Автореферат (1104103), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Впоследнее время стали активно развиваться методы экстракорпоральнойударно-волновой терапии (ЭУВТ), использующие ударно-волновые поля длялечения повреждений опорно-двигательного аппарата и дегенеративнодистрофическихзаболеванийкостно-мышечныхтканей. Положительныйэффект при лечении ЭУВТ выражается в уменьшении или прекращении болей,восстановлении возможности движения в суставах, улучшении местногообмена веществ, восстановлении кровообращения тканей. Несмотря на то, чтоЭУВТ уже используется в клинической практике, до сих пор остаётсяоткрытым вопрос о причине положительного воздействия на ткани данногометода и структуре его ударно-волнового поля. Другим новым перспективныммедицинскимприложениемразрывныхволнявляетсяиспользованиерадиационной силы ультразвукового пучка для выталкивания фрагментовпочечных камней из почки.
В первых экспериментах по толканию камнейиспользовались диагностические ультразвуковые датчики (Philips ATL HDI C52 и ATL HDI P4-1), работающие не в режиме визуализации, а в режимеизлучения длинных миллисекундных импульсов. Для оптимизации параметровультразвуковых излучателей и протоколов облучения, обеспечивающих6эффективное воздействие на камень без повреждения почки, необходимыисследования пространственно-временной структуры нелинейных полей,создаваемых используемыми на данном этапе диагностическими датчиками.
Вдиссертации для описания нелинейных эффектов в полях современныхмедицинских устройств использовался комплексный подход, основанный насовместном применении взаимодополняющих экспериментальных и численныхметодов: граничное условие для численной модели ставилось на основе данныхэксперимента.Цельюдиссертационнойработысталоэкспериментальноеитеоретическое исследование особенностей проявления нелинейных эффектовпри отражении и фокусировке разрывных акустических волн в приложении кпроблемам аэроакустики и задачам диагностического и терапевтическогомедицинского ультразвука.В рамках указанной цели решались следующие конкретные задачи:1.
Разработка оптических методов измерений профилей N-волны в модельномэксперименте в воздухе. Определение условий применимости разработанныхметодов и их временного разрешения.2. Исследование нелинейного отражения N-волны от плоской жёсткойповерхности в воздухе и определение условий наблюдения нерегулярногорежима отражения.3. Численноемоделированиенелинейныхфокусированныхпучковпериодических волн и импульсов, создаваемых гауссовским и поршневымизлучателями.Исследованиевлияниявременнойструктурыволныиаподизации излучателя на предельно достижимые значения давления в фокусеи возможность образования пространственных структур типа «ножки» Маха врамках уравнения Хохлова-Заболотской-Кузнецова (ХЗК).4. Численное и экспериментальное исследование нелинейных эффектов вполяхсовременныхдиагностическихиударно-волновыхмедицинскихустройств.
Определение уровней акустического давления, при которых висследуемых полях образуется ударный фронт и проявляются эффектынасыщения параметров акустического поля.7Научная новизна работы:1. Показано,чтоприменениеоптическихметодов(шлирен–методаиинтерферометрии по схеме Маха–Цендера) позволяет количественно измерятьпрофили разрывных акустических волн, при этом временное разрешениешлирен-метода (3 мкс) определяется временем экспозиции высокоскоростнойкамеры, а временное разрешение в измерениях с помощью интерферометраМаха–Цендера (0.4 мкс) – шириной лазерного пучка.2.
Впервые экспериментально исследовано нерегулярное отражение N-волнысо значениями акустического числа Маха порядка 10-3 от жёсткой поверхностии измерены профили N-волны в окрестности тройной точки.3. Впервые численно исследовано влияние временной и пространственнойструктуры фокусированного акустического пучка на проявление эффектанасыщения и формирования структур типа «ножки» Маха вблизи оси пучка.4. Впервые исследованы особенности проявления нелинейных эффектов вфокусированных полях медицинских устройств ударно-волновой терапии(Duolith SD1) и диагностического ультразвука (решётка Philips C5-2) прииспользовании методов численного моделирования с граничными условиями,полученными из эксперимента.Практическая значимость работы:1.
Развитый оптический метод измерения профиля сферической N-волны спомощьюинтерферометраМаха–Цендераявляетсяперспективнымдляколичественного измерения профилей разрывных акустических волн в воздухеи калибровки широкополосных микрофонов.2. Определены соотношения между углом падения и амплитудой N-волны, прикоторыхнаблюдаетсянерегулярныйрежимотражениясферическирасходящейся N-волны от плоской жёсткой поверхности в воздухе.3.
Развитаячисленнаямодельнелинейнойфокусировкиразрывныхпериодических и импульсных полей позволяет описывать пространственновременнуюструктуруиоцениватьсимметричных акустических пучках.8уровнинасыщенияваксиально-4. Проанализированынелинейныеэффектывакустическихполяхсовременных диагностических (решётка Philips C5-2) и ударно-волновых(Duolith SD1) медицинских излучателей для различных режимов их работы.Выполненные расчёты могут использоваться для оптимизации параметровультразвуковых излучателей в различных медицинских приложениях и дляразработки оптимальных протоколов облучения.Достоверность представленных в диссертационной работе результатовподтверждается проверочными численными и физическими экспериментами, атакже соответствием результатов экспериментов априорной информации,теоретическим расчётам и данным, полученным в работах других авторов.Положения, выносимые на защиту:1.
