Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 1, с. 64-67
© 2015 г. 10 января
Одновременный нагрев двух локальных областей фантома биоткани за счет самонацеливания ультразвуковых пучков с обращенным
волновым фронтом
Л. М. Крутянский1\ А. П. БрысевР. В. Клопотов
Laboratoire international associé sur les phénoménes critiques et supercritiques en électronique fonctionnelle acoustique et ñuidique (LICS)
Научный центр волновых исследований Института общей физики им. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия
Поступила в редакцию 24 ноября 2014 г.
Экспериментально продемонстрирован одновременный нагрев двух локальных областей поглощающей среды сфокусированными на них ультразвуковыми пучками с обращенным фронтом. В качестве среды использовался полимерный фантом биоткани, содержащий две рассеивающие звук небольшие воздушные полости и облучаемый "пробным" ультразвуковым пучком на частоте 5 МГц. Рассеянное поле попадало на параметрическое устройство обращения волнового фронта ультразвука. Обращенное и усиленное поле самосогласованным образом фокусировалось на рассеиватели, что вызывало нагрев среды за счет поглощения энергии ультразвука. При этом величина нагрева в данных областях составила около 5°С за 70с. В остальном объеме фантома наблюдалось лишь незначительное повышение температуры за счет эффекта теплопроводности. Отмечается возможное использование реализованного эффекта в медицинских приложениях фазосопряженных ультразвуковых пучков.
DOI: 10.7868/S0370274X15010130
Введение. Эффект обращения волнового фронта (ОВФ) предоставляет уникальную возможность реализовать концентрацию энергии волнового пучка в заданной области пространства без использования каких-либо дополнительных фокусирующих элементов или систем не только в однородной, но и в фазово-неоднородной среде [1]. Поэтому неудивительно, что уже в первых теоретических работах по параметрическому ОВФ ультразвука (см., например, [2]) отмечалась важность использования автоматической фокусировки (самонаведения) энергии ультразвуковых пучков с обращенным фронтом для целей активного воздействия на среду. Наиболее развитым физическим методом реализации ОВФ с усилением в мегагерцовом ультразвуковом диапазоне является запороговая параметрическая модуляция переменным магнитным полем скорости звука в маг-нитострикционных ферритах [3]. Получаемые таким образом интенсивные пучки обращенных ультразвуковых волн могут иметь значительные (до 10 МПа) пиковые перепады акустического давления вследствие эффективной каскадной генерации гармоник при распространении в пассивной среде [4,5]. Наряду с этим в работе [6] было продемонстрировано
Ч leonid.krut@gmail.com, brysev@ya.ru
автоматическое нацеливание обращенных пучков на один или одновременно на несколько объектов, рассеивающих пробную падающую волну. Однако в течение длительного времени не удавалось получить параметрически обращенные ультразвуковые пучки со средней мощностью, достаточной, например, для заметного нагрева жидких или желеобразных сред, подобных биологическим тканям. Впервые акустический нагрев среды с помощью параметрической ОВФ-фокусировки ультразвуковых пучков удалось реализовать в работе [7]. В работе [8] был осуществлен локализованный ультразвуковой нагрев в фантоме биологической ткани, содержащем рассеивающий звук объект. Отметим, что наряду с развитием параметрических систем ОВФ ультразвука существует интерес и к созданию многоканальных цифровых систем обращения времени, ориентированных на использование мощного сфокусированного ультразвука в медицинских приложениях [9]. В настоящей работе впервые демонстрируется одновременный нагрев двух локальных областей среды при самосогласованном нацеливании на них параметрически обращенных ультразвуковых пучков.
Экспериментальная установка и методика. Для проведения экспериментов был приготовлен желеобразный полимерный образец из состава
ИавМво! производства компании МГ-тапиГасгЬипг^. Было установлено, что вариации температурного режима и времени полимеризации в ходе изготовления образца приводят к различию его акустических параметров, в первую очередь поглощения ультразвука. С учетом того, что значение этого параметра является одним из определяющих в задаче ультразвукового нагрева, а также медицинской направленности возможных приложений такая особенность потребовала проведения вспомогательных измерений поглощения ультразвука в полосе частот 16.5 МГц. Они были выполнены импульсным методом сравнения с эталоном [10] на контрольном образце, изготовленном в одних условиях с рабочим. В результате из серии образцов, полимеризованных при разных значениях температуры, был выбран один с параметрами, наиболее близко соответствующими известным данным для мышечной ткани человека (см., например, [11]). Температура полимеризации этого образца равнялась 180° С при времени выдержки 5 ч. Плотность полученного материала составляла 980кг/м3. Измеренная зависимость коэффициента поглощения ультразвука от частоты при температуре 20° С для выбранного образца приведена на рис. 1а. Поглощение имеет вид степенной функции с показателем 1.6. Отличие частотной зависимости поглощения от квадратичного закона характерно в том числе и для живых тканей [12]. Шумовой характер полученной кривой на высоких и низких частотах вызван погрешностями метода при малом уровне сигнала на границах полосы пропускания измерительных преобразователей. На частоте 5 МГц, используемой в описываемых ниже экспериментах, значение коэффициента поглощения равнялось 48 м-1. Скорость звука составляла около 1401м/с и проявляла в указанном диапазоне небольшую положительную дисперсию (около 0.125 м/с • МГц). Это также характерно для сред с показателем степени частотной зависимости поглощения меньше двух [12,13]. Рабочий образец имел форму цилиндра с диаметром 60 мм и высотой 40 мм. Незадолго до завершения полимеризации в него были инжектированы два небольших воздушных пузырька диаметром около 6 мм (см. фото на рис. 1Ь). Расстояние между центрами получившихся полостей составило приблизительно 17мм.
