Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

003060092

На правах рукописи

Смагин Михаил Александрович

ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕДИЦИНСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ МЕТОДАМИ АКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ И ОПТИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Специальность 01.04 06 - акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 МАЙ 2007

Москва - 2007

003060092

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

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Сапожников О А

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Гавртов 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

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 все еще 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 потя 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 мегагерцевым 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 шлирен-визуализация 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 постатейной 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 исспедования 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

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института им акад Н Н Андреева (АКИН), а также на следующих конференциях и симпозиумах на XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-2004" (Москва, 2004), на XV сессии Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2004), на XVI сессии Российского Акустического Общества (Москва, 2005), на XVIII сессии Российского Акустического Общества (Таганрог, 2006), на X Всероссийской школе - семинаре "Волны -2004" (Звенигород, Моек обл, 2004 г), на 11 Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии "Медицинская физика - 2005" (Москва, 2005)

Кроме того, результаты были представлены на 2 международных конференциях на Международном симпозиуме "Проблемы нелинейной волновой физики" (International Symposium "Topical Problems of Nonlinear Wave Physics" NWP-2005), на Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE (2006 IEEE International Ultrasonics Symposium Vancouver, Canada, 2006)

Публикации

Основные результаты изложены в 10 опубликованных работах, список которых приводится в конце автореферата

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 125 наименований Общий объем работы составляет 118 страниц, включающие 40 рисунков

Содержание работы

Во введении приводится обзор литературы и современного состояния проблемы, отраженной в теме диссертации Описана история применения ультразвука в медицине, обозначены основные области применения ультразвука Выделены трудности, возникающие при характеризации ультразвуковых диагностических источников Показана важность точного предсказания полей, излучаемых источниками ультразвука Показана актуальность создания надежных методик контроля колебаний преобразователей и анализа создаваемых ими акустических полей Рассмотрены различные существующие методы исследования колебаний поверхности акустических преобразователей Кратко описаны достоинства и недостатки прямого метода лазерной виброметрии по сравнению с непрямыми методами Рассмотрен метод акустической голографии, описаны области применения метода, а также его достоинства и недостатки по сравнению с другими техниками

Также во введении рассмотрены методы исследования пространственного распределения акустического поля диагностических преобразователей Описаны метод численного моделирования, метод прямого измерения гидрофонами и метод теневой оптической визуализации или шлирен-метод Выделены достоинства и недостатки вышеописанных методов В частности, шлирен-метод имеет определенные преимущества при исследовании акустических потей в присутствии модельных объектов, имитирующих биологические ткани и органы, при исследовании неизвестных заранее акустических полей, создаваемых акустическими преобразователями

Приведено теоретическое описание шлирен-метода Рассмотрен процесс формирования шлирен-изображения, влияние положения оптического ножа на формируемую картину Описано применение в шлирен-системах когерентных и некогерентных источников света,

соответствующие типы применяемых оптических ножей Проведен обзор ряда работ, посвященных шлирен-визуализации ультразвука

Рассмотрена проблема влияния дискретизации временной задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на структуру акустического поля, создаваемого многоэлементными датчиками Описан механизм формирования фазового фронта диаграммо-формирующим устройством, при этом дискретизация временной задержки возбуждающих импульсов не позволяет создать ровный волновой фронт требуемой кривизны, что ухудшает качество фокусировки, оказывая негативное влияние на потучаемое изображение в целом Проведено сравнение специфики данной задачи и сходных задач, решаемых в радиолокации Доказана актуальность исследования акустических полей многоэлементных диагностических датчиков в зависимости от дискретизации временных задержек сигналов на элементах датчика Также во введении сформулированы цели и задачи работы

Первая глава посвящена экспериментальному применению метода нестационарной акустической голографии (НАГ) для исследования структуры колебаний поверхности ультразвуковых преобразователей в импульсном режиме

В параграфе 1.1 представлено теоретическое описание НАГ для реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источников Акустической голографией называют способ восстановления источника звука по измерениям акустического давления вдоль некоторой поверхности, расположенной перед этим источником Обычно измеряется амплитуда и фаза акустической волны Однако, если источник имеет импульсный характер, частотный спектр сигналов широк и понятие фазы некорректно В этом случае измеряется вся форма колебания в каждой точке Периодичность процесса излучения акустических импульсов дает возможность синтезировать поверхность измерений, перемешая при помощи системы позиционирования гидрофон последовательно в узлы сетки измерений и производя измерения в каждой точке Из-за обратимости волнового уравнения во времени поверхность измерений можно мысленно заменить обращающим время зеркалом Тогда отраженная от поверхности измерений волна будет распространяться назад и, дойдя до источника, восстановит свои исходные характеристики Процесс отражения от обращающего время зеркала и распространения волны назад является виртуальными (численными) Показано, что временная зависимость нормальной компоненты ускорения в каждой точке поверхности

источника может быть восстановлена, если известия форма акустической волны во веек точках поверхности измерений.

Далее выделены требования, предъявляемые при практической реализации метода НАГ к экспериментальным измерительным средствам.

В параграфе 1.2 рассмотрено экспериментальное применение метода НАГ для восстановления колебательной скорости на поверхности источников с различной конфигурацией. В пункте 1.2,! описана экспериментальная установка, на которой реализуется метол НАГ. Далее подробно описаны основные компоненты установки и их характеристики, а также типы и параметры исследованных преобразователей.

В пункте 1.2.2 обсуждается предварительное численное моделирования для оиенкР! параметров эксперимента. При подготовке к эксперименту необходимо предварительно оценить некоторые параметры, такие как, - размер области и пространственный шаг между точками измерения. Описаны дифракционные соображения, из которых следуют оптимальное расстояние от излучателя до сетки измерений и размер сетки измерений в зависимости от длины волны излучения в воде и требуемого пространственного разрешения при восстановлении колебательной скорости. Далее определено соотношение, характеризующее зависимость пространственного шага сетки от длины волны излучения в случае максимального отдаления «двойника» восстановления (максимума первого порядка

дифракционной решетки, под которой понимается сетка измерений) от искомого распределения колебательной скорости (максимума нулевого порядка)-

Рассмотрено численное моделирование, необходимое для уточнения параметров измерений. Численная схема использует прямой и обращенный интеграл Релея. Задается конфигурация источника и скорость на его поверхности, рассчитывается поле на плоскости измерения в дискретных точках, затем решается обратная задача по восстановлению распределения скорости на источнике. При сравнении результата восстановления с первоначально заданным

Рис. 1 Пространственное распределение колсва ¡с скоростл на [юверхности

излучателя. Цифрами I, 2, 3, А обозначены области неоднородности колебательной скорости, связанные с дефектами пьеэокерамикн. Видны кольцевые неоднородности, соответствующие двум модам Лзмба.

распределением оценивается правильность выбранных параметров эксперимента

В пункте 1.2.3 приведено описание эксперимента и экспериментальные результаты. Предварительно методика НАГ была отработана на более простом излучателе по сравнению с многоэлементными медицинскими датчиками. Дня этого был выбран плоский круглый преобразователь диаметром 100 мм и резонансной частотой IJ2 МГц. Измерения проводились в импульсном режиме. В результате восстановления были получены изображения, иллюстрирующие пространственное распределение колебательной скорости на поверхности излучателя и динамику изменения структуры колебаний. Наблюдалось появление кольцевых структур, вызванное генерацией волн Лэмба на поверхности излучателя.

На рис. 1 изображено пространственное распределение максимума колебательной скорости на поверхности излучателя представляющее собой усредненное во времени поршневое колебание, промодулированное кольцевыми неоднородноетями. Кольцевые неоднородности имеют разный масштаб и соответствуют различным модам Лэмба. Таким образом, в результате проведенных измерений получено четкое восстановление колебаний поверхности излучателя во времени с учетом тонкой структуры, связанной с различными неоднородноетями колебательной скорости,

Да_||се описан эксперимент по восстановлению колебаний на поверхности многоэлементной диагностической решетки. Поверхность представляла собой дугу цилиндрического сектора радиусом кривизны 60 мм с размещенными на ней 96 излучающими элементами с размерами 12x0.44 мм. В эксперименте излучающая

Рис. 2 Восстановленные распределения колебательной скорости на поверхности многоэлеменпюго диагностического личика в импульсном режиме. Случаи а-б соответствуют различным моментам временя после начала излучения. Эллипсы соответствуют различной фокусировке в перпендикулярны* плоскостях.

поверхность была ограничена 19 элементами На излучающие элементы подавались возбуждающие сигналы с диаграммо-формирующего устройства диагностического сканера, имеющие вид радиоимпульса длительностью 1-2 цикла основной частоты 3,5 МГц На рис 2а,б представлены распределения колебательной скорости на поверхности многоэлементного преобразователя в различные моменты времени после начала излучения

Результаты восстановления показывают, что дискретная структура антенной решетки восстанавливается, количество элементов совпадает с заданным, размеры элементов и расстояния между ними также соответствуют значениям, известным по информации от производителя Эллипсы на восстановленной поверхности свидетельствуют о фокусировке излучаемого акустического поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях По параметрам данных эллипсов были рассчитаны положения фокусов

Метод НАГ обладает высокой разрешающей способностью, позволяя при выбранных параметрах сетки измерений разрешать даже промежутки между элементами, ширина которых приблизительно в 2 раза меньше длины волны излучения на основной частоте в воде Показано, что метод НАГ позволяет обнаружить и исследовать тонкие особенности в пространственно временной структуре колебаний поверхности акустических преобразователей, используемых в медицинской диагностике В параграфе 1.3 приведены выводы к первой главе

Во второй главе рассмотрена шлирен-визуализация акустических полей, излучаемых пьезокерамическими источниками мегагерцового диапазона

В параграфе 2 1 приведена схема экспериментальной шлирен-установки, подробно описаны основные ее компоненты Эксперименты по шлирен-визуализации акустических полей проводились для различных ультразвуковых источников Использовались как простые одноэлементные преобразователи, так и многоэлементные диагностические датчики Далее описаны типы и характеристики используемых преобразователей

В параграфе 2 2 приведены экспериментальные результаты шлирен-визуализации ультразвуковых полей В пункте 2 21 описаны результаты исследования акустического поля плоского одноэлементного преобразователя Целью эксперимента являлось выявление дополнительных акустических возмущений, излучаемых непоршневыми упругими модами пьезопластины Результатом эксперимента являлись теневые изображения, полученные в различные моменты времени после начала из пучения

Акустическое поле представлено в виде периодических неоднородностей, расстояние между которыми совпадает с длиной волны на основной частоте излучателя в воде Заметно

присутствие неоднородиостей, являющихся результатом интерференции краевых волн и излучения поршневой моды Были выявлены неоднородности, соответствующие излучению поверхностных мод Лэмба По углу наклона фронтов неоднородности к оси преобразователя была рассчитана скорость поверхностной волны

