Оглавление
Предисловие
Введение 8
Глава 1 Нелинейные взаимодействия пилообразных волн и ударных импульсов за случайным фазовым экраном ..
1.1 Вводные замечания ............................................ 26
1.2 Статистические характеристики нелинейной пилообразной волны 28
за фазовым экраном в приближении нелинейной геометрической акустики (НГА)..............................................
1.3 Статистика нелинейного поля одиночного /У-импульса за фазовым 34
экраном. Приближение НГА....................................
1.4 Статистика нелинейной № волны за экраном при учете дифракции 39
1.5 Искажение поля сфокусированного ультразвукового пучка 51
конечной амплитуды за случайным фазовым слоем...............
1.6 Заключительные замечания...................................... 56
Глава 2 Распространение нелинейных акустических сигналов в случайно-неоднородной движущейся среде: численный и физический эксперименты
21 Вводные замечания............................................. 59
2.2 Моделирование распространения сферически расходящихся /V- 61
импульсов в однородной нелинейной среде с релаксацией.......
2 3 Сравнение результатов численного и физического экспериментов 65
по распространению мощных А-импульсов в однородном воздухе
2.4 Метод калибровки широкополосных микрофонов с 68
использованием нелинейных эффектов..........................
2-5 Эволюционное уравнение для нелинейных волн в неоднородных 71
движущихся средах. Теоретическая модель.....................
2.6 Нелинейные и дифракционные эффекты при распространении 76
А-волн в случайно-неоднородной движущейся среде.
Численный эксперимент.......................................
2.7 Сравнение результатов моделирования и эксперимента............ 83
2.8 Заключительные замечания ..................................... 89
2
Глава 3 Асимптотический спектральный метод. Разрывные волны в средах с различным частотно-зависимым поглощением
3.1 Вводные замечания.......................................... 91
3.2 Асимптотический спектральный метод восстановления разрывных 93
функций по конечному спектру................................
3.3 Асимптотический метод решения уравнения простых волн 94
3.4 уЧет разрыва производной в профиле волны................... 99
3.5 Формирование двух разрывов на периоде волны.................. 108
3.6 Использование асимптотики в виде решения Фея для описания 111
ударных фронтов конечной ширины.............................
3.7 Разрывные волны в средах со степенным частотным законом 112
поглощения, близким к линейному.............................
3 8 Разрывные волны в средах с селективным поглощением второй 121
гармоники ..................................................
3.9 Нелинейное насыщение в среде с частотно - зависимым 126
усилением ..................................................
3.10 Асимптотический подход для моделирования ограниченных 129
пучков разрывных волн с использованием неоднородной пространственной сетки
3.11 Заключительные замечания .................................... 134
„ , Нелинейные взаимодействия разрывных волн в
I ’T'IR‘1 4
ближнем поле ультразвукового излучателя
41 Вводные замечания ........................................... 136
4.2 Спектральный алгоритм расчета ближнего поля мошного 138
поршневого излучателя.......................................
4.3 Сравнение численного решения с известными данными измерений 142
и моделирования.............................................
4-4 Основные характеристики нелинейного поля. Эффект 145
формирования двух разрывов на периоде волны.................
4.5 Сравнение результатов моделирования и данных эксперимента 155
для разрывного профиля волны................................
4 6 Заключительные замечания .................................... 162
р в 5 Нелинейные импульсные поля прямоугольных
фокусирующих излучателей диагностического ультразвука
5-1 Вводные замечания. Нелинейные методы современной 164
ультразвуковой медицинской диагностики и проблема калибровки высокоамплитудных полей диагностических датчиков............
5.2 Постановка задачи для численною моделирования................ 166
5.3 Результаты моделирования, сравнение с экспериментом.......... 169
5.4 Заключительные замечания..................................... 178
3
Глава 6 Численный и физический эксперименты в задачах характеризации нелинейных полей источников ультразвуковой хирургии
6.1 Вводные замечания............................................. 179
6.2 Основные уравнения для моделирования полей ШНЫ-излучателей 182
в воде......................................................
6.3 Метод определения параметров нелинейных фокусированных 184
полей ШРи-излучателей в воде................................
6.4 Фокусировка мощных ультразвуковых пучков в воде и 197
предельные значения параметров разрывных волн...............
6-5 Пространственное распределение параметров акустического поля 208
в нелинейных фокусированных пучках..........................
6 6 Влияние аподизации поля на излучателе на проявление 215
нелинейных эффектов при фокусировке.........................
6 7 Трехмерные нелинейные поля ультразвуковых терапевтических 219
решеток.....................................................
6.8 Метод эквивалентного излучателя для описания ШЩ-полей 224
6.9 Заключительные замечания ................................... 231
Глава 7 Ультразвуковая хирургия с использованием высокоамплитулных разрывных волн
7.1 Вводные замечания ............................................ 234
7.2 Основные уравнения для моделирования полей ШЩ-излучателей 237
в ткани и соответствующего теплового воздействия на ткань...
7.3 Метод определения параметров нелинейного акустического поля 239
в фокусе при распространении в биологической ткани..........
7.4 Нелинейные эффекты при использовании сканирующего режима 248
облучения ткани.............................................
7.5 Нелинейные эффекты при использовании сканирующего режима 254
облучения гелевого фантома..................................
7.6 Эффект локального сверхбысгрого кипения в ткани при 262
воздействии фокусированным пучком разрывных волн............
7.7 Нелинейные эффекты при облучении ткани через грудную клетку 272
7.8 Заключительные замечания ..................................... 278
Заключение .......................................................... 281
Приложения .......................................................... 287
Литература .......................................................... 305
4
Предисловие
Результаты исследований, представляемые в данной диссертации, были получены в течение около 20-ти лет моей работы на кафедре акустики физического факультета МГУ. В предисловии мне хотелось бы вспомнить и поблагодарить моих родных, коллег и друзей, с которыми прошли эти и более ранние годы.
С детских лет мне посчастливилось расти в окружении физиков. Мой папа,
A.И. Ковригин, организовывал летом поездки с палатками, водными лыжами и виндсерфингом, зимой - катание на горных лыжах в Подмосковье и на Кавказе. В этом участвовали многие сотрудники, аспиранты и студенты Корпуса нелинейной оптики. Хочется сказать слова благодарности папиным коллегам и друзьям, которые многому меня научили и во многом служили и служат для меня примером. Я также с благодарностью вспоминаю спортивную школу на Ленинских горах и насыщенные пять лет учебы во 2-й физико-математической школе, своих одноклассников и учителей, каждый из которых был яркой личностью.
Конечно, был неудивителен выбор физического факультета МГУ и потом кафедры общей физики и волновых процессов. Я искренне признательна лекторам и преподавателям физфака, таким разным, неформальным и увлеченным своим делом, как были наши преподаватели математики С.А. Габов и Б.П. Химченко. Моим научным руководителем и учителем в студенчестве и аспирантуре был О.В. Руденко, благодаря которому я начала заниматься задачами нелинейной акустики и который всегда с большим вниманием относился к моей деятельности, в то же время не ограничивая самостоятельность. Вместе с ним я перешла на кафедру акустики, на которой в 1990 году закончила аспирантуру и была оставлена на работу. Я признательна сотрудникам кафедры
B.А. Красильникову, JI.K. Зарембо, В.А. Бурову, Ю.Н. Макову, II.Н. Кравчуну,
В.Г. Можаеву, А.И. Коробову, П.С. Ланде, В.А. Гордиенко и Б.И. Гончаренко, интерес, профессионализм и поддержка которых всегда ощущалась в научной и учебной работе.
Много связано и с сотрудниками других институтов. Так, исследования по терапевтическим решеткам были выполнены с Л.Р. Гавриловым из Акустического института им. H.H. Андреева, одним из мэтров медицинского терапевтического ультразвука у нас в стране. Общение с ним всегда было очень живо, приятно, очень помогало и поддерживало. Всегда ощущалась дружеское отношение наших коллег из Института общей физики РАН Л.М. Крутянского и А.П. Брысева, с которыми были выполнены эксперименты с селективным фазовым слоем.
