Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации, страница 4

Не стоит также забывать, что временные затраты на подобногоэксперимента в разы меньше, чем для стандартных методик исследования полей15s2s1a1a2сф , мм/мкс105s0a0000.5f, МГц11.5Рис. 3. Дисперсионные кривые для различных мод волн Лэмба впьезокерамическойпластине.Точкисоответствуютэкспериментальным теневым картинам. Теоретические кривыепредставляют решения уравнений Рэлея-Лэмба.сканирующими гидрофонами. Таким образом, шлирен-метод является удобным иэффективныминструментомколичественногоисследованиясвойствакустическихпреобразователей.В пункте 2.2.4 описаны результаты исследования акустического поля выпуклогомногоэлементногодиагностическогопреобразователя,которыйпредставлялсобоймногоэлементный ультразвуковой датчик, работающий на центральной частоте 3,5 МГц в15импульсном режиме.

Особенностью работы данного преобразователя было наличиемногоканального управляющего устройства – ультразвукового диагностического прибора.Благодаря управляемой задержке между электрическими сигналами, подаваемыми наэлементы датчика, создаваемое им акустическое поле могло фокусироваться на различныерасстояния, при этом поле было локализовано в некоторой пространственной области –пучке.Часть экспериментов проводилась в присутствии поверхности, способной вызыватьотражение ультразвукового импульса (пластины из дюралюминия, толщиной 6,5 мм). Наполученныхизображенияхчетковиденакустическийимпульс,создаваемыйдиагностическим датчиком, представленный в виде чередующихся темных и светлых полос,расстояние между которыми составляет около 0,44 мм, что соответствует длине волныизлучения на частоте 3,5 МГц в воде.

Удается четко различить четыре периода колебаний наосновной частоте. Отчетливо виден импульс в пределах основного лепестка диаграммыизлучения, а также более слабые возмущения, соответствующие боковому лепесткуантенной решетки. Был исследован поперечный размер импульса и характер изменения этойвеличины из-за фокусировки при распространении волн в среде. На изображенияхпредставлен процесс отражения импульса от пластины, причем показано, что угол паденияволны равен углу отражения. Показано, что в отражающей пластине распространяется волнарэлеевского типа, излучающая в жидкость волну, фронт которой отчетливо регистрируетсяна изображениях.

Исходя из угла наклона фронта головной волны, была проведена оценкаскорости рэлеевской волны в алюминии. Полученная величина, в пределах погрешностиизмерений, совпала со справочным значением. При этом впервые подобная визуализациябыла проведена при работе излучателя в импульсном режиме.Была проведена визуализация перпендикулярного падения акустического импульса,создаваемого диагностическим датчиком, на поверхность отражающей пластины. При этомнаблюдались многочисленные импульсы, следующие за первым отраженным и вызванныепереотражениями падающего импульса внутри пластины.

При толщине пластины L=6,5 ммможно оценить скорость акустической волны в материале пластины. Расстояние междусоседними импульсами соответствует двойному прохождению через алюминиевуюпластину, т.е. соответствующий временной интервал можно записать как x / c0 = 2 L / cl , гдеc0 - скорость звука в воде, cl - скорость продольных волн в алюминии. Отсюдаcl = c0 ⋅ 2 L / x =(6050±300) м/с, что в пределах погрешности совпадает с табличным значением6260 м/с.16Для иллюстрации способности шлирен-метода визуализировать процесс рассеянияакустических волн, было проведено исследование отражения ультразвуковых импульсов отнеплоских твердотельных объектов. В качестве отражающего объекта использовалсястальной шарик диаметром 10 мм. Объект располагался в точке электронного фокусапреобразователя, при этом поперечный размер импульса в фокусе составляет значение,равное 2,8 мм.

Результат отражения представляет собой расходящуюся волну сосферическим фронтом. Также были исследованы эхо-сигналы, порождаемые боковымилепестками, рассеянными на объекте. Интенсивность ультразвука в боковом лепесткеприблизительно в 20 раз меньше интенсивности в основном импульсе. Как и призондировании основным лепестком, хорошо заметна отраженная сферическая волна. Такимобразом,былапродемонстрированавысокаячувствительностьтеневогометода,позволяющая визуализировать акустические поля с амплитудой порядка Па.Для моделирования изменений, возникающих при взаимодействии акустических полейультразвуковых диагностических преобразователей с биологическими тканями, былапроведена серия экспериментов по теневой визуализации ультразвуковых полей смодельными объектами из гелевого материала.

