Теория и применение акустической рефлектоимпедансометрии в биологии и медицине

Липовко-Половинец, Петр Османович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Теория и применение акустической рефлектоимпедансометрии в биологии и медицине
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Теория и применение акустической рефлектоимпедансометрии в биологии и медицине"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

РГ5 ОД

На правах рукописи

_ ц ¡у: tf

УДК 577.34+534.64:681.88

ЛИПОВКО-ПОЛОВИНЕЦ Петр Османович

ТЕОРИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ РЕФЛЕКТОИМПЕДАНСОМЕТРИИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ

(03.00.02 — биофизика)

Автореферат

диссертации иа соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 1994

Работа выполнена в Ростовском государственном медицинском институте и Межотраслевой иаучгао-тахиичвской лаборатории «Диагностика».

до,к.тор ф'иаико-м а тематически х наук профессор С. И. АКСЕНОВ,

доктор технических наук профессор И. Н. ЕРМОЛОВ, доктор бмологагаеских наук профессор В. Б. АКОПЯН.

Ведущая организация:

Институт теоретической и экспериментальной ' биофизики РАН.

в 15 час. 30 мин. на заседании

Д 053.05. 53 по биофизике при Московском государственном университете им. М. В. Лоадонюсова по (адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, биологический факультет (ЛИК).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке бвдоло-гичеахго фа;кулътета МГУ.

' Автореферат разослав! . ^ В • К<0-У^оЬ Я/_ ¡994 г

Ученый секретарь специализированного совета доктор биологических наук

Официальные оппоненты:

Защита состоится

профессор

Т. Е. КРЕНДЕЛЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ультразвуковые методы и приборы находят широкое применение в биологии и медицине. Превалирующее применение ультразвукового контроля в этой области относится к направлению клинической диагностики путем визуализации внутренних органов, установления их структурных (эхография) и кинетических (допплеро-графия) характеристик. Здесь следует констатировать проблему неясности, во-первых, детальных биофизических механизмов формирования эхографических и допплерографических изображений, а, во-вторых, фундаментальных биологических причин, изменяющих акустические характеристики тканей и органов при конкретной патологии. Приоритетную роль в выяснении этих причин и механизмов должны сыграть исследования акустического импеданса биологических тканей и органов - ультразвукового параметра среды, продуцирующего основную часть эхографической информации.

Визуализация внутренних структур тела - важнейшее, но далеко не единственное направление использования ультразвукового контроля в биологии и медицине. Большие перспективы открываются с внедрением в практику методов ультразвукового лабораторного (препаратного) исследования. Разработанные здесь методики позволяют решать не только прикладные вопросы медицинской диагностики, но и фундаментальные задачи. Такие, например, как исследование механизмов биохимических реакций с участием макромолекул, физиологических механизмов мышечной активности, механизмов защитных реакций на клеточном и субклеточном уровнях. Для этих областей применения ультразвука актуальными проблемами являются изучение взаимосвязи акустических параметров исследуемых объектов с их биологическими особенностями и физиологическим состоянием, а также - в техническом плане - разработка методик экспрессного контроля (в том числе - в реальном масштабе времени), методик, применимых непосредственно на живом организме, требующих малого количества исследуемой ткани (микроанализ), характеризующихся высокой чувствительностью и точностью измерений, методик высокого технологического уровня, которые можно применять не только в лабораторных, но и в полевых условиях.

В рамках рассмотренной проблематики применения ультразвука в медико-биологических исследованиях ключевым моментом является

разработка корректных акустических моделей биологических сред. Ибо существующие методики их ультразвукового контроля являются, как правило, модификациями соответствующих методик технических измерений, в первую очередь - гидролокации и неразрушающего промыш-леного контроля. Очевидно, что биологические среды отличаются от объектов технического контроля своими более сложными химическим составом, микроструктурой и, в целом, состоянием и поведением, которыми управляют еще более сложные механизмы регуляции.

Поэтому заложенные в методики технического контроля акустические модели оказывются большей частью неадекватными биообъектам и, соответственно, нерезультативными. Для таких сложных биологических систем, какими являются, например, мягкие биологические ткани, важнейшими в биоакустическом плане являются следующие характерные свойства: слоистость, гетерогенность, анизотропность, неровность поверхности в нативном состоянии. Учет перечисленных характеристик тканей в акустических моделях - необходимое условие совершенствования ультразвуковой диагностики в биологии.