5
Остальные экспериментальные исследования и ряд теоретических работ выполнялись при сотрудничестве с зарубежными научными центрами США, Франции и Англии. Я благодарна М. Гамильтону из университета шг. Техас в Остине, с которым в 1993 году были выполнены совместные работы по развитию параксиального подхода к описанию нелинейных звуковых пучков. Уже более 15 лет моя научная работа тесно связана с исследованиями, проводимыми в Центре промышленного и медицинского ультразвука университета шт. Вашингтон в Сиэтле. Взаимодействие с директором Центра Л. Крамом, а также с М. Аверкью, благодаря которому началось это сотрудничество, Р. Кливлендом и многими другими сотрудниками Центра было для меня неотъемлемой частью исследований и большим положительным жизненным опытом, дружбой с интересными, увлеченными людьми научного сообщества медицинского ультразвука. Совместная работа в лаборатории с сильными экспериментаторами М. Бэйли, П. Качковским, Дж. Хванг, М. Кейни и другими многому меня научила и позволила почувствовать круг задач, для которых комбинация физического и численного эксперимента могла бы поднять на новый уровень качество их решения. Особенности распространения мощного ультразвука в биологических тканях с использованием асимптотического спектрального подхода исследовались совместно с моей аспиранткой
С.С. Кащеевой. Идеи экспериментов по характеризации ударно-волновых полей источников ультразвуковой хирургии и исследованию новых механизмов воздействия улыразвука на ткани явились продолжением численных исследований, проведенных совместно с аспиранткой О.В. Бессоновой.
Ценным опытом было экспериментальное исследование новых нелинейно-дифракционных эффектов в ближнем поле поршневых излучателей, которое было инициировано результатами численного эксперимента и проводилось в сотрудничестве с Д. Катиньолем, директором лаборатории Ультразвука Института здоровья и медицинских исследований Франции г. Лиона. Многолетнее взаимодействие с Д. Катиньолем и сотрудниками этого института Ж.И. Шаплоном и С. Лафоном оказало большое влияние на выбор направлений исследований в области медицинского улыразвука.
Эксперименты в области аэроакустики были выполнены в лаборатории механики жидкостей и акустики Высшей инженерной школы г. Лиона, Франция. Вместе с Ф. Блан-Беноном мы являлись со-руководителями недавно защитивших кандидатские диссертации аспирантов М.В. Аверьянова и П.В. Юлдашева, которые непосредственно проводили измерения. Большую помощь оказал С. Оливьср и другие сотрудники лаборатории. Совместное руководство аспирантами, постановка задач, выполнение совместных
6
проектов позволило приобрести опыт в решении практических задач нелинейной аэроакустики и физики нелинейных волн в случайно-неоднородных средах.
Возможность проведения экспериментов, связанных с разработкой современных многоэлементных излучателей ультразвуковой хирургии и исследованием нелинейных эффектов в полях таких решеток, была предоставлена нам Дж. Хэндом, коллегой Jl.Р. Гаврилова из Имперского колледжа в Лондоне. Цикл экспериментальных работ, связанный с ультразвуковым облучением тканей через ребра, был проведен в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне моей аспиранткой С.М. Шмелевой (Бобковой) и А. Шоу, специалистом по задачам метрологии медицинского ультразвука. Многолетняя дружба связывает меня с Г. тер Хаар из Института онкологических исследований в г. Саттоне в Великобритании, где моей аспирантке Е.А. Филоненко была предоставлена возможность реализовать в эксперименте для клинической системы ультразвуковой хирургии предсказанные численно ударноволновые режимы облучения ткани.
Лаборатория 3-66 на физфаке эго второй дом, куда всегда хочется приходить. Атмосфера понимания, юмора, энтузиазма, дружелюбия и высокой требовательности к себе была создана и сохраняется ее сотрудниками, аспирантами и студентами.
O.A. Сапожников и В.Г. Андреев всегда были надежной опорой в научной и преподавательской работе. Я особенно благодарна Олегу Сапожникову, с которым мы вместе учились, начиная с 1-го курса, а потом работали на протяжении уже болсс 30 лет. У него всегда можно было получить ценный профессиональный совет и дружескую поддержку при решении не только научных, но и обычных жизненных проблем. Спасибо A.B. Шанину, который часто подстраховывал меня в учебной работе. Выполнение представляемой работы было бы невозможно без аспирантов и студентов, которыми мне посчастливилось руководить и при этом многому научиться. Шестеро из них уже стали кандидатами наук, многие успешно работают в области акустики и смежных дисциплин в нашей стране и за рубежом.
Выполнение и написание настоящей работы было бы невозможным без поддержки моей мамы и папы, моего мужа Мити, его мамы Елены Михайловны, дочек Тани и Маши. Их помощь лома, участие и искренний интерес к моей работе, уважительное и дружеское отношение к моим коллегам и ученикам всегда ощущались и были очень важными для меня. Я уверена, что завершение данной диссертации очень порадовало бы моего папу, памяти которого я бы хотела посвятить эту работ)'.
7
Введение
В настоящей диссертационной работе представлены результаты исследований, выполненных автором на кафедре акустики физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова в период 1991 - 2011 г.г. Диссертация посвящена комплексному теоретическому и экспериментальному исследованию нелинейно-дифракционных явлений, сопровождающих распространение интенсивных акустических волн с ударными фронтами в средах со сложным частотным законом поглощения и случайнонеоднородных средах [1-5]. Проведенные исследования в основном, связаны с современными проблемами аэроакустики и медицинской акустики, которые являются яркими примерами областей физики нелинейных волн в слабодиспсргирующих средах, где результаты фундаментальных исследований находят успешное практическое применение [6, 7]. До недавнего времени наиболее известным практическим приложением нелинейных эффектов в акустике являлась разработка параметрических антенн r гидроакустике [8]. В последние годы интенсивно развивается направление нсинвазивной ульгразвуновой хирургии (или H1FU - общепринятое сокращение от словосочетания High Intensity Focused Ultrasound) с использованием фокусированного ультразвука большой интенсивности [9]. Широко используются новые нелинейные методы ультразвуковой медицинской визуализации и неразрушающего контроля, основанные на генерации в среде высших гармоник диагностических импульсов [10-14]. Поглощение в биологических тканях отличается от квадратичного по частоте закона классических жидкостей [15], что приводит к новым особенностям в распространении разрывных акустических волн. Задачи, связанные с распространением волн в турбулентной атмосфере и развитие различных моделей случайно-неоднородных сред [16, 17], привлекают к себе повышенное внимание исследователей в связи с развитием сверхзвуковой гражданской авиации и проблемой звукового удара (18 - 20]. Несмотря на различия в плане практического применения, перечисленные выше задачи могут быть описаны в рамках единого математического аппарата нелинейных эволюционных уравнений физики нелинейных волн в средах со слабой дисперсией [21, 22].
Следует выделить две важные особенности, отличающие научное направление, развиваемое в данной работе. Во-первых, в ней рассматриваются взаимодействия сильно искаженных акустических сигналов, которые принципиальным образом отличаются от взаимодействий квазнгармонических нелинейных волн [23]. Описание акустических полей с разрывами является гораздо более сложной задачей как в плане построения
8
теоретических моделей, так и в численном моделировании. Хотя первые алгоритмы моделирования нелинейных дифрагирующих пучков с использованием удароулавливающих схем Годунова были созданы в 1970-х годах [24], для моделирования условий эксперимента численные расчеты стали использоваться лишь в последние годы. Это является второй особенностью данной работы: использование численного
эксперимента как инструмента в решении рассматриваемых задач в комплексе с проводимыми физическими экспериментами. Такой подход и разработанные численные алгоритмы под конкретные экспериментальные установки позволили не только существенно расширить круг поддающихся решению задач, но и обеспечить новый, более высокий уровень их исследования.
