WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Смагин Михаил Александрович ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕТОДАМИ АКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ И ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ Специальность 01.04.06 – акустика А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2007

Работа выполнена на кафедре акустики физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ).

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук Сапожников О.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Гаврилов Л.Р.

кандидат физико-математических наук Демин И.Ю.

Ведущая организация:

Московский инженерно-физический институт (государственный университет) (МИФИ)

Защита диссертации состоится « 24 » мая 2007 года в 16 часов на заседании Диссертационного Совета Д.501.001.67 в МГУ им. Ломоносова по адресу:

119992, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЦФА.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (МГУ).

Автореферат разослан « 23 » апреля 2007 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.001.67 кандидат физико-математических наук, доцент Королев А.Ф.

2

Общая характеристика работы

Актуальность темы Применение ультразвуковых технологий в медицине имеет почти полувековую историю. На сегодняшний день наиболее широкими областями применения ультразвука являются медицинская диагностика и терапия. Пьезокерамические преобразователи, применяемые в различных областях медицины, имеют различную конструкцию, форму и структуру рабочей поверхности: от простейших плоских одноэлементных преобразователей до сложных многоэлементных антенных решеток. Соблюдение свойств и структуры, создаваемых преобразователями акустических полей в пространстве, необходимо для повышения качества ультразвуковой диагностики и сохранения высокой избирательности воздействия в ультразвуковой терапии. Очевидно, что любая неточность или ошибка в медицине связаны с риском для здоровья. Поэтому требуется знать истинное распределение полей медицинских преобразователей в пространстве; в частности, для многоэлементных диагностических антенных решеток необходимо отслеживать возникновение и характер нежелательных боковых лепестков и паразитных максимумов, для устройств, применяемых в терапии и хирургии, необходимо точно знать интенсивность ультразвука, а также размеры фокальной перетяжки. Акустическое поле, создаваемое многоэлементными диагностическими датчиками, имеет достаточно сложную структуру. Оно изменяется во времени, испытывает фокусировку, может иметь боковые лепестки помимо основного формируемого луча. Необходимо также знать, каким образом будет изменяться поле такого акустического пучка в присутствии различных объектов сложной формы, отличающихся по акустическим свойствам от среды распространения, как, например, в биологических тканях.

Часто предсказать изменения полей во времени и их тонкую пространственную структуру невозможно без знания характера колебаний поверхности преобразователя.

Производители медицинской техники всё ещё не обладают надежными методами контроля работы акустических преобразователей и не в состоянии предоставлять пользователям важные характеристики колеблющейся поверхности, такие как, например, распределение колебательной скорости. Обычно руководствуются простыми априорными предположениями о колебаниях поверхности преобразователей, например, предполагают соответствие колебаний поршневой моде. На практике поверхности преобразователей могут колебаться неравномерно. Причинами этого может быть как структура излучателя, например для многоэлементных датчиков, повреждения на его поверхности или возбуждение волн Лэмба в пьезопластине. Для диагностических датчиков также важно знать количество излучающих элементов, быть уверенным в равномерности их работы и в отсутствии пропусков из-за неработающих элементов.

Важно также знать, каким образом конструктивные особенности диагностической системы влияют на структуру создаваемого акустического поля. Например, дискретный характер задания временных задержек возбуждающих сигналов, подаваемых на элементы датчика в цифровых системах, вносит значительные изменения в формируемый фазовый фронт и оказывает негативное влияние на структуру ультразвукового пучка и качество его фокусировки.

Существуют различные методы исследования полей ультразвуковых преобразователей.

Численное моделирование позволяет точно производить расчет пространственного распределения параметров поля при заданных граничных условиях на поверхности преобразователя. Однако, это требует точных сведений о характере колебаний поверхности их изменении во времени.

Метод лазерной виброметрии позволяет точно измерять параметры колебаний поверхности и обладает высоким пространственным и временным разрешением при измерениях смещения и колебательной скорости поверхности в газах. Однако данный метод имеет ограничения при проведении измерений в жидкости.

Исследование пространственного распределения акустического поля в жидкости традиционно проводится при помощи прямых измерений гидрофонами. Данная методика позволяет получить распределение акустического давления в пространстве с высоким разрешением. Сложность структуры поля медицинских преобразователей, стремление к увеличению пространственной области и высокому разрешению ведет к возрастанию времени измерений до нескольких часов. Для проведения измерений требуется сложное оборудование, зачастую дорогостоящее, - гидрофоны на ПВДФ пленках с малыми размерами чувствительных участков, что обусловлено мегагерцовым диапазоном излучения диагностических датчиков. Требуются также системы микропозиционирования, позволяющие перемещать гидрофон в пространстве с высокой точностью. Кроме того, для получения картины поля необходима обработка данных, полученных с гидрофона.

Метод теневой оптической визуализации не является прямым методом измерений, однако позволяет получить картину пространственного распределения акустического поля преобразователя без многочасовых сканирований гидрофонами и не требует какой-либо последующей обработки результатов. Метод позволяет получить информацию о размерах поля и фокальных перетяжек, о длине волны излучения, наличии боковых лепестков, выявить тонкие особенности пространственной структуры.

Видно, что все вышеописанные методы имеют достоинства и недостатки. Данная работа посвящена созданию комплексной экспериментальной методики исследования полей ультразвуковых преобразователей, использующихся в медицине. В частности, примененный в работе экспериментальный метод нестационарной акустической голографии позволяет выявлять тонкую структуру и динамику колебаний поверхности преобразователя, работающего в импульсном режиме (типичный режим работы медицинских диагностических датчиков). Данный метод сочетает измерения поля гидрофоном и последующий численный расчет для восстановления колебаний поверхности. Вместе с тем, оптическая шлиренвизуализация позволяет быстро выявить результат влияния неравномерности колебаний поверхности на пространственную структуру акустического поля преобразователя.