В пункте 2 2 2 описаны результаты исследования акустического поля сферически вогнутого одноэлементного преобразователя Полученные изображения позволяют выделить излучение поршневой моды колебаний преобразователя, при этом периодические линии, соответствующие волновым фронтам, имеют криволинейный характер, что отражает фокусированность излучения Также удается обнаружить область фокуса, неоднородности, являющиеся результатом интерференции краевых волн и излучения поршневой моды, неоднородности, соответствующие излучению поверхностных мод Лэмба По полученным данным рассчитаны скорости поверхностных волн, выяснено, что скорости этих волн на частоте 1 МГц для данного типа керамики соответствуют фазовым скоростям асимметричных мод Лэмба al и аО

В пункте 2 2 3 проводится исследование волн Лэмба, возникающих при возбуждении вогнутого одноэлементного преобразователя Важность исследования связана с тем, что моды Лэмба являются паразитными и вносят значительные искажения в предполагаемое акустическое поле преобразователя, что может негативно сказаться на результатах диагностики и, что очень важно, терапии Целью исследования являлась зависимость фазовой скорости различных мод волн Лэмба от частоты возбуждения пьезопластины Сферически вогнутый одноэлементный преобразователь с радиусом кривизны поверхности 92 1 мм возбуждался в квазинепрерывном режиме Данный режим был выбран для того, чтобы колебания пьезопластины представляли собой только вынужденные колебания с частотой, заданной генератором, и чтобы возможно было наблюдать значительную часть создаваемого поля Возбуждаемая в пластине волна Лэмба распространяется вдоль поверхности преобразователя с постоянной скоростью, излучая в жидкость волну, причем угол между фронтом излученной волны и касательной к поверхности в каждой точке является постоянным Вследствие этого в среде появляются каустики, каждая из которых соответствует излучению определенной моды Лэмба Структура каустики имеет простой

геометрический вид это дуга окружности радиуса F-, центр которой совпадает с фокусом

с

излучателя Здесь с0 - скорость звука в жидкости, с - фазовая скорость волны Лэмба, F • радиус кривизны поверхности излучателя Указанное свойство позволяет использовать положение каустики для измерения скорости соответствующей волны Лэмба

По полученным в ходе эксперимента изображениям были проведены расчеты, результаты которых приведены на рис 3 На данном рисунке изображены дисперсионные кривые для шести различных мод Лэмба, рассчитанные теоретически по формулам Рэлея-Лэмба, и построенные по полученным изображениям экспериментальные точки При расчёте теоретических кривых использовалось значение скоростей ^ = 1,94 мм/мкс и с1 = 4,64 мм/мкс, найденные из измеренных частот отсечки моды а1 (0,45 МГц) и частоты толщинного резонанса (1,08 МГц), соответственно, с уч&том известной толщины пластины (2,15 мм) Экспериментальная погрешность, показанная на рис 3, соответствует характерной ширине тени каустики в самой тонкой ее части Как видно, точность измеренные значений скоростей в среднем высока, поэтому хорошее совпадение с теорией характеризует шлирен-метод как весьма точный и эффективный применительно к данной задаче

Подобные исследования могут быть проведены для преобразователей различной конфигурации и размеров Не стоит также забывать, что временные затраты на подобного эксперимента в разы меньше, чем для стандартных методик исследования полей

15

ю

о *

е

о

Рис 3 Дисперсионные кривые для различных мод волн Лэмба в пьезокерамической пластине Точки соответствуют

экспериментальным теневым картинам Теоретические кривые представляют решения уравнений Рэлея-Лэмба

сканирующими гидрофонами Таким образом, шлирен-метод является удобным и

эффективным инструментом количественного исследования свойств акустических

преобразователей

В пункте 2 2 4 описаны результаты исследования акустического поля выпуклого многоэлементного диагностического преобразователя, который представлял собой многоэлементный ультразвуковой датчик, работающий на центральной частоте 3,5 МГц в

импульсном режиме Особенностью работы данного преобразователя было наличие многоканального управляющего устройства - ультразвукового диагностического прибора Благодаря управляемой задержке между электрическими сигналами, подаваемыми на элементы датчика, создаваемое им акустическое поле могло фокусироваться на различные расстояния, при этом поле было локализовано в некоторой пространственной области -пучке

Часть экспериментов проводилась в присутствии поверхности, способной вызывать отражение ультразвукового импульса (пластины из дюралюминия, толщиной 6,5 мм) На полученных изображениях четко виден акустический импульс, создаваемый диагностическим датчиком, представленный в виде чередующихся темных и светлых полос, расстояние между которыми составляет около 0,44 мм, что соответствует длине волны излучения на частоте 3,5 МГц в воде Удается четко различить четыре периода колебаний на основной частоте Отчетливо виден импульс в пределах основного лепестка диаграммы излучения, а также более слабые возмущения, соответствующие боковому лепестку антенной решетки Был исследован поперечный размер импульса и характер изменения этой величины из-за фокусировки при распространении волн в среде На изображениях представлен процесс отражения импульса от пластины, причем показано, что угол падения волны равен углу отражения Показано, что в отражающей пластине распространяется волна рэлеевского типа, излучающая в жидкость волну, фронт которой отчетливо регистрируется на изображениях Исходя из угла наклона фронта головной волны, была проведена оценка скорости рэлеевской волны в алюминии Полученная величина, в пределах погрешности измерений, совпала со справочным значением При этом впервые подобная визуализация была проведена при работе излучателя в импульсном режиме

Была проведена визуализация перпендикулярного падения акустического импульса, создаваемого диагностическим датчиком на поверхность отражающей пластины При этом наблюдались многочисленные импульсы, следующие за первым отраженным и вызванные переотражениями падающего импульса внутри пластины При толщине пластины ¿=6,5 мм можно оценить скорость акустической волны в материале пластины Расстояние между соседними импульсами соответствует двойному прохождению через алюминиевую пластину, те соответствующий временной интервал можно записать как х/с„ = 2¿/с,, где с„ - скорость звука в воде, с, - скорость продольных волн в алюминии Отсюда с, = с„ 21/л-=(6050±300) м/с, что в пределах погрешности совпадает с табличным значением 6260 м/с

Для иллюстрации способности шлирен-метода визуализировать процесс рассеяния акустических волн, было проведено исследование отражения ультразвуковых импульсов от неплоских твердотельных объектов В качестве отражающего объекта использовался стальной шарик диаметром 10 мм Объект располагался в точке электронного фокуса преобразователя, при этом поперечный размер импульса в фокусе составляет значение, равное 2,8 мм Результат отражения представляет собой расходящуюся волну со сферическим фронтом Также были исследованы эхо-сигналы, порождаемые боковыми лепестками, рассеянными на объекте Интенсивность ультразвука в боковом лепестке приблизительно в 20 раз меньше интенсивности в основном импульсе Как и при зондировании основным лепестком, хорошо заметна отраженная сферическая волна Таким образом, была продемонстрирована высокая чувствительность теневого метода, позволяющая визуализировать акустические поля с амплитудой порядка Па

Для моделирования изменений, возникающих при взаимодействии акустических полей ультразвуковых диагностических преобразователей с биологическими тканями была проведена серия экспериментов по теневой визуализации ультразвуковых полей с модельными объектами из гелевого материала Обычно задача распространения ультразвука в средах с неоднородностями акустического импеданса решается при помощи численного моделирования, однако при сложном характере акустического поля и сильно неоднородных средах распространения ультразвука подобный расчет затруднителен В работе использовались цилиндрический и клиновидный объекты, изготовленные из материала, близкого по акустическим свойствам к биологическим тканям Было показано влияние присутствия цилиндрического объекта на акустическое поле преобразователя, в частности на поперечные размеры акустического импульса Было отмечено возникновение вторичных возмущений с цилиндрически расходящимся фронтом Было исследовано касательное падение ультразвукового импульса на боковую поверхность цилиндра Было отмечено изменение формы импульса, разделение на две части с одновременным увеличением поперечного размера импульса Отмечено также появление вторичных волн сложной формы в результате отражения и преломления импульса на границе вода-гель Измерен угол между первоначальным направлением и направлением распространения преломленного импульса составляет около 3 5°, показано, что данное значение в пределах погрешности соотносится с результатом теоретического расчета При падении акустического импульса на поверхность клина наблюдается изменение направления распространения импульса, прошедшего через клин, по сравнению с первоначальным Исходя из геометрии эксперимента и измеренных

значений углов распространения преломленных и непреломленных волн были сделаны оценки скорости звука в геле

Таким образом, в ходе данного эксперимента было наглядно проиллюстрировано влияние простых преломляющих и рассеивающих объектов, имеющих акустические параметры, сходные с параметрами биологических тканей, на распространение диагностического ультразвукового импульса и структуру его акустического поля Также было показано, что помимо очевидных изменений, вызванных простыми процессами преломления и рассеяния волн, имеются также более тонкие изменения акустического поля, вызванные конечными размерами импульса и неидеальной геометрической формой исследуемых объектов, что позволяет считать данный эксперимент близким к реальным процессам распространения подобного ультразвукового излучения в биологических средах

В пункте 2 2 5 описаны эксперименты по теневой визуализации акустических полей в непрерывном режиме В эксперименте использовался источник непрерывного белого света и оптический нож в виде градиентного спектрального светофильтра Благодаря вышеописанной конструкции оптического ножа, было возможно получать шлирен-изображения, зависящие от амплитуды ультразвукового поля Были исследованы пьезокерамические преобразователи различных форм и частот Проведенные эксперименты позволили выявить некоторые особенности структуры акустического поля исследованных излучателей, в частности отчетливо заметное боковое излучение, не присущее поршневой моде колебаний, которой обычно упрощенно описывают колебания пластины преобразователя

Таким образом, было подтверждено, что шлирен-изображения позволяют выявлять особенности тонкой структуры поля, предсказание которых затруднительно без информации о реальном распределении колебательной скорости на поверхности колеблющегося излучателя

В параграфе 2 3 приведены выводы ко второй главе

Третья глава посвящена исследованию влияния дискретизации временной задержки в диаграммо-формирующих устройствах диагностических систем на структуру акустического поля, создаваемого многоэлементным диагностическим датчиком и качество фокусировки

В параграфе 3.1 приводится теоретическое описание модельного эксперимента Решаемая задача имеет определенные специфические особенности, состоящие в следующем излучение имеет импульсный характер, излучатель имеет многоэлементную структуру, поверхность излучателя может иметь сложную конфигурацию, временная задержка в

реальных системах может иметь не любое точное значение, а задаваться с точностью до определенного дискрета При решении указанной задачи проводилось численное моделирование излучения ультразвуковых датчиков, использующихся в диагностических сканерах Моделировалась геометрия антенной решетки и отдельных излучателей, вид возбуждающих импульсов, временная задержка возбуждающих импульсов на различных элементах решетки моделировалась с различной точностью В ходе моделирования рассчитывалось двумерное пространственное распределение акустического поля многоэлементного датчика Расчет производился методом импульсного отклика При этом рассчитывалось акустическое давление в каждой точке пространства при заданном профиле скорости на поверхности каждого элемента и функции импульсного отклика излучающего элемента Л(г,/) Распределение скорости вдоль поверхности элемента предполагается равномерным Это приближение для пьезоизлучателей соответствует толщинной моде колебаний и обычно выполняется с хорошей точностью Функция импульсного отклика задает потенциал при 5-образном (по скорости) возбуждении излучающего элемента и