Таким образом, АКТУАЛЬНОСТЬ ДАННОЙ РАБОТЫ связана с быстрым развитием новых практических приложений мощного ультразвука. Наиболее важным примером являются современные медицинские приложения, как, например, неинвазивная ультразвуковая хирургия с использованием высокоинтенсивных фокусированных пучков и нелинейная диагностика. При воздействии ультразвука на биологическую ткань образующиеся в профиле нелинейной волны ударные фронты играют важную, а иногда и определяющую роль. Однако по-прежнему не существует общепринятых методов характеризации ультразвуковых ударноволновых полей, создаваемых устройствами ультразвуковой хирургии, а также полного понимания физических механизмов вызываемых разрывными ультразвуковыми волнами биологических эффектов. Развитие нелинейных методов является перспективным для медицинской ультразвуковой диагностики. Исследование нелинейно-дифракционных эффектов в импульсных полях, создаваемых медицинскими датчиками, необходимо для эффективного использования их преимуществ. В области аэроакустики актуальной является проблема оценки шумовой безопасности в связи с развитием сверхзвуковой гражданской авиации. Здесь необходимо развитие различных моделей сред со случайными неоднородностями как распределенными в пространстве, так и в сосредоточенными в слое. Для понимания физических явлений, связанных с распространением мощного ультразвука и его воздействия на среды распространения также необходимо развитие адекватных моделей, подтвержденных в экспериментах. С теоретической точки зрения, эти задачи могут быть описаны в рамках моделей распространения нелинейных дифрагирующих волн в средах в различными типами диссипации и в присутствии неоднородностей. Создание таких комплексных теоретических и экспериментальных моделей и разработка методов решения соответствующих нелинейных волновых уравнений является важной частью данной работы.
9
Основные ЦЕЛИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ состоят в следующем:
1. Развитие теоретических моделей и исследование на их основе распространения нелинейных акустических волн за случайным фазовым экраном. Исследование возможности селективного разрушения поля гармоник в фокусированном пучке конечной амплитуды после прохождения случайного фазового слоя специальной конфигурации.
2. Теоретическое и экспериментальное исследование статистических распределений и средних характеристик нелинейных акустических волн с ударными фронтами в случайнонеоднородных средах с учетом дифракционных эффектов, диссипативных и релаксационных процессов, а также многократного образования случайных каустик.
3. Разработка асимптотического метода описания разрывных решений эволюционных уравнений нелинейной акустики с использованием ограниченного спектра. Исследование особенностей распространения разрывных акустических волн в средах с различным частотно-зависимым поглощением.
4. Исследование нелинейно-дифракционных эффектов в ограниченных звуковых пучках со сложной пространственной структурой ближнего поля.
5. Создание численной модели для трехмерных импульсных фокусированных пучков, учитывающей нелинейные и дифракционные эффекты, а также частотно-зависимое поглощение в биологических тканях. Исследование пространственной структуры поля высших гармоник для улучшения качества диагностических изображений.
6. Развитие комбинированного экспериментального и численного метода
количественной характеризации параметров ударно-волновых полей излучателей для ультразвуковой хирургии в воде и биологической ткани. Разработка метода определения параметров нелинейных фокусированных ультразвуковых пучков в биологической ткани по данным измерений либо моделированя в воде (нелинейный дирейтинг).
7. Развитие новых принципов неинвазивной ультразвуковой хирургии с использованием облучения в режиме высокоамплитудных разрывных волн. Создание численных моделей для расчета нелинейных полей современных излучателей, в том числе многоэлементных фазированных решеток в воде и в ткани в различных клинических условиях.
8. Количественное исследование явления усиления теплового воздействия ультразвука на ткань за счет нелинейных эффектов в режимах, характерных для приборов неинвазивной ультразвуковой хирургии. Исследование эффекта сверхбыстрого нагрева и возникновения локапьного кипения в биологической ткани в фокусе излучателя при облучении в режиме разрывных волн и физических механизмов вызываемых при этом биологических эффектов.
10
НАУЧНАЯ НОВИЗНА представленной работы заключается в следующем:
1. Развиты новые аналитическая и численная модели для описания статистических свойств параметров нелинейных волн за случайным фазовым экраном. Аналитическая модель построена на основе приближения нелинейной геометрической акустики. В численной модели учитывается влияние пространственных масштабов фазовых флуктуаций экрана, совместное влияние нелинейных, дифракционных и диссипативных эффектов, что существенно расширяет область ее применимости. Показано теоретически и подтверждено экспериментально, что при использовании физически реализуемого фазового слоя специальной конфигурации возможно селективное влияние на качество фокусировки различных гармоник слабо фокусированного пучка конечной амплитуды.
2. Получено модифицированное нелинейное уравнение эволюционного типа, описывающее распространение нелинейных акустических сигналов в неоднородной движущейся среде с учетом флуктуаций скорости среды, поперечных направлению распространения волны. Впервые построены решения для функций распределения и средних характеристик нелинейного акустического волн с разрывами в случайно неоднородной движущейся среде при учете дифракции, многократного образования каустик, вязкого поглощения и релаксации, а также эффектов, связанных с продольными и поперечными флуктуациями неоднородного поля скорости среды. Теоретические результаты подтверждены в модельных физических экспериментах.
3. Предложен, обоснован и реализован новый экспериментальный метод калибровки широкополосных микрофонов по нелинейному удлинению М-волны в среде с поглощением и релаксацией в воздухе с использованием определения длительности импульса по положениям нулей в его спектре.
4. Получена замкнутая система конечного числа связанных нелинейных уравнений, описывающая разрывные решения эволюционных уравнений нелинейной акустики, и разработана процедура восствновления разрывного профиля на основе получаемого решения. Построенная модель позволила выявить новые особенности взаимодействиях разрывных волн в средах с различной зависимостью поглощения от частоты.
5. Показаны особенности изменения пространственной структуры различных параметров нелинейных дифрагирующих ультразвуковых полей, связанные с образованием разрывов. Обнаружен эффект формирования и взаимодействия двух разрывов на одном периоде волны в ближнем поле плоского поршневого излучателя и в фокатьной области сходящегося пучка за счет интерференции прямой и краевой волн.
II
6. Развита новая численная модель, позволяющая рассчитывать импульсные поля ультразвуковых диагностических датчиков произвольной геометрии с учетом нелинейности, произвольного частотного закона поглощения среды и дисперсии скорости звука. На основе полученных численных решений продемонстрированы преимущества метода диагностики на второй гармонике и необходимость учета характерного для биологических тканей линейного по частоте закона поглощения.
7. Предложен, обоснован и подтвержден в численном и физическом экспериментах новый метод определения параметров нелинейного сильно фокусированного акустического пучка в биологической ткани на основе полученных в воде результатов моделирования или измерений.
8. Разработан новый численный алгоритм для моделирования трехмерных нелинейных ультразвуковых полей мощных многоэлсментнмх терапевтических решеток в условиях образования ударных фронтов в области фокуса. Показано, что при уровнях интенсивности, допускаемых для современных решеток, в их фокусе образуется высокоамплитудный ударный фронт, даже при облучении через ребра. Показана применимость модели эквивалентного осесимметричного излучателя для упрощения расчета поля терапевтической решетки в области фокуса.
9. Показано, что в условиях, характерных для современной клинической практики, образование разрывов и поглощение энергии волны на ударных фронтах могут приводить к локальному нагреву биологической ткани до температур выше 100°С и возникновению кипения в течение нескольких миллисекунд, что позволяет реализовать ряд новых биоэффектов.
Совокупность научных результатов диссертации может рассматриваться как существенный вклад в актуальное научное направление «Мощные ультразвуковые поля в случайно-неоднородных и диссипативных средах», заключающееся в создании новых комплексных экспериментально-теоретических моделей описания разрывных волн, разработке методов их решения, выявлении новых нелинейно-дифракционных явлений, возникающих в турбулентной среде и при фокусировке ударно-волновых акустических пучков высокой интенсивности, исследовании новых механизмов ударноволнового воздействия на среды типа биологических тканей.
ДОСТОВЕРНОСТЬ представленных в диссертационной работе результатов подтверждается соответствием результатов теоретических исследований данным проведенных численных и физических экспериментов, а также теоретическим расчетам и данным, полученным в работах других авторов.
12
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ
Развитая в работе модель распространения нелинейного импульса за случайным фазовым экраном может быть использована для быстрой оценки статистики акустического поля, используя в качестве входных данных всего три параметра: нелинейную длину, рефракционную длину фазового экрана и характерный размер неоднородностей. Специальный фазовый слой может использоваться для селективного воздействия на поле отдельных гармоник, в частности, для управления качеством их фокусировки в нелинейном пучке в некоторых задачах ультразвуковой диагностики.
