Устройство генерации вибрации для метода вибро-эластографии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство генерации вибрации для метода вибро-эластографии

1. Специальная часть

1.1 Введение

В медицинской практике давно уже известны основные методы ультразвуковой визуализации - эхография и допплерография, они достаточно эффективны в своих областях исследований и информативны, но недавно появился принципиально новый метод, претендующий на дополнение этого дуэта и значительно расширяющий возможности современной ультразвуковой диагностики - эластография.

Данные медицинской статистики свидетельствуют о неуклонном росте онкологических заболеваний в мире. Однозначного мнения о причине роста нет, но большинство специалистов считают, что это связано, как с ухудшением экологии, условий жизни, так и с увеличением средней продолжительности жизни населения. С начала 90-х годов ХХ века ежегодное увеличение числа больных составляет 1,5% и Всемирная Организация Здравоохранения прогнозирует увеличение процента возникновения онкологических заболеваний к 2020 году в мире в 2 раза. Лишь только у 25% онкологически больных заболевание выявляется на ранней стадии, когда предпринимаемое лечение эффективно, а в России эта цифра значительно меньше. В связи с этим методы, позволяющие на ранних стадиях точно определять факт наличия опухоли, очень востребованы. Перечислим наиболее успешные в данной области методы: ПЭТ-КТ, МРТ, рентгенология, эндоскопия, лабораторные исследования, цито-гистологические исследования, биопсия, термография и, сравнительно недавно, дополнила этот список эластография. Практически все эти методы имеют существенные недостатки. Метод ПЭТ-КТ - это в первую очередь чрезвычайная дороговизна (стоимость такого комплекса начинается от 250 000 тысяч долларов), а также определенная доза радиационного облучения, получаемого пациентом. Таким же недостатком обладает рентгенология и помимо этого на рентгене плохо видны мягкие ткани. МРТ является также, как и ПЭТ-КТ, дорогостоящей технологией, а кроме того затруднено обнаружение небольших злокачественных образований (0.1-1 см). Эндоскопия ограничена внутренними поверхностями органов. Цито-гистологические исследования не позволяют определить раковые заболевания на ранних стадиях. Биопсия - метод надежный и точный, но требует предварительного наведения на опухоль. Термография ограничена поверхностью тела человека и не позволяет обнаруживать глубоколежащие образования.

Уйти от этих недостатков позволяет активно развивающийся, высокотехнологичный и недавно появившийся метод ультразвуковой диагностики - эластография. Данный метод позволяет находить, как поверхностные, так и глубоколежащие злокачественные образования. Проведение эластографического исследования не вреднее обычного ультразвукового. Эластография реализуется в ультразвуковых сканерах высокого, высшего, экспертного и премиум класса, в связи с этим, стоимость такого аппарата начинается от 20 тысяч долларов США (китайский сканер высокого класса SUIU Apogee 3500). Также важно, что многие производители, такие как General Electric (США), Hitachi-Aloka (Япония), Mindray (Китай), Samsung-Medison (Ю. Корея) реализуют данную технологию на уже существующих и функционирующих сканерах в медицинских учреждениях (Aloka alpha 7, Mindray DC-8, Medison Accuvix V20 и др.), что позволяет не покупать новый аппарат, а доукомплектовать уже имеющийся. Опция эластографии, обычно, не требует специализированных датчиков и представляет из себя программный модуль. В таком случае стоимость данной опции значительно снижается и начинается от 2 000 долларов США. Отсюда следует, что многие медицинские центры могут значительно расширить область предоставляемых услуг. По действующим рекомендациям в Южной Корее, лица в возрасте 40 лет и старше должны раз в два года проходить исследования на раковые заболевания. В США данная процедура рекомендована раз в год. Учитывая средний уровень заработных плат в России (26 822 рубля в месяц), ПЭТ-КТ, рентген и МРТ могут оказаться слишком накладными или же неэффективными, за исключением метода эластографии. Стоимость эластографического исследования в частной медицинской клинике может варьироваться в диапазоне от 500 до 3000 рублей, в зависимости от сложности исследования и класса ультразвукового сканера. Также важным преимуществом эластографии является тот факт, что количество ультразвуковых сканеров, использующих данный режим, велико и продолжает увеличиваться.

Первые сообщения об использовании соноэластографии в медицине опубликованы в начале 90-х годов 20 века [Ophir J et al.]. В начале данная технология нашла применение в диагностике и инвазивных вмешательствах при исследовании опухолей печени. По мере совершенствования технологии предпринимались попытки использовать эластографию для ранней диагностики злокачественной патологии молочной железы, рака предстательной железы, рака яичников, воспалительных изменений, метастазов печени, метастатического поражения лимфатических узлов шеи, рака щитовидных желез и т.д.

Предшественником современных эластографических изображений является пальпация. Данный метод используется для распознавания заболеваний человеком с незапамятных времен. Известно, что опухоль становится пальпируемой вследствие повышенной жесткости по сравнению с соседними тканями - это было известно ещё древнегреческим врачам, которые использовали пальпацию для определения размера, формы, плотности опухоли. Однако данный метод требует особой чувствительности и опыта исследователя, особенно в случае малого размера опухоли (от 2 см в диаметре и менее) или глубокого расположения (более 3-5 см).



Рис. 1. Хронология появления технологий эластографии

Эластография делает метод оценки жесткости тканей более чувствительным и менее субъективным, позволяет выявлять раковые заболевания на ранних стадиях, что является ключевым моментом в лечении онкологических заболеваний.

В настоящее время самое широкое применение эластография нашла при исследовании молочной железы, предстательной железы, щитовидной железы и печени.

Все известные методы эластографии можно проклассифицировать на три вида в зависимости от способа создания деформаций и методов оценки результата следующим образом [Осипов Л.В. (2011)]: квазистатическая (статическая) эластография или компрессионная эластография, вибрационная эластография (вибро-эластография, соноэластография), эластография с использованием сдвиговых волн, возникающих при радиационном давлении, создаваемом механическим или ультразвуковым импульсом. Эта терминология в полной мере еще не устоялась, что объясняется новизной рассматриваемой технологии. В данном дипломном проекте будут применятся термины, которые являются наиболее популярными на данный момент.

