Ультразвуковой томографический стенд

Внедрение: 2019 г.

Экспериментальные данные для ультразвуковых томографических исследований были получены на разработанном и изготовленном в МГУ томографическом стенде [1], где использовался модуль E20‑10. Судя по ранее опубликованным материалам на нашем сайте, специалисты из МГУ продолжают применять модуль E20‑10 в исследованиях в области ультразвуковой томографии. 

Экспериментальный стенд предназначен для проведения исследований по томографическому восстановлению акустических свойств объектов с акустическими параметрами, близкими к параметрам мягких тканей. Стенд обеспечивает прецизионное перемещение излучателя и приемника ультразвукового импульса вокруг исследуемого объекта и позволяет собирать данные, необходимые для восстановления томографических изображений как в послойном варианте, так и в трехмерной томографической схеме с данными на цилиндрической поверхности. Полученные на стенде экспериментальные данные используются для апробации методов акустической томографии. Экспериментальный стенд включает цилиндрическую ванну, ультразвуковые излучатели, гидрофон, двухкоординатные (ротационный и линейный) приводы для излучателя и гидрофона, блок управления механическим узлом, генератор ультразвуковых импульсов, модуль АЦП E20‑10. Конструкция экспериментального стенда изображена на рисунке 1.

Рисунок 1. Экспериментальный стенд для УЗ томографических исследований: а – 3D‑модель; б – общий вид стенда.

Внутри цилиндрической ванны 1, заполненной водой, закрепляется исследуемый объект (фантом) 2. Вокруг объекта перемещаются ультразвуковой излучатель 3 и гидрофон 4. Излучатель c помощью держателя крепится к линейному приводу 5. Гидрофон 4 с помощью держателя крепится к линейному приводу 6.

Акустический импульс для излучателя 3 формируется цифровым генератором 12 и усиливается амплитудным усилителем 13. Волновое поле на цилиндрической поверхности при фиксированном положении источника измеряется с помощью гидрофона 4. Измеренный сигнал усиливается предварительным усилителем 14, оцифровывается модулем АЦП E20‑10 (15) и поступает в память управляющего компьютера. В экспериментах на стенде использовался гидрофон Teledyne Reson TC4038 c предусилителем Teledyne Reson VP1000. 

Функциональная схема стенда приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема стенда.

Для автоматизации экспериментов по ультразвуковой томографии было разработано ПО, обеспечивающее работу экспериментального стенда под управлением персонального компьютера. ПО реализовано на языке С++. 

Для реконструкции скоростного разреза использовался графический процессор NVidia Tesla K40s в составе суперкомпьютера «Ломоносов‑2» МГУ в режиме удаленного доступа.

Рисунок 3. Реконструированные сечения скоростного разреза.

Реконструкция скоростного разреза осуществлялась в рамках послойной модели. Показано, что пространственная разрешающая способность в горизонтальной плоскости составляет ~2 мм. Время расчетов составило ~5 мин при использовании одного графического процессора NVidia Tesla K40s для расчета одного слоя. Важным результатом работы является экспериментальное подтверждение адекватности модели физическим процессам.

Исследование поводилось за счет гранта Российского научного фонда (проект № 17‑11‑01065) в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова. Работа выполнена с использованием ресурсов суперкомпьютерного комплекса МГУ им. М.В. Ломоносова.

Источник:
Гончарский А.В., Романов С.Ю., Серёжников С.Ю. Низкочастотная ультразвуковая томография: математические методы и эксперимент // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Асторономия. – 2019. – № 1. – С. 40‑47.

Разработчик: Гончарский А.В., Романов С.Ю., Серёжников С.Ю. (МГУ им. М.В. Ломоносова)