Созданный в работе комплекс программ на основе нелинейного волнового уравнения эволюционного типа может использоваться для одновременного расчета статистических распределений, а также пиковых и средних характеристик нелинейных акустических полей в случайно-неоднородной движущейся среде. Для одиночных импульсов с ударным фронтом развитые методы позволяют получать характерные значения флуктуаций амплитуды и ширины фронта в неоднородной среде. Эти результаты важны для практических задач аэроакустики, подводной акустики и медицинского ультразвука. Проведенные эксперименты по распространению мощных акустических импульсов в турбулентной воздушной среде показали возможность исследования формирования случайных фокусов первого и высших порядков в лабораторных условиях. Разработанный экспериментальный метод калибровки широкополосных микрофонов по нелинейному удлинению /У-волны с учетом вязкости и релаксационных явлений может использоваться в лабораторных условиях для измерения спектральных характеристик измерительных систем в воздухе при изменении их составляющих, геометрии или изменении характеристик е течением времени.
В области задач медицинской акустики предлагаемая работа является основой для разработки новых стандартов описания полей, создаваемых устройствами неинвазивной хирургии, что будет способствовать повышению безопасности и эффективности и, таким образом, дальнейшему внедрению этого метода для лечения больных. Нелинейная модель для импульсных излучателей может использоваться при калибровке полей и определении индексов безопасности датчиков диагностического ультразвука. Полученные калибровочные кривые по изменению коэффициентов концентрации ноля в нелинейном пучке позволяют рассчитать параметры поля в фокусе произвольного поршневого ультразвукового преобразователя при любом уровне его возбуждения. Данные результаты представляют несомненную практическую важность и могут использоваться для оценки нелинейных эффектов в фокусе терапевтических излучателей и выбора оптимальных
13
уровней облучения. Модель эквивалентного осесимметричного излучателя может быть использована для количественной оценки параметров нелинейных полей, создаваемых многоэлементными решетками ультразвуковой хирургии в области фокуса в широком диапазоне параметров и мощностей излучения.
Представленный новый метод определения параметров нелинейного поля в фокусе ультразвукового преобразователя в ткани на основе данных, полученных в воде, необходим для планирования хирургических процедур. Результаты моделирования могут быть использованы как альтернатива физическим измерениям даже при наличии ударных фронтов в профиле волны. Созданный комплекс программ расчета полей многоэлементных решеток позволит характеризовать возможности нелинейных режимов облучения для конкретных приборов ультразвуковой хирургии и может использоваться для оптимизации конфигурации решетки на этапе разработки прибора.
Предсказанный в моделировании и получивший подтверждение в эксперименте эффект сверхбыстрого нагревания ткани до температур выше 100°С и возникновения кипения за несколько миллисекунд после начала воздействия ультразвуком позволяет визуализировать область воздействия НШи при разработке клинических протоколов облучения, прицеливании, мониторинге воздействия в режиме реального времени. Полученные предварительные результаты показывают перспективность использования новых физических механизмов контролируемого теплового и механического разрушения ткани в методах Н1Ри с использованием ударноволнового воздействия.
ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:
1. Развитая дифракционная модель позволяет определять статистические характеристики нелинейной №волны за случайным фазовым экраном путем численного расчета по достаточно длинной реализации. Статистика поля за экраном определяется амплитудой волны, рефракционной длиной и пространственным масштабом экрана. Приближение нелинейной геометрической акустики в данной задаче справедливо до расстояний 0.3 от рефракционной длины.
2. При помоши специального ’’резонансного” фазового слоя возможно селективное воздействие на определенные частоты нелинейной волны, приводящее, например, к разрушению фокусировки одних спектральных компонент сфокусированного пучка и сохранению фокусировки других.
3. Развитый в работе численный алгоритм позволяет моделировать распространение квазиплоских периодических и импульсных акустических сигналов в неоднородных
14
движущихся средах с учетом эффектов нелинейности, дифракции, продольной и поперечной компонент флуктуаций скорости среды, вязкости и релаксации. Результаты моделирования, получившие подтверждение в эксперименте, позволяют предсказывать пространственную структуру акустического поля в лурбулентной движущейся среде, определить статистические распределения, пиковые и средние характеристики параметров поля в условиях многократного формирования случайных фокусов.
4. Разработанный метод абсолютной калибровки широкополосных микрофонов в газах, основанный на численном расчёте и измерении нелинейного удлинения /У-волны по положениям нулей в её спектре, позволяет определять чувствительность микрофонов в условиях проявления эффектов вязкости и релаксации среды.
5. Полученные количественные данные численного моделирования для коррекции коэффициентов концентрации и насыщения ультразвукового поля в фокусе нелинейного пучка позволяют рассчитать различные характеристики нелинейно-искаженных профилей волны в широком интервале параметров и мощностей фокусирующих поршневых преобразователей, использующихся в устройствах ультразвуковой хирургии.
6. Интерференция прямой и краевой волн в ограниченных пучках, создаваемых плоскими и фокусирующими поршневыми источниками, может приводить к формированию двух ударных фронтов на одном периоде волны при её распространении в режиме развитых разрывов.
7. Разработанный новый алгоритм перенесения данных измерений акустического поля в воде на поглощающие среды, основанный на масштабировании давления на излучателе, позволяет определять значения различных параметров акустического поля, таких как пиковые давления, интенсивность и мощность тепловыделения, в фокальной области излучателей для ультразвуковой хирургии в клинических условиях облучения ткани.
8. Образование ударного фронта в профиле волны в фокальной области пучка в биологической ткани может приводить к ее сверхбыстрому локальному нагреванию до температуры кипения и формированию паровых пузырьков в течение нескольких миллисекунд. Аналитическая оценка, основанная на теории слабых ударных волн, позволяет предсказать время возникновения кипения в ткани с точностью 10%.
9. Разработанный новый алгоритм позволяет рассчитывать трехмерные нелинейные поля современных терапевтических решеток с локализованным образованием ударных профилей. Результаты численного эксперимента показывают, что при достижимых уровнях мощностей возможно сильное проявление нелинейных эффектов и формирование разрывов в профиле волны в фокусе с амплитудой 60-100 МПа даже при фокусировке через грудную клетку.
15
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих профильных научных конференциях: Internationa! Symposia on Nonlinear Acoustics (Bergen, Norway, 1993; Nanjing, China, 1996; Goettingen, Germany, 1999; Moscow, Russia, 2002; Stockholm, Sweden, 2008), Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах» (1998, 2000, 2010, п. Красновидово, Московская обл.), IEEE Ultrasonics Symposia (Seattle, USA, 1995; Sendai, Japan, 1998; Montreal, Canada, 2004; Vancouver, Canada, 2006; Rome, Italy, 2009); World Congress on Ultrasonics (Berlin, Germany, 1995), Intern. Congresses on Ultrasonics (ICU, Santiago, Chile, 2009; Gdansk, Poland, 2011; Intern. Congresses on Acoustics (Seattle, USA, 1998; Rome, Italy, 2001; Madrid, Spain, 2007; Sydney, Australia, 2010), French Congresses on Acoustics (Lousanna, 2000; Lyon, 2010); Joint Congress CFA/DAGA, 2004, Strasbourg, France; Meetings of the Acoustical Society of America (ежегодно с 1993 г.), Congress of World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology, Florence, Italy, 2000; Forum Acusticum (Budapest, Hungary, 2005); 14::i Intern. Congress on Sound and Vibration 2007, Cairns, Australia; сессиях Российского акустического общества (1997, 2000, 2001, 2004-2011), 2-й межд. конф. «Фундаментальные проблемы физики» (Саратов, 2000); XII Школе «Нелинейные Волны -2004», Нижний Новгород; Intern. Symposia on Therapeutic Ultrasound (Chongqing, China, 2001; Lyon, France, 2003; Kyoto, Japan, 2004; Boston, USA, 2005; Oxford, UK, 2006; Seoul, Korea, 2007; Minneapolis, USA, 2008; Aix-En-Provencc, France, 2009; NY, USA, 2011); Межд. симпозиумах «MRI-guided Focused Ultrasound Surgery», Washington, D.C., USA, 2008 и 2010; Ultrasonics International (Granada, Spain, 2003), Евразийских конгрессах по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика» (Москва, 2001 и 2005), межд. конференции «Progress in Nonlinear Science» (Нижний Новгород, 2001), 2-й межд. конференции «Frontiers of Nonlinear Physics», Нижний Новгород, 2004, межд. симпозиумах “Topical Problems of Nonlinear Wave Physics” (Нижний Новгород, 2003 и 2005); трехстороннем русско-франиузско-гсрманском семинаре “Computational Experiment in Aeroacoustics”, Светлогорск, 2010; Межд. конференции «Advanced Metrology for Ultrasound in Medicine» Teddington, UK, 2010; Межд. онкологическом научно-образовательном форуме «Онкохирургия-2010, В будущее через новые технологии», Москва, 2010; Ломоносовских чтениях, Москва, МГУ, 2011.
