ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................6
ГЛАВА 1. Обзор литературы и постановка задач........................27
1.1.Обзор работ по акустотермометрии................................27
1.2 Обзор работ по спектроскопии газовых пузырьков в биотканях 46
ГЗ.Обзор работ по ультразвуковой расходометрии г азовых потоков в
трубах..............................................................57
ГЛАВА 2. Принципы построения акустотормографов и их основные параметры...........................................................59
2.1 .Введение.......................................................59
2.2. Чувствительность и другие параметры акустотермометра...........59
2.3. Типы и конструктивные особенности акустотермометричсских приёмников..........................................................66
2.3.1. Модуляционный акустотермометр................................66
2.3.2.Компенсационный акустотермометр...............................68
2.3.3 Модуляционный акустотермометр с опорным каналом...............75
2.3.4. Корреляционный акустотермометр...............................76
2.4. Проблемы помехозащищенности и электромагнитной совместимости.......................................................79
2.5. Результаты и выводы главы......................................81
ГЛАВА 3. Визуализация поля внутренней температуры...................82
3.1. Введение.......................................................82
3.2 Акустотермографы со сканированием антенн........................82
3.3. Акустотермометр с фазируемой антенной решеткой.................87
3.4. Реконструктивная акустическая термотомо1рафия..................90
3.4.1. Алгоритм алгебраической реконструктивной томографии..........90
3.4.2. Измерение двумерных распределений температуры (лабораторные эксперименты)......................................................100
3.5.Фокусированные антенны для акустотермографии...................106
2
3.5.1. Применение фокусируемых антенн для задач акустояркостной термометрии. Компьютерное моделирование..............................106
3.5.2. Эксперименты с акустотермографом с фокусированной
антенной.............................................................112
3.6.1. Корреляционная акустотермография с использованием фокусированной антенны...............................................115
3.6.2. Экспериментальные исследования корреляционного акусторадиометра с фокусированной антенной............................................117
3.7. Локализация нагретых объектов с помощью частотного
разделения принимаемого сигнала......................................124
3.7.1. Теоретические предпосылки.....................................124
3.7.2 Физический эксперимент по восстановлению монотонного профиля температуры, изменяющегося во времени................................136
3.8. Результаты и выводы.............................................141
ГЛАВА 4.
Исследование динамики акустояркостной температуры в модельных экспериментах и экспериментах in vivo................................143
4.1. Лабораторные измерения температуры in vivo......................143
4.2. Исследования временной динамики внутренней
температуры в модельном объекте методом акустотермометрии............146
4.3. Акустотермометрическое сопровождение лазерной гипертермии молочной и щитовидной желез..........................................150
4.4.Измерение акустояркостной температуры при лазерной гипертермии злокачественных образований лабораторных животных....................153
4.5. Результаты главы................................................155
ГЛАВА 5. Измерение коэффициентов поглощения при одностороннем доступе к объекту....................................................157
5.1. Введение........................................................157
5.2. Основные допущения и упрощенная модель..........................157
5.3. Измерение поглощения в широком диапазоне частот.................159
3
5.4. Отражение от слоистой структуры...................................162
5.5. Отражение от неровной поверхности.................................167
5.6. О практической реализуемости предлагаемой методики............... 169
5.7. Заключение, результаты............................................171
ГЛАВА 6. Импульсная ультразвуковая спектроскопия газовых пузырьков в биологических тканях. Компьютерное моделирование.......................172
6.1.Введени е..........................................................172
6.2. Метод второй гармоники............................................173
6.3. Метод комбинационных частот.......................................178
6.4. Спектроскопия пузырьков, основанная на генерации суб - и ультрагармоник. О механизме формирования суб - и ультрагармоник при импульсном воздействии.................................................179
6.5. Зависимость параметров сигнала от внешнего статического давления.. 185
6.6.1. Собственные колебания пузырька при импульсном воздействии. Компьютерное моделирование.............................................186
6.6.2. Линейный метод спектроскопии газовых пузырьков на фоне нерезонансных рассеивателей на основе использования собственных колебаний пузырька.....................................................194
6.7. Перенос спектра собственных колебаний пузырька при двухчастотном зондировании...........................................................197
6.8. Выделение сигнала от газового пузырька при зондировании фазоманипулированными сигналами........................................200
6.9. Заключение, результаты............................................202
ГЛАВА 7. Лабораторные и натурные эксперименты по обнаружению и спектроскопии газовых пузырьков........................................204
7.1. Введение..........................................................204
7.2. Импульсно - доплеровская локация газовых пузырьков в кровотоке....204
7.3. Спектроскопия движущихся пузырьков на основе использования их резонансных свойств....................................................209
4
7.4. Лабораторные эксперименты по регистрации пузырьков методами нелинейной локации..................................................213
7.5. Аппаратура обнаружения газовых пузырьков в биологических тканях «Ветер-2»...........................................................220
7.6. Эксперименты по регистрации пузырьков “ш на животных и человеке в барокамере...............................................222
7.7. Заключение и результаты........................................224
ГЛАВА 8. Самодетектирование акустических импульсов в биологических тканях..............................................................226
8.1. Введение.......................................................226
8.2 Экспериментальное наблюдение самодетектировапия в образцах биотканей...........................................................228
8.3 Заключение результаты...........................................233
ГЛАВА 9. Бесконтактные измерения расхода газа в трубопроводах
с помощью накладных датчиков........................................234
9.1. Введение.......................................................234
9.2. Общие принципы локации с помощью накладных датчиков.............235
9.3. Выбор параметров зондирующих импульсов. Основные факторы, влияющие на точность измерения.......................................251
9.4. Подавление стационарных помех с помощью череспсриодного вычитания...........................................................253
9.5. Помехи, связанные с возбуждением разных мод волн Лэмба. Выбор частоты локации.....................................................258
9.6. Натурные исследования ультразвуковых расходомеров..............263
9.7. Результаты и выводы главы......................................266
Заключение, результаты..............................................267
Литература..........................................................270
Собственные публикации по теме диссертации..........................297
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Настоящая диссертация посвящена исследованию и развитию акустических методов диагностики, основанных на активной и пассивной локации, для биомедицинских и технических приложений и демонстрации их возможностей. Развитие высокочувствительных хМеТОДОВ диагностики тепловых полей и неоднородностей среды открывает новые ВОЗМОЖНОСТИ для исследования ряда процессов, происходящих в организме человека в норме и при наличии патологий.
