Проектирование компьютеризированных комплексов для неинвазивной ультразвуковой диагностики сложных заболеваний

Г.Г.Знайко

Ультразвуковая медицинская техника является одним из наиболее эффективных и признанных методов решения проблемы оперативной точной неинвазивной диагностики сложных заболеваний, таких как инсульт или другие нарушения в системе кровообращения. Для подобных задач медицинской диагностики в мировой практике достаточно широко применяются специализированные приборы, в которых на базе новейших электронных технологий реализованы средства визуализации внутренних органов и структур в реальном масштабе времени. С ростом технологических возможностей доступных на рынке компонентов и систем цифровой сигнальной обработки при проектировании диагностических комплексов открываются новые возможности, позволяющие создавать более экономичные и в то же время более эффективные по своим диагностическим способностям медицинские комплексы. В предлагаемой статье анализируются проблемы и возможности проектирования компьютеризованных диагностических комплексов на основе исследований и разработок, выполняющихся в ОАО «Институт электронных управляющих машин», начиная с 1991 года.

При проектировании систем сигнальной предобработки для комплексов медицинской ультразвуковой диагностики ключевую роль играют исходные характеристики сигнальных потоков: их структура и интенсивность. Эти характеристики, в свою очередь, определяются потребительскими режимами, применяемыми в современных диагностических приборах, требованиями к точности диагностирования, качеству и надежности получаемой диагностической информации и другими факторами внешней среды. Стоимость современных медицинских диагностических комплексов, предлагаемых на российском рынке зарубежными производителями, составляет, как правило, от 20 тысяч до 500 тысяч долларов США. Столь высокая стоимость современных приборов данного класса вытекает из чрезвычайно высокой сложности технологии их проектирования и изготовления с применением специализированных заказных электронных компонентов, выполняющих генерацию, измерение, обработку и отображение аналоговых и цифровых сигналов. Применение современных стандартных технологических компонентов цифровой обработки сигналов с использованием мультипроцессорных конфигураций открывает благоприятные возможности для проектирования, внедрения и реализации разнообразных конкурентоспособных компьютеризованных приборов медицинской диагностики.

Среди основных направлений, проявляющихся в проектировании и реализации современных ультразвуковых диагностических комплексов, одним из актуальных является создание портативных и мобильных диагностических комплексов для неотложной диагностики, работы в полевых условиях и в условиях чрезвычайных ситуаций. В ОАО «ИНЭУМ» разработаны и подготовлены к серийному выпуску мобильные компьютеризованные УВК, обеспечивающие следующие диагностические возможности для неотложной ультразвуковой диагностики:

• Режим линейной эхоимпульсной локации, позволяющий диагностировать травматические оболочечные гематомы с точностью не менее 97%.
• Режим непрерывной доплеровской локации, позволяющий регистрировать и анализировать кровоток в общей сонной артерии.
• Ультразвуковую спектральную доплерографию (CW) с регистрацией линейной скорости в см/сек и направления потока по сонным, глазничным, позвоночным артериям, а также вычислением ряда индексов циркуляторного сопротивления.
• Транскраниальную спектральную доплерографию (PW), определяющую скорость и направление кровотока, а также индексы циркуляторного сопротивления по внутримозговым артериям и венозным коллекторам.
• Режим мониторирования.
• Сохранение результатов обследований с последующим документированием на бумажный носитель.
• Автономное электропитание, позволяющее работать от аккумуляторной батареи, что обеспечивает функционирование прибора в полевых условиях
• Звуковую индикацию кровотока.

Транскраниальная доплерография прочно занимает место самого эффективного, относительно дешевого метода диагностики состояния сосудов и параметров кровотока в них и позволяет:

• выявлять ранние поражения сосудов головного мозга;
• выявлять стенозы (сужение просвета) артерий головного мозга и определять их значимость;
• выяснять причину головной боли (ангиоспазм, повышение внутричерепного давления и т.д.) и помогать подобрать адекватное лечение;
• определять состояние сосудистых стенок (нарушение эластических свойств, гипертонус, гипотония);
• определять состояние позвоночных артерий;
• определять состояние венозного кровотока шеи, головы, верхних и нижних конечностей;
• определять состояние артерий и вен верхних и нижних конечностей (проходимость, извитость, стеноз, варикозное расширение, тромбозы и т.п.).

Некоторые авторитетные мировые производители, такие как Nicolet (США), в последних моделях пошли по пути наращивания числа каналов, создания более чувствительных многоглубинных датчиков, совершенствования алгоритмов обнаружения эмболов, длительного мониторирования. В настоящее время в ОАО «ИНЭУМ» разрабатывается компьютеризированная многоканальная доплерографическая система для комплексного многоглубинного мониторинга сосудов головы и конечностей, предлагающая следующие диагностические возможности, особенно ценные для мониторирования в палатах интенсивной терапии.

• одновременная обработка доплеровских сигналов по 8 каналам;
• импульсный датчик PW – 2 МГц;
• непрерывный датчик CW – 4 - 8 МГц;
• интраоперационный датчик – 16 МГц;
• мониторирование по 4 каналам;
• режим определения эмболов;
• многооконная визуализация;
• визуализация и контроль в режиме длительного мониторирования;
• шлем для мониторирования;
• гибкое построение графических отчетов;
• архивирование на CD-R;
• транспорт данных в среде «Интернет».

