Томография термоакустических свойств среды и акустического нелинейного параметра (1105021), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Для проведения двумерного томографированиятребуется небольшое число электроакустических датчиков, времяизмерений невелико. Вместе с тем, точность измерения нелинейногопараметра и пространственная разрешающая способность удовлетворяютпотребностям медицинской диагностики.Предложенная методика восстановления движения нелинейныхрассеивателей позволяет получать карту полных векторов скоростейкровотока – важного диагностического параметра. Преимуществопредложенного подхода состоит в возможности использования ужеполученных первичных данных томографирования нелинейногопараметра, т.е. не требует дополнительных измерений.Методика томографирования нелинейного параметра может бытьиспользована в дефектоскопии и других системах томографии.Основные положения, выносимые на защиту1.2.3.4.5.Корреляционное обнаружение термоакустических сигналов от тонкойпластины с отличными от окружающей среды коэффициентомпоглощения, значением фазовой скорости звука и температуры.Доказательство определяющего влияния на величину и знаккорреляционной функции разности локальной температуры итемпературы фонового излучения области, находящейся в зонечувствительности приемных преобразователей.Возможность раздельной регистрации рассеяния от неоднородностискорости и поглощения при анизотропной температуре фоновогоизлучения.Метод восстановления картины пространственного распределенияакустического нелинейного параметра, основанный на эффекте рассеяниязвука на звуке и использующий первичные сигналы со сложноймодуляцией и широким спектром при малом количестве излучающих иприемных преобразователей.Метод восстановления картины кровотока в процессе нелинейноготомографирования.Апробация работыМатериалы диссертации докладывались на отечественных и зарубежныхсимпозиумах и конференциях: 27-й международный симпозиум по7Акустической Визуализации (International Symposium on Acoustical Imaging,Германия, 2003), XI международная конференция студентов, аспирантов имолодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2004» (Москва,2004), XV сессия Российского Акустического Общества (Нижний Новгород,2004), XVI сессия Российского Акустического Общества (Москва, 2005), IIЕвразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «Медицинскаяфизика-2005» (Москва, 2005), X всероссийская школа-семинар «Волновыеявления в неоднородных средах» (Звенигород, 2006).
А также на научныхсеминарах кафедры акустики физического факультета МГУ и Institute forPolymer Testing and Science (IKP-ZFP), Штутгартского университета(Германия).РаботавыполненаприподдержкегрантаПрезидентаРФ№ НШ-4449.2006.2 и гранта РФФИ № 07-02-00239а.ПубликацииОсновные результаты диссертации изложены в 12 работах [А1-А12],приведенных в конце автореферата, в том числе 4 статьи в реферируемыхжурналах.Личный вклад автораАвтор принимал непосредственное участие на всех этапах исследований,изложенных в диссертационной работе. Эти этапы заключались в разработкетеории, выполнении предварительных оценок, подготовке всех видовпрограммного обеспечения, выполнении измерений и подготовке публикацийрезультатов. Все экспериментальные данные, обсуждаемые в работе, былиполучены самостоятельно.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из общего вводного раздела, двух относительнонезависимых частей со своими обзорами литературы, аннотациями, основнымтекстом и заключением.
Список цитируемой литературы включает 143наименования, общий объем работы составляет 200 страниц, включая 182страницы текста и 46 рисунков.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВ первом разделе дана общая характеристика работы, обосновываетсяактуальность избранной темы, формулируются основные цели и задачи работы,положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.Изложение основного материала разделено на две части. В конце приводятся8основные результаты и выводы.Содержание первой частиЧасть I диссертационной работы посвящена корреляционным методамакустической термотомографии.
Глава I.1 носит вводно-постановочныйхарактер, в ней приводится обзор литературы, посвященный методамтермотомографии,формулируетсяактуальностьзадачирегистрациираспределения температуры внутри тела человека. Например, в [3] отмечается,что злокачественные новообразования желудка вызывают повышениетемпературы на (0.5 ÷ 0.8) oC по сравнению с нормой, максимальный разброскоторой ± 0.4 oC , а при болезнях печени (гепатит, холецистит) наблюдаетсяповышение температуры на(0.8 ÷ 2.0) oC .Таким образом, информация отемпературе исследуемого органа облегчает раннюю диагностику приразличных патологиях и, как указывается в [2], по наличию в теле человека зонс аномальной температурой, позволяет распознать более ста заболеваний.Помимо диагностических приложений, контроль глубинной температурытакже необходим при гипертермии [7] или термоабляции [8], когда опухольнагревается внешним источником до определенной температуры.
Очень важноудерживать этот локальный нагрев в жестких температурных рамках.Например, оптимальной температурой при гипертермии является 42 oС , а порогбезопасности – 45 oС . В настоящее время внутреннюю температуру в областинагрева измеряют, вводя в тело пациента специальные катетеры. Ситуацияосложняется тем, что введение внутрь тела термопар вызывает ответнуюреакцию организма и искажает действительное распределение температуры.Поэтому, желателен безболезненный неинвазивный контроль, с помощьюкоторого можно обеспечить достаточную глубинность и точность измерений.В главе I.1 обосновывается выбор корреляционного подхода средиразличных методов акустической термотомографии.