Применение ультразвука в технике и хмедицине имеет давнюю и богатую историю. Бурное развитие ультразвуковой диагностики в медицине от первых ультразвуковых одномерных эхолокаторов до сложнейших приборов, позволяющих получить двумерные, и даже треххмериые изображения большинства внутренних органов человеческого организма фактически произошло на глазах одного поколения. В настоящее время ультразвуковое обследование стало рутинным. Вместе с тем возможности ультразвуковой диагностики не исчерпаны. В настоящей работе исследуются и развиваются методы ультразвуковой диагностики в медицине и технике, которые не являются традиционными, но могут дать уникальную информацию. Такую информацию может дать акустотермометрия, основанная на приеме собственного ультразвукового излучения, обусловленного тепловым движением атомов и молекул среды.
Измерение внутренней температуры тела может дать уникальную диагностическую информацию о состоянии тканей организма, о реакции его на внешние воздействия, а также о появлении новообразований, не говоря уже о гипертермических процедурах.
6
В ряде случаев изменения внутренней температуры могут предшествовать морфологическим изменениям тканей, которые можно, иногда слишком поздно, регистрировать с помощью средств интроскопии -рентгена, УЗИ и т.д. Например, в многочисленных экспериментах [1] показано, что изменение температуры участков молочной железы предшествует появлению новообразований. Эти эксперименты проводились с помошыо введения термопар в ткани организма, что, вообще говоря, может вызвать ответную реакцию организма. Американское агентство Food and Drug Administration, например, не рекомендует использовать инвазивные (с проникновением внутрь) методы для контроля внутренней температуры.
Для измерения внутренней температуры возможно использование методов магниторезонансной термометрии [2] и СВЧ радиотермометрии [3-12], а также ультразвукового метода, основанного на изменении скорости звука при изменении температуры среды [13-16]. Однако, магниторезонансная термометрия имеет один существенный недостаток -высокую стоимость аппаратуры и ее обслуживания. СВЧ радиотермометрия обладая высокой чувствительностью, имеет низкое пространственное разрешение по поперечной координате, а ультразвуковой метод требует проведения измерений в режиме «на просвет», что невозможно в большинстве практически важных случаев.
Поэтому появление работ по акустотермометрии, т.е. по методике измерения внутренней температуры тела, основанной на приеме собственного акустического излучения, было весьма обнадеживающим. /Достоинством акустотермометрии является, во-первых, как и в случае СВЧ термометрии, возможность измерения внутренней температуры тела без какого-либо воздействий на организм. Во - вторых, акустотермометрия позволяет определить направление на источник с аномальной температурой и даже построить его изображение.
Акустотермометрия - очень интересный метод с точки зрения радиофизиков. Немногие осознают, что тепловое движение атомов и молекул
7
в конденсированных средах порождает флуктуации давления, которые можно зарегистрировать. Вызывает удивление и то, что ультразвуковое излучение, уровень которого лежит существенно ниже уровня шума приемного устройства, не отличающееся от этого шума ни по спектру, ни по функции распределения может быть, тем не менее, выделено, а по его интенсивности оценена температура нагретого объекта.
Первые работы, показавшие возможность регистрации акустического излучения нагретыми телами - это работы Д. Эзроу (О.Е7.го\у) и Р.Мэллена (Я.Н.Ме11еп) [17,18]. На этой основе в 80х годах прошлого столетия возникло направление исследований - акустотермометрия. Пионерские работы работы Т.Боуэна [19-22] и Ю.В.Гуляева, В.И.Пасечника и В.А. Миргородского, заложили основы акустотермометрии [23,24].
Важнейшим достоинством акустотермометрии является возможность использования миллиметровых и субмил л и метровых ультразвуковых волн собственного излучения (глубина проникновения ультразвука в биологических тканях составляет 50-100 длин волн) [25]. Применение таких коротких волн дает возможность определения направления на нагретый источник, а при сканировании источника и возможность получения его изображения.
В процессе исследований по этой проблеме опубликовано большое количество работ касающихся физических принципов, обработки результатов зондирования и построения двумерных распределений температуры, методов приема сигналов, методов согласования антенн со средой и т.д. [26 - 30]. Проведены многочисленные лабораторные и натурные эксперименты по регистрации излучения нагретых тел [31,32]. Однако, на пути превращения этой идеи в реальную методику измерения внутренней температуры существовало немало задач, на решение которых направлена настоящая диссертация. В частности, это проблемы достижения максимально возможной чувствительности, стабильности измерений, помехозащищенности. Это также задачи по восстановлению изображений
8
нагретых объектов по данным, полученным при их сканировании, и оценки термодинамической температуры по измеренному акустическому излучению.