Обычно задача распространения ультразвукав средах с неоднородностями акустического импеданса решается при помощи численногомоделирования, однако при сложном характере акустического поля и сильно неоднородныхсредахраспространенияультразвукаподобныйрасчетзатруднителен.Вработеиспользовались цилиндрический и клиновидный объекты, изготовленные из материала,близкого по акустическим свойствам к биологическим тканям. Было показано влияниеприсутствия цилиндрического объекта на акустическое поле преобразователя, в частности напоперечные размеры акустического импульса. Было отмечено возникновение вторичныхвозмущений с цилиндрически расходящимся фронтом.

Было исследовано касательноепадение ультразвукового импульса на боковую поверхность цилиндра. Было отмеченоизменение формы импульса, разделение на две части с одновременным увеличениемпоперечного размера импульса. Отмечено также появление вторичных волн сложной формыв результате отражения и преломления импульса на границе вода-гель. Измерен угол междупервоначальным направлением и направлением распространения преломленного импульсасоставляет около 3,5°, показано, что данное значение в пределах погрешности соотносится срезультатом теоретического расчета. При падении акустического импульса на поверхностьклина наблюдается изменение направления распространения импульса, прошедшего черезклин, по сравнению с первоначальным.

Исходя из геометрии эксперимента и измеренных17значений углов распространения преломленных и непреломленных волн были сделаныоценки скорости звука в геле.Таким образом, в ходе данного эксперимента было наглядно проиллюстрировановлияние простых преломляющих и рассеивающих объектов, имеющих акустическиепараметры,сходныеспараметрамибиологическихтканей,нараспространениедиагностического ультразвукового импульса и структуру его акустического поля. Такжебыло показано, что помимо очевидных изменений, вызванных простыми процессамипреломления и рассеяния волн, имеются также более тонкие изменения акустического поля,вызванные конечными размерами импульса и неидеальной геометрической формойисследуемых объектов, что позволяет считать данный эксперимент близким к реальнымпроцессам распространения подобного ультразвукового излучения в биологических средах.В пункте 2.2.5 описаны эксперименты по теневой визуализации акустических полей внепрерывном режиме.

В эксперименте использовался источник непрерывного белого света иоптическийножввидеградиентногоспектральногосветофильтра.Благодарявышеописанной конструкции оптического ножа, было возможно получать шлиренизображения,зависящиеотамплитудыультразвуковогополя.Былиисследованыпьезокерамические преобразователи различных форм и частот. Проведенные экспериментыпозволили выявить некоторые особенности структуры акустического поля исследованныхизлучателей, в частности отчетливо заметное боковое излучение, не присущее поршневоймодеколебаний,которойобычноупрощенноописываютколебанияпластиныпреобразователя.Таким образом, было подтверждено, что шлирен-изображения позволяют выявлятьособенности тонкой структуры поля, предсказание которых затруднительно без информациио реальном распределении колебательной скорости на поверхности колеблющегосяизлучателя.В параграфе 2.3 приведены выводы ко второй главе.Третья глава посвящена исследованию влияния дискретизации временной задержки вдиаграммо-формирующих устройствах диагностических систем на структуру акустическогополя, создаваемого многоэлементным диагностическим датчиком и качество фокусировки.В параграфе 3.1 приводится теоретическое описание модельного эксперимента.Решаемая задача имеет определенные специфические особенности, состоящие в следующем:излучение имеет импульсный характер, излучатель имеет многоэлементную структуру,поверхность излучателя может иметь сложную конфигурацию, временная задержка в18реальных системах может иметь не любое точное значение, а задаваться с точностью доопределенногодискрета.Прирешенииуказаннойзадачипроводилосьчисленноемоделирование излучения ультразвуковых датчиков, использующихся в диагностическихсканерах.

Моделировалась геометрия антенной решетки и отдельных излучателей, видвозбуждающих импульсов, временная задержка возбуждающих импульсов на различныхэлементах решетки моделировалась с различной точностью. В ходе моделированиярассчитывалосьдвумерноепространственноераспределениеакустическогополямногоэлементного датчика.