Материалы диссертации также представлялись на семинарах кафедры акустики физического факультета МГУ, Акустического института им. Н.Н. Андреева, Института общей физики РАН, Научно-исследовательского вычислительного центра и факультета фундаментальной медицины МГУ; на семинарах следующих зарубежных научных
16
институтов: The University of Texas at Austin, Austin, USA (1993, 1996), Applied Physics Laboratory, University of Washington, Seattle, USA (1995-2011), Dept, of Physics, Potsdam University, Potsdam, Germany (1999, 2002), Physics Dept., Royal Marsden Hospital, Sutton, UK (1999), Université du Maine, Le Mans, France (2000), Dept, of Aerospace and Mechanical Engineering, Boston University, Boston, USA (2000), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, Unité 556, Lyon, France (2002, 2006), The University of Tokyo, Tokyo, Japan (2003), Ecole Centrale de Lyon, Lyon, France (2003); как приглашенные лекции на научных международных школах «Linear and nonlinear acoustic wave propagation in heterogeneous media: modem trends and application». Les Houchcs, France, 2008; «Therapeutic Ultrasound» (Cargcse, France, 2007, 2009, Les Houchcs, 2011); на конгрессе World Federation for Ultrasound in Medicine and Biology, Vienna, Austria, 2011.
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 37 статей в рецензируемых отечественных и зарубежных научных журналах, включенных в перечень ведущих периодических изданий ВАК, в числе которых «Акустический журнал», «Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, астрономия», «Известия РАН. Серия физическая», «Physics of Wave Phenomena», «The Journal of the Acoustical Society of America», «IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control», «Ultrasound in Medicine and Biology». Кроме того, по материалам работы опубликовано более 50 статей в трудах конференций и сборниках и более 60 тезисов докладов.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, приложений и списка литературы. Работа изложена на 323 страницах и содержит 169 рисунков и I таблицу. Список литературы включает 331 наименование.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА
Все изложенные в диссертации оригинальные теоретические и численные результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Выбор задач, моделей и методов исследований осуществлялся автором. Оригинальные экспериментальные результаты получены при определяющей роли автора в постановке экспериментов в комплексе с проводимыми теоретическими исследованиями, в обработке и обсуждении получаемых данных, подготовке публикаций.
17
СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во Введении обсуждается актуальность темы исследований, приводятся цели, научная новизна, практическая ценность работы и защищаемые положения, даётся краткая аннотация содержания глав. В вводном параграфе каждой из 7 оригинальных глав диссертации приводится обзор литературы и обсуждается состояние проблемы, соответствующей исследованиям главы. В заключительном параграфе каждой из глав приводятся краткие выводы и обсуждаются перспективы дальнейших исследований. В заключении к диссертации сформулированы основные полученные в работе результаты. Далее приведены приложения, в которых описываются различные численные алгоритмы решения модельных нелинейных эволюционных уравнений, разработанных и использованных при выполнении работы. Численные алгоритмы основаны на методе расщепления но физическим факторам и использовании различных конечно-разностных схем, оптимизированных для каждого из операторов интегрирования [25, 26]. В конце приводится список цитированной литературы.
Оригинальная часть диссертации включает в себя несколько взаимосвязанных циклов исследований. Первый из них описан в главах 1 - 2 и посвящён исследованиям статистических свойств случайных акустических полей с разрывами. Основными особенностями здесь является рассмотрение многомерных акустических полей, одновременный учет нелинейных и дифракционных явлений, многократного прохождения нелинейной волны через образующиеся случайные каустики, возможность одновременного расчета статистических распределений, пиковых и средних параметров акустического поля из полученных численных решений.
В нерпой главе рассматриваются статистические свойства нелинейных акустических полей за случайным фазовым экраном. Результаты данной главы основаны на анализе аналитических решений, получаемых в приближении нелинейной геометрической акустики (НГА) [2, 27], а также численных решений уравнений Хохлова-Заболотской-Кузнеиова (ХЗК) [28, 29] и Всстервельта [30]. Статистика акустического поля в данной задаче определяется начальной модуляцией фазы волны бесконечно тонким фазовым слоем. Вначале задача исследуется аналитически, используя приближение НГА. На основе полученного аналитического решения для сходимости лучей за экраном рассчитываются и анализируются функции распределения и средние характеристики амплитуды периодической пилообразной волны (§1.2) и одиночного //-импульса (§1.3). Рассматриваются модели широкополосного и узкополосного экранов с гауссовской статистикой сходимости лучей. Полученные решения позволяю! описать статистику поля до образования первых каустик. Далее, чтобы учесть дифракционные эффекты и
18
прохождение волны через области случайных фокусировок, задача исследуется численно на основе уравнения ХЗК (§1.4). Рассматривается модель фазового экрана с гауссовским спектром, свойства которого задаются двумя пространственными масштабами. Один характерный масштаб это длина рефракции или характерное расстояние, на котором образуется большинство первых каустик. В приближении НГА длина рефракции определяет статистику сходимости лучей. Другой масштаб это длина корреляции или характерный размер неоднородностей экрана, который не учитывается в модели НГА. На основе гипотезы эргодичности по результатам моделирования с длинными реализациями фазового экрана рассчитываются функции распределения, средние значения и дисперсия амплитуды случайного поля А-волны за экраном. Обсуждается влияние нелинейных эффектов на усиление либо ослабление поля в случайных фокусах, а также влияние размеров неоднородностей на эффективность фокусировок. Сравниваются результаты моделирования с аналитическими решениями, что позволяет сделать вывод об ограничениях применимости приближения НГА. Последняя часть главы посвящена исследованию идеи о принципиальной возможности использования резонансного фазомодулирующего слоя для избирательного воздействия на гармоники нелинейной волны (§1.5). Искусственное введение резонансной дисперсии является альтернативой идее резонансного поглощения с целью воздействия на каскадный процесс перетекания энергии волны вверх по спектру при распространении нелинейной волны в слабодиспергирующей среде [31]. Эта задача исследуется в работе теоретически и экспериментально на примере фокусировки нелинейного пучка через физически реализуемый фазовый экран специальной конфигурации. Обсуждается возможность изменения качества фокусировки различных гармоник в пучке при помощи резонансных фазовых искажений, вносимых специальным фазовым слоем.
Во второй главе рассматриваются физическая и численная модели, позволяющие исследовать статистику нелинейных акустических полей в турбулентной атмосфере с учетом эффектов дифракции, вязкости, релаксации, а также влияния продольной и поперечной к направлению волны компонент случайной скорости среды. Вначале описываются теоретическая модель и результаты предварительных расчетов (§2.2) и измерений (§2.3) нелинейных сферически расходящихся А/-волн в однородной атмосфере. На основе полученных результатов находятся характерные пространственные масштабы проявления нелинейных эффектов, релаксации и термовязкого поглощения в условиях более сложных измерений в турбулентном потоке. Далее определяются основные параметры Д^-волн д;ш статистических исследований и влияние ограниченности полосы чувствительности измерительной системы на определение этих параметров. Описывается
19
новый подход к определению длительности //-волны, форма которой искажается при регистрации, и разработанный в работе метод калибровки широкополосных микрофонов в поглощающей среде, основанный на нелинейном удлинении импульса (§2.4).
