ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЗАМЕЩЕНИЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА НЕЛИНЕЙНОСТИ БИОТКАНЕЙ НА ОСНОВЕ ИЗМЕРЕНИЯ ВТОРИЧНОГО ПОЛЯ ПРОШЕДШЕГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

  • М. В. Лагута Южный федеральный университет
  • А. Ю. Вареникова Южный федеральный университет
  • Н.Н. Чернов Южный федеральный университет
Ключевые слова: Ультразвуковая визуализация, метод замещения, акустическое поле

Аннотация

Известно, что ультразвуковые методы визуализации внутренних структур биологи-ческих объектов являются более безопасными по сравнению с рентгеновской и магнитно-резонансной томографией и характеризуются меньшим количеством ограничений для про-ведения исследования. Однако существенным недостатком таких методов является не-достаточно высокая разрешающая способность. Это объясняется тем, что большинство существующих ультразвуковых диагностических систем основаны на законах линейной акустики. Одним из перспективных направлений исследований является разработка мето-дов визуализации внутренних структур биологических объектов и определения размеров и границ неоднородностей на основе нелинейного взаимодействия акустического поля с биотканями. В работе рассмотрен способ повышения точности процесса локализации неод-нородности в биообъекте. Для решения поставленной задачи используется метод замеще-ния, основанный на вычислении отношения распределения амплитуды давления вторичного поля акустического волны, прошедшей через биологический объект, имеющий патологиче-ские включения к давлению вторичного поля волны, прошедшей через однородную среду с известными нелинейными характеристиками. В статье представлено выражение, описы-вающее распределение акустического давления поля вторичных источников, на основе ко-торого были выполнены расчеты. Для проведения математического моделирования использовалась модель биообъекта состоящего из мышечной ткани и патологических включений (миомы). В рамках выполненного исследования вычислено отношение изменения давления вторичного поля для данной модели и однородной эталонной среды с известными характеристиками. Полученные данные представлены в виде контурных графиков, отражающих расположение неоднородности. Результаты расчетов показали большую эффективность использования метода замещения для процесса определения местоположения неоднородных включений в модели биообъекта по сравнению с методами визуализации, основанными на восстановлении распределения давления вторичного акустического поля. Показано, что использование метода замещения позволяет более точно определить границы неоднородностей. Поэтому метод замещения может быть использован для получения проекционных данных и восстановления распределения акустического нелинейного пара-метра в плоском срезе биологического объекта.

