Анотація до роботи:

Баранник Є.О. Локальні ефекти взаємодії ультразвукових хвиль з біоло-гічними об’єктами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.06 - акустика. – Харківський національний уні-верситет ім.В.Н.Каразіна, Харків, 2004.

Розвинені теоретичні підходи до вивчення локальних ефектів формування відгуку біологічних об’єктів при взаємодії з ультразвуковими хвилями. Про-ведений аналіз виявлених закономірностей з урахуванням невизначеності хвильових векторів пучків. Шляхом розв’язку отриманих нелінійних рівнянь для коаксіальних фокусованих пучків доведено існування у фокальній облас-ті надзвукових нелінійних джерел, що приводять до черенковського розсіян-ня ХРЧ. Отримані та проаналізовані спектри допплерівського відгуку лінії току для безперервних пучків та встановлені властивості повних допплерів-ських спектрів для аксіально-симетричних потоків. Вивчені локальні ефекти формування спектрів при імпульсному зондуванні. Результати узагальнені на випадок градієнтів швидкості і винайдені оптимальні параметри зондування. Розроблені адаптивні методи придушення спекл-шумів локального відгуку. Вивчені просторовий розподіл і релаксація зсувних деформацій, індукованих локальною імпульсною радіаційного силою у в’язко-пружних середовищах. Запропоновані методи вимірювання локальної в’язкості та пружності м’яких тканин і реконструкціі розподілу локальних неоднорідностей.

У дисертації отримані наступні основні наукові та практичні результати:

1. Шляхом розв’язку нелінійних рівнянь, отриманих для співвісних фокусо-ваних пучків хвиль із малими кутами розкриття, проведений детальний ана-ліз дифракційного розсіювання ХРЧ і ХСЧ при нелінійній взаємодії з біоло-гічним середовищем пучків хвиль з різною частотою. Встановлена локальна структура зон Френеля нелінійних джерел хвиль у фокальній області. Знайдені амплітуда та граничні кути розсіяння ХРЧ і ХСЧ та їхня залежність від параметрів взаємодіючих пучків.

Доведено існування у фокальній області локальних надзвукових неліній-них джерел ХРЧ, що приводять до черенковського розсіювання ХРЧ. Знайде-ний зв’язок швидкості джерел з кутовими характеристиками різних хвильових складових фокусованих пучків. Встановлені залежність амплітуди та кута черенковського розсіювання від частоти ХРЧ і параметрів пучків.

2. У рамках ЗЗР в моделі неоднорідного континуума біологічного середови-ща розвинений теоретичний підхід до спектрального аналізу допплерівського відгуку. Отримані аналітичні вирази спектра відгуку лінії току для безперерв-них пучків із гауссівським профілем амплітуди тиску. При довільному куті між падаючим і відбитим пучками доведена інваріантість ширини спектра. Розкрито фізичний зміст результату – вплив зміни із глибиною локального скривлення хвильових фронтів завжди компенсується зміною ширини пучків.

Для аксіально-симетричних потоків, локалізованих на різній глибині, от-римані і проаналізовані при довільному куті і співвідношенні між шири-ною пучків і потоку вирази для повного допплерівського спектру. Показано, що при ширина спектру слабко залежить від глибини і зменшується зі збільшенням радіуса потоку. При цьому для пуазейлівського потоку залеж-ність спектру від частоти стає степеневою з показником . При виявлена сильна залежність ширини спектру і величини спектрального мак-симуму від відстані між точкою перетинання вісей пучків і віссю потоку.

3. Отримані вирази для спектрів потужності допплерівського відгуку при імпульсному зондуванні нефокусованими та сфокусованими пучками хвиль. Доведено незалежність від глибини зондування ширини повного спектра і його модальної допплерівської частоти. Установлено і проаналізовано залеж-ність ширини спектру від кута зондування та дифракційних ефектів при різному ступені фокусування хвиль.

Показано, що для імпульсно-модульованих фокусованих пучків ширина спектру для лінії току залежить від глибини зондування і досягає максимуму у фокусі через найбільше часопролітне розширення. Установлено, що шири-на спектру інваріантна щодо локального положення лінії току при незмінній фокусній відстані і глибині зондування. Доведено, що модальна частота зале-жить від розташування лінії току і взаємного положення точки зондування і фокуса. Фізично ефект є проявом кривизни хвильових фронтів і пов’язаний зі зміною кута між локальним напрямком хвильового вектора і лінією току.