Компьютеризованные диагностические комплексы, обеспечивающие двухмерную и трёхмерную визуализацию биологических объектов, позволяют существенно повысить информационные возможности с целью исследования положения, формы и состояния различных органов и структур в реальном масштабе времени. Важнейшими факторами, влияющими на повышение диагностических способностей современных компьютеризованных приборов ультразвуковой медицинской диагностики, являются:

• применение современных многоканальных ультразвуковых датчиков,
• применение современных методов цифровой сигнальной обработки,
• получение двухмерных и трехмерных изображений исследуемого объекта в реальном масштабе времени,
• реализация методов параллельной многопроцессорной обработки,
• применение современной технологии проектирования диагностических комплексов.

Рост производительности, архитектурных и программных возможностей новой элементной базы создают возможность реализации относительно недорогих, компактных и конкурентоспособных ультразвуковых диагностических комплексов, обеспечивающих уникальные возможности получения ценной диагностической информации с двухмерной и трехмерной визуализацией исследуемых объектов в реальном масштабе времени. При этом наиболее сложные и трудоемкие задачи проектирования диагностических комплексов нового поколения связаны с разработкой и технической реализацией эффективных алгоритмов обработки сигнальной информации. В частности, система предобработки сигнальной информации должна обеспечить выполнение в реальном времени следующих задач:

• формирование диаграммы направленности фазированной антенной решетки и реализации режима многолучевого приема;
• согласованную линейную и адаптивную фильтрацию в многолучевом приемном пространстве;
• корреляционный анализ в многолучевом приемном пространстве для измерения допллеровского сигнала от движущихся структур;
• спектральный анализ (энергетический и частотный) по сформированным допплеровским сигналам в многолучевом приемном пространстве;
• анализ и классификацию контуров и поверхностей, цветовое кодирование и построение изометрических проекций и сечений.

Результаты проведённых исследований показывают, что мультипроцессорные конфигурации из 6-8 процессоров цифровой сигнальной обработки обеспечивают спектральный анализ доплеровских частот с производительность до 100 млн. 16-разрядных БПФ и скорость обработки изображений 512 х 512 8-разрядных пикселей порядка 100 кадров в секунду. При этом затраты на построение микропроцессорных конфигураций при наличии эффективных встроенных средств мультипроцессорного взаимодействия не превышают 5 тыс. долларов США, что составляет 1-2% рыночной стоимости современного медицинского диагностического комплекса.

Применение спецпроцессоров (сигнальные процессоры и микросхемы ПЛИС для вычисления БПФ (быстрое преобразование Фурье) и цифровой фильтрации, как в частотной, так и во временной области) позволяет освободить время для компьютерной обработки медицинской информации, расширить режимы индикации на экране монитора (многооконность, автоматический вывод измерений индексов и коэффициентов, мониторирование, цветовое кодирование, эмуляция органов управления и настройки системы), выполняемые в реальном масштабе времени.

Интеграция современных технических и программных средств в единый многопроцессорный комплекс обеспечивает одновременный прием, входной сигнальной информации по 256-1024 каналам на несущих частотах до 16 МГц, её предобработку, реконструкцию и визуализацию исследуемых объектов в реальном масштабе времени с разрешением не менее 512х512 пикселей и частотой не менее 25 кадров в секунду с автоматическим вычислением параметров и гибкими режимами управления.

Наиболее критичные структурные компоненты и функциональные характеристики проектируемого комплекса (таблица 1) определяются с помощью имитационного моделирования на основе потребительских требований к качеству отображаемой информации с учётом ограничений реального времени.

Таблица 1. Основные потребительские требования и задачи имитационного моделирования при разработке компьютеризованных медицинских диагностических приборов.

Развиваемая в ИНЭУМ проектно-технологическая база обладает мощными возможностями, которые обеспечивают следующие преимущества при создании сверхбыстродействующих компьютеризованных ультразвуковых диагностических систем:

• Возможность проектирования, верификации, оптимизации и отладки в полунатурном режиме реального времени широкой номенклатуры изделий: от недорогих, компактных и мобильных компьютеризованных приборов с ограниченным числом входных каналов до мощных исследовательских и диагностических станций, обеспечивающих двухмерную и трёхмерную визуализацию сложных динамических объектов в реальном масштабе времени.
• Максимальное использование стандартизированных технических решений и серийно выпускаемых аппаратных и программных средств позволяет существенно снизить стоимость проектируемого комплекса.
• Большое разнообразие вариантов проектных решений моделируемых на основе единой аппаратно-программной технологической базе, обеспечивает выработку эффективных конфигураций с учетом потребительских требований к проектируемым комплексам и повышает их конкурентоспособность.

Единый технологический проектный цикл позволяет выявлять ключевые архитектурно-программные характеристики прикладных задач эхолокации в реальном времени и отрабатывать основные архитектурные требования к возможным вариантам системы, включая выбор альтернативных компонентов или проектирование заказных и полузаказных СБИС.