Томография термоакустических свойств среды и акустического нелинейного параметра (1105021)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. М.В. ЛОМОНОСОВАФизический факультетНа правах рукописиУДК 534.8 : 519.24534.1./2 : 534.7ЕВТУХОВ Семен НиколаевичТОМОГРАФИЯ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКИХСВОЙСТВ СРЕДЫ И АКУСТИЧЕСКОГОНЕЛИНЕЙНОГО ПАРАМЕТРАСпециальность: 01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московскогогосударственного университета им. М.В.
Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор БУРОВ Валентин АндреевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,проф. КАРАБУТОВ Александр Алексеевич,МЛЦ МГУ им. М.В. Ломоносовакандидат физико-математических наук,доцент ДЕМИН Игорь Юрьевич,ННГУ им. Н.И. ЛобачевскогоВедущая организация:Институт радиотехники и электроникиРАН, Фрязинский филиалЗащита диссертации состоится “ 1 ”ноября2007 г. в 15 . 00 часов назаседанииСпециализированногоСоветаД.501.001.67вМГУим. М.В.
Ломоносова по адресу: 119992, г. Москва, ГСП-2, Ленинские Горы,МГУ, физический факультет, Центральная физическая ауд. им. Р.В. ХохловаС диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ им М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “ 28 ”сентябряУченый секретарьСпециализированного Совета Д.501.001.67кандидат физико-математических наук22007 г.А.Ф. КОРОЛЕВОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.Актуальность темыВ настоящее время проблема ранней диагностики различныхонкологических заболеваний является крайне актуальной.
По данным AmericanCancer Society [1], в 2003 году более чем у двухсот тысяч американскихженщин был обнаружен рак груди, причем смертельный исход наступил всорока тысячах случаев. Таким образом, необходимость проведения регулярнойдиагностики как молочной железы (ввиду наибольшей распространенностизаболевания этого органа), так и всего организма в целом продиктованасложившейся обстановкой.Для решения диагностических задач, в медицине с разной степеньюуспешности используются такие методы как ИК-тепловидение [2, 3], СВЧрадиометрия [3, 4], ЯМР-диагностика [5], ультразвуковая интроскопия [6].Среди перечисленных методов, наиболее информативным является методядерно-магнитного резонанса.
ЯМР томография обладает высокойразрешающей способностью и позволяет производить качественнуюклассификацию внутренней структуры объекта. Однако ЯМР томография такжеимеет и существенные недостатки, выражающиеся в невозможности измеренияколичественных характеристик тканей и, главное, высокой стоимостиоборудования и больших эксплуатационных расходов. В связи с этим, невидится реальной и скорой перспективы массового применения ЯМРтомографии.
Для оснащения большого количества медицинских учрежденийтребуются более доступные методы диагностики.Пассивная регистрация собственного электромагнитного излучениянагретой среды, лежащая в основе методов ИК-тепловидения и СВЧрадиометрии, является их большим преимуществом по сравнению с активнымисистемами (ЯМР, УЗИ). Оба метода обладают высокой чувствительностью кизмерению температуры (доли градуса). Однако присутствие большогоколичества воды в организме человека создает электромагнитный экран,препятствующий получению данных с глубины, превышающей скин-слой.Таким образом, обладая высоким разрешением (около 30 мкм ), ИК-тепловизорможет измерить температуру только поверхностного слоя, т.к. толщина скинслоя составляет доли миллиметра.
В то же самое время, более низкочастотныйметод СВЧ радиометрии позволяет производить измерения распределениятемпературы на глубине до 3 ÷ 5 см с точностью 0.5 К [4], но уже с гораздоболее низким пространственным разрешением ~1 ÷ 1.5 см .Разрешение, необходимое для диагностики, должно составлять единицы3миллиметров и выше, в то время как точность восстановления температурыдолжна быть не хуже 0.5 ÷ 1 К . Перспективной альтернативой описаннымметодам является акустическая интроскопия.
Акустические волны с частотами1÷ 5 МГц слабо затухают в биологических объектах, и, следовательно, имеютбольшую глубину проникновения. Длина волны в этом диапазоне λ ≤ 1.5 мм , чтопозволяет получить высокое пространственное разрешение, которое необходимодля локализации злокачественного новообразования на ранней стадии.Используемые амплитуды акустических волн при диагностике не приносят вредабиологическим тканям. Главным преимуществом перед ЯМР является стоимостьизмерительной аппаратуры и малые затраты на обслуживание.
Таким образом, ввидусовокупного преимущества акустических методов, продолжает оставатьсяактуальным их дальнейшее развитие, с целью получения характеристик,необходимых для эффективной медицинской диагностики опухолевыхзаболеваний и сопровождения процесса их лечения.Цели и задачиВ настоящей диссертационной работе предложено два различныхподхода к процессу акустической диагностики, в результате чего сама работаразделена на две части. В первой части диссертации описан метод, основанныйна регистрации собственного термоакустического излучения, который нацеленна восстановление таких характеристик среды, как температура, коэффициентакустического поглощения, фазовая скорость звука.