В настоящей работе эти задачи были во многом решены и впервые в модельных экспериментах продемонстрированы возможности локализации нагретых объектов и построения двумерных распределений температуры по результатам приема акустического излучения. Эти результаты получены с помощью трех видов акустотсрмометрических измерений: пространственного сканирования, использования фокусированных антенн и частотного разделения принятого сигнала. Были созданы уникальная аппаратура и методики обработки сигналов для проведения лабораторных и натурных измерений. Впервые получены экспериментальные рез)гльтаты по регистрации излучения при лазерной гипертермии молочной и щитовидной желез.
Другим важным направлением настоящей работы является обнаружение и спектроскопия газовых пузырьков в биологических тканях. Существует ряд профессий, связанных с условиями работы, когда на человека действуют большие перепады давления. Это - водолазы и кессонные рабочие испытывающие повышенные давления, летчики и космонавты, подверженные действию пониженных давлений. В результате снижения давления газ, растворенный в крови человека, прежде всего азот, начинает выделяться в виде пузырьков, которые, перемещаясь по кровеносному руслу, могут вызывать нарушения кровоснабжения органов и тканей. Возникает, так называемая кессонная болезнь. Возникновение кессонной болезни явление достаточно индивидуальное и зависит от ряда факторов, присущих человеческому организму. В одинаковых условиях работы появление кессонных нарушений у разных людей индивидуально. Поэтому выработать заранее общий рецепт удаления газа, растворенного в крови, для каждого индивидуума затруднительно. Необходим контроль возникновения пузырьков. Разработке средств такого контроля, проводимого с помощью ультразвуковой локации, посвящено большое количество работ,
9
например, работы [33,34]. Трудность этой задачи состоит в том, что пузырек,-во-первых, окружен биологическими тканями, дающими большой вклад в рассеянный сигнал, как правило, сопоставимый или существенно превышающий вклад от пузырька. Во-вторых, пузырьки имеют огромный разброс по размерам, что существенно затрудняет использование их резонансных свойств, т.к. необходим очень широкий частотный диапазон работы ультразвукового локатора.
Работы по диагностике газовых пузырьков по способу выделения полезного сигнала можно подразделить на две группы - это работы, основанные на локации, когда используется линейный отклик пузырька, и работы, основанные на использовании его нелинейных акустических свойств.
В настоящее время в подводной медицине применяются устройства и мелодики, основанные на использовании большой рассеивающей способности пузырьков относительно рассеивающей способности форменных элементов крови. Благодаря большой скорости движения в кровотоке, сигналы от пузырьков могут быть выявлены на фоне малоподвижных, но очень сильных рассеивателей - слоев биоткани, стенок сосудов и т.д. с помощью доплеровского эффекта.
Нелинейные методики основаны на использовании акустической нелинейности газового пузырька. На эти методики в свое время возлагались большие надежды, однако наличие собственной нелинейности биотканей при распространении волны через них приводит к появлению нелинейных эффектов (возникновению гармоник, комбинационных частот), что затрудняет обнаружение пузырьков. В данной работе рассмотрены и исследованы и те и другие методики и предложены некоторые их модификации, позволяющие улучшить ситуацию, и особенно при диагностике неподвижных газовых пузырьков, расположенных в слоях тканей.
10
Кроме того, в работе предлагается несколько новых методик обнаружения и спектроскопии газовых пузырьков, использующих нелинейные и резонансные свойства пузырька.
Существует большое число теоретических, экспериментальных работ, посвященных поведению газового пузырька в поле ультразвуковой, волны, касающихся как линейных, так и нелинейных режимов колебаний пузырька [35-37]. Однако, в подавляющем большинстве этих работ исследованы стационарные режимы колебаний. Вместе с тем большой интерес вызывают именно переходные процессы, возникающие при импульсном возбуждении пузырька. Для оценки возможности акустических методов спектроскопии пузырьков проведены модельные компьютерные эксперименты на основе решения уравнения для радиальных колебаний пузырька (уравнения Релея — Плессета). На этой основе проанализированы возможности нелинейных методов спектроскопии и показаны пределы их применимости. Основным недостатком этих методов является невозможность обнаружения нерезонансных пузырьков на фоне других рассеивателей. Предложены несколько вариантов спектроскопии пузырьков (как линейных, так и нелинейных), использующих их собственные колебания, возбуждаемые 30ИДИруЮ1 цим им пульсом.
Одной из актуальных технических задач, решаемых с помощью высокочувствительных акустических измерений, является задача диагностики турбулентных течений газа. В настоящее время большое распространение получили ультразвуковые измерители скорости, работа которых основана на измерении времени распространения ультразвукового импульса по направлению движения потока и против него [38,39]. Эти устройства требуют непосредственного контакта датчиков со средой, скорость которой измеряется. Это приводит к необходимости защиты датчиков от влияния среды, а также к возмущению исследуемого потока. Датчики необходимо вводить непосредственно в поток через стенку трубы, что требует установки в разрыв трубопровода специальных измерительных
11
модулей. Вместе с тем, для оперативного контроля, а также для технологических целей представляет интерес возможность измерения скорости течения и её временной динамики с помощью внешних датчиков. Однако, для реализации подобных измерений необходимо решить проблему выделения слабого сигнала, прошедшего через газ; от помех - поверхностных волн Лэмба, распространяющихся по стенке трубы. Известны работы по создания подобных устройств [40-42], работающих при достаточно больших давлениях газа, когда сигнал, прошедший через газ, становится соизмеримым с сигналами, распространяющимися по стенке трубы. Однако, при малых давлениях газа простого и эффективного способа выделения полезного сигнала не существовало.