4. Отримані вирази для допплерівських спектрів з урахуванням градієнтів швидкості руху. Проведено аналіз обмежень, що накладаються на параметри імпульсно-допплерівського зондування необхідною точністю вимірювань ло-кальної швидкості руху. Знайдені оптимальна тривалість імпульсів і апертура пучків, що забезпечують найкращу роздільну здатність при заданій точності вимірювань, і найкращу точність при заданій роздільній здатності.

Розроблено метод вилучення фазових спотворень допплерівського відгуку, заснований на врахуванні корелятивності фази ультразвукового відгуку із близько розташованих вимірювальних об'ємів при локальному формування спекл-шумів. Розвинена статистична теорія для оцінювання амплітуди уль-тразвукового відгуку і визначення найбільш імовірної структури біологічного об'єкта, що сформувала відгук при наявності спекл-шумів. Запропонований алгоритм адаптивної фільтрації амплітудних спекл-шумів і експериментально показана його ефективність при фільтрації шумів ультразвукових зображень.

5. У рамках в’язко-пружної моделі м’яких тканин досліджений вплив в’яз-кості на релаксацію зсувних деформацій, що локально збурюються імпульс-ною силою радіаційного тиску фокусованих хвиль. Установлено, що при релаксації пов’язана з в’язкістю добавка до зсувної деформації має позитив-ний знак, визначається відношенням в’язкості до модуля зсуву і не залежить від положення точки спостереження у фокальній площині.

Знайдені аналітичні вирази для поля деформацій при різних співвідно-шеннях між тривалістю імпульсів тиску, діаметром фокальної плями і момен-том спостереження. Показано, що при збуренні деформації у фокальній області менші, а поза нею – більші, ніж у відсутність в’язкості. Розвинена теорія добре узгоджується з відомими та отриманими в роботі експеримен-тальними даними щодо локальних імпульсних деформацій. Запропоновано процедуру калібрування для одночасної оцінки в’язкості та пружності тканин за результатами вимірювань локальних зсувних деформацій. Доведено, що понормування поля деформацій на поле в однорідному середовищі дозволяє ідентифікувати локальні неоднорідності в’язкості і пружності.

6. Сукупність розвинених теоретичних підходів до дослідження локальних ефектів взаємодії ультразвуку з біологічними об’єктами і результатів їх аналі-зу істотно поглиблює розуміння фізичного змісту цих ефектів і є основою для створення нових та поліпшення існуючих методів ультразвукової діагности-ки. Результати проведених досліджень допплерівських спектрів і розроблені алгоритми обробки сигналів знайшли застосування при оптимізації ультра-звукових медичних діагностичних комплексів Ultima (ВАТ НДІРВ, Харків).

Список публикацій

1. Баранник Е.А., Кадников О.Г., Папакица В.В. О рассеянии звука звуком при наложении фокусированных пучков волн//Акуст.журн.– 1986. – 32, N4.– С.513-517.

2. Баранник Е.А., Кадников О.Г. О нелинейных источниках в области нало-жения сходящихся сферических волн//Акуст.журн.– 1987.- 33, N2.-С.353-354.

3. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В. Стимуляция внедрения грами-цидина в бислойную липидную мембрану ультразвуком//Биофизика.– 1988.- 33, N2.- С.364-366.

4. Товстяк В.В., Древаль В.И., Назаренко Н.Д., Баранник Е.А. Влияние уль-тразвука на ионную проницаемость мембран эритроцитов//Ультразвук в сельском хозяйстве.– М, 1988. – С. 40-41.

5. Баранник Е.А. Влияние дифракционной расходимости и ширины пучков волн на спектр доплеровского сигнала//Акуст.журн.-1992.- 38, N2.-С.237-244.

6. Баранник Е.А. Зависимость спектральных характеристик доплеровского сигнала от геометрии ультразвукового преобразователя//Акуст. журн. – 1992. – 38, N5. – С.798-805.

7. Баранник Е.А. Ширина спектра доплеровского сигнала при импульсном режиме излучения//Акуст. журн. – 1993. – 39, N5. – С.939-941.

8. Баранник Е.А. Влияние фокусирования ультразвуковых волн на диспер-сию доплеровского спектра//Акуст. журн.– 1994.– 40, N2. – С.212-214.

