Генерация и распространение сдвиговых волн в резиноподобных средах с неоднородностями сдвигового модуля

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М. В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 534.2Ведерников Андрей ВалерьевичГЕНЕРАЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЕСДВИГОВЫХ ВОЛН В РЕЗИНОПОДОБНЫХСРЕДАХ С НЕОДНОРОДНОСТЯМИСДВИГОВОГО МОДУЛЯ( 01.04.06 – акустика )Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква − 2007Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета им. М. В.

Ломоносова.Научный руководитель:Кандидат физико-математических наук,В. Г. АндреевОфициальные оппоненты: Доктор физико-математических наук,А. А. КарабутовКандидат физико-математических наук,Г. А. МаксимовВедущая организация:Акустический Институтим. академика Н. Н. АндрееваЗащита диссертации состоится17 мая2007 года в 16 часов назаседании Диссертационного Совета Д 501.001.67 в МГУ им. М. В. Ломоносовапо адресу: 119992, г. Москва, ГСП, Ленинские Горы, МГУ, физическийфакультет, ауд. им.

Р.В.Хохлова .С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ им. М. В. Ломоносова.Автореферат разослан « 13» апреляУченыйсекретарьДиссертационного Совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук22007 г.А. Ф.

КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы:Резиноподобными средами называют эластичные материалы, способныеиспытывать значительные упругие деформации без нарушения внутреннейструктуры при приложении сравнительно небольших механическихнапряжений. К резиноподобным материалам относятся резины, полимеры, атакже мягкие биологические ткани. Большую практическую значимость дляцелей медицинской диагностики имеет проблема измерения упругих модулеймягких биологических тканей, и в частности, задача локального измерениянеоднородностей модуля упругости. В ряде экспериментальных работ былопоказано, что многие злокачественные новообразования в организме сильноотличаются по своим упругим свойствам от окружающей здоровой ткани[A.P.Sarvazyan et al., Acoustical Imaging, v.

21, pp. 223 – 240 (1995)]. Этот фактиспользуется медиками при проведении пальпации, когда участки телапациента прощупываются пальцами врача. Новообразования, кажущиеся болеежесткими и лежащие недалеко от поверхности тела, могли быть достаточнолегко обнаружены. Упругой характеристикой среды, отвечающей за ее"жесткость" является модуль сдвига.

Модуль сдвига в резиноподобных средахможет быть измерен с помощью сдвиговых волн, возбужденных внутрирезиноподобной среды с помощью сфокусированного ультразвука. Сдвиговаяволна генерируется при поглощении импульса ультразвуковой волны в областифокальной перетяжки пучка. Если интенсивность исходной волны имеетимпульсно – периодическую модуляцию, тогда фокальная область становитсяисточником распространяющихся сдвиговых волн. Скорость распространениятакой волны в мягких тканях организма определяется локальным модулемсдвига, и поэтому несет в себе диагностическую информацию о егопространственном распределении.Предложенный метод измерения сдвигового модуля может бытьиспользован для контроля температуры и степени коагуляции ткани припроведении процедур ультразвуковой хирургии. Сдвиговый модуль мягкихбиологических тканей существенно зависит от температуры.

При проведенииультразвуковой хирургии область с патологией нагревается ультразвуком дотемператур порядка 80 – 90 град. Цельсия. При термическом воздействииизменяется модуль сдвига как за счет нагрева, так и за счет измененияструктуры ткани и коагуляции белков. Скорость сдвиговой волны, проходящейчерез неоднородное распределение сдвигового модуля, вызванное нагревом,3будет изменяться, в соответствии с величиной модуля.

Измеряя время приходасдвиговой волны в точку наблюдения, можно получить информацию ораспределении температуры по пути, пройденному волной.Длительность и амплитуда генерируемой сдвиговой волны зависят отвеличины модуля сдвига в области генерации. Поэтому изменения в профилесдвиговой волны, которая генерировалась в области с неоднородностью модулясдвига, содержат информацию о самих неоднородностях. Такуюнеоднородность можно создать путем нагрева. Так нагрев в образце происходитпри поглощении мощной ультразвуковой волны, после чего преобразовательизлучает короткий импульс, за счет которого в той же области гдепроизводился нагрев, возбуждается сдвиговая волна.