Подобные измерения требуют применения специальных методов обработки сигналов и оценки по их временным параметрам скорости течения газа. Этим проблемам посвящена третья часть диссертации.
Научная новизна результатов, представленных в диссертации заключается в следующем:
- продемонстрированы возможности локализации и картирования нагретых образований с помощью приема собственного теплового излучения на основе применения углового сканирования и алгебраической реконструктивной томографии;
-экспериментально продемонстрирована возможность построения
одномерных профилей температуры с помощью анализа спектра собственного акустического излучения в средах с частотной зависимостью коэффициента поглощения ультразвука;
- теоретически показана возможность измерения коэффициента поглощения , его частотной зависимости и коэффициента отражения по спектру отраженного сигнала при одностороннем доступе к объекту на основе
12
использования частотной зависимости коэффициента поглощения, в том числе в средах со слоистой структурой;
- теоретически исследованы режимы колебаний газовых пузырьков, возбуждаемых акустическими импульсами, предложены методики обнаружения и спектроскопии газовых пузырьков в биологических тканях, основанные на использовании собственных колебаний пузырьков при их импульсном возбуждении;
- экспериментально измерены уровни сигналов, генерируемых в результате самодетектироваиия акустических импульсов в биоткани;
- предложена методика импульсной ультразвуковой локации газовых потоков в трубах с помошыо внешних датчиков, позволяющая выделить слабый сигнал, прошедший через газ на фоне сильных стационарных помех и использовать его для измерения скорости газового потока.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
В области акустотсрмометрии разработаны методики и аппаратура, позволяющие производить измерения внутренней температуры биологических объектов по их собственному акустическому излучению, строить двумерные изображения нагретых объектов и контролировать нагрев тканей в процессе гипертермии.
Предложены и исследованы методики обнаружения и спектроскопии газовых пузырьков, необходимые для контроля их возникновения в тканях человека при изменениях внешнего давления.
Предложена методика и построена аппаратура, предназначенная для измерения скорости течения газа в трубопроводах с помощью внешних накладных датчиков без непосредственного контакта с измеряемым потоком, дики.
13
Степень обоснованности научных положений и выводов
Выводы диссертации обоснованы аналитическими и численными расчетами, а также результатами натурных и лабораторных экспериментов. Основные результаты диссертации опубликованы в ведущих российских журналах по данной тематике, докладывались на международных и российских конференциях и хорошо известны среди специалистов.
Апробация
Результаты работы докладывались на многочисленных всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе, на конференциях BIOS 2002, SPIE 2000, 2001, 2002, на 5-й, 6-ой и 7-ой научных конференциях по радиофизике (ННГУ им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, 2001 -2003), на 11-м Международном симпозиуме по нелинейной акустике (Новосибирск, 1987), на конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 1998), на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва, 1991), на XI, XIII, XIX, XX сессиях Российского акустического общества, на семинаре Акустического института «Акустика неоднородных сред», на 1-й Всероссийской научно-технической конференции «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н. Новгород, 1999), на конференции «Медицинская физика и инновации в медицине» (Троицк, 2008), на 8-й Международной научно-технической конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине», на Международном симпозиуме «Прогресс в исследованиях по радиоэлектронике» (Москва, 2009), на 4-й Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, 2010), на семинарах ИПФ РАН.
Личный вклад автора
Практически все работы автора выполнялись в соавторстве с коллегами по работе, т.к. высокий уровень экспериментальных работ трудно
14
обеспечить без привлечения специалистов разных специальностей -инженеров, программистов и.т.д. Большая часть работ проведена совместно с А.Г.Саниным, А.М.Рейманом, Р.В.Бсляевым, А.В.Шишковым, А.Г.Кирилловым, В.А.Вилковым. М.Б.Прудииковым. Вместе с тем основные идеи, заложенные в диссертации, принадлежат автору. Работы по акустотермометрии на начальном этапе выполнялись автором единолично. Позднее экспериментальные работы по акустогепловидению выполнялись коллективами, руководимыми автором. В частности, часть работ проводилось с Е.В.Кротовым в рамках подготовки его кандидатской диссертации, руководителем которой был автор. Это же касается части работы, связанной с частотным разделением сигналов для восстановления профиля температуры (совместно с аспирантом П.В. Субочевым). Исключение составляют работы, проведенные совместно с профессором
А.А.Аносовым и его сотрудниками. Здесь вклад автора состоит в организации разработки и изготовления акустотермографов, с помощью которых проведены натурные и лабораторные исследования и участие в подготовке и проведении экспериментов, часть из которых проводились совместно с медицинскими соисполнителями и последующим обсуждением полученных результатов. В части работы, связанной с диагностикой газовых потоков, автору принадлежит идея использования метода подавления стационарных помех.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Измерение собственного излучения позволяет производить картирование поля внутренних температур биологических объектов на основе углового сканирования, с последующим восстановлением изображения с помощью алгоритмов реконструктивной алгебраической томографии.
2. Измерение спектра теплового акустического излучения в среде с частотно-зависимым поглощением позволяет производить измерение
15
распределения внутренней температуры биологических объектов вдоль ультразвукового пучка.
3. Применение акустотепловидения позволяет реализовать контроль внутренней температуры при лазерной гипертермии органов и тканей.
4. С помощью акустического зондирования сложной среды имеющей отражающие структуры можно определить акустическое поглощение, его частотную зависимость и коэффициент отражения, даже в слоистой среде, in vivo при одностороннем доступе к объекту исследования.
5. Использование переходных процессов при импульсном ультразвуковом зондировании газовых пузырьков позволяет выделять сигнал от пузырька на фоне других нерезонансных неоднородностей в сложных слоистых средах.
