Нелинейные и дифракционные эффекты в импульсных системах ультразвуковой диагностики

На правах рукописиУДК 534.2Пономарев Анатолий ЕвгеньевичНЕЛИНЕЙНЫЕ И ДИФРАКЦИОННЫЕЭФФЕКТЫ В ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМАХУЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДИАГНОСТИКИ( 01.04.06 – акустика )Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква, 2007г.Работа выполнена на кафедре акустики физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Кандидат физико-математических наук, доцент,Олег Анатольевич СапожниковОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессор,Михаил Николаевич Рычагов,Московский институт электронной техникиКандидат физико-математических наук, зав.

лабораторией,Андрей Петрович Брысев,Научный центр волновых исследованийИнститута общей физики имени А.М. Прохорова РАНВедущая организация:Акустический институт имени академика Н.Н. АндрееваЗащита диссертации состоится 21 февраля 2008 года в 16:00 часов назаседании Диссертационного Совета Д 501.001.67 в МГУ им. М.В. Ломоносовапо адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские Горы, МГУ, физическийфакультет, физическая аудитория им. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «24» декабря 2007 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук2А.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы обусловлена важностью рассматриваемыхзадач ультразвуковой диагностики для многих современных медицинскихприложений.

Качественное улучшение техники в последние годы требует какразвития новых методов обработки данных, так и использования длядиагностики новых физических эффектов.Одним из наиболее ярких примеров такого применения новыхфизических эффектов является разработка режимов диагностики ткани,основанных на акустической нелинейности среды. Указанные режимы уженесколько лет используются на практике.

Детальное понимание происходящихфизических эффектов при распространении диагностических импульсов вбиологических средах представляет особую значимость как для улучшениясуществующих ультразвуковых систем, так и для разработки новых методикдиагностики.

Данные задачи актуальны и с общефизической точки зрения, таккак связаны с исследованием нелинейно-волновых явлений в фокусированныхакустических пучках со сложной геометрией без аксиальной симметрии.Аналитические решения для акустических полей реальных ультразвуковыхдатчиков удается найти только в исключительных случаях, поэтому большоевнимание уделяется развитию численных моделей и их усовершенствованию.Численная модель, предложенная в данной диссертационной работе, не толькокачественно описывает эффекты, происходящие в акустических пучках, но ипозволяет добиться количественного совпадения с экспериментом.Этовыводит численное моделирование в задачах медицинской диагностики напринципиальнооказываютсяновыйнадежнымуровень:разработанныеинструментомчисленныеколичественногоалгоритмыанализаполейдатчиков при их сертификации перед использованием в клиниках.Следующейактуальнойзадачеймедицинскойдиагностики,рассмотренной в данной работе, является изучение колебаний поверхностейимпульсных диагностических датчиков.3Сложная геометрия реальныхдатчиков обычно еще усложняется и неоднородностью колебаний ихповерхностей.Для точного предсказания акустических полей реальныхимпульсных излучателей необходимо знать зависимость колебательнойскорости от времени в каждой точке излучающей поверхности.Наиболееизвестный способ непосредственного измерения колебательной скорости – этометод лазерной виброметрии, однако он имеет ряд ограничений дляприменения в жидкостях.

В данной работе приводится численное обоснованиеметода нестационарной акустической голографии, который основан наизмерении акустического поля с последующим расчетом колебательнойскорости на излучателе.Приводится расчет необходимых параметровэкспериментальной установки для успешного восстановления колебательнойскорости и предлагается метод численной обработки экспериментальныхданных. Метод акустической голографии уже зарекомендовал себя как оченьэффективныйопределенияспособнепрерывных сигналов.продемонстрировать,характераколебанийизлучателейЗадача же данной работы была в том, чтобычтосовременнаяэкспериментальнаятехникаивычислительные методы позволяют добавить временнýю переменную вданную задачу и использовать голографию для импульсных сигналов.Последняя часть работы идейно связана с указанной выше задачейнестационарной голографии, хотя и отличается по своей постановке.Онапосвящена обращению времени в ультразвуковых системах и возможностивременнойВкомпрессиирассматриваемойизадачеусиленияимпульсультразвуковыхспециальноимпульсов.подобраннойформыпропускается через среду с пространственной дисперсией.

