Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации

На правах рукописиСмагин Михаил АлександровичИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕДИЦИНСКИХПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕТОДАМИ АКУСТИЧЕСКОЙГОЛОГРАФИИ И ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИСпециальность 01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ).Научный руководитель:кандидат физико-математических наукСапожников О.А.Официальные оппоненты:доктор технических наукГаврилов Л.Р.кандидат физико-математических наукДемин И.Ю.Ведущая организация:Московский инженерно-физический институт (государственный университет)(МИФИ)Защита диссертации состоится « 24 » мая 2007 года в 16 часов на заседанииДиссертационного Совета Д.501.001.67 в МГУ им.

Ломоносова по адресу:119992, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЦФА .С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ).Автореферат разослан « 23 » апреля 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук, доцент2Королев А.Ф.Общая характеристика работыАктуальность темыПрименение ультразвуковых технологий в медицине имеет почти полувековуюисторию. На сегодняшний день наиболее широкими областями применения ультразвукаявляются медицинская диагностика и терапия. Пьезокерамические преобразователи,применяемые в различных областях медицины, имеют различную конструкцию, форму иструктуру рабочей поверхности: от простейших плоских одноэлементных преобразователейдо сложных многоэлементных антенных решеток.

Соблюдение свойств и структуры,создаваемых преобразователями акустических полей в пространстве, необходимо дляповышения качества ультразвуковой диагностики и сохранения высокой избирательностивоздействия в ультразвуковой терапии. Очевидно, что любая неточность или ошибка вмедицине связаны с риском для здоровья. Поэтому требуется знать истинное распределениеполей медицинских преобразователей в пространстве; в частности, для многоэлементныхдиагностических антенных решеток необходимо отслеживать возникновение и характернежелательных боковых лепестков и паразитных максимумов, для устройств, применяемыхв терапии и хирургии, необходимо точно знать интенсивность ультразвука, а также размерыфокальнойперетяжки.Акустическоеполе,создаваемоемногоэлементнымидиагностическими датчиками, имеет достаточно сложную структуру.

Оно изменяется вовремени, испытывает фокусировку, может иметь боковые лепестки помимо основногоформируемого луча. Необходимо также знать, каким образом будет изменяться поле такогоакустического пучка в присутствии различных объектов сложной формы, отличающихся поакустическим свойствам от среды распространения, как, например, в биологических тканях.Часто предсказать изменения полей во времени и их тонкую пространственнуюструктуру невозможно без знания характера колебаний поверхности преобразователя.Производители медицинской техники всё ещё не обладают надежными методами контроляработы акустических преобразователей и не в состоянии предоставлять пользователямважные характеристики колеблющейся поверхности, такие как, например, распределениеколебательнойскорости.Обычноруководствуютсяпростымиаприорнымипредположениями о колебаниях поверхности преобразователей, например, предполагаютсоответствие колебаний поршневой моде. На практике поверхности преобразователей могутколебаться неравномерно.

Причинами этого может быть как структура излучателя, напримердля многоэлементных датчиков, повреждения на его поверхности или возбуждение волнЛэмба в пьезопластине. Для диагностических датчиков также важно знать количество3излучающих элементов, быть уверенным в равномерности их работы и в отсутствиипропусков из-за неработающих элементов.Важно также знать, каким образом конструктивные особенности диагностическойсистемы влияют на структуру создаваемого акустического поля. Например, дискретныйхарактер задания временных задержек возбуждающих сигналов, подаваемых на элементыдатчика в цифровых системах, вносит значительные изменения в формируемый фазовыйфронт и оказывает негативное влияние на структуру ультразвукового пучка и качество егофокусировки.Существуют различные методы исследования полей ультразвуковых преобразователей.Численное моделирование позволяет точно производить расчет пространственногораспределения параметров поля при заданных граничных условиях на поверхностипреобразователя.

