Мощные ультразвуковые пучки - диагностика источников, самовоздействие ударных волн и воздействие на среду при литотрипсии, страница 6

Эти данные далее75передавались на компьютер, накапливались ипослезавершениясканированияиспользовалисьдляголографической6обработки.ВесьпроцессизмеренийΣSΣHпроводился полностью автоматически подуправлениемспециальнойпрограммы,Рис. 6. Схема экспериментальной установки длянаписанной в среде LabVIEW.проведенияакустическойголографии:1 – генераторсигналов,2 – компьютер,Разработанныйметодголографии3 – осциллограф, 4 – система позиционирования,использовался для исследования большого5 – гидрофон, 6 - ультразвуковой источник,7 - бассейн с водойколичества излучателей различных размеров и18Рис.

7. Фокусированный пьезокерамический излучатель (диаметр 10 см, фокусное расстояние20 см, резонансная частота 1.1 МГц), на поверхность которого были наклеены буквы «MSU» изпластилина. Слева: фотография излучателя. В центре: восстановленное на поверхностиисточника распределение амплитуды нормальной скорости. Справа: распределение фазыскорости. Отчётливо видны как буквы, так и невидимые глазом кольцевые неоднородности,вызванные стоячими волнами Лэмба. При получении указанных голограмм измерение давленияпроводилось на относительно небольшой сетке размером 40×40 точек.

Тем не менее буквы изпластилина хорошо проявляются, причём соответствующие изображения имеют резкие границыс переходом толщины около 0.5 мм, что составляет менее половины длины волныформ, плоских и сферических, пьезокерамических и пьезокомпозитных, с рабочимичастотами от 0.5 до 5 МГц. На рис. 7 приведён характерный пример.В работе показано, что метод акустической голографии является эффективныминструментом для исследования ультразвуковых источников.В частности,продемонстрировано, что метод может быть использован для решения следующихпрактически важных задач: (а) для изучения характера вибраций, выявления поверхностныхволн и различных мод колебаний пьезоэлектрических источников; (б) для предсказанияпространственной структуры полей излучателей на основании измеренного распределенияполя на некоторой поверхности перед излучателем; (в) для характеризации колебаний иполей медицинских многоэлементных излучателей, пьезокомпозитных и других сложныхизлучателей и их отдельных элементов; (г) для обнаружения и визуализации скрытыхповреждений, трещин, пузырьков, неоднородностей и других деталей на поверхностяхзвуковых источников.В заключительной части главы 5 проведено обобщение метода акустическойголографии на случай нестационарных источников.

Выведены соответствующие формулы.Отмечено, что практическая реализация метода нестационарной голографии предъявляетболее высокие требования к экспериментальным измерительным средствам по сравнению сголографией для синусоидальных сигналов. В частности, акустический датчик должен бытьдостаточно широкополосным, чтобы не вносить искажений в форму регистрируемыхсигналов. В каждой точке на поверхности голограммы нужно не просто измерять амплитудуи фазу волны, как это делается при стационарной голографии, а регистрировать всю формуволны. Тем не менее, современные приборные и компьютерные средства позволяют решитьэту задачу.

В работе для проверки разработанного алгоритма нестационарной голографиибыли исследованы различные импульсные источники, в том числе некоторые изпьезокерамических излучателей, упомянутых ранее в этой главе в связи с исследованиями постационарной голографии. Наряду с ними исследовался более сложный преобразователь –19коммерческий 96-элементный диагностический датчик. Показано, что использованныйметод позволяет с высокой точностью исследовать особенности работы таких импульсныхисточников.Глава 6 начинает описание цикла работ, связанного с практическим использованиемультразвуковых пучков высокой интенсивности. В качестве объекта исследования быливыбраны фокусированные импульсные пучки, применяемые в медицине для лечениямочекаменной болезни. Соответствующая процедура используется уже более четверти векаи носит название экстракорпоральной литотрипсии.

Метод заключается в разрушениипочечных камней мощными акустическими импульсами, генерируемыми вне тела пациентаи фокусированными на камень. Наряду с чисто медицинскими аспектами воздействия такихволн на камни и окружающие ткани, во многом до сих пор не понятыми, литотрипсиясодержит в себе ряд чисто физических проблем.Необходимо отметить, чтоэкстракорпоральная литотрипсия − это одно из немногих практических приложенийнелинейной акустики. Нелинейность обусловлена тем, что пиковые акустические давленияоколо камня достигают 100 МПа, а форма волны является ударной.В работе исследуются два важных явления, вызываемых фокусированными ударнымиволнами – нестационарная кавитация (глава 6) и разрушение камней (глава 7).

В главе 6описывается усовершенствование метода пассивной регистрации кавитации путёмиспользования двухканального приёма, обеспечивающего детектирование кавитационныхсобытий с высоким пространственным разрешением.Скоростная фотосъёмкаиспользовалась для подтверждения того, что поведение кавитационных пузырьков находитсяв соответствии с сигналами акустической эмиссии. Локализация области кавитациипозволила развить новый метод оценки пикового давления ударных волн, возникающих приколлапсе пузырей.Разработанная система использовалась для картографированиякавитационного поля двух электрогидравлических литотриптеров. Важным преимуществомновой системы является то, что она позволяет локализовать кавитацию in vivo и, тем самым,получить больше информации о роли кавитации в клинической литотрипсии.