9. Barannik E.A. Optimum resolution of pulsed Doppler systems//Acoust. Phys. – 1997. – 43, N4. – P.387-390.

10. Баранник Е.А., Волохов Ю.В., Марусенко А.И. Нелинейная адаптивная фильтрация в реальном масштабе времени изображений ультразвукового эхотомоскопа ТИ628А // Мед. Техника. – 1997. – N5. – С.5-8.

11. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Стервоедов Н.Г., Товстяк В.В. Акустическая установка для калибровки измерений скорости потоков жидкости доплеров-скими методами // Вісник ХНУ N463. Сер. Фіз. “Ядра, частинки, поля”. – 1999. – Вип.4(8). – С.74-78.

12. Баранник Е.А. Акустическая томография нелинейного параметра и нели-нейное взаимодействие волн // Вісник ХНУ N481. Сер. Фіз. «Ядра, частинки, поля». – 2000. – Вип. 2(10) – С.53-58.

13. Баранник Е.А., Волохов В.А., Гирнык С.А., Марусенко А.И., Товстяк В.В. Метод измерения скорости медленных потоков жидкости // Вісник ХНУ N490. Сер. Фіз. “Ядра, частинки, поля”. – 2000. – Вип.3(11). – С.75-79.

14. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Толстолужский Д.А., Товстяк В.В., Емелья-нов С.Ю., Марусенко А.И., Сарвазян А.П. Доплеровская регистрация сдвиго-вых деформаций в фантомах мягких тканей индуцированных фокусирован-ным ультразвуковым излучением // Вісник ХНУ N467. Біофіз. Вісн. – 2000. – Вип.2(7). – С.78-83.

15. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В., Марусенко А.И. Сдвиговые возмущения вязкоупругих сред генерируемые ультразвуком //Вісник ХНУ N510. Сер. Фіз. “Ядра, частинки, поля”. – 2001. – Вип.1(13). – С.67-72.

16. Barannik E.A. Pulsed Doppler flow-line spectrum for focused transducers with apodized apertures // Ultrasonics. – 2001. – 39, N2. – P.311-317.

17. Баранник Е.А. Оптимальный синтез сигналов и адаптивная фильтрация спекл-шумов ультразвуковых диагностических изображений // Вісник ХНУ N528. Біофіз. Вісн. – 2001. – Вип.2(9). – С.83-89.

18. Barannik E.A., Girnyk S.A., Tovstiak V.V., Marusenko A.I., Emelianov S.Y., Sarvazyan A.P. Doppler ultrasound detection of shear waves remotely induced in tissue phantoms and tissue in vitro //Ultrasonics.– 2002. - 40, N1-8.– P.849-852.

19. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В., Марусенко А.И. Динамика релаксации сдвиговых возмущений, индуцированных радиационной силой фокусированного ультразвука // Вісник ХНУ N559. Сер. Фіз. “Ядра, частинки, поля”. – 2002. – Вип.2(18). – С.85-93.

20. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В., Толстолужский Д.А., Мару-сенко А.И. Доплеровская регистрация дистанционно возбуждаемых сдвиго-вых деформаций структурно неоднородных фантомов ткани // Вісник ХНУ N560. Біофіз. Вісн. – 2002. – Вип.1(10). – С.99-105.

21. Баранник Е.А., Кислуха Д.А. Спектральные характеристики ультразвуко-вых доплеровских сигналов при равноускоренном движении зондируемой среды // Вісник ХНУ N559. Сер. Фіз. «Ядра, частинки, поля». – 2002. – Вип. 2(18) – С.103-109.

22. Баранник Е.А. Зависимость локальных импульсных сдвиговых возбужде-ний в мягких тканях от их вязкоупругих свойств // Вісник ХНУ N568. Біофіз. Вісн. – 2002. – Вип.2(11). – С.90-100.

23. Баранник Е.А. Локальные эффекты возбуждения волн при нелинейном взаимодействии фокусированных ультразвуковых пучков с биологическими объектами // Акуст. вісн. – 2003. – 6, N4. – С.3-18.

24. Barannik E.A., Girnyk S.A., Tovstiak V.V., Marusenko A.I., Volohov V.A., Emelianov S.Y., Sarvazyan A.P. The influence of viscosity on the shear strain remotely induced by focused ultrasound in viscoelastic media // J. Acoust. Soc. Am. – 2004. – 115, N5, Pt.1. – P.2358- 2364.