Для теоретического описания распространения //-волны и статистики акустического поля в нелинейной турбулентной среде предлагается новое эволюционное уравнение, учитывающее векторные свойства скорости движения среды (§2.5). Обсуждаются общие свойства решений полученного уравнения. Численно исследуется влияние случайных фокусировок, нелинейности, дифракции, различных составляющих скорости среды на статистику поля (§2.6). Результаты моделирования сравниваются с данными физического эксперимента, в котором измеряются статистические характеристики турбулентных полей скорости среды и параметров генерируемых искровым источником высокоамплитудных //-волн в турбулентном потоке (§2.7). Описывается разработанная экспериментальная установка и измерения, проведенные в Высшей инженерной школе г. Лиона (Франция) по распространению генерируемой искровым источником //-волны в турбулентном потоке. Обсуждаются отличия но сравнению с проведенными ранее модельными экспериментами (32]. Увеличение характерных масштабов новой установки, ширины турбулентного слоя, скорости потока и длительности //-волны позволили выявить влияние случайных каустик на статистику параметров акустической волны, обеспечить многократное формирование случайных каустик, а также уменьшить относительное влияние диссипативных эффектов, связанных с термовязкими и релаксационными механизмами поглощения.
Третья глава диссертации посвящена развитию нового асимптотического спектрального подхода для моделирования акустических волн с разрывами в нелинейных средах с произвольным законом поглощения и соответствующей дисперсией скорости звука. Основная идея метода основана на априорном знании высокочастотной асимптотики спектра разрывных функций, $(о))~ 1/а). Это позволяет заменить спектр волны в его высокочастотной части на аналитическое выражение для спектра пилообразной волны в системе связанных уравнений для взаимодействующих гармоник и при восстановлении разрывного решения. В §3.2 обсуждаются известные из литературы примеры, в которых высокочастотные асимптотики разрывных функций использование как косметическая процедура при восстановлении по конечному спектру временных функций с особенностью типа математического разрыва [33]. В данной главе работы предложено использовать асимптотику пилообразной волны не только на этапе восстановления разрывного профиля, но и непосредственно при решении нелинейного волнового уравнения. Принцип построения замкнутой системы связанных нелинейных уравнений для конечного числа гармоник описывается в §3.3 на примере решения
20
уравнения простых волн. Сравнение численных решений, описывающих эволюцию профиля исходной гармонической иолны, с известными аналитическими результатами подтверждает, что разработанный подход позволяет с высокой степенью точности моделировать распространение разрывных волн при помощи относительно небольшого числа гармоник (30 - 50). Обобщение развитого метода на случай, когда в профиле волны, наряду с разрывом, содержится особенность следующего порядка в виде разрыва производной, приводится в §3.4 на примере распространения одиночного импульса с ударным фронтом. Дальнейшее развитие метола позволяет учесть возможность образования двух разрывов на одном периоде волны (§3.5). Для решения задачи о распространении нелинейной волны в слабопоглощающей срслс в качестве модели используется уравнение Бюргерса и асимптотика Фея, описывающая структуру ударного фронта конечной ширины (§3.6).
Далее разработанный асимптотический подход используется для исследования ряда ранее не решенных задач о влиянии различных видов частотного закона поглощения и дисперсии среды на эволюцию распространяющихся в такой среде разрывных возмущений. Так, в §3.6 рассматриваются особенности распространения нелинейных волн в средах со степенным частотным законом поглощения, близким к линейному. Такая зависимость закона поглощения типична для мягких биологических тканей [6, 15]. Исследуется влияние параметров степенного закона поглощения, отличного от хорошо изученного квадратичного закона, и дисперсии скорости звука на эволюцию профиля, структуру ударного фронта и поглощение энергии волны. Приводится теоретическая оценка устойчивости разрывной структуры ударного фронта волны в таких средах. В §3.8 рассматривается задача о влиянии селективного по частоте поглощения на второй гармонике на формирование и эволюцию разрыва в профиле исходно гармонической волны. В §3.9 рассматриваются эффекты насыщения при распространении акустических волн в активной среде, т.е. в среде с частотно зависимым усилением, характерным для термоакустических двигателей [34]. Численно описывается процесс стабилизации параметров акустического поля за счет усиления нелинейных эффектов, образования разрывов и соответствующего нелинейного поглощения. Модификация асимптотического метода для численного моделирования нелинейных акустических пучков с учетом дифракционных эффектов описывается в §3.10. Здесь для оптимизации алгоритма также вводится пространственно-неоднородная сетка, соответствующая геометрии дифрагирующего пучка. В качестве примера рассматриваются разрывные решения для пучка исходно гармонических волн с гауссовской пространственной аподизацией.
21
Следующий цикл работ рассматривается в четвертой главе и связан с численным и экспериментальным исследованием нелинейно-дифракционных эффектов в пучках поршневых излучателей со сложной осциллирующей пространственной структурой ближнего поля. Основные параметры разработанного для решения данной задачи численного алгоритма описаны в §4.2. Алгоритм основан на интегрировании уравнения ХЗК в спектральном представлении и оптимизирован для моделирования разрывных решений. В качестве граничного условия рассматривается плоский поршневой излучатель. В §4.3 поводится тестирование развитого алгоритма путем моделирования проведенного ранее эксперимента и сравнения численных решений с данными измерений для гармоник и расчетов с использованием другого независимого алгоритма [35, 36]. Далее проводится детальное исследование особенностей нелинейно-дифракционных явлений в пучке, когда ударные фронты образуются в ближней зоне излучателя (§4.4). В этой части основное внимание уделяется особенностям искажения профиля волны, образованию и эволюции разрывных фронтов. Рассматриваются такие важные метрологические характеристики акустического поля, как пиковые значения давления в профиле волны, интенсивность и полная мощность пучка. Обсуждается обнаруженный в численном моделировании новый эффект формирования двух разрывов на периоде волны в ближнем поле дифрагирующего пучка. Для подтверждения полученных в численном эксперименте новых результатов проводится эксперимент, который описывается в §4.5.
Пятая глава посвящена построению новой численной модели и исследованию нелинейных импульсных полей, создаваемых прямоугольными фокусирующими излучателями диагностического ультразвука, работающими в режиме визуализации с использованием высших гармоник. Предложенная модель является обобщением известной конечно-разностной схемы на основе уравнения ХЗК для аксиально-симмсричных пучков в среде с вязкостью и теплопроводностью [37, 38]. Модификация разработанного в данной части диссертации алгоритма включает в себя учет произвольного частотного закона поглощения, соответствующей дисперсии и произвольной геометрии излучателя. В § 5.2 дастся постановка задачи и обосновывается сс актуальность для диагностических ультразвуковых систем. Приводятся результаты численных расчетов, полученных с использованием нового алгоритма, для типичной ультразвуковой фазированной решетки марки Р4-2, используемой в диагностической ультразвуковой системе Philips HDI-5000 в режиме визуализации на второй гармонике. Для биологической ткани используется линейный но частоте закон поглощения, для воды - классическая квадратичная зависимость, обусловленная процессами вязкости и теплопроводности. Обсуждаются преимущества современного нелинейного метода
22
звуковидения на основе второй гармоники, отличия в результатах моделирования при выборе различных законов поглощения. Проводится сравнение поля второй гармоники, возникающей за счет нелинейности при излучении основной частоты, с линейным полем на удвоенной частоте излучения. Анализируются пространственные распределения, показывающие основные преимущества использования второй гармоники. Адекватность и точность получаемых в численном эксперименте результатов подтверждается данными измерений акустического поля для рассматриваемого диагностического датчика (§ 5.3).
В шестой главе разрабатывается новый подход к характеризации пучков, создаваемых излучателями мощного фокусированного ультразвука современных устройств неинвазивной ультразвуковой хирургии. В отличие от раннее используемых методов, данный поход основан на комбинации измерений ультразвукового поля и численного моделирования. Суть метода заключается в использовании полученных в эксперименте результатов сканирования поля в режиме линейной фокусировки пучка, при небольших уровнях работы излучателя, для постановки граничных условий в численной модели. Дальнейшее детальное исследование параметров поля в рабочем диапазоне мощностей излучателя как в линейном режиме, так и в условиях сильного проявления нелинейных эффектов, в воде и при облучении ткани, проводится в численном эксперименте. Точность результатов тестируется с помощью сравнения отдельных наиболее важных рассчитанных и измеренных параметров поля, к примеру, профилей волны в фокусе излучателя. Основой для данного подхода послужили результаты исследований, проведенных в главе 4. Полученные результаты показывают, что численный эксперимент может служить эффективным дополнением, а часто и надежной заменой гораздо болсс трудоемких измерений. При этом результаты численного эксперимента, лишенного ограничений измерительных систем, могут даже превосходить по точности данные, получаемые в физическом эксперименте.
