ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 1, с. 150-152
УДК 534.7
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ И ИХ ФАНТОМОВ С МОДЕЛЬНЫМИ ДЕФЕКТАМИ
© 2007 г. А. И. Коробов, М. Ю. Изосимова, Е. В. Прохорова
Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова E-mail: akor@acs465a.phys.msu.su
Исследована возможность создания дистанционного бесконтактного метода диагностики биологических тканей или материалов, обладающих свойствами биологических тканей, так называемых фантомов. Метод основан на измерении локальных колебаний поверхности исследуемого материала при воздействии на него акустических и ультразвуковых волн. Использование лазерного сканирующего виброметра позволило визуализировать колебания фантома биологической ткани с модельными дефектами в виде воздушных пузырьков, уплотнений и расслоения и определить местоположения этого дефекта.
ВВЕДЕНИЕ
Борьба с онкологическими заболеваниями - одна из основных задач современной медицины. Эти заболевания особенно важно выявить на начальной стадии развития, когда лечение проходит еще сравнительно легко и эффективно. На данный момент разработано множество методов раннего обнаружения опухолей [1, 2], но большинство из них имеет свои недостатки. Наиболее эффективный, а также самый дорогой способ - это диагностика с помощью ЯМР-томографов, в то время как акустические медицинские приборы намного дешевле и, согласно современным медицинским стандартам, безвредны (в отличие от рентгеновской томографии) [1, 2].
Цель нашей работы - обнаружение неоднород-ностей в фантомах биологических тканей. В основу были положены методы бесконтактного нераз-рушающего контроля материалов [3, 4].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Для экспериментального исследования колебаний фантома биологических тканей нами использована автоматизированная экспериментальная установка (рис. 1), основным измерительным прибором которой является сканирующий лазерный виброметр фирмы "Ро^ес" Р^-300, принцип действия которого основан на эффекте Доплера.
Сканирующий лазерный виброметр фирмы "Ро^ес" PSV-300 позволяет измерять колебательные скорости поверхности с разрешением до 0.3 мкм • с-1 на частотах от 0 до 1 МГц в 512 х 512 точках. Виброметр измеряет доплеровский сдвиг частоты отраженного от вибрирующей поверхности лазерного луча и вычисляет мгновенные зна-
чения колебательной скорости поверхности. При этом амплитуда колебательной скорости легко пе-ресчитывается в амплитуду смещения или ускорения поверхности. Процесс сканирования значительно упрощен за счет встроенной видеокамеры. Работа всех составных частей системы управляется персональным компьютером. С помощью специального PSV-программного обеспечения выбирается область сканирования на образце, задаются форма и частота сигнала для возбуждения колебаний в образце, а пакет программ позволяет провести различные виды математической обработки сигнала с виброметра: усреднение, цифровую фильтрацию, спектральный анализ, визуализацию колебаний образца, обработку полученного изображения и т.д. При этом имеется возможность найти усредненный спектр колебаний как по всей поверхности, так и в любой локальной точке образца.
Для возбуждения колебаний в исследуемом образце использовали бесконтактный (дистанционный) метод с помощью звуковых волн, возбуждаемых акустическим электродинамиком. Сигнал на динамик подавали через усилитель мощности со встроенного в виброметр функционального генератора.
Для возбуждения использовали также пьезоке-рамические преобразователи, которые непосредственно крепили на исследуемом объекте. Однако оказалось, что возбуждение колебаний в фантомах с помощью пьезокерамики было менее эффективно по сравнению с возбуждением их динамиком.
В качестве образцов использовали фантомы биологических тканей - материалы, имеющие сходные свойства со свойствами мягких тканей челове-
ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ
151
Рис. 1. Экспериментальная установка.
ческого организма (плотность р ~ 1 г • см-3 и скорость продольной звуковой волны V ~ 1570 м • с-1). Образцы имели форму цилиндров и прямоугольных параллелепипедов, в которые были внедрены дефекты в виде пузырька воздуха, силикагелевого шарика и расслоения.
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ ФАНТОМОВ
Поверхность образцов с дефектами возбуждали дистанционно с помощью акустического динамика мощностью 10 Вт, расположенного на расстоянии 25 см. Для нахождения максимального отклика сигнала частоту возбуждения образца линейно меняли от 0.1 до 10 кГц. При этом анализ спектра колебаний образца проводили в диапазоне от 0.1 до 50 кГц.
В случае "дефекта" в виде пузырька воздуха диаметром ~1.5 мм, заглубленного на 4 мм в исследуемый образец, наблюдали локальное увеличение амплитуды колебательной скорости его поверхности на частоте 7 кГц от 1 мкм • с-1 в точке, удаленной от дефекта, до 13.5 мкм • с-1 в точке над дефектом. Генерацию гармоник в области дефекта не наблюдали. Размер области, в которой наблюдалось увеличение амплитуды образца, совпадал с диаметром воздушного пузырька.
