АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, том 60, № 2, с. 199-203
АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. ^^^^^^^^^^ БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.286.2
ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА АКУСТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ В ОБРАЗЦАХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ С ПОМОЩЬЮ ОБРАЩЕННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН
© 2014 г. Н. В. Смагин*, Л. М. Крутянский*, З. В. Зеленова**, А. П. Брысев*
*Международная Ассоциированная Лаборатория критических и сверхкритических явлений в функциональной электронике, акустике и флюидике Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН
119991 Москва, ул. Вавилова 38
E-mail: krut@orc.ru; nikolay.smagin@gmail.com
**Институт иммунологии ФМБА России Москва, Каширское ш. 24, корп. 2 Поступила в редакцию 13.08.2013 г.
Проведены измерения акустического поглощения в сериях образцов биологических тканей — мышечной, почечной и жировой ткани свиньи с помощью стандартного метода сравнения с эталоном и с использованием обращения волнового фронта ультразвука. Сравнение полученных экспериментальных результатов и выявленные различия подтверждают перспективность использования обращенных волн для измерений акустических потерь в биологических объектах. Показано, что в неоднородных тканях метод с обращением волнового фронта позволяет получить более достоверную оценку диссипативных потерь.
Ключевые слова: коэффициент акустического поглощения, биологические ткани, компенсация фазовых искажений, обращение волнового фронта.
DOI: 10.7868/S0320791914020130
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных свойств пучков, полученных с помощью преобразования обращения волнового фронта (ОВФ), является компенсация фазовых искажений, накопленных при распространении в среде падающей волны (см. например [1]). Использовать эту особенность в акустике для более точного измерения поглощения упругих волн в твердых телах было предложено еще в [2]. В настоящее время хорошо развитая техника параметрического ОВФ ультразвука в мегагерцовом диапазоне с использованием магнитострикцион-ных ферритов [3] позволила реализовать методику измерения коэффициента поглощения, в том числе, и в жидкоподобных средах [4, 5]. В частности, было показано, что в случае неоднородных образцов данный способ дает более достоверный результат за счет минимизации влияния упругих потерь и других недиссипативных эффектов. При этом в качестве объектов использовались, как правило, искусственно приготовленные образцы. Так в [4] применялись образцы из желатина с неровной поверхностью и с включениями воздушных пузырьков, а в [5] рассматривался случай поглощения во взвесях в желатиновой среде. Измерения выполнялись как стандартным методом
сравнения с эталоном, так и его модификацией, с использованием ОВФ.
В связи с интенсивным развитием медицинской акустики очевидно, что информация о поглощении ультразвука в биологических объектах, обладающих сложной неоднородной структурой, представляет большой интерес. Экспериментальным и теоретическим исследованиям поглощения ультразвука в различных живых тканях уделяется значительное внимание в работах по биологической акустике (см., например, [6—9]). До сих пор эксперименты с биологическими тканями, подтверждающие преимущество метода с ОВФ (по сравнению со стандартными), ограничивались единичным опытом [4]. В настоящей работе проведено более широкое сравнение двух указанных выше методов. В качестве объектов для измерений поглощения выбраны образцы нескольких типов ткани свиньи: мышечной, почечной и жировой.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОД
Измерения проводились с помощью метода сравнения с эталонной жидкостью [10]. Экспериментальная установка (рис. 1) практически не от-
Рис. 1. Схема измерений.
личалась от описанной в [4]. Она состояла из плоского приемоизлучающего преобразователя, находящегося в бассейне с дистиллированной водой при 220C, алюминиевой пластины, выполнявшей роль акустического отражателя, который можно было заменять параметрической системой ОВФ и схемы возбуждения/приема ультразвуковых импульсов. Принцип работы используемой системы ОВФ описан, например, в [11]. Измеряемый образец вносился посередине между излучателем и акустическим зеркалом, расстояние между которыми было ~80 мм. Диаметр апертуры преобразователя составлял 20 мм, а его рабочая частота равнялась 5 МГц. Для возбуждения преобразователя использовался генератор сигналов Tektronix AFG 3102, принятые сигналы регистрировались осциллографом Tektronix DPO 3032. В качестве предварительной обработки применялось усреднение в осциллографе по 64 выборкам. Длительность импульсного акустического сигнала 4 мкс позволяла исключить перекрытие во времени излучаемого сигнала и отражения от пластины.
Как и в [4, 5], измерения с каждым образцом проводились двумя методами - стандартным по отраженному сигналу и с использованием обращенной волны. В последнем случае система ОВФ работала в линейном режиме по соотношению входной и выходной амплитуд. Звуковое давление в обоих методах было сравнимо по величине и достаточно мало, чтобы обеспечить линейный характер распространения волн в использовавшихся средах. Точность измерений обоими методами составляла 10%. Значение частоты ультразвука 5 МГц было принято в данном случае исходя из удобства эксперимента и имеющейся аппаратуры. Отметим при этом, что в достаточно широком диапазоне ультразвуковых частот используемый метод с ОВФ не имеет принципиальных ограничений на выбор рабочей частоты измерений.