Тема данной диссертационной работы, которая выполнялась на протяжении более 20 лет, тесно связана с решением вышеперечисленных задач. Избранный из известных и развитый в ней методический подход, который мы назвали акустической рефлектоимпедансометрией, оказался перспективным в рамках общего развития методологии акустического контроля. А именно: опубпикованные нами в 1969-1973 г.г. первые теоретико-экспериментальные результаты по применению такого подхода в биологии актуализируются с интенсивным развитием акустической импедансометрии с середины 70-х г.г. Последнее происходило , в основном, трудами зарубежных исследователей и касается не только чисто экспериментальных работ (Mason W.P., Thurston R.N., 1979; Perdrix M. et al.,1981; Clark A.Jv.,Jr.,Hart S.D., 1982; Schick A. et al.,1987 и др.), но, в гораздо большей степени, основополагающих теоретических работ. К ним относится, в первую очередь, предложение-обоснование нового метода медицинской и технической диагностики - импедиографии (автор метода Jones J.Р.,1972), наряду с которой в 80-х г.г. были разработаны другие подобные методы, кепстрального анализа, характеристическиих линий, последовательности дельта-пиков, интегральных уравнений Марченко, Гельфанда-Левитана и Годината-Сонди, преобразований Гильберта и

Гупилло и др. Все они используют сложные математические подходы и численные методы решения на ЭВМ. Важно, однако, то обстоятельство, что во всех этих методах вычисляется акустический импеданс среды, который рассматривается как основная ее характеристика и, следовательно, имеет самостоятельное значение при контроле. Все указанные методы в настоящее время рассматриваются как способы решения задач в рамках новой теории обратного рассения волн, методы которой общепризнаны в настоящее время как весьма перспективные для решения задач в области геофизики, сейсмологии, океанографии, медицинской диагностики, неразрушающего, промышленного контроля.

Цели и задачи работы. Основная цель диссертации состояла в разработке физического подхода, обеспечивающего изучение тонких структурных и химических изменений в тканях и органах человека и животных в условиях нормы и патологии. Такой подход должен был воплощать все преимущества современнцх ультразвуковых исследований: допускать применение как на препаратах, так и на живом организме, как на больших образцах материала, так и на микрообъемах, сочетать экспрессность с высокой чувствительностью, процедурную простоту - с точностью результатов.

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ известных технических методов ультразвукового контроля и выбрать из них такой, который обладает потенциальными возможностями для достижения указанной биофизической цели.

2. Разработать теорию выбранного метода и его методические варианты применительно к исследуемым биологическим объектам и условиям конкретного использования.

3. Сконструировать необходимые средства измерений, обеспечивающие корректность условий опытов как в акустических, так и в биологических аспектах.

4. Экспериментально апробировать разработанные методики на физических моделях биологических тканей и органов.

5. Выполнить эксперименты на биологических объектах и проанализировать полученные результаты для обоснования перспектив применения разработанного методического подхода.

- 4 -

Научно-методическая ценность работы.

1. Впервые предложено применять метод акустической рефлекто-импедансометрии как самостоятельный способ акустического контроля среды для решения широкого класса диагностических и исследовательских задач. Определены акустико-геометрические условия контролируемых объектов, для которых применение указанного метода предпочтительно либо не имеет альтернатив. К ним, в первую очередь, отнесены условия живого организма.

2. Разработаны теория и методические варианты акустической рефлектоимпедансометрии, повышающие ее чувствительность и точность, с одной стороны, упрощающие реализацию и расширяющие сферу применения - с другой. Разработана метрология указанного мето- . да для различных аппаратурных вариантов его использования.

3. Разработаны конструкции ультразвуковых преобразователей (датчиков приборов), позволяющие применять метод акустической реф-лектоимпедансометрии на биологических и технических объектах в различных акустических условиях. Сконструированы и изготовлены новые физические приборы - акустические рефлектоимпедансометры ряда моделей (МАРИ—1,2,4,5).

4. Разработаны новые способы биоакустических исследований и медицинской диагностики: рефлектометрия мышечных препаратов и органов, импедансометрия биологических жидкостей и биомолекулярных систем, экспресс-тестирование бактерий на коагулазоактивность.

5. Разработаны новые способы • акустического контроля механических и физико-химических свойств технических материалов: прочности композиционных изделий, влажности пластичных сред, поверхностной коррозии металлов, приработки трущихся поверхностей. Также разработаны способы определения коэффициента затухания звука и дефектоскопии у двухслойных материалов.

Научная новизна результатов.

1. Предложена теоретическая модель отражения ультразвука от акустически неоднородной плоской границы. Практическая реализация этой модели позволила разработать новые способы исследования неоднородности акустических свойств материалов, контроля акустического поля ультразвуковых преобразователей и измерения акустического импеданса макрокомпозиционных сред.

2. Разработана теоретическая модель отражения ультразвука от неровной границы двух сред. Ее практическая реализация позволила впервые измерить акустический импеданс материалов с неровной поверхностью без нарушения ее целостности, предложить новые способы определения параметров неровностей поверхности и акустического согласования сред.