Отдельно следует выделить методы, которые дают возможность получать не только качественные (сравнительные) характеристики жесткости тканей, но и оценивать их количественно. Эти методы объединяются общим названием эластометрия.

На данном этапе развития технологий эластографии трудно однозначно сказать какой метод лучше, можно только попробовать указать на трудности в реализации метода и недостатки.

Также помимо явных преимуществ в диагностике раковых заболеваний, эластография имеет перспективы развития в трансплантологии (мониторинг отторжения трансплантированной почки), пластической хирургии, кардиологии.

Простой и наглядный пример принципа эластографии показан на рисунке 2. Данные изменения могут быть отражены на экране ультразвукового сканера (эластограмма) - рисунок 3.

Рис. 2. До и после сжатия ткани (F - прилагаемое усилие)

На рисунке 3, исследование производилось в В-режиме на линейном датчике, и как видно слева - нет ничего особого, что могло бы привлечь внимание исследователя, но когда включается режим эластографии, совершенно четко видны потенциально патологические включения. В данном исследовании использовался эластографический фантом, так что на практике дело обстоит несколько иначе и раковые образования крайне редко имеют такую правильную форму - а это уже определенные трудности при сканировании (Рис. 4).

Рис. 3. В-изображение (слева), тот же самый участок исследования, но с окном построения эластограммы (справа)



Рис. 4. Инфильтративный рак молочной железы (выделено синим)

У различных компаний - производителей ультразвуковых приборов методы эластографии получили различные фирменные названия: Real-time Tissue Elastography HI-RTE (Hitachi Medical Corp.), eSie Touch (Siemens Healthcare), ElastoQ (Toshiba Medical Systems), Elastoscan (Samsung-Medison), Elastography imaging (Mindray) и просто elastography (GE Healthcare, Philips Healthcare).

1.2 Постановка задачи.

Целью данного дипломного проекта является выполнение следующих задач:

· сравнить различные методы и технологии эластографии.

· Проанализировать особенности методов компрессионной эластографии и вибро-эластографии.

· Составить сравнительную таблицу не менее 10 зарубежных ультразвуковых сканеров поддерживающих опцию эластографии, с указанием не менее 10 дополнительных характеристик. Составить сравнительную таблицу датчиков, поддерживающих опцию эластографии для сканеров фирм-производителей Aloka, Zonare, Medison, Mindray.

· Получить график зависимости скорости и позиции подвижной части линейного серводвигателя Faulhaber серии Quickshaft используя программу управления «Faulhaber Motion Manager 4.4». Проанализировать возможность применения серводвигателя Faulhaber серии Quickshaft и шагового двигателя ДШР46-0,0025-18УХЛ4 для метода вибро-эластографии.

· Создать чертёж линейного серводвигателя Faulhaber серии Quickshaft. Создать чертёж двигателя ДШР46-0,0025-18УХЛ4 с разбалансировкой. Разработать чертёж и макет пластины со специальным креплением для датчика Aloka UST-5710-7.5, обеспечивающей равномерное давление в зоне исследования, для метода компрессионной эластографии. Создать чертёж датчика Aloka UST-5710-7.5.

· Разработать математический алгоритм обработки сигнала поступающего с ультразвукового датчика для метода компрессионной эластографии.

1.3 Датчики для эластографии

Прежде всего стоит начать с описания датчиков, поддерживающих данную опцию. Теоретический данный метод может быть реализован на любом типе датчиков, но на данный момент он используется только на линейных, линейных матричных, микроконвексных и лишь одна компания (Siemens) реализовала данную технологию на конвексном датчике. Рассмотрим их по порядку.

Линейные датчики (Рис. 5) имеют плоскую излучающую поверхность. Их можно классифицировать по длине апертуры (излучающей поверхности): 60 мм - для исследований щитовидной железы, молочной железы (малых органов), 40 мм - для исследований поверхностных сосудов (хотя они могут быть использованы и для исследований малых органов). Этот тип датчиков часто поддерживает режим виртуального конвекса (расширяет зону обзора и этим частично компенсирует малую длину апертуры), а также режим Steering (отклонение ультразвукового луча для улучшения визуализации в допплеровских режимах). Датчики с апертурой от 20 до 30 мм используются для исследований мышц и суставов (мусколоскелетальные) и подкожных сосудов, работают на высоких частотах, примерно 8-12 МГц. Датчики с апертурой от 5 до 20 мм классифицируются, как интраоперационные датчики, выполняющиеся в форме T, L, I. Используются в операционных, могут быть выполнены в виде насадки на палец оператора.

В линейных датчиках изображение формируется следующим путем: подается сигнал на коммутатор, который в свою очередь активирует количество пьезоэлементов, равное числу каналов коммутатора, которые генерируют ультразвуковой сигнал. Количество каналов коммутатора всегда меньше количества пьезоэлементов (например 192 пьезоэлемента и 64 канала в сканерах высокого класса). После одной такой активации система из передающего режима переключается в приемный и регистрирует эхо-сигналы. После этого коммутатор передвигает активную часть решетки пьезоэлементов на один элемент в сторону и процесс повторяется, то есть ультразвуковой луч перемещается вдоль апертуры, параллельно самому себе. Для улучшения характеристик датчика используются: демпфер - для гашения ультразвуковых колебаний, согласующие слои - для уменьшения затухания ультразвуковых волн при прохождении через среды с разной акустической плотностью, акустическая линза - для фокусировки ультразвукового луча. Для маркировки датчиков используется в первую очередь частота, и некоторые производители указывают длину апертуры (10 МГц, 38 мм).

Матричные линейные датчики, по строению аналогичны обычным линейным датчикам, разве что пьезоэлементы выстраивают на апертуре в виде двумерной решетки, что значительно улучшает качество изображения.



