Методы Фурье-акустики и ультразвуковой томографии для исследования пьезоэлектрических излучателей и их полей в жидкостях и гелеобразных средах

• Автор: Цысарь, Сергей Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ФУРЬЕ-АКУСТИКИ И ИНТЕГРАЛА РЭЛЕЯ ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ

§ 1.1 Постановка задачи

§ 1.2 Теория метода акустической голографии

1.2.1 Методы углового спектра и интеграла Рэлея для плоских и квазиплоских источников

1.2.2 Сравнение методов углового спектра и интеграла Рэлея на примере плоского

излучателя

1.2.3 Метод интеграла Рэлея для цилиндрических источников

1.2.4 Метод углового спектра и его особенности в случае цилиндрических источников
1.2.5 Численная модель для проверки работоспособности метода
<5> 1.3 Экспериментальное применение метода
1.3.1 Экспериментальная установка
1.3.2 Порядок проведения эксперимента
1.3.3 Измерение поля акустического давления
1.3.4 Процедура восстановления акустического поля на поверхности излучателя
1.3.5 Экспериментальная проверка метода
§ 1.4 Анализ разрешающей способности методов интеграла Рэлея и углового спектра
§1.5 Заключение и выводы
Глава 2 ОПТИМИЗАЦИЯ АЛГОРИТМА ОБРАТНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ С УЧЕТОМ
ПОВОРОТОВ И СДВИГОВ ПЛОСКОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
§2.1 Проблемы голографии ультразвуковых источников
§ 2.2 Метод улучшения голографии УЗ источников
2.2.1 Описание метода
2.2.2 Проверка метода на численной модели
£ 2.3 Экспериментальные результаты
§ 2.4 Выводы
Глава 3 АКУСТИЧЕСКАЯ ГОЛОГРАФИЯ ОБЪЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ
£ 3.1 Постановка задачи
§ 3.2 Теоретические аспекты акустической голографии объемных объектов
3.2.1 Использование метода углового спектра
3.2.2 Использование метода интеграла Рэлея
3.2.3 Нахождение рассеянного поля

3.2.4 Проверка алгоритма на численной модели
§ 3.3 Экспериментальное применение метода
3.3.1 Экспериментальная установка
3.3.2 Порядок проведения измерений
3.3.3 Измерения с точечными рассеивателями
3.3.4 Измерения с шероховатой поверхностью
§3.4 Обработка экспериментальных данных
3.4.1 Случай точечных рассеивателей
3.4.2 Случай шероховатой поверхности
§ 3.5 Выводы
Глава 4 ТОМОГРАФИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ФОКАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ
ФОКУСИРОВАННОГО ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
§ 4.1 Измерение температуры при проведении процедур с использованием мощного
фокусированного ультразвука (обзор литературы)
§ 4.2 Описание метода акустической томографии распределения температуры при
условии аксиальной симметрии нагретой области
4.2.1 Теоретическая основа метода
4.2.2 Проверка метода с использованием численной модели
§ 4.3 Эксперьшентальное применение метода
4.3.1 Экспериментальная установка
4.3.2 Подготовка установки и определение температурной зависимости скорости звука в
образце
4.3.3 Измерение распределения температуры вблизи оси тонкой нагретой проволоки
4.3.4 Измерение распределения температуры в фокальной области мощного
ультразвукового излучателя
§ 4.4 Ограничения метода
4.4.1 Применимость лучевого приближения
4.4.2 Приближение аксиальной симметрии
4.4.3 Дифракционные эффекты на тепловой неоднородности
§ 4.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Сегодня ультразвук активно используется во многих областях науки, техники и медицины [1, 2, 3]. Широкий спектр применений ультразвука связан с его способностью проникать внутрь исследуемых объектов. На этом основан целый ряд методов ультразвуковой диагностики. При использовании мощных ультразвуковых источников появляется также возможность воздействия на среду, что может бьггь использовало, например, для неинвазивного разрушения опухолей различных внутренних органов. Изучение соот ветствующих проблем, связанных с распространением высокоинтенсивных фокусированных ультразвуковых (УЗ) пучков, является одним из активно развивающихся направлений современной акустики. Возросший в последнее время интерес к этим задачам во многом обусловлен созданием медицинских приборов нового поколения, в которых фокусированный ультразвук высокой интенсивности (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) используется для неинвазивного разрушения опухолей [4, 5], остановки внутренних кровотечений при травмах (ультразвуковой гемостаз) [6, 7], ультразвуковой коррекции фигуры (неинвазивная липосакция) [8], направленной доставки лекарств [9], в том числе с использованием контрастных агентов. Широкое применение мощного фокусированного ультразвука во многих медицинских приложениях связано с его основными преимуществами, которые заключаются в следующем. Во-первых, данная технология может использоваться неинвазивно, то есть без обычного хирургического повреждения тканей при воздействии на ее глубинные структуры. Во-вторых, это возможность создания сильно фокусированных пучков [10,11] со сверхвысокой интенсивностью в фокальной области (до 30000 Вт/см2), при которой происходит быстрый локальный нагрев ткани за счёт поглощения энергии волны на образующихся ударных фронтах. Это позволяет неинвазивно «прижечь» место внутреннего кровотечения или вызвать локальный некроз опухолевых тканей в глубоко расположенных областях человеческого тела [12, 13]. В-третьих, при больших углах фокусировки излучателя

где множитель Пт(к2',гй,Гу), часто называемый «пропагатором» [105], выражается через отношение соответствующих функций Ханкеля:
п (и9)
Ифг-к] Г0)
Таким образом, если известно распределение акустического давления на какой-либо цилиндрической поверхности г = г0, то с помощью выражений (1.16)- (1.18) можно рассчитать, каким будет давление на любой цилиндрической поверхности г = гх > г0. С другой стороны, выписанные выражения позволяют решить и обратную задачу: если известно распределение давления при г = г, , то по нему можно вычислить исходное распределение давления на источнике г = г0 <гх:
р.(Къ )=гП^Т 0.2°)
В этом и состоит суть спектрального метода голографии цилиндрических источников [96, 97].
В некоторых случаях интерес представляет не акустическое давление, а нормальная компонента колебательной скорости на поверхности источника.
Голографическая задача в такой постановке решается аналогично. Из уравнения движения следует, что компоненты пространственного спектра акустического давления и радиальной колебательной скорости связаны следующим образом: К, (К’г) = ЛРт {к,',г )/с1г, где р - плотность среды. Согласно (1.17) и (1.18) имеем

где //'(£) = <7Я(£)/<7£ производная функции Ханкеля по аргументу. После нахождения спектральной амплитуды Ут (к,; г0) значение нормальной компоненты колебательной скорости на поверхности источника найдётся посредством обратного преобразования Фурье:
V, (Г„, <р„г) = ~ 2]е‘т* |с!кУт (к:;г0)«*•* . (1.22)

Формулы (1.17), (1.21) и (1.22) позволяют найти распределение скорости на поверхности источника по результатам измерения давления на окружающей его цилиндрической поверхности.