Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации, страница 5

Расчет производился методом импульсного отклика. При этомрассчитывалось акустическое давление в каждой точке пространства при заданном профилескорости на поверхности каждого элемента и функции импульсного отклика излучающегоэлемента h(r, t ) . Распределение скорости вдоль поверхности элемента предполагаетсяравномерным. Это приближение для пьезоизлучателей соответствует толщинной модеколебаний и обычно выполняется с хорошей точностью.

Функция импульсного откликазадает потенциал при δ-образном (по скорости) возбуждении излучающего элемента иδ(t − r − r ′ / c0 )dS ′ , где′2rrπ−σвыражается, согласно интегралу Рэлея, следующим образом h(r, t ) = ∫c0 – скорость звука в среде, σ - поверхность излучающего элемента. Граничным условиемявлялось задание профиля колебательной скорости на поверхности каждого i – го элемента ввиде u i (t ) = u 0 (t − t зад ) , где u 0 (t ) – форма сигнала, заданная как u 0 (t ) = U 0 e−t2τ2sin ω 0 t , а t зад –временная задержка, которая задается дискретно, т.е.

с конечным шагом изменения.В параграфе 3.2 приведены результаты расчетов. Были рассчитаны поперечныераспределения акустического поля для различных многоэлементных датчиков в областифокуса в зависимости от величины дискрета временной задержки. Показано, чтоуменьшение шага дискретизации приводит к некоторому росту основного лепестка, ауровень бокового излучения изменяется в сторону уменьшения.

Было замечено, чтосуществует некоторое значение шага, которое уже не влияет существенно на уровеньбоковых лепестков. Так, для датчика конвексного типа частотой 3,5 МГц это значениесоставляет 7-8 нс, а для датчика линейного типа частотой 7,5 МГц – 4-5 нс. Это объясняетсядостижением адекватной точности фокусировки при заданной длине волны излучения.Кроме этого, были получены двумерные распределения акустического поля датчика вплоскости сканирования. Затем рассчитывалась диаграмма приема сигнала от точечногорассеивателя, пропорциональная квадрату диаграммы излучения в соответствующую точку.19По этим данным при помощи логарифмирования были построены черно-белые изображения,аналогичные черно-белым картинам ультразвуковых сканеров. Показано, что с увеличениемшага дискретизации временной задержки происходит увеличение общего уровня боковогоизлучения, появляются четко различимые побочные максимумы в виде ложных точек справаи слева от истинного изображения точечного рассеивателя.

При нелинейной компрессиипринимаемых сигналов (стандартная функция обработки сигналов в ультразвуковомдиагностическом аппарате), соответствующий операции повышения контраста, присутствиеданных паразитных сигналов грозит потерей полезного сигнала от слабого рассеивателя,если тот расположен близко к основному, или интерпретацией паразитного сигнала какистинного. Сделан вывод о том, что правильный выбор шага временной задержки наряду саподизацией – умножением сигнала в каждом канале перед суммированием на свой весовойкоэффициент, может значительно снизить уровень бокового излучения, тем самым, улучшаяодин из важнейших параметров диагностической системы – пространственное разрешение.В параграфе 3.3 приведены выводы к третьей главе.20Основные результаты работы• Создана автоматизированная измерительная установка, на которой впервые реализованметод нестационарной акустической голографии применительно к исследованиюколебаний ультразвуковых диагностических источников мегагерцового диапазона частот.• Экспериментально показано, что с использованием метода нестационарной акустическойголографииудаётсявосстановитьпространственно-временноераспределениеколебательной скорости на поверхности медицинских диагностических датчиков.

Длятипичных многоэлементных диагностических сканеров продемонстрирована возможностьизмерения степени фокусировки акустического поля в двух плоскостях, размера иположения элементов преобразователя, распределения амплитуды и временной задержкиих сигналов.• Методом импульсного отклика проведено численное моделирование ультразвуковыхполеймногоэлементныхимпульсныхпреобразователейвусловияхдискретногоизменения задержек сигналов, подаваемых на отдельные элементы. Для типичныхдиагностических медицинских сканеров изучено влияние величины шага дискретизациивременной задержки на видимые поперечные размеры объектов, визуализируемых вВ-режиме. Установлено, что при значении шага дискретизации, равном 0,1 периодасигнала на центральной частоте, уровень амплитуды боковых лепестков не превышает-20 дБ относительно уровня амплитуды основного лепестка, а при шаге дискретизациименьшем 0,02-0,03 периода сигнала уровень бокового излучения перестаёт зависеть отвеличины этого шага.• Создана высокочувствительная установка для импульсной теневой визуализации слабыхнеоднородностейплотностивпрозрачныхжидкостях.Сеёпомощьюпродемонстрированы возможности применения теневого метода визуализации дляпроведения экспериментального экспресс-анализа импульсных акустических полейультразвуковых преобразователей с пространственным разрешением равным 0,1 мм ивременным разрешением равным 10 нс при диагностических уровнях амплитудыакустического давления p<0,1 МПа.• Показана эффективность импульсного теневого метода для количественного измеренияпараметров ультразвуковых полей.