Корреляционнаяобработка сигналов, сфазированных путем компенсации разностных илисуммарных задержек, позволяет восстановить в каждой пространственнойточке r следующие характеристики объекта: коэффициент вязкости b(r ) ,пропорциональный коэффициенту поглощения, неоднородность фазовойскорости звука ν(r ) , собственную температуру T (r ) и температуру фоновогоизлучения Tbg (r ) . Под Tbg (r ) подразумевается температура, которую имело быакустически абсолютно черное тело, помещенное в данную точку r идостигшее состояния термодинамического равновесия с окружающимакустическим излучением.9Нагретый или охлажденныйпоглотительРис.
1.Схема корреляционныхизмеренийтермоакустическихполей тонкого слоя.ϕ 02Преобразователь 4ϕ 01 − δϕ1− δϕ 2x1ϕTϕ 01Преобразователь 3ϕ 02 − δϕ 2− δϕ1ϕTx2Преобразователь 2Преобразователь 1Слой с рефракцией и поглощениемКорреляторВ главе I.2 обсуждаются принципы корреляционного обнаружениясобственного и рассеянного термоакустического излучения. Для этогорассматривается простая модель тонкого поглощающего слоя с рефракцией(рис. 1), позволяющая реализовать наглядный вывод теоретических положенийдля случая плоских волн.
Получено, что для изотропного фонового поля(подсветки) корреляционная томография возможна только при совместномиспользовании режимов работы на суммарных и разностных задержках(активный и пассивный режимы соответственно). Показано, что при работе впассивном режиме можно зарегистрировать только неравновесную частьтермоакустического излучения, пропорциональную разности акустояркостныхтемператур фонового поля и собственной температуры объекта:Re Γ1 2 (τ = τ1−2 ) = A (b) [T − Tbg ] ;(1)−12Im Γ1 2 (τ = τ ) = 0 .ЗдесьA(b)–коэффициент,пропорциональныйb;функцияΓik ( τ) ≡ Re Γik + i Im Γik = ϕ i (t )ϕ∗k (t + τ) – функция взаимной когерентности, онабудет иметь максимум при времени задержки τ = τik , компенсирующейразличие во времени прихода сигнала на приемные преобразователи i и kсоответственно (рис.
1). Такая задержка означает «фазирование» наопределенную область пространства. Для разностных задержекτ = τik−компенсируется разность времени распространения сигнала от исследуемойточки области до одного и другого приемного преобразователя. Прифазировании на суммарных задержках τ = τik+ компенсируется время, требуемое10для прохождения сигнала от одного преобразователя до исследуемой точкиобласти и, далее, до другого приемного преобразователя (этот режиманалогичен системе активной локации).
Показано, что для изотропногофонового поля при работе в активном режиме регистрируемый сигналпропорционален абсолютной температуре фонового излучения, рассеянного наобъекте:Re Γ3 2 ( τ = ± τ 3+2 ) = − 0.5 A(b) Tbg + B( ν 2 ) Tbg ;(2)+32Im Γ3 2 ( τ = ± τ ) = C ( ν) Tbg .Коэффициенты C (ν) и B(ν 2 ) пропорциональны, соответственно ν и ν 2 .В главе I.2 показано, что линейная комбинация (сумма или разность)функций когерентности, полученных при анизотропной подсветке первого иливторого приемников, позволяет производить раздельное восстановлениекомбинации акустических (поглощение и неоднородность скорости звука) итемпературных параметров при работе только на разностных задержках (такойрежим более предпочтителен для томографа). Для реализации такого режиманеобходимо проведение двух серий экспериментов, в каждой из которых«подсвечен» только один приемник.
Например, в первой серии толькотемпература поля ϕ01 , регистрируемого приемником 1 (рис. 1), отличается отT : Tbg(1) = T + δT (1) ; Tbg(2 ) = T ; функцию когерентности обозначим как Γ12( I ) .Результатом второй серии измерений является Γ12( II ) , полученная в аналогичнойситуации, только теперь подсвечен приемник 2: Tbg(1) = T ;Наиболее интересным представляется частный случайTbg( 2 ) = T + δT ( 2 ) .δT ≡ δT (1) = δT ( 2 ) ,позволяющий проиллюстрировать преимущества комбинаций Γ12( I ) ± Γ12( II) :Re Γ12(I) (τ1−2 ) + Re Γ12( II) (τ1−2 ) = − A(b) δT ;Re Γ12(I) (τ1−2 ) − Re Γ12(II) (τ1−2 ) = 0 ;Im Γ12( I) (τ1−2 ) + Im Γ12( II) (τ1−2 ) = 0 ;Im Γ12(I) (τ1−2 ) − Im Γ12(II) (τ1−2 ) = 2C (ν) δT .(3)Благодаря этому удается осуществить раздельное восстановлениехарактеристик поглощения и неоднородности скорости звука.В этой главе также рассмотрена возможность обобщения результатов наслучай кольцевой томографической системы.В главе I.3 описана схема и результаты физического эксперимента,носящего в определенном смысле «ключевой» характер, по восстановлениютермоакустических характеристик объекта.
В эксперименте полученырезультаты, достаточные для подтверждения теоретических заключений,приведенных в главе I.2.11В эксперименте использовалась пара преобразователей, имеющих полосурабочих частот (890 ± 100 ) кГц и усилители, сконструированные по полностьюсимметричной парафазной схеме, имеющие низкий шум-фактор ~ (1.5 ÷ 2 ) дБ .Сигналы с усилителей подвергались корреляционной обработке, для чего былареализована схема оцифровки с частотой 2.5 МГц и промежуточнойоперативной обработки сигналов, поступающих порциями по 1024 временны´хотсчета с двух приемников.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
