Генерация и распространение сдвиговых волн в резиноподобных средах с неоднородностями сдвигового модуля (1102722), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В использовавшемся образце из 5% - го растворажелатина величина скорости сдвиговой волны сдвиговой волны составилаct = 0.9 ± 0.1 м/с.Максимальныесмещения,зарегистрированныевэксперименте,хорошосоответствуютрасчетам,выполненнымпотеоретическим формулам. Модуль сдвига, соответствующий найденнойскорости в желатиновом образце, равен μ = 0.8 ± 0.1 кПа. Сдвиговый модульобразца измерялся также независимо статическим методом с помощьюметодики описанной в §2.2. Проведенные измерения показали, что для 5% - гораствора желатина величина сдвигового модуля составляет 1.4 ± 0.2 кПа.Отличия в полученных величинах достаточно велики.
Было замечено, что припомещении желатиновых образцов в воду они быстро размягчаются, впитываяводу. Статические же измерения были проведены предварительно, со свежимиобразцами. В § 3.2 приведена методика и экспериментальная установка дляудаленной регистрации волн сдвига с помощью стандартной аппаратурыультразвуковой визуализации и терапии. Описанный выше методвозбуждения регистрации сдвиговых волн с помощью сфокусированныхультразвуковых пучков показывает принципиальную возможность измеренияскоростисдвиговыхволнврезиноподобных средах. В проведенныхсканертерапевтическая решеткаизмеренияхрегистрациясдвиговойволны осуществлялась по измерениюфазы пробного импульса отраженного отчастицы, внедренной в образец. Однако вреальных мягких биологических тканяхсложновыделитьодиночныйобразецрассеиватель ультразвука.
Поэтому былrприменен метод регистрации сдвиговыххсмещений, в котором анализировалсясигнал отраженный не единичнымрассеивателем, а группой рассеивателей.Приэтомдетектированиеосуществлялосьспомощью Рис. 6. Схема экспериментальноймедицинскогоультразвуковогоА - установки.15сканера, а волны сдвига генерировались фокусированной терапевтическойантенной решеткой. Для исследования упругих свойств использовалсярезиноподобный полимер - пластисол, сдвиговый модуль которого могварьироваться путем изменения концентрации "отвердителя" в процессеприготовления. Также в образец добавлялось небольшое количество мелкихчастиц, для обеспечения лучшей рассеивающей способности материала. Сцелью уменьшения расфокусировки акустического пучка при переходе из водыв резину, верхняя поверхность образцабыла подогнана под формутерапевтической решетки (рис.
6). Эксперименты по измерению скоростисдвиговой волны проводились с применением ультразвукового сканнера (ATL"Ultramark - 9"), который позволял пользователю наблюдать исследуемуюобласть в A -, B - и M - режимах сканирования акустического луча.Ультразвуковые сигналы, используемые для генерации смещений, излучалисьтерапевтической антенной решеткой "Imasonic 1588 A 102".
Эта решеткасостоит из 74 элементов, работающих на центральной частоте 1.25 MHz.Рабочая поверхность решетки выполнена в виде сферического сегмента, фокусее находился на расстоянии 10 см. Смещения внутри фантома создавалисьультразвуковым пучком за счет силы радиационного давления. Сигналы,излучаемые терапевтической решеткой, имели вид импульсов длительностьюот 10 до 150 мсек., в свою очередь сканер излучал короткие импульсыдлительностью 10 мкс с частотой заполнения 3.5 МГц и частотой повторения1 кГц. Измерения проводились следующим образом. Сначала включалсясканнер, который излучал импульсы в среду и записывал импульсы, рассеянныечастицами внутри образца вдоль выбранного направления.
Затем приработающем сканнере, включалась терапевтическая решетка Акустическиеимпульсы, принимаемые сканнером, оцифровывались каждую миллисекунду счастотой оцифровки 20 МГц, а затем сохранялись для последующей обработки.Для получения информации о смещениях внутри образца, был использованметод кросс-корреляционной обработки записанных акустических сигналов[M.O'Donnell, et. al., IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., Freq. Contr., v. 41, №. 3,pp.
314 - 325 (1994)]. При измерении скорости сдвиговых волн фокустерапевтической решетки электронным путем перемещался вдоль оси r наразные расстояния (рис. 6), линия сканирующего луча при этом сохраняласьнеизменной. Таким образом, сдвиговая волна проходила различные расстояниядо оси сканирующего преобразователя. На рис.
7 приведены профилисдвиговой волны, полученные при разных расстояниях между областьювозбуждения и областью регистрации сдвиговых волн. Экспериментальные168 ммсмещение, отн. единицы1.05данныеобозначеныточками,10 мм14 мм0.90линиями - аппроксимацияданных16 мм0.75полиномом. Чем больше расстояние,0.60пройденное волной - тем больше0.45задержкамаксимумасдвиговой0.30волны. По приведенным данным в0.15образце была определена скорость0.00сдвиговых волн, она составила02468102.6 ± 0.2 м/с,чтосоответствуетвремя, мсексдвиговомумодулювеличиной6.7 ± 0.6 кПа.Максимальные Рис.