Литература

1. Korochentsev V.I., Koval' V.T., Shabanov G.A., Rybchenko A.A., Volkov A.I., Garasev I.V. Problemy issledovaniya effektov vozdeystviya ul'trazvukovogo izlucheniya na organizm cheloveka [Problems of studying the effects of ultrasonic radiation on the human body], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2012, No. 9 (134), pp. 210-214.
2. Akopyan V.B., Ershov Yu.A. Osnovy vzaimodeystviya ul'trazvuka s biologicheskimi ob"ektami [Fundamentals of interaction of ultrasound with biological objects]. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2005.
3. Fatemi M., Greenleaf J.F. Real-time assessment of the parameter of nonlinearity in tissue us-ing «nonlinear shadowing», Ultrasound in Med. & Biol., 1996, Vol. 22, No. 9, pp. 1215-1228.
4. Gong X.F., Yan Y.S., Zhang D., Wang H.L. The study of acoustic nonlinearity parameter to-mography in reflection mode, Acoustical Imaging, 2003, Vol. 27.
5. David E. Goertz, Martijn E. Frijlink, Nico de Jong, Antonius F.W. van der Steen. Nonlinear Contrast Intravascular Ultrasound. Ultrasound and Carotid Bifurcation Atherosclerosis. Springer-Verlag London Limited, 2012, pp. 137-153.
6. Laguta M.V. K voprosu resheniya obratnoy zadachi akusticheskoy tomografii [To the question of solving the inverse problem of acoustic tomography], V Vserossiyskaya molodezhnaya shkola-seminar «Innovatsii i perspektivy meditsinskikh informatsionnykh sistem IPMIS-2016», 19-22 dekabrya 2016, g. Taganrog [V all-Russian youth school-seminar "Innovations and prospects of medical information systems IPMIS-2016", December 19-22, 2016, Taganrog], pp. 65-68.
7. Xiufen Gong, Dong Zhang, Jiehui Liu, Huanlei Wang, Yongsheng Yan, and Xiaochen Xu. Study of acoustic nonlinearity parameter imaging methods in reflection mode for biological tissues, Acousti-cal Society of America, 2004, pp. 1819-1825.
8. Demin I.Yu., Pronchatov-Rubtsov N.V. Sovremennye akusticheskie metody issledovaniy v biologii i meditsine: uchebno-metodicheskiy material po programme povysheniya kvalifikatsii «Khranenie i obrabotka informatsii v biologicheskikh sistemakh» [Modern acoustic research methods in biology and medicine: educational and methodological material for the advanced training program "Storage and processing of information in biological systems"]. Nizhniy Novgorod, 2007, 121 p.
9. Rudenko O.V., Soluyan S.I. Teoreticheskie osnovy nelineynoy akustiki [Theoretical founda-tions of nonlinear acoustics]. Moscow: Nauka, 1975, 288 p. 10. Chernov N.N., Laguta M.V., Varenikova A.Yu. Method. of detection of pathological areas in biotissues on the basis of determination of characteristics of harmonic components in an ultra-sonic wave, Discovery, 2019, Vol. 55 (280), pp. 120-124.
11. Chernov N.N., Laguta M.V., Varenikova A.Yu. Research of Appearance and Propagation of Higher Harmonics of Acoustic Signals in the Nonlinear Media, Journal of Pharmaceutical Science and Research, Vol. 9, No. 11. Available at: http://www.jpsr.pharmainfo.in/ is-sue.php?page=99.
12. Preobrazhenskiy S.V., Preobrazhenskiy V.L., Perno F., Bu Matar O. Diagnostika neodnorodnosti nelineynogo parametra akusticheskoy sredy s pomoshch'yu obrashcheniya volnovogo fronta ul'trazvuka [Diagnostics of inhomogeneity of the nonlinear parameter of the acoustic medium using the reversal of the ultrasound wave front], Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal], 2008, Vol. 54, No. 1, pp. 20-25.
13. Zagray N.P. Nelineynye vzaimodeystviya v sloistykh i neodnorodnykh sredakh: monografiya [Nonlinear interactions in layered and inhomogeneous media: monograph]. Taganrog: Izd-vo TRTU, 1998, 433 p.
14. Chernov N.N, Mikhralieva A.I, Zagray N.P., Al'-Saman A.Kh. Opredelenie uprugikh svoystv biologicheskikh sloistykh sred na osnove nelineynogo vzaimodeystviya akusticheskikh voln [Determination of elastic properties of biological layered media based on nonlinear interaction of acoustic waves], Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Bulletin of the Don], 2016, No. 3. Available at: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3735.
15. Burov V.A., SHmelev A.A., Zotov D.I. Prototip tomograficheskoy sistemy, ispol'zuyushchey akusticheskie nelineynye effekty tret'ego poryadka [Prototype of a tomographic system using acoustic nonlinear effects of the third order], Akusticheskiy zhurnal [Akusticheskij zhurnal], 2013, Vol. 59, No. 1, pp. 31-51.
16. Chernov N.N., Laguta M.V., Varenikova A.Yu. Chislennoe modelirovanie polya vtorichnykh istochnikov akusticheskoy volny pri prokhozhdenii cherez biologicheskuyu sredu [Numerical simulation of the field of secondary acoustic wave sources when passing through a biological medium], Modelirovanie, optimizatsiya i informatsionnye tekhnologii [Modeling, optimization and information technologies], Vol. 6, No. 33, pp. 40-49.
17. Rudenko O.V. Nelineynye volny: nekotorye biomeditsinskie prilozheniya [Nonlinear waves: some biomedical applications], Uspekhi fizicheskikh nauk [Success of physical Sciences], Vol. 177, No. 4. 18. Chernov N.N., Zagray N.P., Laguta M.V., Varenikova A.Yu. Research of appearance and prop-agation of higher harmonics of acoustic signals in the nonlinear media, Journal of Physics: Conference Series, 2018, Vol. 1015 (3), pp. 032-081.
19. Fizika vizualizatsii izobrazheniy v meditsine [Physics of image visualization in medicine]: in 2 vol. Vol. 2: transl. from engl., ed. by S. Uebba. Moscow: Mir, 1991, 408 p.
20. Korneev Yu.A., Korshunov A.P., Pogadaev V.I. Meditsinskaya i biologicheskaya fizika [Medi-cal and biological physics]. Moscow: Nauka, 2001, 247 p.
Опубликован
2020-06-29
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ I. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА