Optical technology and ultrasonic 3D tomography

Одной из важнейших задач современной медицины является разработка принципиально новых методов диагностики. К таким задачам относится проектирование ультразвуковых томографов. Все задачи интерпретации данных томографических исследований относятся к обратным. Обратные задачи ультразвуковой томографии необходимо рассматривать в рамках трёхмерных, нелинейных волновых моделей, учитывающих такие эффекты как дифракцию, рефракцию и поглощение. В такой модели задача рассматривается как коэффициентная обратная задача для уравнения гиперболического типа. В НИВЦ МГУ имени М.В.Ломоносова разработаны эффективные итерационные алгоритмы и численные методы решения обратных задач 3D ультразвуковой томографии, основанные на прямом вычислении градиента функционала невязки. Алгоритмы базируются на работах учёных НИВЦ МГУ, имеющих мировой приоритет.

Такие обратные задачи можно решать только с использованием суперкомпьютеров. Разработанные алгоритмы реализованы на графических процессорах суперкомпьютера «Ломоносов». На рисунке приведена схема ультразвуковой 3D томографии. Ультразвуковые томографы позволяют определять не только границы неоднородностей, но и осуществлять характеризацию тканей, т.е. определять абсолютную величину скорости ультразвуковой волны в каждой точке исследуемой области, минимальный размер неоднородностей составляет порядка 2 мм.

Разработка ультразвуковых томографов актуальна и в первую очередь ориентирована на дифференциальную диагностику рака молочной железы. Среди всех онкологических заболеваний рак молочной железы является наиболее частой причиной смерти у женщин. Доля лиц с поздними стадиями заболевания (III – IV) среди первичных больных недопустимо высока и составляет более 40%. Ультразвуковые томографы в отличие от рентгеновских абсолютно безвредны для человека и могут использоваться для регулярных обследований. Разрабатываемые ультразвуковые томографы помогут обнаруживать рак на ранних стадиях заболевания во время регулярных обследований. Аналогичные разработки осуществляются в США, Германии, Швеции. В настоящее время не существует промышленно выпускаемых ультразвуковых томографов.

Статьи

• Goncharsky A.V., Romanov S.Y., Seryozhnikov S.Y. A computer simulation study of soft tissue characterization using low-frequency ultrasonic tomography // Ultrasonics, 2016. V. 67, pp. 136–150. DOI: 10.1016/j.ultras.2016.01.008

• Goncharsky A.V. and Romanov S.Y. Iterative methods for solving coefficient inverse problems of wave tomography in models with attenuation // Inverse Problems, 2017, V. 33, № 2, pp. 025003. DOI: 10.1088/1361-6420/33/2/025003