Помещенный в образец на глубину 10 мм шарик из силикагеля диаметром 3 мм также вызывал локальное увеличение колебательной скорости поверхности образца на порядок (с 1 мкм • с-1 в точках, удаленных от дефекта, до 54 мкм • с-1 в точке над дефектом). Форма колебаний поверхности образцов в области пузырька воздуха и шарика из силикагеля аналогична приведенной на рис. 26. Нелинейный отклик для этих дефектов обнаружен не был.
Далее нами был выполнен следующий эксперимент. В образце на глубине 8 мм создавали воздушный пузырек диаметром 8.5 мм. После этого воз-
57 мм
0
мм/с 1 гармоника
-100
0 100 мкм/с 2 гармоника
г
-100 0 3 гармоника
100
мкм/с
Рис. 2. Вид образца с расслоением (а); визуализация колебаний поверхности фантома с расслоением на основной частоте (•), на второй (в) и третьей (г) гармониках.
дух из пузырька удаляли. В результате в образце образовалось расслоение (аналог разреза ткани), которое наблюдалось визуально (рис. 2а). Расслоение в фантоме аналогично трещине в твердом теле. В [3] было рассмотрено поведение такой трещины в акустическом поле и показано, что оно приводит к нелинейным эффектам. Проявляется так называемая "хлопающая" нелинейность.
При частотном сканировании максимальная амплитуда колебаний поверхности образца в области дефекта оказалась на частоте 4225 Гц, поэтому именно на ней и проводили последующие измере-
а
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 1 2007
152
КОРОБОВ и др.
ния. В результате был получен спектр колебательной скорости поверхности образца, обогащенный гармониками.
В области дефекта, как и в случаях с другими образцами, наблюдали резкое увеличение амплитуды колебаний поверхности на основной частоте (рис. 26). Амплитуда колебательной скорости в максимуме составила ~1.5 мм • с-1. Нарушение сплошности образца вызвало сильный нелинейный отклик в области дефекта: наблюдали локальную генерацию второй и третьей гармоник колебания поверхности. При этом амплитуды колебательной скорости второй и третьей гармоник были приблизительно одинаковы и равнялись ~0.1 мм • с-1 (рис. 2 в-г). Было обнаружено, что со временем амплитуда сигнала на основной частоте в области дефекта сравнялась с амплитудой сигнала в бездефектных областях образца, а сигнал на гармониках исчез. Изменение амплитуды и спектра сигнала в области дефекта объясняется "залечиванием" дефекта, которое можно было наблюдать визуально.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Показана возможность создания дистанционного бесконтактного метода диагностики биологических тканей или материалов, обладающих свойствами биологических тканей, так называемых фантомов. Метод основан на измерении вынужденных локальных колебаний поверхности исследуемого материала при его дистанционном возбуждении с помощью акустических волн в воздухе.
Разработанная в работе методика позволила визуализировать колебания фантома биологической ткани с модельными дефектами в виде расслоения, уплотнений и воздушных пузырьков и определить координаты этих дефектов. В результате были локализованы в линейном случае воздушный пузырек и силикагелевый шарик. Дефект в виде расслоения надежно регистрировали как на основной частоте, так и на ее гармониках. Таким образом, предложенная методика позволяет не только определить координаты неоднородностей, но и дает предварительную информацию о ее типе (изменение локальной плотности, расслоение ткани). Исчезновение локальной нелинейности со временем мы связываем с "залечиванием" дефекта.
Работа была выполнена в Центре коллективного пользования физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по нелинейной акустической диагностике и неразрушающему контролю при поддержке гранта Президента Российской Федерации № НШ-4449.2006.2 и грантов РФФИ № 05-02-16327-а и № 06-02-16658-а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ремизов АН. Медицинская и биологическая физика. М.: Выс. шк., 1996.
2. Применение ультразвука в медицине. Физические основы / Под ред. Хилла К. М.: Мир, 1989.
3. Руденко ОВ. // Дефектоскопия. 1993. № 8. С. 24.
4. Коробов А.И., Изосимова М.Ю. // Акуст. журн. 2006. Т. 52. № 5.
Сдано в набор 10.10.2006 г. Подписано к печати 11.12.2006 г. Формат бумаги 60 х 881/8
Цифровая печать Усл. печ. л. 19.0 Усл. кр.-отт. 6.6 тыс. Уч.-изд. л. 19.1 Бум. л. 9.5
Тираж 339 экз. Зак. 1980
Учредители: Российская академия наук, Институт прикладной физики РАН
Издатель: Академиздатцентр "Наука", 117997, Москва, Профсоюзная ул., 90
Оригинал-макет подготовлен МАИК "Наука/Интерпериодика" Отпечатано в ППП "Типография "Наука", 121099, Москва, Шубинский пер., 6 www.gpi.ru/isvestiyaran-fiz
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.