выражается, согласно интегралу Рэлея, следующим образом И{г,

'И-ЧггТГ^ , где

1 2яг-г

гт I

с„ - скорость звука в среде, ст - поверхность излучающего элемента Граничным условием являлось задание профиля колебательной скорости на поверхности каждого / - го элемента в

г

виде и,(() = и„(( - (м<)), где и0(<) - форма сигнала, заданная как ы0(() = иое ' яги»,,», а -временная задержка, которая задается дискретно, тес конечным шагом изменения

В параграфе 3.2 приведены результаты расчетов Были рассчитаны поперечные распределения акустического поля для различных многоэлементныч датчиков в области фокуса в зависимости от величины дискрета временной задержки Показано, что уменьшение шага дискретизации приводит к некоторому росту основного лепестка, а уровень бокового излучения изменяется в сторону уменьшения Было замечено, что существует некоторое значение шага, которое уже не влияет существенно на уровень боковых лепестков Так, для датчика конвексного типа частотой 3,5 МГц это значение составляет 7-8 не, а для датчика линейного типа частотой 7,5 МГц - 4-5 не Это объясняется достижением адекватной точности фокусировки при заданной длине волны излучения Кроме этого, были получены двумерные распределения акустического поля датчика в плоскости сканирования Затем рассчитывалась диаграмма приема сигнала от точечного рассеивателя, пропорциональная квадрату диаграммы излучения в соответствующую точку

По этим данным при помощи логарифмирования были построены черно-белые изображения, аналогичные черно-белым картинам ультразвуковых сканеров Показано, что с увеличением шага дискретизации временной задержки происходит увеличение общего уровня бокового излучения, появляются четко различимые побочные максимумы в виде ложных точек справа и слева от истинного изображения точечного рассеивателя При нелинейной компрессии принимаемых сигналов (стандартная функция обработки сигналов в ультразвуковом диагностическом аппарате), соответствующий операции повышения контраста, присутствие данных паразитных сигналов грозит потерей полезного сигнала от слабого рассеивателя, если тот расположен близко к основному, или интерпретацией паразитного сигнала как истинного Сделан вывод о том, что правильный выбор шага временной задержки наряду с аподизацией - умножением сигнала в каждом канале перед суммированием на свой весовой коэффициент, может значительно снизить уровень бокового излучения, тем самым, улучшая один из важнейших параметров диагностической системы - пространственное разрешение В параграфе 3 3 приведены выводы к третьей главе

Основные результаты работы

Создана автоматизированная измерительная установка, на которой впервые реализован метод нестационарной акустической голографии применительно к исследованию колебаний ультразвуковых диагностических источников мегагерцового диапазона частот Экспериментально показано, что с использованием метода нестационарной акустической голографии удается восстановить пространственно-временное распределение колебательной скорости на поверхности медицинских диагностических датчиков Для типичных многоэлементных диагностических сканеров продемонстрирована возможность измерения степени фокусировки акустического поля в двух плоскостях, размера и положения элементов преобразователя, распределения амплитуды и временной задержки их сигналов

Методом импульсного отклика проведено численное моделирование ультразвуковых полей многоэлементных импульсных преобразователей в условиях дискретного изменения задержек сигналов, подаваемых на отдельные элементы Для типичных диагностических медицинских сканеров изучено влияние величины шага дискретизации временной задержки на видимые поперечные размеры объектов, визуализируемых в В-режиме Установлено, что при значении шага дискретизации, равном 0 1 периода сигнала на центральной частоте, уровень амплитуды боковых лепестков не превышает -20 дБ относительно уровня амплитуды основного лепестка, а при шаге дискретизации меньшем 0 02-003 периода сигнала уровень бокового излучения перестайт зависеть от величины этого шага

Создана высокочувствительная установка для импульсной теневой визуализации слабых неоднородностей плотности в прозрачных жидкостях С её помощью продемонстрированы возможности применения теневого метода визуализации для проведения экспериментального экспресс-анализа импульсных акустических полей ультразвуковых преобразователей с пространственным разрешением равным 0 1 мм и временным разрешением равным 10 нс при диагностических уровнях амплитуды акустического давления р<0 1 МПа

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 и показано, что в пределах погрешности измерений они описываются решениями

уравнений Рэлея-Лэмба Теневой метод также применен для измерения в импульсном режиме скорости поверхностной волны утечки на границе «твёрдое тело - жидкость»

• Показано, что теневой метод является эффективным инструментом исследования распространения ультразвуковых импульсов в среде, содержащей неоднородные включения типа акустических неоднородностей биологических тканей, исследуемых в задачах медицинской диагностики Метод позволяет эффективно исследовать изменение траекторий распространения и формы диагностических импульсов при взаимодействии их с фантомами биологических тканей

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Смагин М А , Морозов А В, Сапожников О А Исследование структуры акустического поля многоэлементного медицинского акустического датчика - Сб трудов XV сессии РАО, Москва ГЕОС, 2004, т 3, с 74-75

2 Смагин М А , Нагулин Н Е , Пономарев А Е , Сапожников О А Влияние шага дискретизации временной задержки на качество фокусировки многоэлементного ультразвукового датчика - Сборник материалов 2-го Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005» (21-24 июня 2005 г, Москва), с 230-231

3 Смагин М А, Морозов А В, Нагулин Н Е, Сапожников О А Методика исследования структуры акустического поля многоэлементного ультразвукового датчика - Сборник материалов 2-го Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2005» (21-24 июня 2005 г, Москва), с 232-233

4 Смагин М А, Нагулин Н Е, Пономарев А В, Сапожников О А Влияние дискретизации задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на качество фокусировки - Сб трудов XVI сессии РАО, Москва ГЕОС, 2005, т 3, с 128-131

5 Смагин М А , Нагулин Н Е , Пономарёв А Е , Сапожников О А Влияние дискретизации задержки в диаграммоформирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на качество фокусировки - Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2006, №1-2, с 85-88

6 Сапожников О А , Пономарев А Е , Смагин М А Нестационарная акустическая голография для реконструкции скорости поверхности акустических излучателей -Акуст ж, 2006, т 52, №3, с 385-392

7 Смагин М А, Пономарев А Е, Сапожников О А Голографическое восстановление колебаний ультразвуковых диагностических источников и шлирен-визуапизация слабых акустических полей - Сб трудов XVIII сессии РАО (Таганрог, 2006), Москва ГЕОС, 2006, т 2, с 12-16

8 Sapozhnikov, О А , Morozov, А V , Ponomarev, А Е, and Smagin, М A Characterization of therapeutic and diagnostic ultrasound sources using acoustic holography and optical schheren method - Proceedings of International Symposium "Topical Problems of Nonlinear Wave Physics" NWP-2005, Russian Academy of Sciences, Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod, 2005,pp 91-92

9 Sapozhnikov, О A , Ponomarev, A E , and Smagin, M A Transient acoustic holography for diagnostic transducer characterization - Book of Abstracts of the 2006 IEEE International Ultrasonics Symposium (Vancouver, Canada, 2006)

10 Смагин MA, Булатицкий СИ, Пономарёв AE, Сапожников OA Шлирен-визуализация низкоинтенсивных ультразвуковых полей - Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2006, №8-9, с 44-49

Формат 60x84 1/16, Уел Печ Лист 1,5 Подписано в печать 20 04 07 г Тираж 100 экз Заказ № 1310 Отпечатано в типографии «АллА Принт» Тел (495) 621-86-07, факс (495) 621-70-09 www allapnnt ru

ВВЕДЕНИЕ.

Применение ультразвука в медицинской диагностике и терапии.

Трудности, возникающие при характеризации ультразвуковых диагностических источников.

Методы исследования колебаний поверхности акустических преобразователей .8 Методы исследования пространственного распределения акустического поля диагностических преобразователей.

Теоретическое описание шлирен-метода.

Влияние дискретизации временной задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на структуру акустического поля.

Цели и задачи работы.

ГЛАВА 1. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА НЕСТАЦИОНАРНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ КОЛЕБАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ.

1.1. Теоретическое описание нестационарной акустической голографии для реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источников.

1.2. Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии для восстановления скорости на поверхности источников с различной конфигурацией.

1.2.1. Экспериментальная установка и объекты исследования.

1.2.2. Предварительное моделирование для оценки параметров эксперимента.

1.2.3. Описание эксперимента и экспериментальные результаты.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. ШЛИРЕН-ВИЗУАЛИЗАЦИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ИЗЛУЧАЕМЫХ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИМИ ИСТОЧНИКАМИ МЕГАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Экспериментальные результаты.

2.2.1. Акустическое поле плоского одноэлементного преобразователя.

2.2.2. Акустическое поле вогнутого одноэлементного источника.

2.2.3. Исследование волн Лэмба, возникающих при возбуждении вогнутого одноэлементного источника.

2.2.4. Акустическое поле выпуклого многоэлементного диагностического датчика.

2.2.5. Шлирен-визуализация акустических полей в непрерывном режиме.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДИСКРЕТИЗАЦИИ ЗАДЕРЖКИ В ДИАГРАММО-ФОРМИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА КАЧЕСТВО ФОКУСИРОВКИ.

3.1 Теоретическое описание модельного эксперимента.

3.2 Результаты расчетов.

3.3. Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Применение ультразвука в медицинской диагностике и терапии

Термином «ультразвук» называют акустические волны, частота которых превышает значение 20 кГц. Сегодня ультразвук широко используется в науке, технике, медицине и даже в быту. В частности, одной из важнейших областей применения ультразвука является медицина. Здесь ультразвук используется для диагностики и терапии. Ультразвуковые поля, используемые в диагностике, являются достаточно слабыми, их интенсивности не превышают значения 0,5 Вт/см . Первые успешные попытки применения ультразвука в медицине были предприняты в 1940-х гг.; однако систематическое использование ультразвука с целью диагностики началось лишь с середины 1960-х гг. [1]. В настоящее время около 20-25% всех клинических исследований, связанных с получением и анализом изображений внутренних органов, приходится на ультразвук. По количеству ежегодных продаж ультразвуковая медицинская техника уже перегнала рентгеновские приборы - предыдущего лидера в этой области.

Ультразвуковые методы диагностики в течение долгого времени основывались, прежде всего, на применении эхо-импульсного принципа, т.е. на использовании сигналов, приходящих из исследуемой области среды после ее облучения волновым пакетом [2, 3, 4, 5]. Однако объем данных в принимаемых аналоговых сигналах настолько велик, что до недавнего времени удавалось использовать лишь малую часть заключенной в них информации за счет применения самых простых методов цифровой обработки сигналов [6].

В то же время, за относительно короткий промежуток времени ультразвуковая диагностика прошла путь от одномерной эхографии, дававшей весьма небольшой объем информации, до сложного сканирования в режиме реального времени, позволяющего добиться визуализации не только органов и систем, но и их структурных элементов. Применение эффекта Доплера позволяет исследовать движущиеся структуры, в частности кровоток, при этом вид и состав получаемой информации может быть довольно сложным, как, например, в диагностических аппаратах с цветным доплеровским картированием.

Ультразвуковая диагностика является неинвазивным и неразрушающим методом исследования внутренних органов пациента [7, 8, 9, 10]. В случае, когда необходимо провести изменение свойств внутренних органов или хирургию без повреждения внешних тканей, ультразвук также находит свое применение [11, 12].