Рис. 5. Линейный ультразвуковой датчик. а - строение датчика, б - линейный датчик, в-характерное прямоугольное изображение, получаемое на линейном датчике

Конвексные датчики (рис. 6) являются наиболее популярными в медицинской практике. Их используют для абдоминальных исследований взрослых людей (брюшная полость: селезёнка, желчный пузырь, печень, почки, поджелудочная железа). Обычно, такие датчики имеют радиус кривизны от 40 до 70 мм, используются частоты от 2 МГц до 8 МГц. Для детей и худощавых взрослых могут быть использованы частоты 8-10 МГц. Конвексные датчики имеют изогнутую апертуру, что позволяет расширить угол обзора. Процесс формирования изображения аналогичен линейному датчику, но лучи расходятся не строго параллельно друг другу, а веером. Для маркировки датчиков используется радиус кривизны апертуры и частота датчика 5 МГц, 50R (радиус 50 мм).

Рис. 6. Конвексный ультразвуковой датчик. а - строение датчика, б - конвексный датчик, в-характерное изображение, получаемое на конвексном датчике

Микроконвексные датчики (рис. 7) могут использоваться, как для поверхностных исследований, так и внутриполостных. Внутриполостные датчики бывают: вагинальные (радиус апертуры 10-14 мм), ректальные, либо универсальные ректально-вагинальные (8-10 мм). Аналогично датчики для поверхностных исследований обладают небольшим радиусом апертуры (20-30 мм). Поверхностные датчики могут быть использованы в кардиологии, педиатрии. Внутриполостные - для исследований в акушерстве и гинекологии, урологии. Маркировка конвексных и микроконвексных датчиков одинакова. Их основное преимущество - большой угол обзора.

Рис. 7. Микроконвексный ультразвуковой датчик. а - строение датчика, б - микроконвексный внутриполостной датчик, в-характерное изображение, получаемое на микроконвексном датчике, г - микроконвексный датчик для поверхностных исследований

Для количественной оценки жесткости тканей используется модуль Юнга - характеризующий упругость и сжимаемость упругих физических тел.

Существует два способа вычисления модуля Юнга: первый - , где у-величина компрессии, е - относительная деформация столбика ткани, и второй способ - , где р - плотность вещества, а С - скорость распространения сдвиговой волны в веществе. Соответственно этим двум уравнениям эластография делится на два вида - компрессионную эластографию и эластографию сдвиговых волн. При компрессионной эластографии исследователь создает компрессию при помощи ультразвукового датчика в объекте, который в свою очередь начинает деформироваться. Эта деформация и есть величина е, она принимает значение, как правило, в диапазоне 1 мм-5 мм.

Помимо модуля Юнга упругость тела характеризуется коэффициентом Пуассона который определяет связь между продольной деформацией вдоль оси х и вызванной ею поперечной деформацией вдоль оси у:

Для мягких тканей величина коэффициента Пуассона обычно принимается постоянной н =0,5 и оценивается модуль Юнга Е в качестве меры твердости ткани.

На процесс деформации оказывает влияние вязкость тканей - внутреннее трение, возникающее при движении соседних слоев ткани друг относительно друга.

Модель, описывающая деформации тканей в процессе сдавливания достаточно сложна, поэтому используются различные приближения, например, линейное, которое позволяет пренебречь вязкостью тканей. Даже при таком упрощении, корректная оценка модуля Юнга в процессе компрессии затруднена вследствие зависимости от времени, а также из-за того, что его величина определяется не только величиной локальной деформации в ткани, но и величиной локального давления, которая неизвестна. Несмотря на то, что точная оценка модуля Юнга по указанной причине невозможна, тем не менее, с ее помощью может быть оценено различие твердости соседних тканей с приемлемой точностью для диагностики.

Часто для регулировки силы нажатия исследователя на датчик, при компрессионной эластографии, используются тензометрические датчики, которые передают информацию о силе нажатия на экран ультразвукового сканера. На рисунке 8 по центру в виде зелёной прерывистой линии отображается данный параметр и он находится в норме.

Что касается рисунка 9, то здесь сила нажатия неверная и в эластограмме получается изображение с значительными артефактами. Цветовая шкала жесткости представлена в верхнем левом углу. Обычно, Soft (красный цвет) - соответствует более мягким тканям, Нard (синий цвет) - более жестким тканям, а сама эластограмма строится в окне справа (зоне интереса), но у каждой компании-производителя это реализуется по-своему. На данном ультразвуковом изображении (рис. 8) видно, что в обычном В-режиме имеется некое включение, а в режиме эластографии совершенно четко видно, что оно твердое и вероятно злокачественное.

Рис. 8. Метод компрессионной эластографии (оптимальная сила нажатия на датчик)

Рис. 9. Метод компрессионной эластографии (неправильная сила нажатия на датчик)

1.5 Компрессионная эластография

В методе компрессионной (квазистатической) эластографии оценка эластичности тканей проводится путем сравнения изображений до и после сжатия тканей. Механические воздействия могут создаваться путем приложения внешней силы или за счет использования естественных движений органов, например, сокращений сердца.

Компрессионную эластографию иногда называют квазистатической, так как этим подчеркивают тот факт, что сдавливания тканей датчиком осуществляется медленно, а значит можно использовать статическое приближение при сравнительном анализе ряда последовательно получаемых в процессе сдавливания кадров изображения.

Рис. 10. Вид ультразвуковых эхо-сигналов в одном луче до и после сдавливания

Впервые метод компрессионной эластографии был предложен компанией Нitachi (Япония). Распределение давления в зоне интереса неоднородно и точно измерить нельзя. Это связано с тем, что биологические ткани обладают свойством вязкости, а также трудно создать равномерное поле давления при нажатии датчиком на поверхность тканей (всегда возникают перекосы при нажатии). Вязкость приводит к тому, что с глубиной давление уменьшается.

Влияние неравномерности давления в других направлениях (перпендикулярных направлению ультразвуковых лучей) можно частично компенсировать за счет повторения процесса сжатия и корректировки направления движения датчика, а также использования специальной пластины.

По этой причине метод более эффективен при исследовании молочной железы, при исследовании же простаты возникают трудности обеспечения нужного направления сдавливания из-за ограниченности возможностью манипулирования датчиком в ректальной области.

В простейшем случае сжатия вдоль одной оси и локальную деформацию вдоль этой оси можно оценить путем следующего вычисления

,

где t_1a - время прихода эхо-сигнала от структур на ближней границе контрольного окна до компрессии ткани, t_1b - время прихода эхо-сигнала от структур на дальней границе контрольного окна до компрессии ткани, t_2a - время прихода эхо-сигнала от структур на ближней границе контрольного окна после компрессии ткани, t_2b - время прихода эхо-сигнала от структур на дальней границе контрольного окна после компрессии ткани [Ophir J. et al., 2002].

Недостатками метода с ручной компрессией являются:

- зависимость результата от силы и направления сжатия

- дискомфорт, болевые ощущения пациента

- наличие выраженных «шумов» и ультразвуковых артефактов, обусловленных, пульсацией артерий, движениями трахеи, пищевода и т.д.

Чтобы снизить отрицательное влияние на построение изображения первого недостатка, достаточно использовать тензометрические датчики давления, которые позволят оператору контролировать силу нажатия. Также можно использовать однократный импульса давления, осуществляемый не исследователем, а специальным приспособлением на ультразвуковом датчике. Для комплексного снижения первого и второго недостатка используют технологию Virtual Touch [Lazebnik]. Технология Virtual Touch заключается в следующем: строится исходное серошкальное изображение (рис. 11), а потом формируется короткий акустический импульс сжатия, длительностью более 100 мкс, в направлении зоны интереса, в результате чего ткани начинают сжиматься в зависимости от своей упругости и потом начинают возвращаться в исходное состояние. В дальнейшем происходит сравнение исходного и последующего изображений с использования корреляционного алгоритма для оценки перемещения границ соседних тканей.

Рис. 11. Метод улучшенной эластографии (virtual touch imaging), в котором применяются механические импульсы давления, направляемые в зону обследования (а); в результате анализа зоны интереса может быть получена эластограмма с выделением образования, имеющего плотность, отличную от окружающих тканей (б - справа)

Изображение строится при помощи автокорреляционной обработки, которая возможна благодаря тому, что ультразвуковая картина отражающих структур, включая спекл шум, мало изменяется, когда структура тканей и жидкостей начинает передвигаться на короткое расстояние. Данный метод ограничен качественной оценкой жесткости тканей, так как вычислить реальную величину модуля Юнга в кПа таким способом невозможно. Она показывает лишь сравнительную характеристику соседних тканей. Наиболее активно компрессионная эластография, в силу своей ограниченности поверхностными исследованиями, используется для исследования молочных желёз. Основным недостатком данной технологии является то, что плотные злокачественные образования могут не деформироваться под силой давления датчика, а просто «уходить» в сторону и в таком случае ультразвуковой сканер не зафиксирует ничего необычного. А также, поскольку точную количественную характеристику плотности образования получить в компрессионной эластографии невозможно, то придется в обязательном порядке всегда проводить биопсию. Тем не менее активные исследования данного метода не прекращаются и возможно эти недостатки будут устранены в ближайшем будущем.

1.6 Эластография сдвиговых волн

Как было сказано ранее, существует и другой способ реализации эластографии - сдвиговые волны (shear waves). Основоположниками метода являются наш соотечественник А. Сарвазян и американец J. Ophir. По мере прохождения акустической волны вглубь биологической ткани, энергия волны рассеивается и поглощается тканью (Рис. 12). В твердых веществах данное явление может проявиться в виде упругих напряжений, в жидкостях - акустических течений, а в упругих веществах - появляются сдвиговые волны. Сдвиговая волна - это поперечная механическая волна, распространяющаяся перпендикулярно вектору приложенной силы к объекту, в упругих средах.

Рис. 12. Распространение сдвиговой волны объекте. Звездочкой обозначена зона фокуса, а стрелками указано направление распространения сдвиговых волн

По сравнению с продольной мощностью акустических волн, сдвиговые очень малы и их довольно сложно зарегистрировать. Длина сдвиговой волны это величина порядка 1-3 мм, она имеет весьма короткую зону пробега (рис. 13) - несколько длин волн (10-20 мм), а её скорость примерно равна 1,5 м/с и меняется, в зависимости от плотности тканей.

Рис. 13. Временной профиль сдвиговой волны на различных расстояниях r от оси ультразвукового пучка, где Н-импульсный отклик. Длительность ультразвукового импульса 100 мкС, частота заполнения 1,8 МГц, акустическая мощность 45 Вт

Максимальный сдвиг линейной среды, вызванный сдвиговыми волнами может быть рассчитан из соотношения:

Где - характерный поперечный радиус пучка, с - плотность среды, - интенсивность звуковой волны на оси пучка, б - полуугол схождения акустического импульса, - скорость сдвиговых волн, - продольная скорость звука, м - модуль всестороннего сдвига. Эта оценка максимального сдвига наглядно подтверждается на рисунке 14 при использовании экспериментальных параметров излученной ультразвуковой волны f = 0,96 МГц, W = 70 Вт, = 100 мкС.



Рис. 14. Пиковое значение смещения в сдвиговой волне Umax в зависимости от поперечной координаты r. Длительность акустического импульса 100 мкС, акустическая мощность на частотах 0,96 и 1,8 МГц равна соответственно 70 и 45 Вт

Сгенерировать сдвиговую волну можно различными способами - обычным разовым механическим нажатием на объект, низкочастотной вибрацией, созданием одного ультразвукового фокуса внутри объекта или же целой серией фокусов, с задержкой по времени (конус Маха, рис. 15) или же просто подать длинный ультразвуковой импульс, порядка 100 мкс. Существует довольно распространенное мнение, что генерация серии импульсов с задержкой во времени является лучшим методом генерации сдвиговых волн, из перечисленных выше, но те не менее это не так. Данное мнение лоббируется компаниями-производителями ультразвуковых систем, таких как Aixplorer, и на деле это не даёт никакого существенного преимущества, по сравнению с подачей длинного ультразвукового импульса [Андреев В.Г.]. Что касается метода генерации сдвиговой волны путем механического нажатия, то этот метод реализован в французском аппарате FibroScan, предназначенном только для исследований печени. В нем используется специальное устройство, создающее низкочастотную вибрацию в диапазоне 30-50 Гц. Данный аппарат позволяет достаточно надежно выявить фиброз печени.

Жесткость в методе сдвиговых волн вычисляется по формуле, упомянутой ранее, и выражается в кПа. Основным недостатком является тот факт, что не смотря на относительно слабое затухание низкочастотных механических колебаний в глубине, приходится использовать высокую частоту на датчиках для хорошей разрешающей способности - а как известно высокочастотные ультразвуковые колебания быстро затухают в биологических тканях (4-10 см) - соответственно метод хорош на небольших глубинах (до 10 см).

Рис. 15. Конус Маха. F1, F2, F3, F4 - последовательно во времени созданные точки фокуса ультразвукового луча, t - направление распространения ультразвукового луча

В данное время активно разрабатываются различные технологии и методы количественной оценки и анализа полученных данных при эластографическом исследовании.

Ниже приведены рисунок, отражающие состояния тканей в норме и при конкретной патологии.

Рис. 16. Сдвиговые модули различных тканей

1.7. Вибро-эластография

Вибро-эластография это одна из разновидностей эластографии. Она может быть получена как в режиме реального времени, так и в режиме «offline» в зависимости от сложности эластограммы.

Для оценки эластичности применяется вибрационное воздействие на биологические ткани. Сравниваются амплитуды или скорости перемещения отдельных участков. Амплитуды смещения определяются с помощью корреляционной обработки спекл-картины, получаемой в процессе движения и характерной для каждого малого участка [Doyley M.M. et al.]

С первого взгляда, может показаться, что этот метод является довольно простым в реализации, но, тем не менее, это не так. Половина всех трудностей связана с совмещением ультразвукового датчика и источника вибрации. «Просто» прикрепить к ультразвуковому датчику генератор вибрации - мало, так вибрации от их генератора будут передаваться на датчик, а поскольку к тому добавляется ответная реакция ткани на механическое воздействие вибратором, то появляется много артефактов на изображении. В идеале датчик должен покоиться во время сканирования.

Чтобы снизить нежелательную вибрацию, передающуюся на датчик, обычно, применяются пропорциональные динамические гасители колебаний с электромагнитным приводом. Как правило, в вибро-эластографии используются низкочастотные механические колебания, а именно 5-50 Гц, чаще 10-20 Гц. Низкочастотные колебания выбраны не случайно, из соображений, что они меньше затухают в биологических тканях по мере прохождения вглубь. Но здесь данный метод сразу сталкивается с трудностью - эти низкочастотные колебания, в силу своего слабого уровня затухания создают следующие неприятности: переотражение, генерация собственных мод колебаний в объекте, появление стоячей волны, сдвиговых волн, а также от низких частот вибратора сложнее изолировать датчик, и собственно из этого набора и следует, что реализовать данный метод на глубине более 10 см - весьма не простая задача. Хотя на малой глубине (до 5-7 см) он может оказаться относительно простым в реализации. Теоретически, помочь частично уйти от этих недостатков могут стохастические колебания, то есть генерация разных по частоте механических низкочастотных колебаний (например: сначала 10 Гц, потом переключиться на 15 Гц и так далее), но таких исследований ещё не проводилось.

На рисунке 17 показана первичная конструкция устройства генерации вибрации. Два вибратора совместно генерируют механические колебания в ткани, и прилагаемый ультразвуковой датчик регистрирует движение тканей. Как уже было сказано ранее, ответная реакция ткани на возмущение вибратором может вызвать нежелательные вибрации у самого датчика. Соответственно эти колебания должны быть сведены к минимуму, как для поддержания удобства исследования оператора, так и точности электронных вычислений при построении эластограммы. Виброэластограмма может быть выполнена при колебаниях с частотой 5-25 Гц, в течение трех секунд [Hassan Rivaz et al.]. Однако, для достижения большей точности, он выполнял измерения на более длинном интервале времени - 10 с.

Рис. 17. Первичная конструкция датчика и генератора вибрации

Технология вибро-эластографии предусматривает движение датчика с устройством вибрации в любом направлении, без ограничений свободы.

Исследования показали, что рука оператора является дополнительным объектом, на который распространяется вибрация и это приходится учитывать. Поскольку амплитуда колебания, подаваемая вибратором мала, то и ответная реакция ткани, регистрируемая ультразвуковым сканером, получается ещё меньше, соответственно чувствительность ультразвуковой системы должна быть высока. Виброизоляторы, в связи с необходимостью жесткого соединения с приводом, могут обеспечить изоляцию только от высокочастотных механических колебаний, а в данном случае «ставка» делается на низкочастотные колебания, так что это не сильно помогает.

Рис. 18. a - виброизоляция; b - полуактивная виброизоляция; с - пассивная динамическая виброизоляция; d - полуактивная динамическая виброизоляция; е - активная динамическая виброизоляция. Устройством рука оператора обозначена, как «основной блок»

Пассивная динамическая виброизоляция (рис. 18 c) основана на гашении колебаний за счет собственной массы и работает на одной частоте или в узком диапазоне. Чтобы преодолеть это ограничение, было использовано несколько конструкций динамических виброизоляций и особые конструкции крепления генератора вибраций к датчику.

Активная динамическая виброизоляция (рис. 18 е) имеет свои недостатки. Из-за определенной конструкции гасителя колебаний она не может быть использована для датчика, который будет держать оператор в руке, что происходит в силу физических особенностей свойств руки оператора. Чтобы преодолеть это, происходит значительное усложнение конструкции.

В заключение к этому разделу можно сказать, что метод вибро-эластографии весьма интересен с научной точки зрения, но в настоящее время не зафиксировано каких-либо его клинических применений (за исключением узкопрофильного аппарата FibroScan, предназначенного только для сканирования печени). Вполне вероятно это связано с теми недостатками, которые были перечислены выше в данном разделе. И тем не менее вибро-эластография ещё не исчерпала всех своих потенций к развитию и, вполне вероятно, в скором времени эти недостатки будут преодолены.

1.8 Шаговый двигатель

В компании ООО «ИзоМед» проведены определенные исследования в попытке реализовать метод вибро-эластографии. В первую очередь требовалось создать устройство для генерации вибрации. Были рассмотрены следующие теоретически возможные вибраторы: шаговые двигатели с разбалансировкой для достижения вибрации, линейные серводвигатели, электромагнитные реле, магниты с большим сердечником, обычные электродвигатели с разбалансировкой и синхронные двигатели. В ходе исследований было выявлено, что все методы, за исключением линейных серводвигателей и шаговых двигателей, являются либо неоптимальными, либо слишком технологически сложными для реализации конструкции вместе с ультразвуковым датчиком.