Схема эксперимента по ультразвуковому нагреву приведена на рис. 2. Образец помещался в бассейн с водой. Плоский пьезокерамический ультразвуковой преобразователь диаметром 24 мм располагался на расстоянии около 50 мм от образца. Рабочий элемент параметрической системы ОВФ ультразвука вводил-
Рис. 1. Используемый образец, (а) - Частотная зависимость поглощения материала. Точки - измерения, сплошная линия - аппроксимация степенным законом. (Ь) - Фотография образца с введенными термопарами 1, 2 и 3 (ТС1, ТС2 и ТСЗ соответственно)
ся через стенку бассейна рядом с преобразователем (см. рис. 2). Преобразователь возбуждался импульсами с частотой 5 МГц и длительностью 60 мке, подаваемыми от генератора (AFG 3102, Sony Tektronix) через усилитель (KL400, RM Italy). Второй канал генератора обеспечивал возбуждение усилителя параметрической накачки (модель ОМ3500, производство OM-Power). Несущая частота импульсов накачки 10 МГц, а их длительность 260 мкс. В режиме настройки частота повторения работы схемы равнялась 10 Гц, что обеспечивало высокую скважность и, соответственно, низкую среднюю мощность ультразвуковых пучков. В рабочем режиме частота повторения составляла 250 Гц. Сигналы возбуждения звука и накачки синхронизировались по времени так,
66
Л. М. Крутянскпй, А. П. Брысев, Р. В. Клопотов
Рис. 2. Упрощенная схема эксперимента: - бассейн с водой, Я - образец, 1,2- воздушные полости, ТС1-ТСЗ - термопары, Тг - пьезокерамический излучатель, С -параметрическое устройство ОВФ. Стрелками условно показано направление распространения ультразвуковых пучков
чтобы обеспечить задержку, необходимую для распространения звука в бассейне от момента излучения до прихода в систему ОВФ. Ультразвуковые импульсы, излучаемые преобразователем, распространялись к образцу и проходили сквозь него.
Как видно из приведенных выше данных, акустический импеданс полимеризованного пластисола очень близок по величине к импедансу воды. По этой причине сам образец крайне слабо отражает распространяющийся в воде ультразвук, в то время как воздушные полости в нем являются на данной частоте хорошими отражателями. Если обе полости находились в пределах падающего звукового пучка и существенная часть рассеянного поля попадала в апертуру устройства параметрического ОВФ, происходила фокусировка интенсивных ультразвуковых пучков с обращенным фронтом на воздушные полости. Подчеркнем, что никаких пассивных фокусирующих элементов или систем в данной схеме не используется.
Измерение температуры осуществлялось с помощью малоинерционных термопар .Гтипа с наружным диаметром 0.5 мм. Термопары были введены в образец с его тыльной стороны перпендикулярно основанию (см. фото на рис. 1Ь). Термопары 1 и 2 проходили через воздушные полости и выступали из них на 1.5 мм в направлении передней поверхности образца. Термопара 3 была введена на такую же глубину, но находилась в зоне между полостями на расстоянии около 10 и 8 мм от термопар 1 и 2 соответственно. Опорные спаи помещались в пассивный воздушный термостат, находившийся при комнатной темпе-
ратуре (То = 20 °С). Таким образом, в экспериментах определялся нагрев AT(t) = T(t) — Tq. Измерения термоЭДС производились с помощью вольтметра Agilent 34401А, соединенного с термопарами через трехканальный аналоговый коммутатор. Для уменьшения погрешности измерений выполнялось усреднение по 4 значениям. Данная схема обеспечивала кратковременную чувствительность к нагреву не хуже 0.02°С при нестабильности показаний около 0.1 °С за 10 мин из-за дрейфа температуры опорного спая.
Результаты и их обсуждение. Результаты измерений представлены на рис. 3. В начальный момент t = 0 система работала с частотой повторе-
0 200 400 600 800
г (с)
Рис.3. Процесс нагрева и остывания, измеренный в трех точках внутри образца: 1 - перед первой полостью, 2 - перед второй полостью, 3 - между полостями в толще образца. - включение падающей волны, ¿2 -включение рабочего режима повторения 250 Гц, ¿з -выключение параметрической накачки, ¿4 - выключение падающей волны
ния 10 Гц. При это
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.