По амплитудегенерируемой таким способом сдвиговой волны можно измерять модуль сдвиганагретой ткани и осуществлять контроль температуры. Таким образом,величина модуля сдвига, измеренная путем возбуждения сдвиговой волны вобласти нагрева и ее дальнейшего детектирования, позволяет судить о степенинагрева, непосредственно в области воздействия ультразвука на окружающуюткань.Цель работы:1. Исследование процесса генерации и распространения сдвиговых волн,создаваемых с помощью сфокусированного ультразвукового пучка врезиноподобной среде с неоднородностью сдвигового модуля, с цельюопределения положения, размеров, а также величины сдвигового модулянеоднородностей.2.

Демонстрация работоспособности предложенной методики для целеймедицинской диагностики при ее применении на стандартной аппаратуреультразвуковой визуализации и хирургии.3. Исследование процесса распространения сдвиговой волны в среде,содержащей неоднородность сдвигового модуля, вызванную локальнымнагревом среды, с целью контроля температуры в области нагрева.4. Анализ генерации сдвиговой волны в фокальной областиультразвукового пучка с учетом нагрева среды, вызванного поглощениемэнергии ультразвуковой волны.Научная новизна работы:1.

Впервые выполнены измерения сдвигового модуля упругости воднородной резиноподобной среде с помощью возбуждения сдвиговых волнсфокусированным ультразвуковым пьезопреобразователем и их последующей4регистрацией по рассеянию пробной ультразвуковой волны. Таким образом,была продемонстрирована принципиальная возможность дистанционногоопределения распределения сдвигового модуля в оптически непрозрачныхрезиноподобных материалах.

Предложенная методика была реализована нафантомах биологической ткани с использованием приборов стандартнойультразвуковой визуализации и терапии. Была продемонстрированапринципиальная возможность ее использования для целей медицинскойдиагностики2. Предложена и реализована методика определения положения иразмеров неоднородностей сдвигового модуля, находящихся в однороднойрезиноподобной среде. Получены оценки точности метода и сформулированыусловия его применимости. Показана принципиальная возможностьлокализации неоднородностей с размерами порядка миллиметров.3.

Проведен анализ генерации и распространения сдвиговых волн внагретой резиноподобной среде с известной зависимостью сдвигового модуляот температуры. Предложена и реализована методика измерения температуры вобласти, нагреваемой мощным фокусированным ультразвуком по формесдвиговых волн, возбуждаемых зондирующими импульсами. Принципиальнымпреимуществом предложенной методики является использование одного и тогоже ультразвукового пьезопреобразователя, но работающего в разных режимах.Это позволяет обеспечить локальность проведения измерений нагрева приультразвуковом воздействии.4.

Впервые предложена и разработана методика контроля температуры вфокальной области ультразвукового пьезопреобразователя с размерами порядкамиллиметров. Метод основан на измерении задержки зондирующих импульсов,проходящих через нагретую область в поперечном направлении.Работоспособность метода продемонстрирована в экспериментах сполимерными образцами, нагреваемыми до температур порядка 60 – 80градусов Цельсия, что типично для режимов, используемых в ультразвуковойтерапии.Научная и практическая значимость работы:Представленные результаты по генерации и детектированию сдвиговыхволн в резиноподобных средах показывают возможность измерениямелкомасштабных неоднородностей сдвигового модуля упругости врезиноподобных средах. Методика измерения сдвиговой упругости, развитая вработе, может быть использована в качестве дополняющей или альтернативнойметодике ультразвукового исследования для обнаружения разного рода5патологий в мягких биологических тканях, упругие свойства которых сильноотличаются от свойств здоровой окружающей ткани.

Такой метод также можетбыть применим в материаловедении для измерения упругих свойств резин и имподобных материалов.Измерение модуля сдвига с помощью предложенной методики возможно сиспользованием уже существующих приборов ультразвуковой терапии идиагностики, что очень важно для практического применения.Полученные результаты по генерации и распространению сдвиговых волнв средах с тепловой неоднородностью модуля сдвига могут быть примененыпри проведении процедур ультразвуковой хирургии для контроля температурыи термических изменений нагреваемой ткани. Особенностью предложенногометода контроля температуры по форме сдвигового импульса являетсяиспользование одного и того же пьезопреобразователя для нагрева среды ивозбуждения волн сдвига.Положения, выносимые на защиту:1.