2. Экологичность и безопасность

2.1 Введение

Данный дипломный проект посвящен разработке устройства, обеспечивающего равномерное давление в зоне исследования для метода компрессионной эластографии, устройства генерации вибрации для метода вибро-эластографии и разработке алгоритмов обработки сигналов. В дальнейшем эти разработки будут использованы в конструировании первого отечественного ультразвукового сканера высокого класса с опцией эластографии.

Готовые ультразвуковые сканеры будут поставляться в отечественные УЗИ кабинеты, как частные, так и государственные, а в дальнейшем и за рубеж. Технология эластографии позволить значительно расширить возможности обычного ультразвукового исследования и обнаружить раковые заболевания на ранней стадии.

В процессе разработки данных устройств инженерам приходится постоянно сталкиваться с работой в условиях с повышенной опасностью, а именно открытыми участками сети 220В, движущимися элементами сверлильных станков, химическими веществами, повышенным уровнем шума и так далее.

В данном разделе дипломного проекта по экологии и охране труда поставлена задача: «Спроектировать оптимальные условия труда инженера-разработчика». Её выполнение позволит создать удобство на рабочем месте инженера, снизить физическое и психологическое напряжение, уменьшить опасность получить травмы и, как следствие, повысить производительность труда.

2.2 Анализ условий труда

В настоящее время имеется комплекс мер и средств снижения и предотвращения отрицательного психофизического воздействия на инженера в процессе работы. Существуют установленные нормы, по которым в данном разделе будет произведён расчет. В данной работе инженер подвергается воздействию следующих факторов:

- Недостаточная освещенность рабочей зоны, пониженная контрастность;

- Напряжение зрения;

- Температура воздуха на рабочем месте;

- Недостаточная вентиляция

Освещенность рабочего места регламентируется нормативным документом СНиП 23-05-2010. В зависимости от типа выполняемой работы выбираются соответствующие значения коэффициента естественной освещенности - для естественного освещения, и освещенности - для искусственного освещения, которые должны быть обеспечены при проектировании освещения. Минимальная освещенность рабочего места для данного типа помещений должна составлять Е =300Лк.

В настоящем дипломном проекте вентиляция осуществляется за счет аэрации помещения. Воздух удаляется через верхние вытяжные проёмы, а поступает через нижние. Расчет ведётся с максимально плохими погодными условиями - летняя безветренная погода. Расчет вытяжных проемов производится в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88.

Что касается оптимальной температуры на рабочем месте, то она регламентируется нормативным документом ГОСТ 12.1.005-88. Оптимальная температура на рабочем месте зависит от тяжести труда, а также от времени года. В данном случае труд можно отнести к легкой категории. В холодное время года температура в помещении должна быть в диапазоне от 22 °C до 24 °C при относительной влажности 40-60% и подвижности воздуха не более 0.1 м/с. В теплое время года температура должна быть от 23 °C до 25 °C при относительной влажности 40-60% и подвижности воздуха не более 0.1-0.2 м/с.

2.3 Оптимальное рабочее место

Оптимальное рабочее место должно соответствовать нормативным документам, предназначенным для данного типа помещений. Работа велась в одном из помещений компании ООО «ИзоМед», которое имеет следующие характеристики:

- Длина помещения составляет 12 м, ширина - 6 м, а высота - 3 м. Общая площадь равна 72 ().

- В помещении работает 4 сотрудника. Объём 216 по 54 на сотрудника.

Согласно нормативному документу СН-181-70, для данного вида работ (лёгкие) допускается использование любой цветовой гаммы для окраски помещения, любого цветового контраста между основными поверхностями интерьера и среднее количество основных поверхностей интерьера. В соответствии с этим, для окраски потолка был выбран белый цвет, для стен - светло-зелёный, а для пола использовался коричневый линолеум. Такая комбинация цветов улучшает общее психофизическое состояние человека и благотворно влияет на производительность труда.

Рис. 29. Зона досягаемости моторного поля в вертикальной плоскости

Рис. 30. Зона досягаемости моторного поля в горизонтальной плоскости

Рис. 31. Зоны для выполнения ручных операций

Согласно рисункам из ГОСТ 12.2.032-78, выбираем для рабочего места стол с длиной рабочей поверхности 1 200 мм, шириной 650 мм. Высота рабочей поверхности при выполнении легких работ мужчинами должна быть 750 мм. В соответствии с рисунком №3, клавиатуру компьютера, как наиболее важный и часто используемый орган управления стоит разместить в зоне 1, мышь в зоне 2-1, монитор - напротив работника в зоне 3.

Рис. 32. Параметры стола рабочего места. h - высота пространства для ног (не менее 600 мм), a - расстояние от нижней части рабочей поверхности стола до поверхности сиденья

Стул должен быть выбран с учетом роста сотрудника, времени, которое предстоит проводить за работой, возможностью смены позы для снижения мышечного утомления. Поверхность сиденья сделана из полумягкого материала, нескользящего, не электризующегося, пропускающего воздух. Согласно ГОСТ 21889-76 высота сиденья над уровнем пола для мужчины должна быть 420 мм. Глубина сиденья 500 мм, ширина 400 мм. Ширина подлокотников должна быть в диапазоне 50-80 мм, выберем 70 мм, а высота 260 мм. Угол наклона подлокотников должен равняться 0°-5°, в данном случае 0°. Высота опорной спинки 420 мм, она должна отклоняться в диапазоне от 95° до 115° для обеспечения комфортного положения тела, как в процессе работы, так и во время отдыха.

Рис. 33. Чертёж рабочего места с указанием размеров в мм

В соответствии с СанПиН 2.2.2.542-96 площадь рабочего места для одного сотрудника должна быть не меньше 6 , а объём не менее 20 - нормы в помещении компании ООО «ИзоМед» выполнены.