Различают ультразвуковую терапию, ультразвуковую хирургию и литотрипсию. Ультразвуковая терапия использует ультразвук средних интенсивностеи (0,5 - 3 Вт/см2) для быстрого нагрева определенного объема, локализованного в ткани [13]. При лечении опухолей ткани нагреваются с помощью фокусированного ультразвука до температур 43 - 45°С на время порядка 20 - 30 минут. При таких условиях клетки опухоли становятся намного более чувствительными к радиотерапии и химиотерапии, в то время как чувствительность здоровых клеток повышается незначительно. Ультразвуковая физиотерапия позволяет достичь различных улучшающих эффектов: увеличение растяжимости сухожилий и рубцов, повышение подвижности суставов, болеутоляющее действие, изменение кровотока за счет нагрева, уменьшение мышечного спазма.

Ультразвуковая хирургия использует ультразвук высоких интенсивностей (5 -2000 Вт/см2), который применяется для разрезания и удаления тканей путем перегрева, и для остановки внутренних кровотечений при ранениях или во время операции за счет свертывания крови при нагревающем воздействии [14].

Литотрипсия использует фокусированные ударные волны для разрушения камней в почках и желчном пузыре. Такие возмущения создаются при помощи электроразрядных, электромагнитных и пьезоэлектрических источников [15]. Так же как и методы диагностики, методы ультразвуковой терапии должны иметь высокую пространственную точность при формировании акустических полей для поддержания высокой избирательности воздействия. Это накладывает высокие требования как на ультразвуковые датчики и зонды, так и на диагностические и терапевтические системы в целом. Локальное воздействие достигается обычно за счет использования фокусированных пучков ультразвука [16, 17,18].

Трудности, возникающие при характеризании ультразвуковых диагностических источников

Пьезокерамические преобразователи, применяемые в различных областях медицины, имеют разную конструкцию, форму и структуру рабочей поверхности: от простейших плоских одноэлементных преобразователей до сложных многоэлементных антенных решеток |!9, 20]. На рис. 1 приведен внешний вид типичных преобразователей, применяемых в диагностике и терапии.

Рнс. 1. Внешний вид типичных ультразвуковых преобразователей, используемых в медицине. В случаях а, б изображены диагностические многоэлементные датчики линейного и конвекского сканирования, в случае в изображены излучатели для ультразвуковой литотрипсии.

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 [21, 22]. Отсутствие достоверной информации об истинной структуре формируемого поля может явиться причиной неточностей в диагностике. В частности, пространственные размеры зондирующего импульса определяют разрешающую способность диагностической системы, наличие сильных боковых лепестков может привести к появлению ложных объектов на эхо-изображении. 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 подобных устройств все еще 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, соответствие колебаний поршневой моде, то есть нормальная скорость одинакова во всех точках колеблющейся поверхности. На самом деле это может быть далеко не так. В частности, возможно возбуждение различных мод волн Лэмба на поверхности преобразователя, что внесет значительные искажения в пространственную структуру поля. Для диагностических многоэлементных преобразователей (датчиков) важно знать количество излучающих элементов, быть уверенным в равномерности их работы, отсутствии пропусков из-за неработающих элементов, а также уметь определять распределение фаз колебаний на отдельных элементах в режиме фокусировки.

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.

Таким образом, для решения задач исследования структуры и динамики колебаний ультразвуковых диагностических преобразователей и их полей, необходимо создать и использовать соответствующие методики.

Методы исследования колебаний поверхности акустических преобразователей

В настоящее время многие пользователи и производители диагностического оборудования не обладают эффективными и точными методиками контроля колебаний поверхности диагностических преобразователей. Иногда считается, что колебания происходят в соответствии с простыми теоретическими допущениями. Например, предполагается, что все элементы многоэлементного датчика колеблются как поршни, распределение колебательной скорости на поверхности всех элементов равномерное и одинаковое. Иногда используют примитивные экспериментальные методы проверки работы датчика, перемещая вдоль его поверхности узкий отражатель и наблюдая за приходом отраженного сигнала на экране диагностического прибора.

В связи с этим для решения задачи восстановления структуры колебаний поверхности диагностических преобразователей требуется предложить более точные методики. Рассмотрим их возможные варианты.

Прямые измерения с помощью лазерного виброметра распространены и применяются для исследования колебаний поверхностей преобразователей в вакууме и газах [23,24,25, 26,27]. Метод лазерной виброметрии обладает высоким пространственным, временным разрешением и высокой точностью.

Лазерный виброметр - это устройство, определяющее смещение поверхности по разности фаз между опорным лазерным лучом и лучом, отраженным от колеблющейся поверхности. Некоторые лазерные виброметры напрямую измеряют компоненту скорости колебаний поверхности, коллинеарную лазерному лучу. Измерения скорости колеблющейся поверхности происходят при использовании доплеровского сдвига между опорным сигналом и сигналом, отраженным от исследуемой поверхности, или измеряется смещение точки поверхности через декодирование фазы доплеровского сигнала. Работа виброметров, основанных на эффекте Доплера, рассмотрена в работах [28,29,30,31,32,33].

Современные лазерные виброметры позволяют сканировать всю колеблющуюся поверхность в автоматическом режиме, изменяя наклон лазерного луча и перемещая его вдоль поверхности [34,35,36,37,38]. Кроме того, лазерные виброметры предоставляют возможность измерять очень быстрые перемещения точки на поверхности преобразователя, частотный диапазон виброметров широк: от 10 до 100 МГц.

Однако метод прямых измерений лазерным виброметром имеет также ряд недостатков. Во-первых, исследуемая поверхность должна быть плоской. Дело в том, что для хорошего отражения и корректного измерения нормальной компоненты колебательной скорости, луч лазера должен падать на поверхность перпендикулярно. Для неплоских преобразователей необходимо конструирование и применение специальных систем, которые позволят перемещать преобразователь относительно луча лазера так, чтобы последний оставался перпендикулярен поверхности в каждой точке. Практически такие системы сложны, их реализация и использование затруднительны.

Во-вторых, перед началом измерений необходимо нанести на измеряемую поверхность специальный отражающий слой. Это реализуется напылением тонкого слоя металла или другим методом. В данном случае это означает порчу поверхности диагностического датчика. Кроме того, необходимо точно соблюдать однородность и толщину напыляемого слоя, так как это напрямую влияет на точность измерений.

Наконец, самым важным недостатком метода лазерной виброметрии является искажение реальной картины колебаний из-за акусто-оптического взаимодействия при проведении измерений в жидкости. Метод лазерной виброметрии дает точный результат только при измерениях в вакууме или в газах [39]. Однако диагностический и тем более терапевтический датчик не способен выдержать длительные измерения в газах вследствие перегрева поверхности, который происходит из-за большой разности акустических импедансов на границе воздух -согласующий слой датчика.

Несомненна также дороговизна метода из-за сложной аппаратуры, поэтому лазерная виброметрия не является доступной для многих лабораторий в России.

Помимо прямых измерений лазерным виброметром восстановление картины колебаний поверхности преобразователя возможно при использовании численного расчета.

Данный метод представляет собой численное моделирование колебаний преобразователя при известных свойствах керамики, конфигурации и конструкции поверхности, форме и амплитуде возбуждающих импульсов и т.д. Однако современные диагностические датчики имеют сложную составную поверхность, а их параметры и свойства обычно в точности неизвестны, что сильно усложняет задачу моделирования колебаний излучающей поверхности. Кроме того, точность получаемых таким образом результатов зависит от используемых приближений.

Существует целый класс методов, использующих непрямые измерения для последующего расчета колебаний на поверхности источника. Рассмотрим эти методы более подробно.

Акустическая голография - это способ расчета колебаний преобразователя на основе акустического давления, измеренного на некоторой поверхности перед ним. Амплитуда и относительная фаза поля измеряются в точках, расположенных на определенной поверхности перед преобразователем, и затем по этим данным производится восстановление поля на колеблющейся поверхности [40].

Существуют различные алгоритмы расчета колебаний излучателя на основе измеренного перед ним поля. Рассмотрим некоторые из них.

Метод углового спектра является общим и широко используемым алгоритмом. Метод применяется для расчета распространения акустических полей между параллельными плоскостями [41,42]. В работах [43,44,45] и других работах данный метод был доработан, чтобы учесть различные эффекты, возникающие при распространении в среде: нелинейность, поглощение, дисперсию, преломления и другие. В работах [46,47] была произведена экспериментальная проверка метода углового спектра при распространении волн в нелинейной среде. По измеренному вдоль некоторой плоскости распределению давления рассчитывалась скорость на поверхности источника, а затем по ней восстанавливались пространственные распределения давления на различных расстояниях от преобразователя. На основе сравнения экспериментальных данных и данных, предсказанных с помощью метода углового спектра, была показана работоспособность метода в случае нелинейной среды и продемонстрирована важность учета нелинейных эффектов при предсказании полей.

Недостаток метода углового спектра заключается в необходимости работы лишь с плоскими поверхностями. Только на плоских поверхностях измеряется распределение давления и рассчитывается распределение колебательной скорости. В случае источников с расходящимися полями это накладывает ограничения на минимально допустимые размеры плоскости измерений. При работе с реальными преобразователями неплоские излучающие поверхности встречаются повсеместно. Однако данный метод не позволяет восстанавливать их колебания вследствие вышеописанного ограничения.

Акустическая голография ближнего поля позволяет восстанавливать неоднородные волны, распространяющиеся вдоль поверхности преобразователя. Известно, что такие волны быстро затухают при удалении от поверхности преобразователя, поэтому измерения необходимо проводить на плоскости, расположенной на расстоянии порядка или менее длины волны излучения в жидкости. При этом получаемое пространственное разрешение структуры колебаний преобразователя может быть меньше длины волны [48]. Если расстояние от поверхности измерений до излучателя превышает значение длины волны в жидкости, то неоднородные волны уже не измеряются, и пространственное разрешение метода имеет обычный дифракционный предел порядка длины волны. Акустическая голография ближнего поля требует проведения измерений с высокой точностью и использования чувствительного оборудования.

Метод обращения волнового фронта основан на инвариантности волнового уравнения относительно операции обращения времени (в неоднородной среде без поглощения). Рассмотрим акустический преобразователь, создающий в пространстве поле p(r,t). Существует обращенное поле, p(f,-t), которое распространяется обратно и заканчивается на поверхности преобразователя. Вначале данный принцип применялся в оптике, где обращению времени соответствовало сопряжение фазы квазигармонического сигнала. В настоящее время метод получил развитие и в акустике, как для частного случая гармонических волн [49,50], так и для более общего случая широкополосных импульсных сигналов [51]. Если измерить поле на замкнутой поверхности, окружающей преобразователь, а затем излучить его с этой поверхности, обратив фронт волны, то волны будут распространяться по направлению к преобразователю и восстановят изначальное распределение на нем.

Экспериментально это можно реализовать следующим образом. Перед преобразователем размещается решетка излучателей-приемников соответствующего размера. Они принимают временную зависимость амплитуды и фазы, которая запоминается, а затем излучается с данной решетки в направлении преобразователя, будучи перевернутой во времени. На поверхности преобразователя (или аналогичной расположенной в том же месте) создается распределение поля, соответствующее начальному. Таким образом поле, присутствовавшее на поверхности преобразователя, может быть восстановлено физически.