7. Измеренные профили сдвиговойзарегистрированные смещения были волны на расстояниях 8, 10, 12 и 14 мм отобласти возбуждения. Точками обозначеныравны 15 ± 3 микрон. Теоретический экспериментальныеданные,линиями аппроксимациирасчет максимального сдвигового результатэкспериментальных данных полиномом.смещения по формуле (1) призаданных параметрах I0 = 400 Вт/см2, t0 = 10 мсек., α = 0.1 см-1, a = 1 мм,ρ = 1 г/см3 также дает величину 15 микрон. Сдвиговый модуль образца такжебыл измерен статически по вдавливанию твердого шарика. Было получено, чтоμ = 7.5 ± 0.7 кПа.В четвертой главе исследован процесс генерации и распространениясдвиговой волны в среде с термически индуцированной неоднородностьюсдвигового модуля.
Приведена методика определения температурныхизменений в фокусе мощного источника ультразвука. В § 4.1 представленыэкспериментальная установка и результаты регистрации температурныхизменений в материале по изменению профиля сдвиговой волны, генерируемойв нагретой области. Нагрев мягких биологических тканей приводит кизменению скорости поперечных волн звука.
Изменение скорости сдвиговыхволн влияет на процесс генерации сдвиговых волн, а именно на амплитудуволны сдвига. Как следует из (1) максимальное смещение в сдвиговой волнеобратно пропорционально скорости сдвиговых волн, поэтому в случаезависимости модуля сдвига от температуры амплитуда генерируемой сдвиговойволны будет зависеть от локальной температуры в области генерации. Дляпроведения экспериментов по возбуждению сдвиговых волн, в области нагревафокусированного преобразователя, был изготовлен образец в виде кубика состороной 40 мм из полимерного материала - пластисола.
Нагрев среды в фокусеультразвукового преобразователя приводит к изменению сдвигового модуля вданном объеме. Тепловая неоднородность сдвигового модуля, созданная при17помощи ультразвука, может быть определена с помощью предложенной в главе2 методики генерации и детектирования сдвиговых волн.
Для детектированиясдвиговой волны использовалась оптическая схема регистрации. Вприближении плоской волны, пиковое значение смещения сдвиговой волны,которая была возбуждена в среде с модулем сдвига μ1, а зарегистрирована всреде с модулем μ2, можно представить в виде:f (α , I 0 ,τ i )(2)u 2 = u1Tu =Tuμ1где u1 и u2 пиковое сдвиговое смещение, возбужденное в ненагретой и нагретойсреде соответственно, α - коэффициент поглощения продольных волнультразвука, I0 и τ - интенсивность и длительность импульса падающей2акустической волны соответственно, Tu =- коэффициент прохождения1 + z 2 z1сдвиговой волны по амплитуде, zn = ρn ctn - акустический импеданс сдвиговойволны,ρ n - плотность,ctn - скорость сдвиговых волн.
Значению n = 1соответствуют параметрам ненагретой, а n = 2 нагретой среды. Отношениепикового сдвигового смещения u2, возбужденного в нагретой среде, к пиковомусдвиговому смещению u1, возбужденному в отсутствие нагрева можно выразитьследующим образом:u22(3)=u1μ21+μ1В среде, в которой сдвиговый модуль уменьшается с ростом температуры, как виспользованном полимере, пиковое значение смещения будет увеличиваться.Локальный нагрев полимерного материала осуществлялся при фокусировке УЗпучка, при этом время экспозиции было фиксировано и составляло 16 сек.Нагрев до различных температур, не превышающих температуру плавленияполимера, создавался варьированием мощности УЗ пучка. В использовавшемсярежиме нагрева полная акустическая мощность пьезопреобразователяравнялась 5.8 Вт.
Затем тот же самый УЗ преобразователь излучал в уженагретую среду серию импульсов постоянной амплитуды и длительностью300 мксек. Каждый такой импульс возбуждал сдвиговую волну, котораярегистрировалась оптическим методом. Серия импульсов следовала через0.5 сек после окончания нагревающего излучения, что было достаточным дляполного затухания всех внутренних движений, вызванных нагревающимизлучением. С другой стороны, за это время тепло не успевает уйти из18смещение, мкмфокальнойобластизасчет4термодиффузии.Нарис.8представленыэкспериментальные3профилисдвиговойволны,22возбужденной в фокальной области1ультразвукового преобразователя, где1полимер был предварительно нагрет0ультразвуком до температур 42ºС и1234время, мс100ºС.
Сплошной линией показанисходныйпрофильволны,зарегистрированный при комнатной Рис. 8. Экспериментальные профилисдвиговыхволн,возбужденныевтемпературе.Пиковоесдвиговое фокальной области, нагретой УЗ пучком досмещение,зарегистрированноев 42 0С (кривая 1) и 100 0С (кривая 2).полимере, нагретом до температуры Сплошной линией показан исходныйпрофиль, полученный при комнатной100ºС, было в 1.5 раза больше, чем температуре (22ºС).такое же смещение, полученное прикомнатной температуре полимера. Это же соотношение амплитуд получается изформулы (3), где µ2 = 0.2 µ1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