2.4 Карта условий труда

Основным показателем, позволяющем определить меры утомляемости и восстановления к исходному рабочему состоянию сотрудника, является категория тяжести труда. В данном разделе будет составлена карта условий труда и произведены соответствующие расчеты, позволяющие отнести проектные работы над дипломным проектом к конкретной категории.

№ п/п	Показатели условий труда. Единица измерений	ПДУ, ПДК	Оценка показателя	Длительность воздействия	Балл с учетом экспозиции
			Абсолютная	В баллах	Мин	В долях смены
А. Психофизические нагрузки
1	Напряжение зрения: освещенность раб. места, лк	300	На уровне санитарных норм	2	420	0.87	2
	Размеры объекта, мм		1.0 - 0.3	2	420	0.87	2
	Разряд зрительной работы		IV	2	420	0.87	2
	Энтропия зрительной информации, бит/сигнал		14	2	420	0.87	2
	Число информационных сигналов в час		120	1	420	0.87	2
2	Напряжение слуха: уровень шума, дБ	60	50	1	480	1.00	1
	Соотношение сигнал/шум, %		80	1	480	1.00	1
	Энтропия слуховой информации, бит/сигнал		10	2	480	1.00	2
3	Напряжение внимания: длительность сосредоточенного наблюдения, % времени смены		40	2	360	0,75	2
	Число важных объектов наблюдения		5	1	360	0,75	1
	Темп - число движений пальца в час		700	2	360	0,75	2
4	Напряжение памяти: необходимость помнить об элементах работы свыше двух часов		1	2	336	0,70	2
	Поиск рассогласований, в% от числа регулируемых параметров		30	2	336	0,70	2
5	Нервно-эмоциональное напряжение. (Экспертная оценка)			2	480	1,00	2
6	Интеллектуальное напряжение. (Экспертная оценка)			2	480	1,00	2
7	Физическая нагрузка: энергозатраты, Вт		170	1	336	0,70	1
	Внешняя механическая работа, Вт		18	1	336	0,70	1
8	Статическая нагрузка в течение смены, кгс. сек на одну руку		22000	2	480	1,00	2
	На обе руки		40000	2	480	1,00	2
	На весь корпус		70000	2	480	1,00	2
9	Рабочее место, рабочая поза, перемещение в пространстве. Экспертная оценка		1	1	480	1,00	1
10	Сменность		Одна смена	1	480	1,00	1
11	Продолжительность работы в течение суток, час		8	2	480	1,00	2
12	Монотонность: число приемов в операции		7	2	480	1,00	2
	Длительность повторяющихся операций, с		60	2	336	0,70	2
13	Режим труда и отдыха		Без гимнастики и музыки	2	480	1,0	2
Б. Санитарно-гигиенические условия.
14	Температура воздуха на рабочем месте: теплый период, С	21-22	25	2	480	1,00	2
	Холодный период, С	22-24	24	1	480	1,00	1
15	Промышленная пыль, кратность превышения ПДК		ПДК	2	480	1,00	2
16	Ультразвук в воздухе, ПДУ плюс превышение, дБ		ПДУ	2	480	1,00	2
17	Электромагнитные излучения: с.в.ч, Вт/см2		< ПДУ	2	480	1,00	2
	в.ч, А/м, В/м		< ПДУ	2	480	1,00	2
	Оптический диапазон, Вт/см2		< ПДУ	2	480	1,00	2
19	Ионизирующее излучение, мр/ч		< ПДУ	2	480	1,00	2

В карте условий труда пункты имеют количество баллов 1 либо 2 - это означает, что в расчет будут браться все факторы.

Найдём усредненный балл:

, где

N - количество пунктов, - балл. Подставим значения:

= 1.76

Определим интегральный показатель воздействия на человека всех факторов:

Согласно таблице №2 и рассчитанному интегральному показателю - выполнение данного проекта можно отнести к II категории тяжести труда. Данная категория труда характерна отсутствием снижения производственных показателей у здоровых людей, все вредные и опасные производственные факторы находятся в пределах допустимых норм.

Вычислим коэффициент работоспособности:

,

Где 15.6 и 0.64 - коэффициенты регрессии, полученные эмпирическим путём.

Категория тяжести труда	Условия труда	Работоспособность	Функциональные сдвиги по медицинским показателям	Интегральный показатель условий труда, в баллах*10.
I	Оптимальные	Высокая	Отсутствуют	18 и менее
II	Допустимые	Высокая	Отсутствуют	19,7 - 33,0
III	На грани допустимых	Понижена	Инертность, ослабление реакции на информацию	34,4 - 45,0
IV	Отличаются от допустимых	Значительно понижена	То же, плюс нарушение: динамического стереотипа. Возможны профессиональные заболевания	45,7 - 53,0
V	Резко отличаются от допустимых	Резко снижена	Парадоксальные реакции, сонливость, апатия, необоснованное ощущение безопасности и т.п.	53,0 - 58,5
VI	»	»	Те же реакции возникающие в первой половине дня	58,9 - 60,0

2.5 Комбинированное искусственное освещение

Освещение - это один из главных факторов, влияющих на персонал в процессе работы. Правильно спроектированное освещение позволят снизить утомляемость глаз, что повышает производительность и качество труда, увеличивается безопасность труда, уменьшается травматизм, а также правильно спроектированное освещение улучшает психофизическое состояние персонала. В данном разделе будет рассчитываться искусственное освещение научно-производственного помещения компании ООО «ИзоМед».

Данный тип зрительной работы может быть отнесён к работе средней точности.

Для освещения помещений такого типа используется как естественное, так и искусственное освещение. Естественным освещением называется то, которое осуществляется через окна, а искусственным - различные лампы и светильники. Искусственное освещение применяется в том случае, если естественного недостаточно, оно бывает общим и местным. Общее, - которое освещает всё рабочее помещение (лампы на потолке), местное - освещение конкретного рабочего места (настольные светильники).