Метод обратного распространения представляет собой аналог метода обращения волнового фронта. Основным отличием является то, что обращение волнового фронта производится численно, а не физически. Вначале производится измерение пространственного распределения акустического поля на некоторой поверхности перед преобразователем. Для этого используется гидрофон, который перемещается между точками на поверхности измерений и производит запись амплитуды и фазы поля, что возможно благодаря постоянству процесса излучения во времени. Далее происходит численное обращение волнового фронта и расчет распределения поля колебательной скорости на поверхности преобразователя при помощи обращенного интеграла Рэлея. Существует множество работ, в которых описан данный метод [39, 52,53,54, 55,56,57, 58,59,60,61,62,63,64]. Более подробно метод будет освещен в Главе 1 данной работы.

Метод обратного распространения обладает рядом преимуществ перед другими техниками. В частности, метод позволяет точно восстанавливать пространственную структуру колебаний преобразователей произвольной формы. Измерения давления также могут проводиться на поверхности любого вида, при этом размер ее должен быть выбран так, чтобы большая часть энергии излучения проходила через выбранную поверхность. Используя полученные данные о характере колебаний излучателя, метод позволяет быстро и точно предсказывать излучаемые поля в любой точке пространства.

Описание метода обратного распространения было дано для случая гармонических волн. В случае импульсного возбуждения преобразователей (типичный режим работы диагностических устройств) метод должен быть модифицирован, чтобы удовлетворять условиям данной задачи. Такая методика называется нестационарной акустической голографией. Более подробно данный метод будет описан в Главе 1.

Методы исследования пространственного распределения акустического поля диагностических преобразователей

Существуют различные способы получения информации о пространственной структуре акустических полей, создаваемых пьезопреобразователями. Как и в вышеописанном случае исследования колебаний поверхности, весьма распространенным методом является численное моделирование работы преобразователя. При этом моделируется пространственная геометрия источников излучения, например, размеры и расположение элементов на излучающей поверхности датчика. Затем на поверхности преобразователя задается распределение колебательной скорости, а также его временной профиль (вид возбуждающего сигнала). Пространственное распределение акустического поля рассчитывается при помощи интеграла Рэлея, который связывает амплитуду колебательной скорости на поверхности источника излучения с амплитудой давления в некоторой точке в пространстве. Интеграл Рэлея имеет вид iap г p(j')-.ZL± v„(F)i-jdS, где р0 - плотность среды, а - частота излучения, I

2 к I | г-г] поверхность, на которой задано распределение нормальной скорости Vn(r). Тогда акустическое давление p(r',t) в любой точке пространства г' может быть вычислено при помощи интеграла Рэлея.

Моделируя пространственную геометрию источника и распределение колебательной скорости на его поверхности, при помощи интеграла Рэлея можно рассчитать пространственное распределение акустического поля. Однако для того, чтобы расчет носил более точный характер, недостаточно использовать простые предположения о характере колебаний поверхности преобразователя, а нужно точно знать структуру и динамику колебаний. Только в этом случае расчет акустического поля позволит выявить его особенности и тонкую структуру. Для этого необходимо также точно знать геометрию преобразователя, однако это обычно затруднено наличием согласующего слоя на излучающей поверхности датчика. Таким образом, желательно исследовать акустические поля экспериментально, путем измерения характеристик поля в различных точках пространства. В этом смысле традиционным подходом является измерение амплитудно-фазовых характеристик поля при помощи гидрофонов.

Метод измерения гидрофонами позволяет получать точную информацию о пространственной структуре поля и является методом прямых изменений. Однако данный метод имеет определенные недостатки. Прежде всего, 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. Необходимо, в том числе, создание синхронизации между излучающим устройством (диагностической системой) и измерительным устройством.

Важным условием является автоматизация эксперимента из-за большого количества точек, требующихся для измерения характеристик поля вследствие обычно сложной конфигурации. Полученные данные нуждаются в последующей обработке для представления в удобном и наглядном виде.

Необходимо также отметить следующий аспект. Средой распространения диагностического ультразвука является живое тело: биологические ткани и органы. С точки зрения акустики тело человека представляет собой сложную неоднородную среду с объектами и слоями различной формы и различными акустическими импедансами. При попадании в подобную среду акустический импульс преломляется на границах различных слоев, испытывает отражение и рассеяние на различных объектах. При этом траектория распространения импульса становится отличной от прямой. Форма и размеры импульса могут непредсказуемо изменяться.

Все вышесказанное приводит к ухудшению качества диагностики, в частности, получаемого черно-белого ультразвукового изображения, увеличению «шума», появлению ложных объектов и уменьшению разрешающей способности. Таким образом, в принципе известное и предсказуемое акустическое поле, создаваемое заданным излучателем, может значительно изменяться в сложной биологической среде.

В целях повышения качества ультразвуковой медицинской диагностики важно уметь предсказывать подобные изменения, для того, чтобы в последующем компенсировать их негативное влияние. Данная задача в принципе решается путем моделирования различных слоев биологических тканей и пространственного распределения акустических характеристик, соответствующих структуре биологических органов, с последующим расчетом акустического поля заданного излучателя с учетом смоделированных условий распространения волны.

Однако в силу специфики биологической среды подобный расчет является затруднительным и чрезмерно ресурсоемким, хотя и дает высокую точность в рамках заданной модели. Альтернативным методом решения данной задачи является шлирен-визуализация акустических полей в модельных средах. При этом, несмотря на то, что точность получаемых результатов будет ниже, чем при прямом расчете, можно быстро и наглядно получать пространственную структуру акустического поля в присутствии объектов и слоев, моделирующих биологические ткани.

Важно отметить, что в отличие от вышеуказанного метода моделирования, шлирен-метод не требует построения сложных моделей и длительных расчетов, упрощен и процесс создания адекватных моделей биологической среды.

Еще одним важным приложением шлирен-метода может являться исследование неизвестных заранее акустических полей, создаваемых акустическими преобразователями. Хотя результаты шлирен-визуализации в этом случае также не будут иметь высокую точность, однако они позволят быстро оценить качественную структуру поля, в том числе, наличие и положение различного бокового излучения, пространственные размеры поля и т.д. При этом получаемые данные не требуют какой-либо последующей обработки для определения структуры поля. Эти наглядные результаты позволят, в частности, подготовить исходные данные для проведения более точных исследований, например, сканирование поля гидрофонами.

В целях проверки применимости шлирен-метода для исследования распространения акустических полей ультразвуковых излучателей в биологических средах была проведена серия экспериментов. Несмотря на то, что реальная форма органов достаточно сложна, в целях понимания влияния биологической среды на поле акустических излучателей можно рассмотреть взаимодействие ультразвука с достаточно простыми объектами, например, цилиндром и клином.

Теоретическое описание щлирен-метода

Использование теневых методов визуализации неоднородностей плотности прозрачных сред имеет давнюю историю [65, 66, 67]. Неоднородность показателя преломления света, вызванная акустической волной или другой причиной, приводит к рефракции коллимированного пучка света, посылаемого на исследуемую область. В результате на расположенном за областью неоднородности экране формируется теневая картина, соответствующая проекции акустического поля вдоль направления распространения света [67].

Рассмотрим этот процесс более подробно (см. рис. 2). / \

Рис. 2, Принципиальная схема формирования шл и ре н-изображен и я акустической волны.

Световое излучение от точечного или щелевого источника света 1 с помощью линзы 2 превращается в параллельный пучок света и направляется на кювету с водой 3, где имеется акустическое поле. Квазиплоская световая волна, распространяющаяся вдоль оптической оси установки, проходит через исследуемую область неоднородности. Сжатия и разрежения среды, в которой распространяется ультразвук, приводят к тому, что изменяется ее показатель преломления; из-за этого становится различным набег фаз, получаемый световой волной при распространении вдоль оптической оси установки. В результате фронт световой волны искривляется.

Свет распространяется в направлении линзы 2', собирается в ее фокусе F, где подвергается действию «оптического ножа» 5, и далее падает на экран 7, на котором и наблюдается изображение. Оптический нож (называемый часто ножом Фуко) представляет собой непрозрачную пластину с острой кромкой. Фокус линзы 2' наводится на самый край ножа. Если в исследуемом объекте нет оптических неоднородностей, то, благодаря такому расположению ножа, все лучи задерживаются, и на экране видна темная картина. При наличии оптических неоднородностей 4 лучи испытывают преломление и часть их, отклонившись, попадает выше края ножа, т.е. не задерживаясь, проходит на объектив 6. Объектив 6 настроен таким образом, что он переводит изображение неоднородностей на экран 7. Это изображение 8 формируется упомянутыми выше лучами, прошедшими над ножом.

Применение оптического ножа вызвано необходимостью уменьшения общей интенсивности изображения (повышение контраста). Введение ножа в фокальную плоскость позволяет осуществить пространственную фильтрацию: при этом в угловом спектре рассеянного светового поля вырезается интенсивная часть спектра вблизи нулевой частоты. Эта часть спектра соответствует плоской волне, не несущей никакой информации о неоднородностях, но зато способной создать интенсивный средний фон, на фоне которого слабая неоднородность оказывается незаметной из-за ограниченного динамического диапазона глаза (или фоторегистрирующего устройства).

Для когерентного источника света (например, лазера) есть несколько существенных отличий механизма влияния ножа. Во-первых, такой источник света ведет себя как точечный, а значит и в фокальной плоскости он будет виден точкой. Классическая шлирен-система, напротив, работает с источником конечного размера. Если использовать обычный нож, то при использовании точечного источника из-за конечного дифракционного размера фокальной перетяжки возникает нежелательная неоднородная фоновая засветка получаемого изображения. Этот недостаток когерентных источников можно устранить, если вместо непрозрачного оптического ножа использовать нейтральный градиентный светофильтр с плавным изменением прозрачности.

Во-вторых, принципиально отличается принцип формирования изображения, вызванного акустической неоднородностью. В случае некогерентного источника света фоновая засветка и отклоненные неоднородностью лучи складываются по интенсивности, т.е. изменение яркости изображения неоднородности не зависит от яркости среднего фона. В случае же когерентного источника отклоненные неоднородностью лучи интерферируют с лучами, прошедшими область неоднородности без заметного преломления, т.е. амплитуда колебаний интенсивности изображения акустической волны оказывается зависящей от интенсивности фоновой засветки.

Это обстоятельство может быть использовано для повышения чувствительности шлирен-визуализации. Например, если следовать классической схеме и закрыть фокус полностью, то слабую неоднородность можно просто не увидеть, так как соответствующее изображение будет крайне низкоинтенсивным. Та же слабая неоднородность «проявится», если часть фоновой засветки пропустить, закрывая ножом лишь часть фокальной перетяжки. После первых попыток использования лазеров в шлирен-системах было широко распространено мнение о том, что когерентные источники лучше не использовать для визуализации из-за возникающих проблем с дифракцией [67].