6. При ультразвуковом зондировании потока газа через металлическую стенку грубы с помощью внешних ультразвуковых датчиков, турбулентные пульсации скорости потока позволяют выделить ультразвуковой импульс, прошедший через газ на фоне стационарных помех и использовать его для измерения скорости газа.
Структура и объем работы: диссертация состоит из Введения, 9 глав, Заключения, Списка литературы. Объем диссертации составляет 304 страницы. Список цитируемой литературы содержит 260 наименований. По материалам диссертации опубликовано 63 работы, в том числе: 19 статей в журналах, (18 из перечня ВАК), 3 патента, 1 авторское свидетельство на изобретение, 1 препринт, 7 статей в тематических сборниках, 32 доклада на конференциях и симпозиумах.
В первой главе диссертации содержится обзор публикаций по акустотсрмографии, проблемам обнаружения газовых пузырьков в биологических тканях и проблеме измерения расхода газа в трубопроводах с помощью ультразвуковой локации.
Вторая глава посвящена общим принципам акустотермометрии, сс проблемам и демонстрации результатов, полученных в процессе их
16
преодоления в ходе лабораторных и натурных экспериментов по акустотермометрии. В параграфе 2.2 обсуждены требования к акустотермометрам и приведены расчеты предельной чувствительности акустотсрмометров. В параграфах 2.3.1-2.3.4' обсуждается возможность применения акустотермомегрических приемников различного чипа: корреляционного, компенсационного и модуляционного. Предпочтение отдано компенсационному типу приемников, с помощью которых при определенных условиях можно получить наивысшую температурную чувствительность.
Одним из важных достоинств акустотермографии является возможность реализации высокого пространственного разрешения, которое реализуется благодаря высокой проникающей способности ультразвуковых волн. В ультразвуковых диагностических приборах в зависимости от задачи применяются частоты от 1 до 10 МГц, а в некоторых экзотических случаях до 15-20 МГц. В акустотермометрии освоенным диапазоном можно считать диапазон от 1 до 3 МГц (длина волны от 1.5 до 0.5мм). Этот диапазон выбирается из желания получить наилучшее пространственное разрешение и при этом не потерять дальнодействие и температурную чувствительность. При увеличении частоты происходит рост поглощения и уменьшается глубина проникновения..В этом случае акустотермограф начинает измерять практически поверхностную температуру, что мало отличает его функциональные возможности от возможностей обычного тепловизора, регистрирующего инфракрасное излучение. В указанном диапазоне возможно формирование узкого ультразвукового пучка и даже его фокусировка на достаточную для некоторых диагностических задач глубину. Высокое пространственное разрешение позволяет регистрировать акустическое излучение направленным образом, что, в свою очередь, открывает возможность исследования пространственного распределения температуры (картирования).
17
В параграфе 2.4 обсуждены проблемы помехозащищенности и приведены некоторые соображения по её повышению.
Третья глава посвящена развитию методов двумерной термотомографии. В параграфе 3.2 приведено описание принципов построения двумерных профилей температуры на основе сканирования объекта антеннами акустотермографа и приведена простейшая схема такого сканирования.
Здесь впервые продемонстрирована возможность реализации картирования и получены сканограммы нагретого тела в лабораторном эксперименте при использовании простейшего вида обработки зарегистрированного сигнала — перемножения сигналов, принятых двумя каналами. Показан способ восстановления изображений на основе использования результатов углового сканирования, которое производилось с помощью 12 канального сканирующего акустотермографа и алгоритма алгебраической реконструктивной томографии (APT - алгоритма). В модельных экспериментах показаны возможности восстановления изображения источников, в том числе и для случая расположения в двухслойной среде, имитирующей биоткани. Для реализации этих измерений диссертантом в соавторстве с другими сотрудниками были разработаны и построены экспериментальные макеты аппаратуры и модифицирован APT алгоритм.
В параграфе 3.3. приведена схема и обсуждаются перспективы построения акусто гермографов с фазируемой антенной решеткой. Несмотря на кажущуюся привлекательность этого вида акустотермографов, по мнению автора, в ближайшем будущем подобная схема их построения перспективы не имеет. В параграфе 3.4. приведены результаты по исследованию алгоритма алгебраической реконструктивной томографии для построения двумерных профилей температуры по результатам сканирования. В литературе обсуждались методики восстановления двумерных профилей на основе «по Тихонову». В наших работах был, однако, применен именно APT
18
алгоритм известный еще с начала рентгеновской томографии. Этот алгоритм, однако, имеет преимущества перед другими в случаях, когда имеет место неполнота данных и их зашумленность. Неполнота данных в нашем случае объясняется тем, что сканирование производится только с одной стороны и нет возможности «заглянуть» за объект с другой стороны. Тем не менее, как показало наше моделирование, этот алгоритм позволяет реконструировать довольно сложные изображения. Недостатком API' алгоритма является недоказанность единственности получаемых распределений, однако некоторые априорные данные о свойствах объектов (гладкость, неразрывность, невозможность больших градиентов температуры) позволяет устранить возможные нефизичные решения.
В параграфах 3.4.1. приведены результаты лабораторных экспериментов по построению с помощью * описанного APT алгоритма и многоканального акустотермографа по локализации нагретых объектов.