Оптические методы (шлирен-метод и метод измерения с помощьюинтерферометра Маха–Цендера) позволяют количественно восстанавливатьпрофили разрывных акустических волн. Временное разрешение в методеинтерферометрии по схеме Маха–Цендера (0.4 мкс) в шесть раз превышаетразрешение современных конденсаторных микрофонов, что делает возможнымего использование для калибровки широкополосных измерительных устройств.2. Нерегулярное отражение нелинейной сферически расходящейся N-волны(акустические числа Маха порядка 10-3), создаваемой искровым источником ввоздухе, от плоской жёсткой поверхности имеет динамический характер инаблюдается при значениях соответствующего критического параметраменьших 1.1 ± 0.3.3. Насыщениепиковогоположительногодавлениявфокусированныхпериодических ультразвуковых полях связано в основном с нелинейнымпоглощением на ударном фронте волны, а в импульсных полях - с эффектомнелинейной рефракции.
Образование пространственной структуры типа«ножки» Маха в фокальной области пучка может быть описано с помощьюуравнения ХЗК.4. Комплексный теоретико-экспериментальный подход, заключающийся вчисленном решении нелинейных уравнений (теория) при использованииизмеренных граничных условий (эксперимент), позволяет с хорошей точностью(3-5%) описывать трёхмерные нелинейные поля современных диагностическихи ударно-волновых медицинских устройств.9Апробация работыОсновные результаты исследований, представленных в диссертации,докладывались и обсуждались на следующих профильных научных российскихи международных конференциях: на 162, 166, 168 и 169-й сессияхАмериканского акустического общества (Сан-Диего, 2011; Сан-Франциско,2013; Индианаполис, 2014; Джэксонвилл, США, 2015), на XII Всероссийскойшколе-семинаре(Звенигород, 2010),«ВолновыенаявленияВсероссийскойвнеоднородныхшколе-семинаресредах»«Волны-2013»(Красновидово, 2013), на Международном конгрессе по ультразвуку (Гданьск,Польша, 2011), на XIV и XV сессиях Российского акустического общества(Саратов, 2011; Таганрог, 2012), на совместной конференции Французскогоакустического общества и Европейской ассоциации акустиков «Акустика-2012»(Нант, Франция, 2012), на 21-м Международном конгрессе по акустике (ISA21,Монреаль, Канада, 2013), на 3, 4 и 5-й Международных школах потерапевтическому ультразвуку (Лез Уш, Франция, 2011, 2013, 2015), на Летнейшколе по нелинейной акустике и неоднородным средам (Олерон, Франция,2014), на 1-й Всероссийской акустической конференции (Москва, 2014), наXXII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных«Ломоносов-2015» (Москва, 2015), на 20-м Международном симпозиуме понелинейной акустике (ISNA20, Лион, Франция, 2015), а также обсуждались нанаучных семинарах кафедры акустики физического факультета МГУ иАкустического института имени академика Н.Н.
Андреева.Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 12-02-31830-мол_а, 1202-09249, 12-02-16094, стипендии Американского Акустического Общества,стипендии фонда Дмитрия Зимина «Династия» и стипендии французскогоправительства для подготовки диссертации в рамках договора о сотрудничествемежду Высшей центральной школой г.
Лиона и физическим факультетом МГУимени М.В. Ломоносова. Экспериментальная часть работы, связанная саэроакустическими измерениями, проводилась в Высшей центральной школег. Лиона. Вычислительные ресурсы были предоставлены СКЦ МГУ.10ПубликацииМатериалы диссертации опубликованы в 24 печатных работах, списоккоторых приводится в конце автореферата, из них 10 статей в научныхизданиях из списка ВАК.Структура и объем диссертацииДиссертациясостоитизвведения,четырёхоригинальныхглав,заключения, одного приложения и библиографии. Общий объём работысоставляет 123 страницы, включающих 74 рисунка и 2 таблицы.
Библиографиявключает 128 наименований на 8 страницах.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при её непосредственном участии.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертационнойработы, излагается современное состояние проблемы, формулируется общаяпостановка задачи, описывается краткое содержание работы по главам.Первая глава посвящена оптическим методам измерений профилейдавления N-волны, создаваемой искровым источником в воздухе. В § 1.1представлен обзор литературы по возможным методам измерений акустическихразрывных волн, а также обсуждаются недостатки измерений N-волны припомощи современных конденсаторных микрофонов.
Предлагается использование оптических методов измерений профилей волн как альтернативныхакустическим методам.В § 1.2 приводится описание экспериментальной установки, созданнойавтором в Высшей центральной школе г. Лиона, для оптических измеренийсферически расходящейся N-волны в однородном воздухе с помощью шлирен–метода (рис. 1).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