Однако, это требует точных сведений о характере колебаний поверхностиих изменении во времени.Метод лазерной виброметрии позволяет точно измерять параметры колебанийповерхности и обладает высоким пространственным и временным разрешением приизмерениях смещения и колебательной скорости поверхности в газах. Однако данный методимеет ограничения при проведении измерений в жидкости.Исследование пространственного распределения акустического поля в жидкоститрадиционно проводится при помощи прямых измерений гидрофонами. Данная методикапозволяет получить распределение акустического давления в пространстве с высокимразрешением. Сложность структуры поля медицинских преобразователей, стремление кувеличению пространственной области и высокому разрешению ведет к возрастаниювремени измерений до нескольких часов. Для проведения измерений требуется сложноеоборудование, зачастую дорогостоящее, - гидрофоны на ПВДФ пленках с малыми размерамичувствительныхдиагностическихучастков,датчиков.чтообусловленоТребуютсямегагерцовымтакжесистемыдиапазономизлучениямикропозиционирования,позволяющие перемещать гидрофон в пространстве с высокой точностью.

Кроме того, дляполучения картины поля необходима обработка данных, полученных с гидрофона.Метод теневой оптической визуализации не является прямым методом измерений,однако позволяет получить картину пространственного распределения акустического поляпреобразователя без многочасовых сканирований гидрофонами и не требует какой-либопоследующей обработки результатов.

Метод позволяет получить информацию о размерахполя и фокальных перетяжек, о длине волны излучения, наличии боковых лепестков,выявить тонкие особенности пространственной структуры.4Видно, что все вышеописанные методы имеют достоинства и недостатки. Даннаяработа посвящена созданию комплексной экспериментальной методики исследования полейультразвуковых преобразователей, использующихся в медицине. В частности, примененныйв работе экспериментальный метод нестационарной акустической голографии позволяетвыявлять тонкую структуру и динамику колебаний поверхности преобразователя,работающего в импульсном режиме (типичный режим работы медицинских диагностическихдатчиков). Данный метод сочетает измерения поля гидрофоном и последующий численныйрасчет для восстановления колебаний поверхности. Вместе с тем, оптическая шлиренвизуализация позволяет быстро выявить результат влияния неравномерности колебанийповерхности на пространственную структуруакустического поля преобразователя.Применение совокупности методов исследования позволяет эффективно решать задачуисследования полей медицинских диагностических преобразователей.Цели работыОсновная цель работы состоит в определении количественных параметров импульсныхакустическихполеймедицинскихультразвуковыхпреобразователейсразличнойконфигурацией рабочей поверхности и различными частотами с применением методовнестационарной акустической голографии, оптической визуализации и численного расчета.В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:•Создание экспериментальных установок, основанных на использовании методовнестационарной акустической голографии и оптической шлирен-визуализации дляисследованияакустическихполейиколебательныхсвойствмедицинскихультразвуковых преобразователей.•Экспериментальная демонстрация возможности применения метода нестационарнойакустической голографии для исследования колебаний поверхностей как простыходноэлементных, так и сложных многоэлементных диагностических источников вимпульсных режимах работы.

Исследование разрешающей способности метода, еговозможностей по выявлению тонкой структуры поля колебаний поверхности источникав импульсном режиме.•Экспериментальное доказательство применимости шлирен-метода для исследованиянизкоинтенсивных акустических полей диагностических источников. Выявлениевозможностей шлирен-метода при работе с источниками слабых полей ультразвуковогодиапазона и с источниками со сложной конфигурацией излучающей поверхности.5•Экспериментальное и теоретическое исследование тонкой структуры излучаемыхакустических полей и структуры полей колебаний поверхности для одно- имногоэлементных источников различной формы, на разных частотах в режимеизлучения коротких импульсов на основе использования методов акустическойголографии и оптической визуализации.•Исследование влияния дискретизации временной задержки возбуждающих импульсов вдиагностических системах с цифровым формированием зондирующих импульсов наструктуру акустического поля многоэлементного преобразователя.Научная новизна работы•Впервыеэкспериментальнореализованметоднестационарнойакустическойголографии для восстановления поля колебаний медицинских диагностическихпреобразователей (в том числе многоэлементных) мегагерцового диапазона частот.Продемонстрированывозможностиметодаприработесдиагностическимипреобразователями, определена его разрешающая способность.