В параграфе 3.5. приведены результаты работ по использованию акустотермографа с фокусированной антенной для построения изображений нагретого объекта. Применение фокусированных антенн большого диаметра позволяет перераспределить чувствительность акустотермографа, получив максимальное её значение в фокусе антенны. При сканировании объекта вдоль оси пучка возможна локализация нагретых объектов. Этот способ локализации не требует решения обратной задачи и во многом напоминает режим С - сканирования, применяемый в ультразвуковой диагностике, когда сигнал регистрируется и отображается только с определенной глубины. В параграфах 3.5.1. теоретически оценены возможности такого типа приема, а в параграфах 3.5.2. приведены результаты лабораторных исследований, показавшие возможность локализации небольших объектов. Теоретически показано, что, например, локализация нагретого слоя с помощью фокусированной антенны при её сканировании вдоль оси пучка невозможна, т.к. изменение интенсивности сигнала при выходе из зоны фокуса компенсируется увеличением площади поперечного сечения, что приводит к
неизменности сигнала. В параграфе 3.6. приведены результаты экспериментов по локализации нагретых объектов с помощью акустотермографов с фокусированными антеннами.
В результате создания довольно эффективных и, вместе с тем, широкополосных датчиков (верхняя и нижняя рабочие частоты отличаются почти в три раза) появилась возможность частотного разделения сигнала. В параграфах 3.7. описана методика построения профиля температуры, основанная на частотном разделении принятого сигнала. Очевидно, что чем дальше от датчика в биоткани находится нагретый участок, тем сильнее в спектре его излучения будут подавлены высокие частоты, т.к. поглощение в ткани увеличивается с ростом частоты. Это дает основание надеяться на возможность построения профиля температуры на основе анализа спектрального состава излучения. Первые упоминания на возможность такого измерения были сделаны в работе [43], однако реальные измерения впервые были сделаны именно в данной диссертации. Для этого частотный спектр сигнала был разделен фильтрами на три участка, в каждом из которых производилось измерение интенсивности сигнала, а затем решалась обратная задача по восстановлению профиля температуры.
В четвертой главе диссертации приведены результаты измерений акустояркостной температуры в экспериментах in vivo (параграф 4.2.), модельных экспериментах (параграф 4.3.), и в клинических условиях (параграф 4.4.). Важнейшим из описанных экспериментов является проведение измерений в процессе гипертермии молочной и щитовидной железы, а также измерение температуры в процессе гипертермии раковой опухоли в лабораторном эксперименте с подопытными животными.
Пятая глава диссертации посвящена проблеме измерения акустического поглощения в биологических тканях. Знание этого параметра очень важно для акустотермометрии, т.к. для пересчета акустояркостной температуры в термодинамическую совершенно необходимо знание акустического поглощения среды. Обычно коэффициент акустического
20
\
поглощения измеряется в режиме «на прохождение» in vitro, для чего приготовляются образцы биологической ткани. Естественно, это уже неживая ткань и от тщательности подготовки образцов существенно зависят результаты измерений. Видимо, именно по этой причине величины измеренных коэффициентов поглощения, приводимые в литературе, сильно различаются. При измерениях на реальном объекте режим «на прохождение» в большинстве случаев невозможен, поэтому предложено использовать режим «на отражение» от каких либо структур внутри ткани, её слоев и т.д. и частотную зависимость коэффициента поглощения, априори неизвестную. Неизвестным здесь является и коэффициент отражения. Тем не менее, показана возможность измерения как собственно коэффициентов поглощения и их частотной зависимости, так и коэффициента отражения. Более того, возможно измерение коэффициента отражения и в том случае, когда границы отражающего объекта находятся на расстоянии меньшем, чем пространственная протяженность акустического импульса. Для разделения сигналов от границ применяется кепстральный анализ сигнала [44]. В параграфе 5.2. сформулированы основные допущения при рассмотрении модели среды. Параграф 5.3. посвящен измерению поглощения при использовании спектра сигнала широком частотном диапазоне, а параграф
5.4. обработке сигнала при выделении в случае отражения от слоистой структуры с помощью кепстрального анализа. В параграфе 5.5. сделаны оценки и обсуждена проблема, возникающая при отражении сигнала от неровной поверхности. Показано, что при использовании приемных датчиков с малой апертурой влияние неровности отражающей поверхности на точность измерения мало. В параграфе 5.6. обсуждаются вопросы практической реализации предлагаемой методики.
Шестая глава посвящена проблемам диагностики газовых пузырьков в организме человека. Во введении проведена классификация методов обнаружения и спектроскопии газовых пузырьков в биологических средах.
21
Г
\
В параграфе 6.2 на основе численного моделирования исследованы возможности выделения сигнала от газового пузырька в различных режимах локации, использующих импульсное возбуждение и прием, сигнала рассеянного пузырьком на гармониках.
В параграфе 6.3 обсуждается возможность обнаружения и спектроскопии пузырьков, основанная на использовании комбинационных частот.
В параграфе 6.4 исследуется метод спектроскопии, основанной на нелинейно-параметрическом мегоде локации, использующей приём сигналов на частоте субгармоники (П2) и ультрагармоник (п<72) частоты излучения. Этот метод был реализован технически в диапазоне частот, который позволял регистрировать очень мелкие пузырьки (4-10 мкм), расположенные неподвижно в сильно - неоднородных биологических тканях. Здесь же Ни основе компьютерного моделирования показано, что на генерацию суб - и ультра гармони к в импульсном режиме существенно влияют параметры зондирующего импульса. Так при возбуждении пузырька импульсом с плавными фронтами, когда частотные компоненты на частоте субгармонического резонанса пузырька малы, возбуждение пузырька на субгармонике происходит с сильным запаздыванием относительно момента включения накачки.