Согласно нормативному документу СанПин 2.2.2.542-96 - потолок в помещении белый и обладает коэффициентом отражения 0.8, стены окрашены в светлую краску, и коэффициент для них равен 0.6, и для пола - 0.3. Освещённость стола в зоне размещения нормативного документа должна быть в диапазоне от 300 лк до 500 лк. Возможна установка дополнительных светильников, при условии, что они не создают бликов на поверхности экрана и не увеличивают освещённость экрана более чем на 300 лк. В данном случае примем . Согласно норме - нормированная минимальная освещённость, значит

)

Общий световой поток может быть вычислен по формуле:

Где площадь рабочего помещения, коэффициент запаса, который учитывает износ и загрязнение светильников, примем его равным 1.5, а это коэффициент, учитывающий неравномерность освещения, примем его равным 1.1, коэффициент использования светового потока.

Рекомендуется использовать люминесцентные лампы, обладающие существенными преимуществами, по сравнению с лампами накаливания, а именно: большим временем эксплуатации и низким энергопотреблением. Они могут работать до 15 000 часов с теплоотдачей до 80 лм / Вт, также обладают благоприятным спектром излучения и высоким качеством цветопередачи. Используем для общего освещения светильники модели ЛСП13-2-265-006 с коэффициентом = 0.4.

Рабочее помещение имеет размеры м, соответственно площадь равна 72 . Вычислим общий световой поток:

Световой поток одной лампы ЛБ65-1 равен 4800 лм, значит, необходимое число ламп может быть вычислено по формуле:

Один светильник модели ЛСП13-2-265-006 вмещает по две лампы ЛБ65-1, следовательно, требуется 9 светильников. Рассчитаем электрическую мощность всех ламп:

Мощность одной лампы ЛБ65-1 равняется



Светильники располагают сбоку от рабочего места и параллельно линии зрения сотрудника - это позволяет уменьшить засветку мониторов, а также снизить раздражение глаз чередующимися зонами света и тени.

Рассчитаем местное освещение:

Где коэффициент запаса, учитывающий загрязнение и износ светильников, примем его равным 1.5, а - условная освещенность, так как высота подвеса светильника над рабочей поверхностью 35 см и от следа светильника до расчетной точки 20 см, . Подставим значения:

В таком случае для местного освещения подходит лампа накаливания МО24-100 со световым потоком 1740 лм, мощностью 100 Вт.

Рассчитаем размещение светильников ЛСП13-2-265-006, длиной 1.55 м, в помещении. Требуется разместить 9 светильников. Светильники крепятся на расстоянии 0.25 м от потолка, соответственно они находятся на высоте 2.75 м над полом.

Светильники располагают параллельно друг другу на потолке. Наиболее выгодное отношение расстояния между светильниками по длине к высоте подвески светильников :

= 1.55; = 2,75;

1.6

1.6 2.75 = 4.4 м.

Расстояние между светильниками по ширине принимается равным длине светильника плюс 0.05 м.

1.55 + 0.05 = 1.6 м.

Расстояние от стены до первого ряда светильников:

0.30.3 4.4 = 1.32 м.

Расстояние между крайними рядами по ширине помещения:

= 6 м.

^L2^{= -} 26 - 2 1.32 = 3.36 м.

Общее число рядов светильников по ширине:

3

Расстояние между крайними рядами светильников по длине помещения:

= 12 м.

12 - 21.32 = 9.36 м.

Число светильников, которое можно расположить между крайними рядами по длине:

9.36/1.55 - 1 4.

Общее число рядов светильников по длине, при условии, что их нечетное количество:

4 - 1 = 3.

Общее число рядов светильников, которые необходимо установить по длине и ширине:

9.

Рис. 34. Схема расположения светильников на потолке

Коэффициент пульсации светового потока, для помещений оборудованных компьютерами, регулируется СанПин 2.2.2/2.4.1340-03. Это коэффициент определяет относительную глубину колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока люминесцентных ламп при использовании переменного тока. Для данного типа помещений коэффициент пульсации должен быть от 15 до 20%, примем его равным 15%.

Показатель ослепленности находится в диапазоне от 10 до 40 и является безразмерной величиной. Примем его равным 20. Его расчет сводится к вычислению значения P - показатель ослепленности.

Где - коэффициент, учитывающий спектр излучения источника света, равен 1.4 для ламп типа ЛБ. К - коэффициент учитывающий максимальную яркость светильника, принимается равным максимальной яркости источника света. Для лампы ЛБ65-1 он равен 8 913 кд/. - яркость равномерно диффузно отражающей рабочей поверхности, определяемая по формуле:

Где Е=7 130.4 кд/ - освещенность, создаваемая светильниками на уровне 0.8 м от пола, без учета отражающих световых потоков, примем - коэффициент отражения рабочей поверхности. - сила света i-го светильника по направлению к глазу наблюдателя, - угол действия i-го блеского источника. - расстояние i-го блеского источника от глаза наблюдателя.

Показатель неравномерности освещения примем равным 3:1 в соответствии с установленными нормами СНиП 23-05-95.

Цилиндрическая освещенность является характеристикой ощущения насыщенности помещения светом и определяется как средняя плотность светового потока на боковой поверхности цилиндра с вертикальной осью, радиус и высота которого стремятся к нулю [Кнорринг Г.М.]. Показатель цилиндрической освещенности согласно СНиП 23-05-95 для данного типа зрительных работ равняется 50 лк.

Для расчета показателя дискомфорта М светильника используется табличный метод. Примем показатель М = 40.

Рассчитанные параметры обеспечат оптимальный уровень освещения на рабочем месте, что снизит риск получения травм и повысит общую работоспособность.

2.6 Аэрация

Для обеспечения комфортных условий работы персонала в помещениях применяется аэрация. Под аэрацией понимают естественную вентиляцию помещений, за счет нижних и верхних вытяжных проёмов. Она осуществляется для естественного удаления нагретого воздуха, избыточной влажности, паров вредных веществ и подачи свежего чистого воздуха с улицы в помещение. Чтобы произвести расчет аэрации требуется вычислить площадь нижних и верхних вытяжных проёмов. Расчёт принято производить исходя из самых неблагоприятных условий - летнее время года, при отсутствии ветра. Согласно документу ГОСТ 12.1.005-88 примем, что температура в рабочей зоне составляет 23 °C, а снаружи помещения 21 °C. Температура в плоскости h1 (приточных проёмов) равна температуре рабочей зоны ().