Применение совокупности методов исследования позволяет эффективно решать задачу исследования полей медицинских диагностических преобразователей.

Цели работы Основная цель работы состоит в определении количественных параметров импульсных акустических полей медицинских ультразвуковых преобразователей с различной конфигурацией рабочей поверхности и различными частотами с применением методов нестационарной акустической голографии, оптической визуализации и численного расчета.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

• Создание экспериментальных установок, основанных на использовании методов нестационарной акустической голографии и оптической шлирен-визуализации для исследования акустических полей и колебательных свойств медицинских ультразвуковых преобразователей.

• Экспериментальная демонстрация возможности применения метода нестационарной акустической голографии для исследования колебаний поверхностей как простых одноэлементных, так и сложных многоэлементных диагностических источников в импульсных режимах работы. Исследование разрешающей способности метода, его возможностей по выявлению тонкой структуры поля колебаний поверхности источника в импульсном режиме.

• Экспериментальное доказательство применимости шлирен-метода для исследования низкоинтенсивных акустических полей диагностических источников. Выявление возможностей шлирен-метода при работе с источниками слабых полей ультразвукового диапазона и с источниками со сложной конфигурацией излучающей поверхности.

• Экспериментальное и теоретическое исследование тонкой структуры излучаемых акустических полей и структуры полей колебаний поверхности для одно- и многоэлементных источников различной формы, на разных частотах в режиме излучения коротких импульсов на основе использования методов акустической голографии и оптической визуализации.

• Исследование влияния дискретизации временной задержки возбуждающих импульсов в диагностических системах с цифровым формированием зондирующих импульсов на структуру акустического поля многоэлементного преобразователя.

Научная новизна работы • Впервые экспериментально реализован метод нестационарной акустической голографии для восстановления поля колебаний медицинских диагностических преобразователей (в том числе многоэлементных) мегагерцового диапазона частот.

Продемонстрированы возможности метода при работе с диагностическими преобразователями, определена его разрешающая способность. Метод применен для восстановления распределения колебательной скорости излучающей поверхности, визуализации многоэлементной структуры датчика, размера и положения элементов, показана возможность измерения степени фокусировки акустического поля в двух плоскостях.

• Доказана возможность применения оптической теневой визуализации для анализа импульсных акустических полей медицинских диагностических преобразователей.

Экспериментально исследованы параметры акустического поля: длина волны излучения, размеры фокальных перетяжек, характер и положение бокового излучения.

Показана эффективность теневого метода при исследовании распространения ультразвуковых импульсов в среде, содержащей неоднородные включения типа акустических неоднородностей биологических тканей.

• Показана эффективность импульсного теневого метода для количественного измерения параметров ультразвуковых полей. В частности, измерены дисперсионные кривые для различных мод Лэмба в пластине из пьезокерамики типа ЦТС в диапазоне 0,3 – 1,6 МГц в воде. Теневой метод также применён для измерения в импульсном режиме скорости поверхностной волны утечки на границе «твёрдое тело - жидкость».

• Проведено численное исследование пространственного распределения акустических полей многоэлементных импульсных преобразователей в условиях дискретного изменения задержек сигналов, подаваемых на отдельные элементы. Для типичных ультразвуковых диагностических медицинских приборов изучено влияние величины шага дискретизации временной задержки на видимые поперечные размеры объектов, визуализируемых в В-режиме.

Практическая значимость работы • Предложенная методика исследования импульсных ультразвуковых преобразователей при помощи акустической голографии и теневой оптической визуализации является эффективным и надежным инструментом контроля преобразователей, используемых в медицине, характеризации свойств их полей. Зная свойства преобразователей и их полей, возможно повышать качество медицинской диагностики, избегать нежелательного и опасного воздействия ультразвука на биологические ткани.

• Метод оптической теневой визуализации является эффективным способом не только качественного экспресс-анализа, но и количественного исследования параметров ультразвуковых полей различных интенсивностей и частот, в том числе импульсных.

Метод отличается простотой, удобством и скоростью получения экспериментальных результатов.

• Проведенное численное моделирование позволило по рассчитанным диаграммам, аналогичным черно-белым изображениям, формируемым диагностическими устройствами, оценить изменение качества ультразвуковой картины в зависимости от величины шага дискретизации временной задержки сигналов, подаваемых на отдельные излучающие элементы датчика. Результаты проведенного исследования позволяют выработать рекомендации производителям диагностических устройств с целью улучшения качества ультразвуковой визуализации.

Положения, выносимые на защиту • Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии для исследования колебаний медицинских ультразвуковых диагностических преобразователей мегагерцового диапазона частот. Экспериментальный анализ разрешающей способности метода, его возможностей по выявлению тонкой структуры поля колебаний поверхности источника в импульсном режиме.

• Экспериментальное применение метода оптической теневой визуализации для исследования акустических полей медицинских диагностических преобразователей.

Выявление возможностей теневого метода при работе с источниками слабых полей ультразвукового диапазона и с источниками со сложной конфигурацией излучающей поверхности. Экспериментальное доказательство применимости теневого метода для количественного исследования параметров ультразвуковых полей. Экспериментальное исследование взаимодействия акустических импульсов, создаваемых диагностическим преобразователем, с фантомами биологических тканей.

• Исследование влияния дискретизации временной задержки возбуждающих импульсов в диагностических системах с цифровым формированием зондирующих импульсов на структуру акустического поля многоэлементного преобразователя.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается совпадением данных, полученных в эксперименте, с результатами численного моделирования, проведенного автором, специальными проверочными экспериментами, использованием высокоточного экспериментального оборудования, а также физической и математической обоснованностью теоретических расчетов и экспериментальных схем.

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»