Описание основных уравнений, граничных условий и физических параметров для моделирования ультразвуковых пучков в воде приводится в § 6.2. Развитый комплексный метод характеризации нелинейных фокусированных ультразвуковых полей представлен в §6.3 на примере типичного для ШИи излучателя. Далее проводится исследование изменения коэффициентов концентрации и предельных значений различных параметров акустического поля при нелинейной фокусировке (§ 6.4). Характерные особенности пространственных распределений нелинейных ультразвуковых пучков рассматриваются в § 6.5. Обсуждаются основные эффекты, проявляющиеся по мере усиления начальной амплитуды пучка: сильная пространственная локализации пикового положительного давления и образующихся ударных фронтов, расширение области пикового
23
отрицательного давления, смешение пиковых давлений вдоль оси и другие. Влияние пространственной аподизации поля на излучателе исследуется я § 6.6 на примере гауссовского и поршневого источников. Наиболее сложный с точки зрения численного моделирования случай исследования трехмерных разрывных полей, создаваемых многоэлементными двумерными фазированными решетками, рассматривается в § 6.7. Разработанный для решения данной задачи численный алгоритм не имеет мировых аналогов. Новый метод использования модели эквивалентного поршневого излучателя для упрощения описания нелинейных эффектов в фокальной области решетки описывается в § 6.8. Метод позволяет связать результаты прямого моделирования полей решеток, которые на сегодняшний день является уникальными, с более реализуемыми результатами расчетов и измерений для более простых конфигураций излучателей.
Развитые в заключительной седьмой главе диссертации подходы и полученные результаты представляют физическую основу для нового направления в нсинвазивной ультразвуковой хирургии с использованием ударноволнового воздействия. Выполнение данной части работы также проходило при комплексном использовании численного и физического экспериментов. Основные уравнения, граничные условия, физические и безразмерные численные параметры для моделирования приводятся в § 7.2. Новый метод определения параметров нелинейного ультразвукового поля в биологической ткани, необходимый для планирования терапевтической процедуры облучения, представлен в § 7.3. Нелинейные эффекты, принципиально реализуемые только в присутствии разрывов, демонстрируются в моделировании и эксперименте при сканирующем режиме создания тепловых разрушений в биологической ткани в форме полос (§ 7.4). Это, в первую очередь, существенное увеличение размеров области разрушения по сравнению с облучением в режимах гармонических или слабо искаженных нелинейных волн и возможность визуализации области облучения с использованием диагностического ультразвука в режиме В-моды. Физические механизмы усиления эффективности воздействия и повышенной эхогснности в ткани в таких режимах облучения более детально исследуются в § 7.5. Здесь в качестве фантома ткани используется прозрачный гель с параметрами, близкими к биологической ткани, но отличающийся меньшим коэффициентом поглощения. Прозрачность гелевого фантома позволяет использовать, наряду с ультразвуковыми методами, оптическую визуализацию изменений в фокальной области пучка в образце. Более слабое поглощение ультразвука в геле приводит к усилению относительной роли нелинейных эффектов при нагревании фантома в режиме развитых разрывов, поскольку эффективное поглощения энергии волны на разрывном фронте не зависит от линейного коэффициента поглощения в среде [1, 3]. В численном и
24
физическом экспериментах показывается, что возникновение яркого эхогенного пягна на диагностическом ультразвуковом изображении связано с нагревом среды ударными волнами до температуры кипения и образованием парогазовых полостей миллиметровых размеров - сильных рассеивателей диагностических импульсов. На больших мощностях образование пузырей кипения и одновременное повышение эхогенности на ультразвуковом изображении регистрировалось уже на первом же кадре видеосъемки, т.е. меньше, чем за 30 мс облучения. Этот временной интервал почти на два порядка меньше традиционного времени облучения в Н1Р11, в течение которого ожидается значительное повышение температуры ткани. Следует отметить, что наблюдаемые ранее в ЮТи эффекты, вызванные появлением пузырьков, обычно не связывали с нагревом ткани разрывными волнами до температур кипения и часто ошибочно объясняли возникновением под действием отрицательной фазы волны кавитацией [39]. Новый эффект сверхбыстрого нагревания гелевого фантома и образцов ткани ударными волнами исследуется теоретически и экспериментально в § 7.6. Для сравнения эффектов кавитации и кипения в эксперименте используются дополнительные методы регистрации пузырьков с помощью высокоскоростной съемки в геле, регистрации нелинейного рассеяния нагревающей волны в виде высокочастотного широкополосного шума и измерения флуктуаций напряжения на излучателе, возникающих за счет отражения фокусированной волны от пузырьков. Проверяется в эксперименте возможное влияние неоднородностей ткани, препятствующее формированию ударных фронтов в ткани. В теоретических исследованиях используется несколько подходов различной степени сложности. Обсуждаются перспективы использования ударноволновых полей и образования пузырьков кипения для разработки новых подходов к контролируемому тепловому и механическому разрушению ткани. В § 7.7 исследуется возможность реализации ударноволнового воздействия при облучении через грудную клетку таких органов, как, например, печень и сердце. Уровни давления, которые возможно реализовать с учетом ограничений на начальную интенсивность излучателя, отражение, поглощение и дополнительные дифракционные эффекты при распространении ультразвука через ребра, могут быть недостаточны для формирования разрывов в фокусе. Исследования проводятся с использованием нового развитого для терапевтических решеток алгоритма и показывают принципиальную возможность реализации таких режимов облучения.
В Заключении приводятся основные результаты работы. В приложениях описываются особенности разработанных численных алгоритмов. В конце диссертации помещён список цитируемой литературы. Ссылки па публикации автора в тексте диссертационной работы выделены подчёркиванием.
25
1
Нелинейные взаимодействия пилообразных волн и ударных импульсов за случайным фазовым экраном
1.1. Вводные замечания
Изучение статистических проблем в нелинейной акустике в основном шло по пути описания временной статистики одномерных шумовых волн, распространяющихся в регулярной однородной среде. Подробно были исследованы задачи о нелинейном искажении спектров и корреляционных функций интенсивного шума [40], взаимодействиях случайных волн с разрывами [41, 42], трансформации вероятностных распределений [41, 43, 44]. Неодномерные задачи, учитывающие влияние дифракции и пространственных неоднородностей среды, изучены гораздо менее полно. В работах [40, 45] рассматривались нелинейные и дифракционные эффекты в звуковых пучках со случайной поперечной пространственной структурой. Однако применимость развитого метола ограничивалась случаем слабого проявления нелинейности.
В настоящее время большое внимание привлекает к себе проблема распространения в неоднородных средах сильно искаженных нелинейных акустических волн, содержащих разрывы. С точки зрения практических приложений этот интерес связан с развитием сверхзвуковой авиации и проблемой звукового удара [20, 46]. а также с применением мощного ультразвука в медицине - экстракорпоральной литотрипсии [47, 48],
ультразвуковой хирургии и развитием нелинейных методов ультразвуковой визуализации [10, 49, 50]. Измерения воли звукового удара, прошедших сквозь турбулентную область атмосферы, показали, что существенное влияние на форму волны оказывают локализованные в приземном слое неоднородности типа атмосферной турбулентности и облачности [51-53]. Неоднородности биологической ткани (слои кожи и жира, соединительные ткани) могут искажать фокусировку пучков, создаваемых устройствами ультразвуковой хирургии, уменьшая полезное воздействие или приводя к нежелательным побочным эффектам из-за поражения здоровых тканей [54, 55]. В полях медицинских диагностических ультразвуковых приборов, при построении изображения на основе генерируемых в ткани высших гармоник, искажение фокусировки на неоднородностях
26
ткани уменьшает пространственное разрешение изображений, чувствительность и увеличивает ошибки измерений [50, 56, 57]. В то же время результаты недавних исследований показывают, что при определенных условиях фокусировка гармоники в неоднородной среде может иметь преимущества но сравнению с обычной фокусировкой пучка, излучаемого на частоте гармоники (50, 58].