Несмотря на сложности, возникающие с лазерными источниками света при их использовании в системах оптической визуализации, несомненным достоинством лазеров является возможность просто и относительно недорого создать яркий импульс света с длительностью намного меньшей периода ультразвуковой волны. При использовании полупроводниковых лазеров такой источник, кроме того, является очень компактным. При использовании лазеров довольно просто осуществить синхронизацию подсветки с фазой акустической волны. В классических некогерентных источниках для импульсной подсветки обычно используется искровой электрический разряд. Однако получение очень коротких вспышек, строго привязанных к заданному синхроимпульсу, является хоть и выполнимой, но довольно сложной технической задачей [68].

Как отмечалось выше, оптическая визуализация может быть чрезвычайно полезной при анализе структуры полей диагностических ультразвуковых датчиков. Особенностью соответствующих полей является их импульсный характер и относительная низкая интенсивность, что предъявляет повышенные требования к чувствительности шлирен-системы.

Шлирен-системы используются для визуализации ультразвуковых пучков в воде. Существует много работ, в которых описывается шлирен-визуализация ультразвука в воде [69,70,71,72]. В работе [73] рассмотрена визуализация ультразвука в оптически прозрачных твердых телах. Работа [74] посвящена роли дифракции, в работе [75] рассматривается чувствительность метода, в работе [76] производится сравнение шлирена и акустической голографии. Шлирен-визуализация используется также и в задачах ультразвуковой медицинской диагностики, например, в офтальмологии [77], хирургии [78] и диагностике внутричерепных структур [79].

Сигналы, излучаемые ультразвуковыми диагностическими приборами, представляют собой короткие импульсы с мегагерцовым заполнением. Для задач медицинской диагностики используется низкоинтенсивный ультразвук. Все это накладывает определенные требования на визуализирующую систему. В работах [80,81, 63,64] была рассмотрена визуализация акустических импульсов, сходных с диагностическими, а также акустических полей, создаваемых непосредственно медицинскими диагностическими преобразователями.

Влияние дискретизации временной задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на структуру акустического поля

В современных ультразвуковых диагностических сканерах используются многоэлементные излучающие датчики, отличающиеся как числом элементов, так и конфигурацией излучающей поверхности. Для проведения фокусировки и сканирования луча диагностические приборы имеют диаграммо-формирующие устройства, которые позволяют подавать на элементы излучателя возбуждающие импульсы с различной задержкой, тем самым, формируя фазовый фронт необходимой кривизны [82,83J. Однако существуют некоторые особенности, вносящие ухудшение и искажения в формируемый волновой фронт, тем самым, ухудшая качество фокусировки. Одна из них связана с многоэлементной структурой используемых датчиков.

Устройство ■формирования задержек

-^4

Устройство формирования задержек a'S-и 4 4

Рис. 3. Схема формирования волнового фронта многоэлементной антенной решеткой. Искажения волнового фронта велики, если излучатель состоит из малого количества крупных элементов - (а); и существенно меньше, если излучатель состоит из большого количества мелких элементов - (б).

На рис. За представлена схема формирования волнового фронта многоэлементной антенной решеткой. Видно, что пространственный дискретный характер излучающей поверхности создает искажения волнового фронта. Однако решение этой проблемы давно известно и заключается в увеличении количества излучающих элементов и уменьшении их размеров.

На рис. 36 изображена схема формирования волнового фронта аналогичной антенной решеткой, но с большим количеством элементов, каждый из которых имеет меньшие пространственные размеры, чем элементы на рис. За. Видно, что формируемый таким образом волновой фронт ближе к идеальному, чем на рис. За.

Однако существует другая проблема. Дело в том, что в реальных диагностических системах временная задержка возбуждающих импульсов задается с определенной точностью. Это также влияет на качество формируемого волнового фронта, как показано на рис 4. Видно, что дискретизация временной задержки не позволяет создать ровный волновой фронт требуемой кривизны, что ухудшает качество фокусировки, оказывая негативное влияние на получаемое изображение в целом.

Рис. 4. Схема формирования волнового фронта при дискретном характере вносимых в возбуждающие сигналы временных задержек.

Рассмотрим подробнее работу диагностического сканера. Принцип действия состоит в зондировании объекта исследования при помощи акустических импульсов ультразвукового диапазона (от 1 до 20 МГц) и регистрации ультразвуковых волн, отраженных от слоев с различными акустическими свойствами и более сложных структур внутри объекта, с последующим формированием двумерного распределения интенсивности отраженного сигнала в виде черно-белого изображения. Для этого на пьезоэлементы датчика подаются возбуждающие электрические импульсы с различной временной задержкой, что обеспечивает фокусировку ультразвукового пучка на заданной дистанции от излучающей поверхности.

После посылки в среду зондирующего импульса, система переходит в режим приема. Акустические сигналы принимаются из областей, последовательно расположенных вдоль линии сканирования, проходящей через центр рабочей апертуры датчика, перпендикулярно к излучающей поверхности. При этом сигналы, приходящие по различным каналам системы, задерживаются во времени так, чтобы все каналы одновременно принимали сигнал, приходящий из центра текущей области приема.

Размер области в направлении вдоль линии сканирования определяется временным окном приема и общим количеством точек фокусировки, размер области в направлении перпендикулярном линии сканирования определяется шириной фокальной перетяжки. Разрешение системы вдоль луча зависит от пространственной длительности зондирующего импульса, поперечное разрешение определяется степенью фокусировки как самого зондирующего импульса, так и степенью фокусировки при приеме отраженных сигналов. После приема сигналов из текущей области система изменяет временные задержки для каждого из каналов так, чтобы обеспечивалась фокусировка в очередную точку на линии сканирования. Подобный принцип работы ультразвуковой диагностической системы называется динамической фокусировкой при приеме.

По завершении очередного цикла излучения - приема элементы датчика коммутируются так, чтобы обеспечить перемещение рабочей апертуры на один элемент. Таким образом, происходит перемещение линии сканирования в пространстве, и система формирует очередную линию в изображении. Такой режим работы системы называется режимом В-сканирования.

Сканирование может также осуществляться без коммутации элементов, посредством внесения дополнительных задержек в излучаемые и принимаемые сигналы, позволяющих осуществлять поворот пучка в плоскости сканирования. При этом линии сканирования расположены «веером», и зона обзора представляет собой сектор.

Таким образом, ультразвуковая диагностическая система практически постоянно при формировании В-изображения работает в режиме фокусировки. Поперечная компонента пространственного разрешения крайне чувствительна к качеству фокусировки пучка. Основным фактором, вносящим ошибки в формируемый волновой фронт, является точность задания временных задержек возбуждающих импульсов и принимаемых сигналов на рабочих элементах датчика. Необходимо знать в какой степени та или иная ошибка задания задержки влияет на акустическое поле, формируемое многоэлементной антенной решеткой датчика. Данная задача актуальна для производителей диагностической техники не только на этапе проектирования, но и при оценке работы уже существующих приборов.

Однако может показаться, что подобные задачи хорошо известны в радиолокации и являются в большей части изученными. Но данная задача имеет специфические особенности, существенно отличающие ее от задач, описанных в радиолокации. Первая из них заключается в импульсном характере излучения. В радиолокации излучение происходит в узкой полосе частот. При характерном значении центральной частоты порядка 104 МГц ширина полосы обычно всего лишь десятки МГц. При этом фокусировка происходит посредством изменения фазы квазигармонического сигнала.

В задачах ультразвуковой диагностики зондирование ведется короткими импульсами, при центральной частоте порядка 1-15 МГц ширина полосы частот лежит в пределах от 1 до 10 МГц. Фокусировка осуществляется введением прямых временных задержек в сигналы, поступающие по каналам системы.

Следующее отличие заключается в том, что в радиолокации формирование луча и зондирование происходит в дальней зоне рабочей антенны. В ультразвуковой диагностике работа происходит в ближней зоне антенной решетки, что усложняет теоретическое исследование формируемых акустических полей.

Важным отличием является также и соотношение размеров характерных объектов с используемыми длинами волн. В радиолокации объекты всегда много больше, чем масштаб длин волн, в ультразвуковой диагностике объект может быть сравним с длиной акустической волны мегагерцового диапазона.

Сходные задачи исследования полей антенных решеток при различной дискретизации фазы сигнала на элементах решетки описаны в работах [84, 85, 86].

Вышеописанная специфика ультразвуковой диагностики не позволяет напрямую применять полученные в них результаты. В работах [87,88] предложено оригинальное решение задачи оценки влияния величины шага дискретизации временной задержки сигналов, подаваемых на элементы решетки-датчика в ультразвуковых диагностических сканерах на структуру акустического поля и качество фокусировки.

Таким образом, исследование акустических полей многоэлементных диагностических датчиков в зависимости от дискретизации временных задержек сигналов на элементах датчика является актуальной задачей для разработчиков диагностического оборудования.

Цели и задачи 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.

Задачи, решаемые в данной работе, можно кратко сформулировать следующим образом:

• 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.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Создана автоматизированная измерительная установка, на которой впервые реализован метод нестационарной акустической голографии применительно к исследованию колебаний ультразвуковых диагностических источников мегагерцового диапазона частот.

Экспериментально показано, что с использованием метода нестационарной акустической голографии удается восстановить пространственно-временное распределение колебательной скорости на поверхности медицинских диагностических датчиков. Для типичных многоэлементных диагностических сканеров продемонстрирована возможность измерения степени фокусировки акустического поля в двух плоскостях, размера и положения элементов преобразователя, распределения амплитуды и временной задержки их сигналов.

Методом импульсного отклика проведено численное моделирование ультразвуковых полей многоэлементных импульсных преобразователей в условиях дискретного изменения задержек сигналов, подаваемых на отдельные элементы. Для типичных диагностических медицинских сканеров изучено влияние величины шага дискретизации временной задержки на видимые поперечные размеры объектов, визуализируемых в В-режиме. Установлено, что при значении шага дискретизации, равном 0,1 периода сигнала на центральной частоте, уровень амплитуды боковых лепестков не превышает -20 дБ относительно уровня амплитуды основного лепестка, а при шаге дискретизации меньшем 0,02-0,03 периода сигнала уровень бокового излучения перестает зависеть от величины этого шага.

Создана высокочувствительная установка для импульсной теневой визуализации слабых неоднородностей плотности в прозрачных жидкостях. С ее помощью продемонстрированы возможности применения теневого метода визуализации для проведения экспериментального экспресс-анализа импульсных акустических полей ультразвуковых преобразователей с пространственным разрешением равным 0,1мм и временным разрешением равным 10 нс при диагностических уровнях амплитуды акустического давления р<0,1 МПа.

• 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 и показано, что в пределах погрешности измерений они описываются решениями уравнений Рэлея-Лэмба. Теневой метод также применен для измерения в импульсном режиме скорости поверхностной волны утечки на границе «твердое тело - жидкость».

• Показано, что теневой метод является эффективным инструментом исследования распространения ультразвуковых импульсов в среде, содержащей неоднородные включения типа акустических неоднородностей биологических тканей, исследуемых в задачах медицинской диагностики. Метод позволяет эффективно исследовать изменение траекторий распространения и формы диагностических импульсов при взаимодействии их с фантомами биологических тканей.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Смагин М.А., Морозов А.В., Сапожников О.А. Исследование структуры акустического поля многоэлементного медицинского акустического датчика. -Сб. трудов XV сессии РАО, Москва: ГЕОС, 2004, т.З, с.74-75.

