ИСТИНА

Ультразвуковые методы широко используются в медицинской диагностике и терапии. В ряде работ продемонстрировано, что мощный ультразвук (УЗ) в ряде случаев может служить альтернативой традиционным хирургическим методам лечения. Однако до сих пор не существует разработанных метрологических методов для калибровки мощных акустических источников, что является серьезным препятствием для широкого клинического использования УЗ в терапевтических целях. Современные методы для характеризации ультразвуковых полей не позволяют проводить прямые измерения в мощных УЗ системах в рабочем диапазоне мощностей, не могут дать полную информацию о пространственном распределении сильных полей. Акустическая голография является методом, который способен предоставить подробную информацию о распределении колебательной скорости на поверхности источника и найти пространственно-временную структуру излучаемого акустического поля. На сегодняшний день голография использовалась только для линейного поля, т.е. в случае низкой интенсивности излучения, что характерно в основном для диагностических устройств. Однако, в ультразвуковой терапии используются источники, работающие при высокой интенсивности, и характер распространения волн является нелинейным. Нелинейная акустическая голография основана на измерении двумерных распределений амплитуды и фазы акустического давления для всех гармоник, присутствующих в спектре сигнала. На основе полученных данных с использованием интеграла Рэлея или других алгоритмов имеется возможность провести расчет распространения акустического поля для математической реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источника. Нелинейные расчеты распространения поля основаны на численном решении волнового уравнения Вестервельта. Разработанный метод нелинейной акустической голографии будет являться эффективным инструментом для характеризации терапевтических источников ультразвука при работе на высоких мощностях, когда характеристики колебания поверхности источника может значительно отличаться от вибрационных характеристик на низких уровнях мощности. В процессе выполнения проекта будут развиты численные алгоритмы нелинейного распространения акустического поля в условиях обращения времени, а также проведены физические эксперименты по нелинейной голографии пьезоэлектрических источников.

В результате работы был разработан метод нелинейной акустической голографии, основанный на численном решении уравнения Вестервельта в условиях обращения времени. До настоящего времени голография использовалась только для линейного поля, т.е. в случае низкой интенсивности излучения, что характерно в основном для диагностических устройств. Как известно, в ультразвуковой терапии используются источники, работающие при высокой интенсивности, и характер распространения волн является нелинейным. Нелинейная акустическая голография основана на измерении двумерных распределений амплитуды и фазы акустического давления для всех гармоник, присутствующих в спектре сигнала. На основе полученных данных проводится расчет распространения акустического поля для математической реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источника. Нелинейные расчеты распространения поля основаны на численном решении волнового уравнения Вестервельта. Разработанный метод является эффективным инструментом для характеризации терапевтических источников ультразвука при работе на высоких мощностях. С помощью разработанного аппарата был исследован процесс нелинейного распространения акустических волн в воде как численно, так и экспериментально. В ходе выполнения проекта метод успешно был применен для характеризации реальных терапевтических излучателей и определения соответствующей тепловой дозы при лечении раковых опухолей мощным ультразвуком. Разработан численный алгоритм расчета прямого и обратного распространения нелинейных полей при наличии поглощения в среде. В основе алгоритма лежит численное решение трехмерного уравнения Вестервельта для значимых гармоник в спектре сигнала. Предложенный алгоритм позволяет использовать уравнение Вестервельта для задач нелинейной голографии. Установлено, что при использовании разработанного алгоритма даже в средах с поглощением имеется возможность использования метода обращения времени при голографическом восстановлении полей. Экспериментальное исследование проводилось с использованием мощных фокусированных ультразвуковых источников мегагерцового диапазона (использовались источники с рез. частотами 1 и 3 МГц). Запись амплитуды и фазы поля акустического давления проводится вдоль поверхности, удаленной от источника на такое расстояние, чтобы уверенно регистрировались несколько первых гармоник (в зависимости от мощности излучения). Численное моделирование процесса нелинейного распространения волн как при решении прямой, так и обратной задач излучения потребовало точного измерения уровня акустической мощности, излучаемой исследуемым источником. Для этого были проведены эксперименты по измерению радиационной силы, создаваемой источником при различных уровнях подаваемой электрической мощности на основной частоте. Был разработан метод калибровки излучателя по мощности на основе комбинации методов измерения радиационной силы и акустической голографии, позволяющий существенно повысить точность определения полной акустической мощности по сравнению с существующими методами (вплоть до 1-2%) в том числе при работе в нелинейном режиме. Часть экспериментов проводилась с использованием разрабатываемого метода по измерению силы, оказываемой акустическим пучком на рассеиватель в виде жесткой сферы. Сравнение результатов указанных методов позволило оценить их точность и провести калибровку излучателей по мощности. Помимо калибровки источника по уровню излучаемой мощности проводилась калибровка гидрофона путем определения его чувствительности методом линейной акустической голографии при малых мощностях излучения. Полученные в ходе исследования результаты экспериментов хорошо согласуются с результатами численного моделирования. Для увеличения точности восстановления акустического поля на поверхности терапевтических ультразвуковых источников методом акустической голографии был разработан метод определения положения восстанавливаемой поверхности.