На основе этой методики был построен ультразвуковой локатор «Ветер», с помощью которого проведены успешные натурные исследования в условиях барокамеры, на подопытных животных и испытателях. В ходе экспериментов обнаруживались неподвижные газовые пузырьки в тканях, возникавшие при снижении давления в камере. К недостаткам методики относится невозможность обнаружения крупных пузырьков, не попадающих в резонанс с частотой накачки или с частотой субгармоиики. В параграфе 6.5 рассмотрена трансформация сигналов на субгармониках при изменении внешнего статического давления.
22
В параграфах 6.6- 6.8 на основе численного моделирования уравнения для радиальных колебаний пузырька (Уравнения Релея - Плессета) рассмотрены некоторые возможные методы спектроскопии газовых пузырьков, использующие возбуждение пузырька с помощью коротких ультразвуковых импульсов с последующей регистрацией собственных колебаний пузырька. Этим предлагаемые методики отличаются от ранее предложенных методик спектроскопии. В этих методиках используются как резонансные (в линейном режиме локации), так и нелинейные свойства пузырька. В лабораторном эксперименте продемонстрированы возможности по спектроскопии пузырьков, а в компьютерном эксперименте показана возможность обнаружения и спектроскопии пузырьков, находящихся в окружении слоев биоткани. Отметим, что в обеих методиках не использовались нелинейные свойства пузырьков.
Седьмая глава диссертации посвящена описанию лабораторных и натурных экспериментов связанных с обнаружением и спектроскопией газовых пузырьков. В параграфе 7.2 представлено описание методики обнаружения газовых пузырьков в кровотоке при понижении давления. Предложенная методика отличается от методик, применяемых ранее для этих целей. Прежде всего, был выбран другой объект локации - правый желудочек, вместо легочной артерии, что позволило повысить надежность обнаружения. Это, однако, потребовало применения импульсно-доплеровского метода локации, что является второй отличительной особенностью данной методики. Сочетание этих двух идей позволило создать методику, позволившую производить обнаружения пузырьков в кровотоке человека без участия оператора, во время выполнения работы и физических упражнений, что было совершенно невозможно в ранее применявшихся методиках.
В параграфе 7.3 приведены результаты локации газовых пузырьков в лабораторном эксперименте. Локация производилась широкополосным импульсом, при этом возбуждались пузырьки разных размеров. В приемном
23
тракте сигналы разделялись с помощью фильтрации на несколько частотных диапазонов, сигналы в которых регистрировались. В результате продемонстрирована возможность разделения пузырьков по размерам, т.е. возможность их спектроскопии.
В параграфе 7.4 представлены результаты экспериментов по обнаружению газовых пузырьков на основе регистрации рассеяния на суб- и ультрагармониках, т.е: на частотах вдвое ниже частоты локации и на частотах, кратных частоте субгармоники. В параграфе 6.5 описана аппаратура, В параграфе 7.5 приведено описание аппаратуры «ВЕТЕР», работа которой основана на приеме суб- и ультрагармонических колебаний пузырька. С помощью этой аппаратуры проведены натурные эксперименты в барокамере. В параграфе 7.6 приведены результаты экспериментов по обнаружению пузырьков в тканях человека (при понижении давления, имитирующем нахождение в скафандре) и подопытных животных при повышении, а затем резком снижении внешнего давления.
Восьмая глава посвящена исследованию эффекта самодетектирования акустических импульсов. Это исследование поначалу было связано с диагностикой газовых пузырьков субгармоническим методом. При использовании субгармонического метода обнаружения пузырька на фоне слоев биологических тканей в исходном сигнале должны быть подавлены компоненты на частоте субгармоники. Это осуществляется с помощью ЬС фильтров, подключенных между усилительным каскадом и передающим пьезопреобразователем. Однако при распространении акустического импульса в нелинейной среде подавленные спектральные компоненты вновь возникают, отражаются от слоев и границ тканей и ухудшают возможность обнаружения газовых пузырьков. Поэтому и этот вид локации (как и другие нелинейные методы) не позволяет получить стопроцентную контрастность. Важно знать, на сколько могут помешать компоненты появившиеся в результате нелинейного преобразования, в том числе и самодетектирования импульсов. Самодетектирование широко
24
известный эффект в акустике и используется для работы параметрических антенн. Вместе с тем в нелинейной акустике тканей не удалось найти каких-либо упоминаний об исследованиях в этой области. В главе приведены результаты эксперимента по измерению сигналов, возникающих в результате самодетектирования акустических импульсов в тканях печени, сала, и мышечной ткани. Полученные результаты указывают на значительные уровни продетектированных импульсов, регистрация' которых не вызывает затруднений. Есть и еще один вывод из этой части работы. Как известно [45], при ультразвуковом обследовании беременных женщин часто наблюдается беспокойное поведение плода. Одним из возможных объяснений этого факта является самодетсктирование ультразвуковых импульсов (кстати, довольно мощных, с амплитудой несколько атмосфер), в результате чего возникают низкочастотные сигналы на частоте повторения импульсов и их гармониках, которые и ощущаются плодом.
