ИСТИНА

В акустике эффект радиационного давления (радиационной силы) возникает, когда на пути распространения звукового пучка или импульса возникает рассеивающее или поглощающее препятствие. В результате появляется возможность безконтактного перемещения рассеивателей. Дистанционное силовое воздействие с помощью ультразвука представляет интерес и для медицинских приложений. Так, несколько лет назад было предложено использовать радиационную силу, создаваемую фокусированным ультразвуком, для дистанционного перемещения камней в почках человека. Проект направлен на экспериментально-теоретическое изучение акустической радиационной силы, действующей на упругие объекты в жидкости в фокусированных полях. Исследуется влияние ширины пучка и его частоты на эффективность силового воздействия на твердотельные объекты разных размеров и физических свойств. Проводится анализ наиболее оптимального расположения рассеивателя и акустического пучка для достижения контролируемого и направленного перемещения при минимизации излучаемой мощности. Экспериментально проводятся прецизионные измерения радиационной силы и верификация численных результатов для сферических рассеивателей из различных материалов в широком диапазоне размеров.

The effect of radiation pressure (radiation force) occurs when an incident beam or pulse acts on a scattering or absorbing object. Thus, there is the possibility of a non-contact displacement of scatterers. Remote ultrasound is of interest in medical applications. Several years ago it was suggested to use the radiation force of focused ultrasound for noninvasive expel stones from the kidney. The project is aimed at an experimental-theoretical study of the acoustic radiation force on elastic objects in a liquid in focused fields. The influence of the beam width and its frequency on the effectiveness of force action on solid objects of various sizes and physical properties is investigated. The analysis of the most optimal arrangement of the scatterer and acoustic beam is conducted to achieve controlled and directed movement while minimizing the power. The experiment is being developed to perform precise measurements of the radiation force and verification of numerical results for scatterers in a wide range of sizes.

В результате выполнения проекта ожидается разработка практического метода подбора оптимальных параметров фокусированных излучателей, позволяющих при минимальной мощности, подаваемой на излучатель, достигать максимальных значений радиационной силы, достаточной для направленного и контролируемого движения упругих рассеивателей. За время выполнения проекта планируется получить следующие научные результаты: 1. На основе модельного квазигауссовского пучка будет численно исследовано влияние различных параметров рассеивателя и акустического пучка на величину радиационной силы. В частности, будет исследовано влияние размеров сферического рассеивателя и его упругих свойств на величину радиационной силы, необходимой для смещения рассеивателя от положения равновесия при заданных параметрах акустического пучка. 2. На основе модельного квазигауссовского пучка будет численно исследовано влияние ширины акустического пучка на эффективность силового воздействия. В частности, будет решен вопрос о нецелесообразности использования сильнофокусированных пучков и будут рассмотрены физические механизмы, определяющие влияние ширины пучка на величину силы. 3. На основе модельного квазигауссовского пучка будет численно исследовано влияние геометрии расположения рассеивателя относительно акустического пучка. Будет рассмотрен вопрос о необходимости расположения рассеивателя в фокусе пучка. В частности, будут рассмотрены варианты расположения рассеивателя перед фокусом, после фокуса и если пучок облучает только одну из боковых поверхностей рассеивателя. 4. На основе квазигауссовского пучка будет исследован вопрос о наиболее выигрышном расположении рассеивателя относительно пучка при необходимости перемещения рассеивателя в поперечных направлениях. 5. Будет проведено численное исследование о целесообразности рассмотрения качественных закономерностей силового воздействия на модели квазигауссовского пучка путем сравнения результатов расчетов радиационной силы для одноэлементного сфокусированного излучателя и квазигауссовского пучка. 6. Будут проведены экспериментальные исследования по измерению радиационной силы на рассеиватели в широком диапазоне размеров и упругих свойств. В частности, будет исследовано влияние ширины пучка путем перемещения рассеивателя вдоль оси, измерена сила, действующая на рассеиватель при его смещении в поперечном направлении, для заданных параметров рассеивателя будут определены оптимальные параметры излучателя для эффективного силового воздействия. 7. Будет проведен сравнительный анализ экспериментальных результатов и численных расчетов.

У участников проекта имеется опыт проведения экспериментальных исследований и численного моделирования по тематике предлагаемого проекта. Далее приведен список полученных ранее результатов с указанием публикации, относящейся к каждому пункту списка. - Проведены первоначальные теоретические и экспериментальные исследования воздействия плоской волны на упругую сферу, помещенную в жидкость. Изучена зависимость величины радиационной силы от электрической мощности, подаваемой на рассматриваемый излучатель, в случае сфер разного геометрического размера - Руководителем проекта предложен новый оригинальный метод измерения радиационной силы ультразвукового пучка, основанный на принципе акустической эхолокации. - Проведены экспериментальные и теоретические исследования, необходимые для калибровки используемых излучателей (метод «взвешивания» акустического пучка и метод взаимности), учитывающие влияние расходимости пучка. - Проведены численные и экспериментальные исследования, показывающие возможность использования радиационной силы для создания фазонечувствительного метода определения акустических потерь в неоднородных - Разработан аналитический метод и проведены численные расчеты радиационной силы для выталкивания почечных камней в случае полей различной структуры, включая вортексные пучки. - Проведены первоначальные численные исследования влияния параметров рассеивателя и силового пучка на величину радиационной силы в случае пучка с квазигауссовским поперечным распределением. - Проведены численные исследования, подтверждающие кавитационный механизм образования артефакта мерцания, наличие которого дает возможность диагностировать почечные камни размером меньше длины волны. - На основе уравнения Вестервельта промоделировано прохождение фокусированного ультразвукового пучка в неоднородных мягких тканях тела человека при фокусировке в область почки на глубину 5 см с учетом величины поглощения и скорости звука, полученных по данным компьютерной томографии.