25. А.с. 1300379 СССР. Способ ультразвукового воздействия на объект в оптически непрозрачной среде / Баранник Е.А., Залюбовский И.И., Кадников О.Г., Кобизской В.И. – Зарегистр. в Гос. реестре изобретений СССР 1 декабря 1986 г. – 1987. – Бюл. N12.

26. А.с. 1520682 СССР. Ультразвуковой преобразователь / Баранник Е.А., Громов А.А., Кадников О.Г., Папакица В.В., Стервоедов Н.Г., Товстяк В.В., Яковлев А.В.. – Зарегистр. в Гос. реестре изобретений СССР 8 июля 1989 г. – 1990. – Бюл. N7.

27. Патент України №55522. Спосіб адаптивної цифрової фільтрації сигналів і пристрій для його здійснення / Баранник Є.О., Бойченко Ю.П., Марусенко А.І., Товстяк В.В. – Зареєстр. в Держ. реєстрі 16.12.2002 р. – 2003. – Бюл. N4.

28. Баранник Е.А., Кадников О.Г., Папакица В.В., Стервоедов Н.Г., Товстяк В.В., Шарыгин Б.Г., Яковлев А.В. Ультразвуковой тахокардиограф плода человека // Труды Всесоюзн. Совещ. «Новые ультразвуковые методы и приборы для применения в биологии и медицине». – М. – 1986. – С. 28.

29. Баранник Е.А., Папакица В.В., Товстяк В.В., Шарыгин Б.Г., Яковлев А.В. Ультразвуковой прибор для измерения скорости кровотока // Труды Всесоюзн. Совещ. «Новые ультразвуковые методы и приборы для применения в биологии и медицине». – М. – 1989. – С.10.

30. Barannik E.A., Tovstiak V.V. A simple method of estimation of intersellular temperature gradients produced by ultrasound // Thesis to International Symposium “Mechanisms of acoustical bioeffects”. – Pushchino.– 1990. – P.13.

31. Barannik E.A., Girnyk S.A., Tovstiak V.V. Ultrasonic stimulation of gramicidin building into bilayer // Thesis to International Symposium “Mechanisms of acoustical bioeffects”. – Pushchino. – 1990. – P.2.

32. Баранник Е.А., Кобяков В.А., Смелянец Н.С., Ушаков В.И. Релаксацион-ная акустическая эмиссия в приповерхностном слое подложка-TiN//Сб. тр. межд. н.-пр. конф. “Пьезотехника-95”.Т2.- Ростов-на-Дону.- 1995.- С.150-151.

33. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В. Ультразвуковой фетальный «Mini-Dop» // Тез. докл. шк.-сем. “Автоматизація фізичних методів контролю в технічній діагностиці та медицині” . – Київ. – 1995. – С.107.

34. Баранник Е.А. Об оптимальной апертуре ультразвуковых датчиков импу-льсно-доплеровских систем // Сб. тр. межд. н.-пр. конф. “Пьезотехника-95”.Т.3. – Ростов-на Дону. – 1995. – С.183-184.

35. Баранник Е.А. Об оптимальных параметрах ультразвуковых датчиков им-пульсно-доплеровских систем // Тез. докл. шк.-сем. “Автоматизація фізичних методів контролю в технічній діагностиці та медицині”.– Київ. – 1995. – С.43.

36. Баранник Е.А., Товстяк В.В., Толстолужский Д.А. Медианная фильтрация спекл-шумов одно- и двумерных изображений медицинских ультразвуковых визуализаторов // Тез. докл. шк.-сем. “Автоматизація фізичних методів контролю в технічній діагностиці та медицині”. – Київ. – 1995. – С.86.

37. Баранник Е.А., Волохов Ю.В., Марусенко А.И. Нелинейная адаптивная фильтрация в реальном масштабе времени изображений ультразвукового эхо-томоскопа ТИ628А//Тез. докл. межд. конф. “Биомед-96”.– М.– 1996.- С.46-47.

38. Баранник Є.О., Товстяк В.В. Деякі властивості доплерівських спектрів ультразвукових систем медичної діагностики // Тез. доп. ІІ З’їзду Укр. Біофіз. Тов. – Харків. – 1998. – С.182.

39. Баранник Е.А. Оптимальный синтез сигнала при фильтрации спекл-шумов ультразвуковых диагностических изображений // Межд. сем. “Совр. мет. и средст. неразруш. контр. техн. диагн.”. – Киев. – 1999. – С.3-4.