В работе показано,чтоеслиформаимпульсасоответствующимобразомсогласованасхарактеристиками среды, то импульс на выходе из среды может быть болеекоротким и иметь большее пиковое давление по сравнению с исходнымсигналом. В качестве среды с пространственной дисперсией рассматриваласьодномерная слоистая среда.Проведено численное моделирование таких4систем, создана методика подбора оптимальных параметров импульса и среды,а также экспериментально продемонстрированы компрессия и усилениеимпульсов.Цель работы:Целью диссертационной работы являлось развитие новых подходов кисследованию распространения и генерации ультразвуковых импульсов.Всоответствии с поставленной целью было намечено решение следующихпрактически важных задач:• Разработка теоретических моделей и численных алгоритмов для описанияакустических фокусированныхполей диагностических датчиков безаксиальной симметрии с учетом нелинейных и дифракционных эффектов,поглощения и дисперсии скорости звука.• Теоретическоеисследованиедиагностикибиологическихтканейсиспользованием высших гармоник, возникающих в среде за счет ееакустической нелинейности.• Теоретическоеисследованиеиразработкачисленноймоделинестационарной акустической голографии.• Теоретическое исследование необходимых параметров экспериментальныхустановок для осуществления нестационарной акустической голографиидиагностических датчиков.• Экспериментальное и теоретическое исследование возможности компрессиии усиления ультразвуковых импульсов в неоднородной слоистой среде.Научная новизна работы:• Развитановаячисленнаямодель,позволяющаярассчитыватьполяультразвуковых диагностических датчиков без аксиальной симметрии сучетомнелинейности,дисперсиичастотного закона поглощения среды.5скоростизвукаипроизвольного• Теоретически исследована диагностика с использованием нелинейностисреды и численно продемонстрированы преимущества диагностики навторой гармонике, а также впервые численно обоснованы методывыделения нелинейного отклика среды.• Разработанитеоретическиобоснованновыйметодакустическойголографии для исследования импульсных источников.Выявленытребования к экспериментальным средствам для построения системынестационарной голографии и проведен демонстрационный эксперимент.• Предложен и экспериментально опробован новый оригинальный методкомпрессии и усиления ультразвуковых импульсов в одномерных слоистыхструктурах.Построен и обоснован регулярный алгоритм подборапараметров указанных систем компрессии.Научная и практическая значимость работы:• Разработанный оригинальный численный метод и соответствующий пакетпрограммпозволяютмоделироватьакустическиеполяреальныхультразвуковых датчиков.

Результаты расчета количественно согласуются сэкспериментом.• Разработанныепространственнойметодикипозволяютструктурыпроводитьакустическогополяанализдлясложнойразличныхгеометрических конфигураций и различного порядка пространственнойдискретизации ультразвуковых излучателей.• Предложенный метод нестационарной акустической голографии позволяетпроводитьдетальныйанализхарактеристикколебанийповерхностиреальных импульсных датчиков в системах медицинской диагностики инеразрушающего контроля.• Предложенный метод компрессии и усиления ультразвуковых пучковоткрывает новые возможности по созданию источников мощных короткихультразвуковых импульсов.6• Все результаты теоретических исследований, выполненных в диссертации,доведены до простых численных моделей и на их основе разработаныпакетыпрограмм,позволяющиеэффективномоделироватьзадачинелинейной диагностики, нестационарной акустической голографии икомпрессии ультразвуковых импульсов.Положения, выносимые на защиту:• Поля ультразвуковых диагностических датчиков без аксиальной симметриимогут быть с высокой точностью количественно исследованы на основеразвитой в работе комплексной теоретической и численной модели,описывающей распространение мощных импульсов в среде с учетомакустической нелинейности, дисперсии скорости звука и произвольногочастотного закона поглощения среды.

Развитая модель позволяет провестисравнительнуюоценкукачествалинейныхинелинейныхметодовдиагностики тканей.• Предложенный новый метод нестационарной акустической голографиипозволяет количественно исследовать особенности колебания поверхностиисточников ультразвука и предсказывать пространственно-временнуюструктуру излучаемых акустических полей.Для достижения высокойточности голографии для каждого конкретного источника необходимоосуществить оптимизацию процесса сбора данных на основе построенного вработечисленногоалгоритмарешенияпрямойиобратнойзадачраспространения акустических импульсов.• Одномерныеслоистыеструктурымогутосуществлятьвременнуюкомпрессию и усиление акустических импульсов при условии взаимногосогласования формы импульсного сигнала и параметров слоистой среды всоответствии с разработанным в работе алгоритмом.

Структуры из 1-3 слоёвпозволяют укоротить сигнал и повысить его пиковое значение в 2-3 раза. Сростом количества слоёв эффективность компрессии возрастает.7Апробация работыМатериалыдиссертациидокладывалисьна2-йМеждународнойконференции «Фундаментальные проблемы физики» (Саратов, 2000 г); на X,XI, XV, и XVII сессиях Российского Акустического Общества (Москва, 2000 и2002; Нижний Новгород, 2004; Таганрог, 2006); на Международномсимпозиуме по нелинейной акустике - ISNA16 (Москва, 2002); на 3-емМеждународном симпозиуме по терапевтическому ультразвуку – ISTU3(Франция, Лион, 2003); на научной школе "Нелинейные волны-2004" (НижнийНовгород, 2004); на II Евразийском конгрессе по медицинской физике иинженерии "Медицинская физика - 2005" (Россия, Москва, 2005); намеждународной конференции "Forum Acusticum 2005"(Венгрия, Будапешт,2005), а также обсуждались на научном семинаре д.ф.