ОБРАЗЦЫ
Для экспериментов были приготовлены три серии образцов in vitro из биологических тканей свиньи: мышечной, почечной и жировой. Ткани сохранялись при температуре 4°C и не содержали крови и других биологических жидкостей. Образцы вырезались в форме диска диаметром 36 мм и толщиной 20 мм (серии 1, 2) и 11 мм (серия 3) и помещались в соответствующую по размерам цилиндрическую пластмассовую оправу, основания которой затягивались тонкой (~10 мкм) полимерной пленкой. Остаточный объем в полученной таким образом измерительной ячейке заполнялся водой для исключения образования воздушной прослойки. Образцы выдерживались в бассейне до достижения ими температуры окружающей воды.
Образцы первой серии (фото, рис. 2а) были выбраны из мышц поясничного отдела свиньи. Неоднородность образцов проявлялась как в наличии мышечных волокон, так и в присутствии прослоек других типов тканей — жировой и соединительной.
Вторая серия образцов (фото, рис 2б) была приготовлена из почечной ткани свиньи. Образцы не имели включений других тканей, но различались по степени соотношения в них коркового и мозгового вещества, что обусловливало различную неоднородность скорости звука.
Третья серия состояла из трех образцов наружного слоя жировой ткани свиньи из надпочечной части (фото, рис. 2в). По внешнему виду образцы не имели заметных различий.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты проведенных измерений представлены на рис. 3—5 в виде диаграмм в зависимости от номера образца. В серии образцов мышечной ткани (рис. 3) наблюдается в целом сходный характер данных стандартного метода и метода с ОВФ. Полученные стандартным методом значения лежат в диапазоне 40—90 м-1, что соответствует известным литературным данным (см., например, [8], где диапазон затуханий в скелетных мышцах свиньи составлял от 40 до 120 м-1). Основным отличием данных, полученных методом с ОВФ, являются более низкие значения и несколько меньший разброс величин. Так отношение минимум/максимум составило около 40% для стандартного метода и около 50% для метода с ОВФ. Принимая во внимание свойство обращенных волн компенсировать недиссипативные потери, можно предположить, что данный метод, как и ожидалось, дает значения, приближенные к собственному поглощению в данных образцах. В то же время, поскольку результаты двух методов имеют достаточно похожий характер, очевидно,
Рис. 2. Фотографии типичных образцов трех серий. Серия 1 (мышечная ткань, образец № 2) (а); серия 2 (почка, образец № 1) (б); серия 3 (жировая ткань, образец № 3) (в).
что существенная часть затухания в этих образцах не компенсируется, следовательно, неупругие потери на поглощение в образцах этой серии значительны.
Во второй серии (почечная ткань, рис. 4) стандартный метод дает сильный разброс диапазона полученных значений (отношение минимум/максимум ~20%), в то время как измерения с ОВФ различаются только в 2.5 раза (минимум/максимум ~40%). Среднее значение затухания в стандартном методе для этой серии составило 42 м-1, что также коррелирует с литературными источниками. Так, из работы [7] для имевшихся в эксперименте температуры и частоты можно найти величину около 37 м-1. Как и в случае первой серии, измерения с ОВФ лежат ниже значений стандартного метода. При этом вторая серия в целом показывает более низкие величины затухания, чем первая. Логично предположить, что образцы второй серии имеют меньшее поглощение, а разброс измерений стандартного метода, который существенно выравнивается при измерениях с ОВФ, вызван преимущественно фазовыми искажениями волны в образцах.
В случае жировой ткани (серия 3, рис. 5) полученные значения затухания значительно выше, чем в двух предыдущих сериях. Они лежат в диапазоне от 114 до 144 м-1, что достаточно близко к данным работы [8] (диапазон 45-192 м-1, при среднем значении 92 м-1). Сами образцы априор-
а, м-1 100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6
п
Рис. 3. Результаты измерений коэффициента акустического затухания а в образцах мышечной ткани, п -номер образца.
а, м 90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
□ Стандартный
□ ОВФ
Рис. 4. Результаты измерений коэффициента акустического затухания а в образцах почечной ткани, п — номер образца.
а, м
100
90 80 70 60 50 40 30 20 10
А
В
Рис. 6. Диаграмма размаха для выборок А и В, объединяющих серии измерений 1 и 2.
но были более однородными по структуре, чем в сериях 1 и 2, что экспериментально также подтвердилось малым разбросом данных от образца к образцу (минимальное значение составляет 80% от максимума). В пределах точности измерений результаты обоих методов для серии 3 довольно близки. Можно заключить, что в этой ситуации метод с ОВФ не дает видимых преимуществ в д
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.