавливается некоторый амплитудный порог (рис. 4.11), ниже которого сигналы не ото­бражаются на экране. Выбор этого по­рога является компромиссом между стремлениями отсечь как можно боль­шее количество шумов и обнаружить малые полезные сигналы. Количест­венно чувствитель- ность определяется величиной минимального полезного эхо-сигнала, который может быть вы­делен на фоне шумов. Чувствитель­ность УЗ - прибора зависит от характе­ристик входных цепей приемника УЗ - сканера и более всего от качества дат­чика, в первую очередь эффективнос­ти преобразования УЗ - колебаний в электрические и наоборот.

Особенно важна чувствительность прибора при работе на больших глу­бинах, где уровень полезных сигналов снижается вследствие затухания в биологических тканях. Поэтому чувст­вительность определяет максималь­ную рабочую глубину работы прибо­ра, т.е. глубину, на которой еще обес­печивается уровень полезных сигна­лов, достаточный для их наблюдения.

Затухание УЗ -сигналов в биологиче­ской среде в существенной мере уве­личивается с частотой. Поэтому макси­мальная глубина с увеличением часто­ты датчика уменьшается. Приведенные в табл. 4.2 значения максимальной глу­бины для различных частот датчика примерно соответствуют характерис­тикам приборов среднего класса.

3. Динамический диапазон. Этот параметр характеризует способность УЗ - системы отображать одновремен­но малые и большие сигналы, переда­вая различие в их уровне. Количест­венно динамический диапазон опре­деляется отношением максимального сигнала к минимальному сигналу, ото­бражаемому системой. Минимальным сигналом является сигнал, превыша­ющий порог чувствительности, о чем подробно говорилось выше. Макси­мальным отображаемым сигналом считается такой, который еще не «об­резается» сверху, проходя через сис­тему, т.е. изменения этого сигнала на входе приводят к изменению яркости соответствующей отметки на экране.

На рис. 4.12 показан вид зависимости выходных сигналов U _вых от входных сигналов U _вх, а также осциллограммы сигналов на входе U _вх(t) и на выходе U _вых (t). Сигнал 1 соответствует поро­говому уровню (уровню чувствитель­ности), сигнал 2 имеет некоторую среднюю амплитуду, а сигнал 3 явля­ется максимальным, так как хоть он и близок к ограничению, однако его ма­лое изменение (обозначено пункти­ром) еще может быть передано на вы­ход. Сигнал 4 системой ограничива­ется, и его изменение на входе не пе­редается на выход.

Рис. 4.12. Понятие о динамическом диапазоне

Естественно, чем больше динами­ческий диапазон системы, тем боль­ше информации о различных структу­рах может быть отображено на экране монитора.

С динамическим диапазоном свя­зано понятие контрастной разреша­ющей способности, которая опреде­ляет способность прибора передавать малые различия в уровне сигналов. Особенно важна эта способность для выявления небольших диагностичес­ких значимых изменений в характерис­тиках биологических тканей. Приборы с высокой контрастной разрешающей способностью имеют изображение с «мягкой» картиной, передающей лег­кие полутоновые различия яркостных отметок.

4. Временная разрешающая способность характеризует способ­ность системы воспринимать и отоб­ражать с достаточной скоростью из­менение акустических характеристик биологических структур во времени. Особенно важна эта способность при исследовании работы сердца и сосудов в динамике. Временная раз­решающая способность определяет возможность получать информацию о движущихся структурах в реаль­ном времени. Прежде всего вре­менная разрешающая способность зависит от максимальной частоты кадров прибора в секунду. Так, для исследования работы сердечно-со­судистой системы в динамике часто­та кадров должна быть не менее 16-20 Гц (1/с).

Дата добавления: 2014-11-29