В частности, измерены дисперсионные кривые дляразличных мод Лэмба в пластине из пьезокерамики типа ЦТС в диапазоне 0,3 – 1,6 МГц вводе и показано, что в пределах погрешности измерений они описываются решениями21уравнений Рэлея-Лэмба. Теневой метод также применён для измерения в импульсномрежиме скорости поверхностной волны утечки на границе «твёрдое тело - жидкость».• Показано, что теневой метод является эффективным инструментом исследованияраспространения ультразвуковых импульсов в среде, содержащей неоднородныевключения типа акустических неоднородностей биологических тканей, исследуемых взадачах медицинской диагностики.

Метод позволяет эффективно исследовать изменениетраекторий распространения и формы диагностических импульсов при взаимодействии ихс фантомами биологических тканей.Список работ,опубликованных по теме диссертации1.Смагин М.А., Морозов А.В., Сапожников О.А.. Исследование структуры акустическогополя многоэлементного медицинского акустического датчика. - Сб. трудов XV сессииРАО, Москва: ГЕОС, 2004, т.3, с.74-75.2.Смагин М.А., Нагулин Н.Е., Пономарев А.Е., Сапожников О.А. Влияние шагадискретизации временной задержки на качество фокусировки многоэлементногоультразвукового датчика.

– Сборник материалов 2-го Евразийского конгресса помедицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2005» (21-24 июня 2005 г.,Москва), с. 230-231.3.Смагин М.А., Морозов А.В., Нагулин Н.Е., Сапожников О.А. Методика исследованияструктуры акустического поля многоэлементного ультразвукового датчика. – Сборникматериалов 2-го Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии«Медицинская физика - 2005» (21-24 июня 2005 г., Москва), с. 232-233.4.Смагин М.А., Нагулин Н.Е., Пономарев А.В., Сапожников О.А.

Влияние дискретизациизадержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностическихсистем на качество фокусировки. – Сб. трудов XVI сессии РАО, Москва: ГЕОС, 2005,т.3, с.128-131.5.Смагин М.А., Нагулин Н.Е., Пономарёв А.Е., Сапожников О.А. Влияние дискретизациизадержки в диаграммоформирующих устройствах ультразвуковых диагностическихсистем на качество фокусировки. – Биомедицинские технологии и радиоэлектроника,2006, №1-2, с.85-88.226.Сапожников О.А., Пономарев А.Е., Смагин М.А.

Нестационарная акустическаяголография для реконструкции скорости поверхности акустических излучателей. –Акуст. ж., 2006, т.52, №3, с. 385–392.7.Смагин М.А., Пономарев А.Е., Сапожников О.А. Голографическое восстановлениеколебаний ультразвуковых диагностических источников и шлирен-визуализацияслабых акустических полей.

– Сб. трудов XVIII сессии РАО (Таганрог, 2006) , Москва:ГЕОС, 2006, т.2, с.12-16.8.Sapozhnikov, O.A., Morozov, A.V., Ponomarev, A.E., and Smagin, M.A. Characterization oftherapeutic and diagnostic ultrasound sources using acoustic holography and optical schlierenmethod. – Proceedings of International Symposium “Topical Problems of Nonlinear WavePhysics” NWP-2005, Russian Academy of Sciences, Institute of Applied Physics, NizhnyNovgorod, 2005,pp.

91-92.9.Sapozhnikov, O.A., Ponomarev, A.E., and Smagin, M.A. Transient acoustic holography fordiagnostic transducer characterization. - Book of Abstracts of the 2006 IEEE InternationalUltrasonics Symposium (Vancouver, Canada, 2006).10.Смагин М.А., Булатицкий С.И., Пономарёв А.Е., Сапожников О.А. Шлиренвизуализация низкоинтенсивных ультразвуковых полей. – Биомедицинские технологиии радиоэлектроника, 2006, №8-9, с.44-49.23.