2. Смагин М.А., Нагулин Н.Е., Пономарев А.Е., Сапожников О.А. Влияние шага дискретизации временной задержки на качество фокусировки многоэлементного ультразвукового датчика. - Сборник материалов 2-го Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2005» (21-24 июня 2005 г., Москва), с. 230-231.

3. Смагин М.А., Морозов А.В., Нагулин Н.Е., Сапожников О.А. Методика исследования структуры акустического поля многоэлементного ультразвукового датчика. - Сборник материалов 2-го Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005» (21-24 июня 2005 г., Москва), с. 232-233.

4. Смагин М.А., Нагулин Н.Е., Пономарев А.В., Сапожников О.А. Влияние дискретизации задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на качество фокусировки. - Сб. трудов XVI сессии РАО, Москва: ГЕОС, 2005, т.З, с. 128-131.

5. Смагин М.А., Нагулин Н.Е., Пономарев А.Е., Сапожников О.А. Влияние дискретизации задержки в диаграммоформирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на качество фокусировки. -Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2006, №1-2, с.85-88.

6. Сапожников О.А., Пономарев А.Е., Смагин М.А. Нестационарная акустическая голография для реконструкции скорости поверхности акустических излучателей. - Акуст. ж., 2006, т.52, №3, с. 385-392.

7. Смагин М.А., Пономарев А.Е., Сапожников О.А. Голографическое восстановление колебаний ультразвуковых диагностических источников и шлирен-визуализация слабых акустических полей. - Сб. трудов XVIII сессии РАО (Таганрог, 2006), Москва: ГЕОС, 2006, т.2, с. 12-16.

8. Sapozhnikov, О.А., Morozov, A.V., Ponomarev, А.Е., and Smagin, М.А. Characterization of therapeutic and diagnostic ultrasound sources using acoustic holography and optical schlieren method. - Proceedings of International

Symposium 'Topical Problems of Nonlinear Wave Physics" NWP-2005, Russian Academy of Sciences, Institute of Applied Physics, Nizhny Novgorod, 2005,pp. 9192.

9. Sapozhnikov, O.A., Ponomarev, A.E., and Smagin, M.A. Transient acoustic holography for diagnostic transducer characterization. - Book of Abstracts of the 2006 IEEE International Ultrasonics Symposium (Vancouver, Canada, 2006).

10. Смагин M.A., Булатицкий С.И., Пономарев A.E., Сапожников О.А. Шлирен-визуализация низкоинтенсивных ультразвуковых полей. - Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2006, №8-9, с.44-49.

БЛАГОДАРНОСТИ

В первую очередь я искренне благодарю моего научного руководителя Олега Анатольевича Сапожникова за его внимание и заботу, за помощь и поддержку при выполнении этой работы.

Я благодарю сотрудников, аспирантов и студентов лаборатории 3-66 за создание теплой рабочей атмосферы, помощь и внимание.

Специальная благодарность В.А. Рожкову, И.И. Виноградову и Б.Ю. Терлецкому за их доброту и помощь в изготовлении различных элементов экспериментальных установок, В.Г. Можаеву за обсуждение и ценные советы, А.И. Коробову за внимание и полезные замечания.

Я также благодарю преподавательский состав кафедры акустики, за их внимание, помощь и ценные советы.

Я благодарен за сотрудничество аспирантам и студентам кафедры акустики -Татьяне Синило, Андрею Морозову, Анатолию Пономареву, Сергею Булатицкому и Александру Карабутову.

Я благодарю компанию ЗАО Спектромед за предоставление оборудования.

Работа поддержана грантами CRDF, РФФИ, RNTS/2000/UTIM, NIH-Fogarty, ASA, и программой «Университеты России».

1. Применение ультразвука в медицине. Физические основы. Под ред. К. Хилла. Пер. с англ., М., Мир, 1989, 567 с.

2. Домаркас В. И., Пилецкас Э. Л. Ультразвуковая эхоскопия. Л.: Машиностроение, 1988.

3. Ермолов И. Н. Теория и практика ультразвукового контроля. М.: Машиностроение, 1981.

4. Королев М. В. Эхо-импульсные толщиномеры. М.: Машиностроение, 1980.

5. Айрапетьянц Э.Ш., Константинов А. И. Эхо-локация в природе. Л., "Наука", 1974.

6. Hill C.R., Bamber J.C., Нааг J.R. Physical principles of medical ultrasonics, Second Edition.

7. Байер В., Дернер Э. Ультразвук в биологии и медицине.- Л.: Медгиз, 1958.

8. Мухарлямов Н. М., Беленков Ю. Н. Ультразвуковая диагностика в кардиологии. М.: Медицина, 1981.

9. Николаев Г. А., Лощилов В. И. Ультразвуковая технология в хирургии. М.: Медицина, 1980.

10. Физика визуализации изображений в медицине. Под ред. С. Уэбба. Пер. с англ. В 2-х томах. Под ред. С. Уэбба. М., Мир, 1991.

11. Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Ультразвук в медицине, ветеринарии и экспериментальной биологии: Учеб. пособие / Под ред. С.И. Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005.

12. Гаврилов Л. Р., Цирульников Е. М. Фокусированный ультразвук в физиологии и медицине. Л.: Наука, 1980.

13. Руденко О.В. Мощный фокусированный ультразвук: нелинейные эффекты, возбуждение сдвиговых волн и медицинская диагностика. Вестник МГУ, физ., астрон., 1996, № 6, с. 18-32

14. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (Обзор). Акуст. журн., 49( 4), 437-464, 2003.

15. Руденко О.В., Сапожников О.А. Мощные акустические пучки: самовоздействие разрывных волн, фокусировка импульсов и экстракорпоральная литотрипсия. -Вестник МГУ, физ., астр., 1991, т.32, №1, с.3-17

16. Розенберг JI. Д. Звуковые фокусирующие системы. M.-JL, изд-во АН СССР, 1949.

17. Каневский И. Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977.

18. Вартанян И. А., Гаврилов JI. Р., Гершуни Г. В., Розенблюм А.С., Цирульников Е.М. Сенсорное восприятие: Опыт исследования с помощью фокусированного ультразвука JI.: Наука, 1985.

19. F.W.Kremkau, Diagnostic Ultrasound; Principles and Instruments (Saunders, New York, 2002).

20. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под ред. И. Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986.

21. Грегуш П. Звуковидение. М.: Мир, 1982.

22. Кайно Г. Акустические волны. Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов. Пер. с англ. М., «Мир», 1990.

23. Halliwell N.A. Laser vibrometry optical methods in engineering metrology, London: Chapman and Hall, edited by Williams D.C., 1993, Chapter 6, pp. 179-211.

24. Ngoy B.K.A., Venkatakrishnan K., Tan B.O. Laser scanning heterodyne-interferometer for micro-components, Optics Communications, 2000, Vol. 173, pp. 291301.

25. Bell J.R., Rothberg S.J. Laser vibrometers and contacting transducers, target rotation and six degree-of-freedom vibration: what do we really measure, J. Sound Vib., 2000, Vol. 237, pp. 245-261.

26. Rothberg S.J., Baker J.R., Halliwell N.A. Laser vibrometry: pseudo-vibrations. J. Sound Vib., 1989, Vol. 135, pp. 516-522.

27. Miles T.J., Lucas M., Halliwell N.A., et al. Torsional and bending vibration measurement on rotors using laser technology. J. Sound Vib., 1999, Vol. 226, pp. 441467.

28. Bacon D.R. Primary calibration of ultrasound hydrophones using optical interferometry. Proc. IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1988, Vol. 35, pp 152-161.

29. Sriram P., Craig J.I., Hanagud S.A. Scanning laser Doppler vibrometer for modal testing, Int. J. Anal. Exp. Modal Anal., 1990, Vol. 5, pp. 155-167.

30. Stanbridge A.B., Ewins D.J. Modal testing using a scanning laser Doppler vibrometer, Mech. Syst. Signal Process, 1999, Vol. 13, pp. 255-270.

31. Gasparetti M., Revel G.M. The influence of operating conditions on the accuracy of in-plane laser Doppler velocimetry measurements, Measurement, 1999, Vol. 26, No. 3, pp. 207-220.

32. Rothberg S.J., Halliwell N.A. Vibration measurements on rotating machinery using laser Doppler velocimetry, Trans. ASME J. Vib. Acoust., 1994, Vol. 116, pp. 326-331.

33. Bell J.R., Rothberg S.J. Rotational vibration measurements using laser Doppler vibrometry: comprehensive theory and practical application, J. Sound Vib., 2000, Vol. 238, pp. 673-690.

34. Tiziani H.J., Maier N., Rothe A. Scanning differential-heterodyne-interferometer with acousto-optic deflectors, Optics Communications, 1996, Vol. 123, pp. 34-40.

35. Halkon B.J., Frizzel S.R., Rothberg S.J. Vibration measurements using continuous scanning laser vibrometry: velocity sensitivity model experimental validation, Meas. Sci. Technol., 2003, Vol. 14, pp. 773-783.

36. Halkon B.J., Rothberg S.J. Vibration measurements using continuous scanning laser vibrometry: theoretical velocity sensitivity analysis with applications, Meas. Sci. Technol., 2003, Vol. 14, pp. 382-393.

37. Stanbridge A.B., Ewins D.J. Modal testing of rotating discs using a scanning LDV, Trans. ASME-Design Eng. Tech. Conf., 1995, Vol. 3, pp. 1207-1213.

38. Castellini P., Paone N. Development of the tracking laser vibrometer: performance and uncertainty analysis, Rev. Sci. Instrum, 2000, Vol. 71, pp. 4639-4647.

39. Морозов A.B. Развитие методов акустической голографии и лазерной виброметрии для исследования колебаний ультразвуковых излучателей в жидкостях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, М.: МГУ, 2006.

40. Акустическая голография.- Л.: Судостроение, 1975.

41. Stepanishen P.R., Benjamin K.S. Forward and backward projection of acoustic fields using FFT methods, J.Acoust.Soc.Am., 1982, Vol. 71, pp. 803-812.

42. Reibold R., Holzer F. Complete mapping of ultrasonic fields from optically measured data in a single cross-section. Acustica, 1985, Vol. 58, pp. 11-16.

43. Schafer M.E. Transducer characterization in inhomogeneous media using the angular spectrum method, Ph.D. thesis, Drexel University, 1988.

44. Schafer M.E., Lewin P.A. Transducer characterization using the angular spectrum method, J.Acoust.Soc.Am., 1989, Vol. 85, pp. 2202-2214.

45. Forbes M., Letcher S.V., Stepanishen P.R. A wave vector, time-domain method of forward projecting time-dependent pressure fields, J.Acoust.Soc.Amer., 1991, Vol. 90, pp. 2782-2793.

46. Vecchio C.J. Finite amplitude acoustic propagation modeling using the extended angular spectrum method.Ph.D. Thesis, Drexel University, 1992.