Параллельно в нелинейной акустике нсдиспергирующих сред давно обсуждается проблема контроля каскадных процессов генерации гармоник, приводящих к формированию разрывов и усиленному нелинейному поглощению акустических волн. Такой контроль можно осуществлять, например, путем введения резонансных поглотителей на выбранных гармониках [59, 60] или путем введения начального фазового сдвига между гармониками (предискажение профиля) [61, 62]. По аналогии со вторым методом специально подобранные фазовые неоднородности среды для избирательной расфазировки выделенной гармоники могут представлять интерес как еше один перспек тивный метод управления процессом генерации гармоник.
Целью данной главы является развитие модели случайного фазового экрана и исследование статистических свойств нелинейных акустических волн за экраном. Также теоретически и экспериментально проверяется гипотеза о возможности избирательного воздействии фазового экрана на выбранную частоту при фокусировке пучка периодических волн. Отметим, что бесконечно тонкий модулирующий фазу волны экран является простейшей моделью случайно-неоднородной среды, позволяющей выявить многие существенные эффекты, характерные и для более сложных неоднородных сред. Большая часть результатов для модели фазового экрана связана с описанием линейных волн [63]. Модель также используется в численных расчетах как аппроксимация слоя случайно-неоднородной среды на шаге сетки вдоль направления распространения волны [64 -66]. В нелинейной акустике такая модель ранее не рассматривалась.
Результаты и выводы главы основаны на анализе аналитического решения задачи в приближении нелинейной геометрической акустики (НГЛ) [23], а также численных решений уравнений Хохлова-Заболотской-Кузнепова [28,29] и Вестервельта [30]. Построение приближенной аналитической модели нелинейною поля за экраном позволило адекватно описать основные физические явления и эффекты, сопровождающие распространение интенсивного звука в случайно-неоднородной среде. В то же время получение численных решений в рамках более сложных моделей позволило существенно расширить как круг исследуемых задач, так и точность их решения. Полученные в данной главе результаты опубликованы в работах [67-721.
27
1.2. Статистические характеристики нелинейной пилообразной волны за фазовым экраном в приближении нелинейной геометрической акустики (НГА)
Рис. 1.1. Геометрия акустических лучей и временные профили (Г = г -*//(х,у)/с0)
Пусть исходно плоская регулярная волна конечной амплитуды падает на случайный фазовый экран, расположенный при х = 0 перпендикулярно направлению распространения волны х (рис. 1.1). После прохождения через экран фронт волны приобретает случайный фазовый сдвиг У^(г), где г = {у, г) - поперечные
пространствен н ы е коорд и наты.
исходной плоской нелинейном волны до и
после прохождения через случайный фазовый Непосредственно за экраном форма волны экран, расположенный при * = 0. тогда будет иметь вид;
р(х = 0)= р^г-Г^г)/^), где р -
акустическое давление, т = / - х/со - время в бегущей системе координат, С о - скорость звука, ро(0 - произвольная функция, описывающая исходный временной профиль волны. Ясно, что начальное искажение фазового фронта волны будет приводить к появлению случайным образом расположенных областей как расходимости волны, так и сфокусированных участков фронта. При этом пространственная структура акустического поля в произвольном сечении нелинейной среды х за экраном будет иметь вид хаотически расположенных пятен различной интенсивности, статистика которых будет определяться как статистикой исходной пространственной модуляции, так и нелинейнодифракционными эффектами, по-разному проявляющимися в областях сходимости и расходимости волнового фронта.
Распространение волны за экраном будем описывать уравнением Хохлова-Заболотской (ХЗ):
д ( др
др л'Р —
«у
(1.1)
дт{дх р0с{ дт)
где ро - равновесная плотность среды, е - параметр нелинейности, А1 - лапласиан по поперечным координатам.
Решение уравнения (1.1) будем искать в виде
р = р(х,г,Т = т-Г(х,г)/с0), (1.2)
28
где функция дописывает искажение формы исходного фронта водны У'.Дг), временная
координата Г учитывает различную фазовую задержку. В приближении нелинейной геометрической акустики (НГА) уравнение (1.1) после подстановки (1.2) переходит в систему для двух неизвестных функций р и *//[23]:
ск 2 1 7 (1.3)
ск спра дГ 2
Первое из уравнений системы (1.3) совпадает с уравнением эйконала линейной геометрической акустики [2]. Второе уравнение типа переноса описывает изменение профиля волны, обусловленное нелинейностью среды и геометрией - сходимостью либо расходимостью - волнового фронта. Ограничимся здесь рассмотрением наиболее простой модели одномерного фазового экрана, когда его характеристики и соответственно форма фазового фронта волны за ним изменяются лишь в одном поперечном направлении у (рис. 1.1). Тогда в системе (1.3) лапласиан и градиент по поперечным координатам равны, соответственно, Vу-д!ду’. Модифицированные уравнения типа (1.3)
использовались для описания волн в непрерывной неоднородной плоскослоистой среде [73]
Уравнение эйконала (1.3) в случае одномерной модуляции фронта волны легко преобразуется в уравнение простых волн для функции наклона лучей Д = к
координате распространения х:
§ + Л°, (1.4)
(к ду
неявное решение которого, Д = Д0(у-Дх), справедливо в области до появления пересечения лучей. Здесь случайная функция Д„(у) = ^{)(у)1 характеризует угол наклона лучей на границе при х - 0. Второе уравнение системы (1.3) тогда запишется как
о- (1-5)
Уравнение (1.5) также можно решить точно для произвольного исходного профиля волны р0(Т = т-^0(у)/с0). Поскольку наклон луча Д попадающего в точку с
координатами (х.у), однозначно определяется и равен наклону Д> этого же фиксированного луча при х - 0, удобно перейти к ла1-ранжевой пространственной переменной - поперечной координате 7 луча при х = 0 и решать уравнение (1.5) в новых
29
координатах, т.е. описывать искажение профиля волны на фиксированном луче. После замены пространственных координат (х. у) на (*,/; - у- 0(х,у)х), имеем:
о О-6)
дх СІР9 дГ 2 ду Здесь производная др\ду в новых переменных х,г}, в соответствии с (1.4), записывается как:
^ = 7^4^-^)) = ^. (..7)
ду 1 + хдр/дт) ах а ах
и может быть представлена в виде полной производной, поскольку функция является функцией только одной лагранжевой переменной
П = у-Р(х,у)х и не изменяется с расстоянием х. Функция а(х,г])= \ + хд/3/дт] имеет смысл площади поперечного сечения лучевой трубки на расстоянии х от экрана между двумя близкими лучами, вышедшими из точки с координатами (х = 0,7).
Введем д&псс функцию V = ра]'2 и новую координату £ = ^Ух,. После
преобразования переменных от р(х,г],Т) к уравнение переноса (1.6)
приобретает следующий вид:
0-8)
^ сІРо Л
Учитывая условие на границе У(% = 0,7),Т)~ р0(у -т)уТ), общее решение уравнения (1,8) запишется как
У(4,’Г,Т) = рои,Г + -£-УА (1.9)
I соА, )
Возвращаясь к исходным переменным, имеем:
РІХЛТ)*,,"'1 р,[ч,Т + {гєІсІр,)рхі{\ + <7-"'\ (1.10)
Общее неявное решение (1.10) уравнения переноса (1.5) описывает эволюцию произвольного исходного профиля волны Рь(У'т) вдоль фиксированного луча с начальной поперечной координатой у(х = 0) = г.
Перейдем теперь к рассмотрению конкретного примера. Пусть исходный профиль волны имеет форму симметричной периодической пилы с постоянной амплитудой разрывов до- Форма одного из периодов волны при х - 0 имеет вид линейной функции: Р о = -{соТ/л )а0, где - п < соТ < /г у со - циклическая частота волны. Легко показать, что за экраном пилообразная форма волны будет сохраняться, поскольку в приближении НГА не
30
- Київ+380960830922