Подход используетволновое описание процесса термоизлучения, распространения и рассеянияакустических волн. С помощью антенной решетки с большим числомпреобразователейпринимаются,атакжеизлучаютсядлительныеширокополосные акустические сигналы, с амплитудой, сравнимой стермошумами исследуемой среды. В результате этих измерений строитсякорреляционная матрица принятых сигналов, на основании которой ипроизводится восстановление описанных характеристик среды.В подходе, описанном во второй части диссертационной работы,восстанавливаетсяпространственноераспределениенелинейногоакустического параметра. Подход основан на решении самостоятельного видаобратных волновых задач, тесно связанных с процессом одновременной оценкираспределения линейных и нелинейных параметров среды. Данный подходиспользует эффект рассеяния звука на звуке в сочетании с широкополосноймодуляцией первичных волн, что позволяет применять когерентную временнýюобработку сигналов высокой сложности (типа многоканальной согласованнойфильтрации) вместо трудоемких процессов пространственной обработки.
Тем4самым, на временнýю обработку переносится основная информационнаянагрузка и, как следствие, существенно сокращается число приемных иизлучающих преобразователей.Общей целью настоящей работы являлась разработка новыхтомографических методов акустической диагностики и проведение модельныхчисленных и физических экспериментов, подтверждающих принципиальнуювозможность и практическую реализуемость предложенных методов.Целями первой части работы, посвященной термотомографии, являлись:I.Исследованиепринципиальныхвозможностей,достижимыххарактеристик и принципиальных ограничений при корреляционнойтермоакустической томографии.II.Исследование схем реализации активно-пассивного режиматермоакустического корреляционного томографирования с использованиемпредварительной фокусировки акустических полей.Вторая часть работы (томография нелинейного акустического параметра)преследовала следующие цели:III.
Исследование принципиальной осуществимости и возможныхметодов томографирования распределения акустического нелинейногопараметра с использованием эффекта рассеяния звука на звуке, т.е.нелинейного взаимодействия широкополосных кодированных первичныхполей излучаемых и регистрируемых малоэлементной антенной решеткой.IV. Исследованиеразличныхпрактическихсхемиметодоввосстановления распределения нелинейного параметра и картиныкровоснабжения в процессе нелинейного томографирования.Научная новизна работы1.2.3.В работе впервые:Экспериментально продемонстрировано, что в термоакустическойтомографии при корреляционной обработке выделяемый сигналпропорционален разности локальной температуры и температурыфонового излучения от области, находящейся в зоне чувствительностиприемных преобразователей.Теоретически и экспериментально показано, что при анизотропнойтемпературе фонового излучения возникает возможность раздельнойрегистрации рассеяния от неоднородности скорости и поглощения.Предложена новая модель термоакустической томографии, сочетающаяпредварительную фокусировку полей и корреляционную обработкузарегистрированных данных.
В рамках модели удается повысить54.5.чувствительность системы к термоакустическому излучению и упроститьсхему анизотропной «подсветки».Предложен и реализован волновой анализ проблемы томографиинелинейного параметра, использующий эффект рассеяния звука на звукеи широкополосные кодированные первичные волны.Предложен и реализован метод процесса восстановления картиныкровотока в составе томографа нелинейного параметра.Достоверностьпредставленныхрезультатовдиссертацииподтверждается проверочными численными и физическими экспериментами,совпадением данных, полученных в этих экспериментах, а также соответствиемрезультатов экспериментов априорной информации, теоретическим расчетам иданным, полученным в работах других авторов.Научная и практическая значимость работы1.2.3.4.Проведенное исследование физических процессов собственногоакустического излучения нагретых объектов позволяет реалистическиоценить возможности и трудности реализации активно-пассивногорежима термотомографирования.
Предложенная теоретическая модельявляетсядостаточнойдлядальнейшейразработкисистемтермотомографирования, являющихся эффективным и надежныминструментом медицинской диагностики.Предложенный метод термотомографирования с использованиемпредварительной фокусировки полей позволяет существенно упроститьтехническую реализацию системы, за счет сокращения числаприемоизлучающих преобразователей, усилителей, корреляторов.Благодаря этому также сокращается время измерений (критичныйпараметр для медицинских приложений), упрощается схема обработкиполученныхданных.Использованиеподобногоустройствапредставляется перспективным в процедуре сопровождения леченияраковых заболеваний путем гипертермии или термоабляции.Описаннаяметодикатермотомографированияпредоставляетвозможность одновременного восстановления таких количественныххарактеристик,как:температура,коэффициентакустическогопоглощения, неоднородность скорости звука в ткани.Теоретически и экспериментально продемонстрировано существованиенелинейно-рассеянныхполейвнеобластивзаимодействиянеколлинеарных первичных сигналов за счет наличия в рассеивателе65.6.7.неоднородностей нелинейного параметра.Предложенная схема томографирования нелинейного параметра обладаетрядом преимуществ.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