47. Vecchio C.J., Lewin P.A. Finite amplitude acoustic propagation modeling using the extended angular spectrum method, J.Acoust.Soc.Amer., 1994, Vol. 95, No. 5, pp. 23992408.

48. Williams E.G., Maynard J.D. Holographic imaging without the wavelength resolution limit, Phys. Rev. Lett., 1980, Vol. 45, pp. 554-557.

49. Брысев А.П., Крутянский Л.И., Преображенский В.Л. Обращение волнового фронта в ультразвуковых пучках. УФН, 1998, т. 168, 8, с. 877-890.

50. Brysev А.Р., Krutyansky L.M., Preobrazhensky V.L., et al. Nonlinear propagation of phase-conjugate focused sound beams in water. Proc. ISNA 15, 1999, Vol. 1, pp. 183186.

51. Fink M. Phase conjugation and time reversal in acoustics. Proc. ISNA 15, 1999, Vol. 1, pp. 33-44.

52. Morozov А.V., Pishchalnikov YU.A., Sapozhnikov O.A. Method of measurement of vibrational velocity on ultrasound source surface: numeric analysis of accuracy. Physics of Vibrations, 2002, Vol. 10, No. 2, pp. 93-99.

53. Андреев В.Г., Ведерников А.В., Морозов А.В., Хохлова В.А. Контроль изменения температуры в фокальной области ультразвукового излучателя. Акустический журнал, 2006, Т. 52, № 2, с. 149-155.

54. Sapozhnikov О.А., Morozov A.V., Cathignol D. Piezoelectric transducer surface vibration characterization using acoustic holography and laser vibrometry. Proc. ШЕЕ Int. Ultrason. and UFFC 50th Anniv. Joint Conf., 2004, pp. 161-164.

55. Morozov A.V., Pishchalnikov YU.A., Cathignol D., Sapozhnikov O.A. Improved prediction of acoustic pressure and heat sources generated by therapeutic ultrasound transducers. Proc. ISTU-3, 3rd Int. Symp. on Therapeutic Ultrasound, 2003, pp. 296-301.

56. Vedernikov A.V., Morozov A.V., Averianov M.V., Khokhlova V.A., Andreev V.G. Indirect temperature measurement in a focal zone of ultrasonic transducer. Proc. ISTU-3, 3rd Int. Symp. on Therapeutic Ultrasound, 2003, pp. 217-223.

57. Морозов A.B., Катиньоль Д., Сапожников O.A. Исследование колебаний поверхности ультразвуковых излучателей: сравнение методов лазерной виброметрии и акустической голографии. Труды XV сессии РАО, 2004, Т. 2, с. 2125.

58. Смагин М.А., Морозов А.В., Сапожников О.А. Исследование структуры акустического поля многоэлементного медицинского акустического датчика. Труды XV сессии РАО, 2004, Т. 3, с. 74-76.

59. Сапожников О.А., Пономарев А.Е., Смагин М.А. Нестационарная акустическая голография для реконструкции скорости поверхности акустических излучателей. -Акуст. ж., 2006, т.52, №3, с. 385-392.

60. Васильев JI.A. Теневые методы. M.: Наука, 1968.

61. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд. Иностранной литературы, 1957.

62. Settles G.S. Schlieren and Shadowgraph Techniques: Visualizing Phenomena in Transparent Media. Springer-Verlag, Nov. 2001

63. Frungel, F.B.A. Sparks and laser pulses: High Speed Pulse Technology, vol. IV, Academic Press, New York, p. 488,1980.

64. Neubauer W.G. Observation of acoustc radiation from plane and curved surfaces, Physical Acoustics, Chap. 2, Academic Press, New York, 1973, p. 61

65. Darius J. Visions of sound; acoustic field visualization by schlieren color photography, New Scientist, 62, 1974, pp. 408-414.

66. Hennige C.W. Schlieren optical system for visualizing ultrasonic waves, Materials Evaluation, 47(5), 1989, pp. 496-499.

67. Breazeale M.A. Schlieren photography in physics, Acousto-Optics and Applications III, SPIE Vol. 3581, 1998, pp. 41-47

68. Аверьянова В.Г., Макаров В.И., Ржевкин C.H. Визуализация сдвиговых ультразвуковых волн в прозрачных твердых телах. Акуст. ж., 1956, т. П, вып. 2.

69. Korpel A., Yu Т.Т., Snyder H.S., Chen Y.M. Diffraction-free nature of schlieren sound-field images in isotronic media. JOSA A, 11(10), 1994, pp. 2657-2663.

70. Bucaro J.A., Dardy H.D. Sensitivity of the schlieren method for the vizualization of low-frequency ultrasonic waves, J. Acoustical Soc. Am., 63(3), 1978, pp. 768-773.

71. Moore W.E., Bucaro J.A. Measurement of acoustic fields using schlieren and holographic techniques, J. Acoustical Soc. Am., 63(1), 1978, pp. 60-67.

72. Bronson N.R. An inexpensive schlieren apparatus, Ultrasonics, 7,1969, pp. 67-70.

73. Gonzalez L., Maclntyre W.J. Acoustic shadow formation by gallstones, Radiology, 135(1), 1980, pp. 217-218.

74. Smith S.W., Thurstone F.L. Schlieren study of pulsed ultrasound transmission through human skull, J. Clin, Ultrasound, 36 (1-5), 1998, pp. 55-59.

75. Макаров В.И. Визуализация ультразвуковых импульсов с высокочастотным заплнением. Акуст. ж., 1956, т. П, вып. 2, с. 285-286.

76. Смагин М.А., Булатицкий С.И., Пономарёв А.Е., Сапожников О.А. Шлирен-визуализация низкоинтенсивных ультразвуковых полей. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2006, №8-9, с.44-49.

77. Осипов Л.В. Ультразвуковые диагностические приборы: Практическое руководство для пользователей. М.: Видар, 1999.

78. Bjorn A. J. Angelsen Ultrasound Imaging. Waves, signals and signal processing. Emantec, Norway, 2000, vol. 1.

79. Железняк M.M., Кашин B.A. Статистическая оценка достижимого уровня боковых лепестков в фазированных антенных решетках с нелинейным начальным фазовым распределением. Журнал Радиотехника и электроника, Т. 17, 6, 1972, сс. 1183-1190.

80. Железняк М.М., Кашин В.А. Использование бинарного квантования фазы для синтеза антенных решеток, расположенных перпендикулярно проводящему экрану. Журнал Радиотехника и электроника, Т. 16,5, 1971.

81. Sarcione М., Mulcahey J., Schmidt D., Chang К. The design, development and texting of the THAAD solid state phased array, ШЕЕ International symposium on Phased Array Systems and Technology, 1996, pp.260-265.

82. Смагин M.A., Нагулин H.E., Пономарев A.B., Сапожников О.А. Влияние дискретизации задержки в диаграммо-формирующих устройствах ультразвуковых диагностических систем на качество фокусировки. Сб. трудов XVI сессии РАО, Москва: ГЕОС, 2005, т.З, с.128-131.

83. Акустическая голография. Сб. статей. Пер. с англ. под ред. В. Г. Прохорова. -Ленинград: Судостроение, 1975, 304 с.

84. Маляровский А.И., Пронюшкин В.И., Пыльнов Ю.В. Формирование изображений методом импульсной акустической голографии, сб. трудов ИОФ АН "Оптоэлектронная обработка данных дистанционного зондирования", М.: Наука, 1990, т.22, с. 78-106.

85. Гик Л. Д. Акустическая голография. Новосибирск: Наука, 1981.

86. Sapozhnikov О.А., Morozov A.V., Cathignol D. Piezoelectric transducer surface vibration characterization using acoustic holography and laser vibrometry, Proc. of ШЕЕ-UFFC Ultrasonics Symposium (Montreal, 2004), pp. 161-164.

87. Williams E.G. Fourier Acoustics: Sound Radiation and NAH, London: Academic, 1999.

88. Clement G.T., Liu R., Letcher S.V., Stepanishen P.R. Forward projection of transient signals obtained from a fiber optic pressure sensor, J. Acoust. Soc. Am., 1998, v. 104, no.3, pp.1266-1273.

89. Fink M. Time reversed acoustics, Physics Today, 1997, v. 50, pp. 34-40.

90. Delannoy В., Bruneel C., Haine F., Torguet R. Anomalous behavior in the radiation pattern of piezoelectric transducers induced by parasitic Lamb wave generation, J. Appl. Phys., 1980, v. 51, no. 7, pp. 3942-3948.

91. Cathignol D., Sapozhnikov O.A., Zhang J. Lamb waves in piezoelectric focused radiator as a reason for discrepancy between O'Neil formula and experiment, J. Acoust. Soc. Am., 1997, v. 101, no.3, pp.1286-1297.

92. Cathignol D., Sapozhnikov O.A., Theillere Y. Comparison of acoustic fields radiated from piezoceramic and piezocomposite focused radiators, J. Acoust. Soc. Am., vol. 105, pp. 2612-2617 (1999).

93. Катиньоль Д., Сапожников O.A. О применимости интеграла Рэлея к расчету поля вогнутого фокусирующего излучателя, Акуст.ж., 1999, т.45, №6, с.816-824.

94. Сапожников О.А., Синило Т.В. Акустическое поле вогнутой излучающей поверхности при учете дифракции на ней, Акуст. ж., 2002, т.48, №6, с.813-821.

95. Бадалян В.Г., Базулин Е.Г. О численном восстановлении в акустической голографии, Акуст. ж., 1983, т.29, №3, с.403-404.

96. Fink M. Phase conjugation and time reversal in acoustics in "Nonlinear Acoustics at the Turn of the Millennium: ISNA15," ed. by W. Lauterborn and T. Kurz, American Inst, of Physics, 2000, pp.33-44.

97. Lewin P.A. Miniature piezoelectric polymer ultrasonic hydrophone probes. Ultrasonics, 1981, Vol. 19, pp 213-216.

98. Ландсберг Г.С. Оптика. Учебное пособие для ВУЗов. М.: Наука, 1976.

99. Руденко О.В., Солуян С.И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975.

100. Hamilton M.F., Tjotta J.N., Tjotta S. Nonlinear effects in the farfield of a directive sound source. J.Acoust.Soc.Amer., 1985, Vol. 78, pp 202-216.

101. Викторов И. А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. М.: Наука, 1966.

102. Кузьмичев Ю.М., Макаров В.И. Возбуждение цилиндрической оболочки ультразвуком. Акуст. ж., 1958, т. IV, вып. 3, с. 285-286.

103. Макаров В.И., Фадеева Н.А. Возбуждение цилиндрической оболочки ультразвуком. Акуст. ж., 1960, т. VI, вып. 2, с. 261-262.

104. Исакович М. А. Общая акустика. М.: Наука, 1973.

105. Викторов И. А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Наука, 1981.

106. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Под ред. И. П. Голяминой. М.: 1979.

107. Таблицы физических величин, Справочник, под ред. Ак. Кикоина И.К. М.: Атомиздат 1976.

108. Stepanishen P.R. Pulsed transmit-receive response of ultrasonic piezoelectric transducers. J. acoust. Soc. Amer., 1981, 69, p. 1815-1827.

109. Скучик E. Основы акустики. В 2-х томах. М.: Мир, 1976.