Большинствоизмерений проводилось с использованием экспериментального электрогидравлическоголитотриптера в Лаборатории прикладной физики (APL) университета штата Вашингтон вг. Сиэтле. Этот литотриптер имеет те же геометрические размеры и характеристики, что иклинический литотриптер Dornier HM3. Измерения поля проводились также на клиническомлитотриптере Dornier HM3 в госпитале “Методист” в г.

Индианаполисе, штат Индиана.Для исследования кавитации автором был разработан специальный двухканальныйприёмник кавитационных шумов, позволяющий с высоким пространственным разрешениемрегистрировать коллапсы пузырьков в фокальной области литотриптеров (рис. 8). Длярегистрации кавитационных событий использовались два конфокальных приёмника.Совместная обработка сигналов этих приёмников по времени прихода и амплитудепозволила выделить акустические импульсы от коллапсов, происходящих в объёмедиаметром около 5 мм.

Такое пространственное разрешение намного превышает разрешениеодиночного приёмника, который принимает сигналы из протяжённой сигарообразнойобласти. Описан метод калибровки пассивного детектора кавитации для измерения пиковогодавления в сферической ударной волне, возникающей при коллапсе кавитационных20Рис.

8. Сверху изображена схема двухканальногопассивного детектора кавитации.Показаныфокальные области каждого из преобразователей,тёмный участок их пересечения соответствуетэффективной области чувствительности.Справа внизу приведена фотография установки.Внизупоказанытипичныесигналыдвухканального пассивного детектора кавитациипри воздействии одиночной ударной волнылитотриптера; слева − общий вид сигналов, справа− растянутое во времени отображение сигналоввблизи главного импульсаОсьлитотриптераLithotripter AxisCavitationBubblesPCDПриёмник№1TransducerPCDTransducerОблакопузырьковПриёмник №2Напряжение (В)Приёмник №1Приёмник №2Время (мкс)пузырьков. Двухканальный приёмник использовался для исследования кавитационныхполей двух электрогидравлических литотриптеров: Dornier HM3 и APL.

Измеренныерезультаты кавитационной активности сравнивались с результатами численных расчётов.При теоретическом описании в качестве уравнения, адекватно описывающего динамикукавитационного пузырька в поле литотриптера, использовалось уравнение для радиусапузырька в формулировке Гилмора и Акуличева [Gilmore, 1952; Акуличев, 1968] сдополнительным учётом диффузии газа в жидкости. Применительно к литотрипсии этамодель впервые была предложена и численно исследована Чёрчем [Church, 1989].В проведённых экспериментах подтвердились выводы численной модели о том, чтокавитационный отклик содержит две главных составляющих, имеющих вид короткихакустических импульсов (рис. 8).Первый импульс возникает, когда ударная волналитотриптера достигает фокуса.

Второй импульс возникает спустя несколько сотенмикросекунд, он вызван коллапсом пузырей после их инерционного роста домиллиметровых размеров. Измеренные значения пикового давления pC , излучаемого припервом инерционном коллапсе, составляли около 10 МПа на расстоянии 10 мм от центраколлапсирующего пузырька. Таким образом, проведённый эксперимент подтвердил выводытеоретического моделирования о том, что кавитационные пузырьки являются своеобразнымиконцентраторами акустического воздействия, и эффект от их коллапсов может оказатьсядаже более разрушающим, чем эффект от исходной ударной волны литотриптера.После проведения исследования динамики пузырей под действием ударных волн вводе, двухканальный пассивный детектор был применён для изучения инерционной21кавитации при литотрипсии in vivo.

При этом получен ряд принципиальных результатов.Первый и самый главный из них: впервые удалось зарегистрировать инерционнуюкавитацию, возникающую при литотрипсии в паренхиме почки, т.е. именно в ткани, а нетолько в жидкости накопительной системы. Оказалось, что указанная кавитация возникаетне сразу, а лишь после относительно большого количества импульсов литотриптера,около 1000.Поскольку инерционный коллапс сопровождается генерацией очень интенсивныхударных волн, то должны возникнуть нежелательные повреждения ткани.

Косвеннымподтверждением этого эффекта является совпадение местоположения гематом,обнаруживаемых в почке поле её разреза postmortem, с локализацией сильных рассеивателей,обнаруживаемых при ультразвуковой визуализации почки в процессе литотрипсии.Глава 7 посвящена другой важной части исследований по литотрипсии − изучениюмеханизмов фрагментации почечных камней под действием ударных волн литотриптера.Разрушение камней происходит так же, как разрушение любых других хрупких тел, и можетрассматриваться как процесс образования, роста и слияния трещин из-за внутреннихмеханических напряжений, возникающих в камне под действием внешней нагрузки.Трещины возникают в местах, где напряжение превышает некоторое критическое значение.При литотрипсии напряжения в камне создаются многократно повторяющимися ударнымиволнами, что в конечном счёте и приводит к растрескиванию.