Генерация сдвиговых волн и нагревание фантомов биоткани интенсивным фокусированным ультразвуком

• Автор: Синило, Татьяна Викторовна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 126 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
§1.1. Тепловое воздействие ультразвука
§ 1.2. Визуализация медицинского состояния биологической ткани по
сдвиговому модулю
§ 1.3. Описание акустического поля фокусирующего источника
Глава 2. ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ СРЕДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО НАГРЕВА
§2.1. Измерение и визуализация акустического нагрева. Экспериментальная установка
2.1.1. Измерение нагрева
2.1.2. Оптическая визуализация нагрева
( §2.2. Измерение средней акустической мощности волны. Выбор режимов
излучения
2.2.1. Экспериментал ьная установка
2.2.2. Режимы излучения. Формы акустической волны в фокусе излучателя
2.2.3. Зависимость средней акустической мощности фокусированного пучка
от расстояния
§2.3. Повышение эффективности нагрева среды нелинейным ультразвуковым
пучком: экспериментальные результаты
§2.4. Теоретическое описание акустического поля и поля температур
§2.5. Обсуждение результатов
§2.6. Выводы главы
Глава 3. ВЛИЯНИЕ НЕЛИНЕЙНОСТИ СРЕДЫ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ГЕНЕРАЦИИ СДВИГОВЫХ ВОЛН ПРИ ПОГЛОЩЕНИИ УЛЬТРАЗВУКА
§ 3.1. Описание экспериментальной установки
§3.2. Описание экспериментальных исследований
§ 3.3. Теоретическое описание наблюдаемых эффектов
§ 3.4. Выводы главы

Глава 4. АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ СИЛЬНО ФОКУСИРУЮЩЕГО ИСТОЧНИКА ПРИ УЧЕТЕ ДИФРАКЦИИ НА ВОГНУТОЙ ИЗЛУЧАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
§ 4.1. Описание метода сращиваемых разложений
§ 4.2. Численный расчет сферических функций Бесселя, Неймана и Ханкеля
§ 4.3. Перенормировка сферических функций
§ 4.4. Результаты расчетов
§ 4.5. Выводы Главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приложение 1. ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Приложение 2. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ ЖЕЛАТИНА
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Последние несколько десятков лет ультразвуковые методы, благодаря возможности сильной фокусировки и достижения высоких интенсивностей в локальной области пространства, получают все более широкое распространение в медицине [1]. Впервые воздействие интенсивных акустических волн на живые организмы было обнаружено Ланжевеном при испытании сонаров еше в 1917 году. Большое количество новейших разработок излучающих систем, создающих акустические поля различной пространственной конфигурации с очень широким диапазоном интенсивностей, позволяет применять ультразвуковое излучение как в целях диагностики, так и для терапии и даже хирургии мягких биологических тканей.
Применение акустических волн основано на нескольких физических явлениях, происходящих в среде при распространении звука, что схематически проиллюстрировано на рис. 1. По мере распространении энергия волны уменьшается, во-первых, за счет поглощения, что приводит к нагреву среды. В основном это используется в медицине в терапевтических и хирургических целях [1,2,3].
Во-вторых, энергия волны убывает за счет рассеяния, или иначе говоря, отражения от внутренних микро- и макронеоднородностей. Это явление применяется в дефектоскопии, гидролокации, а также в медицине для визуализации внутренних органов при диагностике заболеваний [4].
В-третьих, оба эти процесса сопровождаются передачей части импульса волны среде распространения, в результате происходит смещение одних слоев среды относительно других, что приводит в жидкостях и газах к образованию течений [5, 6], а в твердых и резиноподобных телах - к генерации волны сдвига [7,8]. Большей частью это явление находит свое применение при исследованиях среды на наличие неоднородностей сдвигового модуля, в частности, в медицине, для ранней диагностики раковых образований в мягких тканях [9, 10, 11, 12].
В-четвертых, при распространении в биологических тканях ультразвук малой интенсивности воздействует на клетки живого организма, увеличивая
как фокусировка пучка, дифракция и частотно зависимое поглощение ультразвука, а также теплопроводность среды.
§2.1. Измерение и визуализация акустического нагрева.
Экспериментальная установка
Одной из основных задач данной работы было сравнение линейного и нелинейного механизмов акустического нагрева среды типа биологической ткани. С этой целью использовался образец из желатина (ICN Gelatin flaked 50 bloom catalog № 960102) высокой концентрации (20% по массе), акустические свойства которого оказываются довольно близкими к соответствующим свойствам биологической ткани. Кроме того, желатиновый фантом оказывается достаточно прозрачным, чтобы иметь возможность проводить визуализацию нагрева оптическим теневым методом. Для намеченных исследовательских целей была разработана экспериментальная установка (рис. 2), позволяющая одновременно осуществлять локальные измерения временной зависимости температуры (в некоторой выбранной точке пространства) с помощью термопары и наблюдать интегральную двумерную оптическую теневую картину области нагрева в целом.
2.1.1. Измерение нагрева
Акустическое поле создавалось фокусирующим пьезокерамическим преобразователем 1 (Channel Industries, USA), выполненным в виде сферической чаши с диаметром апертуры 10 см, радиусом кривизны 20 см, работающим на частоте антирезонанса пластины fo = 1.092 МГц. Продольный и поперечный размеры фокальной области ультразвукового пучка в воде, измеренные по нулям распределения амплитуды поля давления, составили соответственно 87 мм и 7 мм. Возбуждение излучателя производилось электрическим сигналом с цифрового генератора 2 (НР33120А) через усилитель мощности 3 (ENI A-300RF).