Девятая глава посвящена разработке методики диагностики газовых потоков в трубопроводах с помощью внешних накладных датчиков. Существует множество коммерческих приборов осуществляющих измерения скорости газовых потоков. В основу их работы положено измерение времени распространения импульсов вниз и вверх по потоку, с последующим вычислением скорости потока. Однако, в подавляющем большинстве в измерителях используются врезные датчики, г.е. датчики, которые вводятся непосредственно в поток через стенку трубы. К их недостаткам можно отнести необходимость установки специальных врезок в трубу, влияние датчиков на ноток, износ датчиков в результате воздействия абразивных частиц, находящихся в потоке, загрязнение датчиков. От всего этого можно было бы избавиться, расположив датчики на внешней стороне стенки трубы. Именно так поступают в жидкостных расходомерах. В газовых такой вариант затруднен, т.к. отличие акустических импедансов материала стенки трубы и газа составляет примерно пять порядков. Естественно большая часть акустической энергии остается в трубе и почти не излучается в газ. Хуже
25
того, сигнал, прошедший через газ, который все-таки принимается приемным датчиком, лежит существенно ниже по амплитуде, чем сигналы, распространяющиеся по стенке трубы. В данной работе предложен способ выделения сигнала прошедшего через газ на фоне сигналов, обусловленных распространением поверхностных волн Лэмба по стенке трубы. Способ основан на использовании флуктуаций амплитуды и времени задержки акустических импульсов, прошедших через турбулентный газовый поток. Импульсы, распространяющиеся по стенке трубы, стабильны и могут быть подавлены с помощью череспериодного вычитания. Применение подобной обработки позволило реализовать измерения скорости потока в трубах даже при низком (атмосферном) давлении, когда сигнал, прошедший через газовый поток, очень слаб. Это выгодно отличает предложенную методику от подобных устройств, которые способны работать лишь при достаточно больших давлениях газа, когда амплитуда полезного сигнала, прошедшего через газ превышает амплитуду помехи. Разработанные в данной работе методика и аппаратура прошли успешную экспериментальную проверку в натурных условиях на станции подземного хранения газа в г. Армавире.
В заключении диссертации сформулированы результаты работы.
В конце приведен список ци тируемой литературы.
Автор благодарен коллегам, принимавшим участие в обсуждении, разработках связанных с темой диссертационной работы, коллегам по работе и соавторам по публикациям, А.М. Рейману, А.Г.Санину, Г.П.Волкову Р.В.Беляеву, A.B.Шишкову, А.В.Соколову, а также моим бывшим аспирантам Е.В.Кротову и П.В. Субочеву, а также профессору А.А.Аносову (ИРЭ РАН), д.ф.-м.н. Обухову, а также моим коллегам из г.Сарова
В.А.Агурееву, С.В.Трусилло, В.М.Карюку, Д.В.Мороскину.
26
ГЛАВА 1. Обзор работ по теме диссертации 1.1 Акустотермометрня
Измерение внутренней температуры человека может дать уникальную информацию о его физиологическом состоянии. Как показывают работы М. ОаШйепе [1], который провел множество измерений внутренней температуры молочных желез с помощью термопарных датчиков, изменения температуры участков биоткани предшествует изменению других структурных параметров ткани, которые могут быть зарегистрированы с помощью рентгеновского или ультразвукового обследования. Отметим, что вариации внутренней температуры тела человека невелики, поэтому для их измерения требуется достаточно высокая точность. Можно привести несколько цифр, показывающих диапазоны изменений. Например, температура злокачественной опухоли относительно температуры здоровой ткани в среднем выше всего лишь на 0.3-0.5°С , реже 1.5 С [1], а область нагрева, из-за влияния кровотока и диффузионных свойств тканей, составляет величину порядка 1см. При лечении онкологических заболеваний методом гипертермии необходимо нагреть опухоль приблизительно до 42°С и поддерживать температуру с точностью 0.3-0.5°С, см обзор [46]. При физиологических реакциях организма температурные изменения составляют около 1К. Как видно, точность восстановления температурных полей должна быть очень высокой, не менее 0.1°. Несколько большие изменения температур (до 100°С) возможны при абляции тканей, например, с помощью СВЧ нагрева [47].
Определим возможные задачи акустотермометрии тела человека. Их фактически четыре. Во-первых, это измерение температуры каких-либо новообразований и зон, в которых происходят процессы, приводящие к изменению (как повышению, гак и понижению) температур ел. Во-вторых, это
27
долговременный контроль температуры органов, например, в результате какого-либо медикаментозного воздействия. В-третьих, это контроль температуры ткани в процессе гипертермии, т.е. при искусственном нагреве ткани внешними излучениями (лазерная, СВЧ, ультразвуковая гипертермия). В первых двух задачах необходимая температурная чувствительность должна составлять десятые доли градуса, в третьем случае, т.е. при гипертермии,-единицы градусов. Наконец, в-четвертых, это абляция тканей в результате какого-нибудь греющего воздействия. Здесь температурная чувствительность может быть не так высока, но само воздействие кратковременно, а его последствия - разрушение тканей, закипание межклеточной жидкости, могут затруднить регистрацию температуры акустическими методами.
Об особенностях других методов измерения внутренней температуры СВЧ-радиометрии и магниторезонансной термометрии вкратце было сказано во Введении, поэтому остановимся на разрабатываемом методе акустотермометрии - методе, основанном на регистрации акустического излучения, порождаемого тепловым движением атомов и молекул среды.
Начало исследований возможностей регистрации теплового акустического излучения относится к середине 20-го века. Наличие шумового акустического излучения воды было теоретически описано Р.Х. Мелленом [17] в 1952г. В этой работе рассмотрена возможность измерения температуры океана с помощью регистрации точечным гидрофоном акустического шумового излучения и описание шумового акустического излучения жидкости с точки зрения теории классической статистической механики. Р.Х. Медлен рассмотрел элементарный кубический объем У0, число нормальных мод которого определяется выражением:
И~4кУ0/3/Зс3,
3 3
где/- частота, с - скорость звука, Уо» f /с откуда спектральная плотность мод будет равна:
сШсУЫтсУ^/с3.
28
- Київ+380960830922