40. Баранник Е.А., Толстолужский Д.А. Компьютерное моделирование опти-мальной процедуры фильтрации спекл-шумов изображений//Межд. сем. “Совр. мет. и средст. неразруш. контр. техн. диагн.”. – Киев. – 1999. – С.6-7.

41. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В., Стервоедов Н.Г. Установка для исследования спектров доплеровских сигналов потоков жидкости // Межд. сем. “Совр. мет. и средст. неразруш. контр. техн. диагн.”.- Киев.- 1999.- С.5-6.

42. Barannik E.A., Girnyk S.A., Tovstiak V.V., Sarvazyan A.P. Doppler ultrasound detection of shear waves remotely induced in tissue phantoms by focused ultrasound. Joint 140^th Meeting ASA/NOISE-CON 2000. // J. Acoust. Soc. Am. – 2000. – 108, N5, pt.2. – P.2549.

43. Barannik E.A., Girnyk S.A., Tovstiak V.V., Marusenko A.I., Emelianov S.Y., Sarvazyan A.P. Doppler ultrasound detection of shear waves remotely induced in tissue phantoms and tissue in vitro. // Conference “Ultrasonics International 2001”, Netherlands. Abstract book. – Delft. – 2001. – P.C3.07.

44. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Товстяк В.В., Марусенко А.И. Дистанционно возбуждаемые сдвиговые возмущения вязкоупругих сред // Матер. 1 Евраз. конгр. “Медицинская физика”. – Москва. – 2001. – С.13.

45. Баранник Е.А., Гирнык С.А., Толстолужский Д.А., Товстяк В.В., Марусен-ко А.И., Сарвазян А.П. Доплеровская регистрация сдвиговых волн, дистанци-онно возбуждаемых фокусированным ультразвуковым излучением в сре-де//Матер. 1 Евраз. конгр. “Медицинская физика”.- Москва.- 2001.- С.13-14.

46. Баранник Є.О., Розуменко Л.С. Дослідження розповсюдження локальних збуджених зсувних хвиль у в’язко-пружному середовищі методом функцій Гріна // Тез. доп. ІІІ З’їзду Укр. біофіз. Тов.. – Львів. – 2002. – С.221.

47. Баранник Є.О., Гірник С.А., Товстяк В.В. Дослідження пружних властивостей м’яких тканин ультразвуковим доплерівським методом // Тез. доп. ІІІ З’їзду Укр. біофіз. тов. – Львів. – 2002. – С.220.

48. Баранник Є.О., Гірник С.А., Товстяк В.В., Баранник А.Є., Толстолузький Д.О. Дослідження швидкості розповсюдження індукованих зсувних хвиль в однорідних та неоднорідних фантомах // Тез. доп. ІІІ З’їзду Укр. біофіз. тов. – Львів. – 2002. – С.222.

49. Баранник Є.О., Кислуха Д.О. Спектральні характеристики ультразвукових допплерівських сигналів при рівноприскореному русі току крові // Тез. доп. ІІІ З’їзду Укр. біофіз. тов.– Львів.– 2002. – С.232.

50. Barannik E., Barannik A., Girnyk S., Marusenko A., Volokhov V., Tovstiak V. Experimental study of local shear strain remotely induced by pulsed ultrasound in tissue –mimicking phantoms. // 5^th World Congress on Ultrasonics WCU 2003, France. Abstract book. – Paris. – 2003. – P.30.

51. Barannik E. Acoustic Remote Palpation: The influence of tissue viscosity on the excitation and relaxation of local impulse shear strain. // 5^th World Congress on Ultrasonics WCU 2003, France. Abstract book. – Paris. – 2003. – P.53.

52. Barannik E. Acoustic Remote Palpation: The influence of tissue viscosity on the excitation and relaxation of local impulse shear strain. // Proceedings of The 5^th World Congress on Ultrasonics WCU 2003, France. – Paris. – 2003. – P.397-400.

53. Barannik E., Barannik A., Girnyk S., Marusenko A., Volokhov V., Tovstiak V. Experimental study of local shear strain remotely induced by pulsed ultrasound in tissue-mimicking phantoms. // Proceedings of The 5^th World Congress on Ultrasonics WCU 2003, France. – Paris. – 2003. – P.209-212.