Фокусировка мощного ультразвука через грудную клетку с использованием двумерной фазированной решетки

• Автор: Бобкова, Светлана Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 121 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Применение мощных ультразвуковых фазированных решеток в неинвазивной терапии и хирургии. Обзор литературы
§ 1.1 Преимущества использования многоэлементных фазированных решеток в
терапевтических приложениях мощного фокусированного ультразвука
§ 1.2 Особенности моделирования нелинейных акустических полей, создаваемых
ультразвуковыми фазированными решетками
§ 1.3 Особенности измерения ультразвуковых полей, создаваемых
фазированными терапевтическими решетками
§ 1.4 Проведение НШи операции при наличии акустических препятствий (кости черепа и грудной клетки). Проблема минимизации воздействия ультразвука на акустические препятствия и сохранения высоких значений интенсивности в
фокусе
§ 1.5 Выводы
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование возможности фокусировки ультразвука при наличии акустических препятствий
§ 2.1 Модель «идеального» излучателя для исследования возможности фокусировки ультразвука сквозь грудную клетку
2.1.1 Геометрический и дифракционный подходы для расчета амплитудно-фазового распределения на поверхности идеального излучателя
2.1.2 Сравнение результатов для двух предложенных подходов
§ 2.2 Теоретическая модель для описания поля фазированной решетки при
наличии ребер
§ 2.3 Метод частичного отключения элементов решетки для минимизации
воздействия ультразвука на ребра
§ 2.4 Эффект расщепления фокуса при прохождении фокусированного ультразвука сквозь грудную клетку
2.4.1 Объяснение эффекта расщепления с помощью аналитического решения на основе параболического приближения теории дифракции

2.4.2 Анализ аналитического решения для различных параметров излучателя, грудной клетки и их взаимного расположения
2.4.3 Анализ эффекта расщепления фокуса для «идеального» излучателя, фазированной решетки, сравнение с приближенным аналитическим решением
§2.5 Обсуждение результатов теоретических исследований
§2.6 Выводы
ГЛАВА 3. Новый экспрессный метод измерения распределений интенсивности акустического поля с использованием инфракрасной камеры
§ 3.1 Измерение пространственных распределений интенсивности в воде при
создании одиночного фокуса и нескольких фокусов
§ 3.2 Два способа калибровки поглотителя для измерения абсолютных значений
интенсивности акустического поля
§ 3.3 Сравнение результатов измерений с теоретическими расчетами
§ 3.4 Дополнительная экспериментальная проверка и обоснование методики
измерения акустических полей с помощью ИК-камеры
3.4.1. Описание экспериментальной установки
3.4.2. Результаты измерений
§ 3.5 Выводы
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование возможности прохождения мощного
фокусированного ультразвука через грудную клетку с использованием фазированной решетки
§ 4.1 Экспериментальная установка
4.1.1 Фазированная решетка со случайным расположением элементов на поверхности
4.1.2 Фантомы ребер и образцы грудной клетки in vitro
4.1.3 Установка для измерения акустической мощности решетки
§ 4.2 Измерения с фантомом ребер в воде
4.2.1 Исследование возможности сканирования одиночного фокуса
4.2.2 Исследование возможности создания многофокусных конфигураций
§ 4.3 Измерения с грудной клеткой свиньи in vitro

4.3.1 Исследование возможности создания и сканирования одиночного
фокуса
4.3.2 Контактные измерения с помощью термопар для контроля
безопасности ультразвукового воздействия
§ 4.4 Измерения в фокальной плоскости фазированной решетки с образцом мышечной ткани in vitro
4.4.1 Исследование различных режимов облучения
4.4.2 Теоретическое моделирование формы разрушения мышечной ткани in vitro на основе решения уравнения теплопроводности и расчета тепловой дозы
4.4.3 Сравнение результатов моделирования с экспериментом
§4.5 Выводы
ГЛАВА 5. Оценка влияния нелинейных эффектов в поле двумерной
фазированной решетки
§ 5.1 Нелинейное поле фазированной решетки в воде в отсутствие ребер
§ 5.2 Влияние грудной клетки на нелинейное поле решетки
§ 5.3 Нагревание мягкой ткани in vitro в линейном и нелинейном режимах фокусировки ультразвука при наличии ребер. Моделирование условий
эксперимента
§ 5.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТЬ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2.1.1 Геометрический и дифракционный подходы для расчета амплитудно-фазового распределения на поверхности «идеального» излучателя
При изучении задачи дифракции ультразвукового пучка на ребрах рассматривалось четыре режима фокусировки. Во-первых, рассматривался идеальный случай свободного поля, т.е. когда ребра на пути распространения ультразвукового пучка отсутствовали, а распределение колебательной' скорости на поверхности было равномерным. Очевидно, что при этом в фокальной плоскости будет получен одиночный дифракционный максимум, в котором сосредоточено до 84% всей излученной энергии [1].
Во втором режиме фокусировки на пути распространения ультразвука помещались ребра. Распределение колебательной скорости на поверхности по-прежнему считалось равномерным. Пиковое значение интенсивности в фокальной плоскости при этом должно было снизиться существенным образом, в связи с тем, что как минимум 50% всей излученной мощности поглощалось ребрами. Вследствие столь сильного поглощения уровень интенсивности на ребрах должен был оказаться сильно выше порогового значения, превышение которого приводит к ожогам костей.
В третьем и четвертом режимах было предложено два подхода, геометрический и дифракционный, для определения граничных условий на поверхности «идеального» излучателя с целью минимизации воздействия на ребра. Полученные результаты сравнивались с первыми двумя случаями равномерного распределения скорости по поверхности преобразователя. При сравнении суммарная излученная мощность во всех четырех случаях была одинаковой и составляла Щ =11 Вт.
Геометрический и дифракционный подходы, направленные на снижение воздействия ультразвука на ребра, заключались в следующем. Рассматривалась расходящаяся сферическая волна, излученная точечным источником, расположенным в фокусе. Волна проходила сквозь ребра и создавала некоторое амплитудно-фазовое распределение на поверхности «идеального» излучателя. У полученного распределения комплексно сопрягалась фаза, и поле переизлучалось обратно к фокусу. По теореме взаимности излученное поле должно пройти сквозь межреберные промежутки и сфокусироваться в месте расположения точечного источника.
В первом, геометрическом подходе, амплитудно-фазовое распределение на поверхности излучателя рассчитывалось в приближении геометрической акустики, т.е. поле точечного источника представлялось в виде лучей!. В таком случае значение колебательной скорости изменялось вдоль луча как V = У0Г схр^кг)/г, где к = 2тф!с -волновое число,/= 1 МГц частота излучения, с = 1500 м/с - скорость звука, г - расстояние