3. Расширена известная теоретическая модель трехслойной среды на случаи границ с разным адгезионным состоянием. Это позволило разработать высокочувствительные способы исследования акустического импеданса материала промежуточного слоя и его толщины, а также адгезии слоя к нагрузке. Дополнительно выведены теоретические условия невлияния слоя на отражение от нагрузки и невлияния нагрузки на отражение от слоя. Это, в свою очередь, позволило получить корректное условие перехода от трехслойной к двухслойной модели и новое условие акустической бесконечности среды.

4. Впервые измерен акустический импеданс гладкомышечных препаратов из стенок кровеносных сосудов и матки теплокровных животных в условиях физиологического переживания, зарегистрированы и классифицированы его изменения (акустические реакции) под действием механических нагрузок, температуры и спонтанной сократительной активности. Доказана возможность использования величины акустического импеданса в качестве характеристики физиологического состояния (тонуса) гладкомышечных органов и обоснованы ее преимущества в сравнении с принятыми показателями.

5. Впервые обнаружены и исследованы изменения акустического импеданса миокарда "in vivo" в динамике сердечного и дыхательного циклов в норме и при экспериментальных инотропных воздействиях. Проведено сравнение ультразвуковой рефлектограммы миокарда с известными типами кардиограмм, регистрируемых другими ультразвуковыми, а также неультразвуковыми методами. Установлены параметры ультразвуковой рефлектограммы миокарда и их общность и различия с общепринятыми показателями сократимости сердца.

6. Впервые методом акустической рефлектоимпедансометрии исследованы модельные белковые растворы, сыворотка и цельная кровь человека. Установлены различия акустического импеданса как сыворотки, так и цельной крови в норме и при злокачественных новообразованиях в организме. Это позволило разработать новый способ онко-

логического скрининга.

7. Впервые найдены прижизненные значения акустического параметра мягких тканей ряда внутренних органов человека во время хирургических операций непосредственно в операционной ране. Обоснована возможность экстраполяции измеренных на удаленных тканях величин акустического импеданса к условиям живого организма.

8. Впервые теоретически предсказано и экспериментально подтверждено влияние на отражение эхографических сигналов межтканевых слоев с толщиной, находящейся за пределами разрешающей способности эховизоров. С учетом этого критически рассмотрены общепринятые способы оценки коэффициентов отражения ультразвука в эхографии. Также пересмотрено биофизическое обоснование известного двухчастотного способа эхографической диагностики, что позволило разработать уточненныый способ для тех же задач.

9. Впервые проведено комплексное микроскопическое, морфомет-рическое и импедансно-акустическое исследование ряда органов и тканей человека с целью биофизического обоснования критериев злокачественного процесса в эхографии. Доказана несостоятельность существующей системы критериев, что подтверждено ретроспективным анализом дифференциальной эхографической диагностики в онкологии.

10. Впервые неповреждающим ткань методом исследована акустическая импедансная топография ряда внутренних органов человека в норме и при различных формах патологии. Установлены характерные для нормы и определенной патологии значения акустического импеданса, что позволило предложить новые способы клинической диагностики, а также уточнения судебно-медицинской экспертизы и тактики хирургических операций.

11. Впервые обнаружены явления акустической реактивности межтканевых слоев в организме в ответ на патологический процесс в подлежащей ткани, а также волнообразных топических изменений биофизического параметра мягких тканей и органов при патологических процессах. Предложен возможный механизм первого из указанных феноменов .

12. Впервые исследована акустическая топография поперечного разреза длиннейшей мышцы спины сельскохозяйственных животных. Проведено сравнение топографических характеристик мышцы до и после стандартной холодовой выдержки, что позволило связать динамику

акустического импеданса мышцы с качеством получаемого мяса. Впервые методом акустической рефлектоимпедансометрии исследована взаимосвязь акустического параметра ткани с ее химическим составом и структурной организацией, что позволило предложить к разработке акустический импедансный анализатор мяса.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации новые методики и способы измерений, полученные результаты и сконструированные технические устройства (ультразвуковые преобразователи, модификации серийных ультразвуковых приборов и новые приборы - акустические рефлектоимпедансометры) могут найти применение как в научно-экспериментальных исследованиях в области биофизики, биохимии, физиологии, гематологии, общей патологии, зоотехнии, химической технологии, механо- и электрохимии, так и в практической и производственной деятельности врачей, животноводов, специалистов по неразрушающему промышленному контролю, разработчиков новой техники, в том числе - медицинской.

Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в проведенные исследования и опубликованные работы. Автором выполнена постановка задачи исследования, выбор и обоснование метода исследования, проведены все теоретические разработки. Им также выполнена основная часть экспериментальных и конструкторских работ.

Результаты, описанные в первой главе, частично получены совместно с Петиным Г.П., Игумновым А.Н. и Белецким В.И. (конструирование электронных блоков рефлектоимпедансометров МАРИ-1,2,4,5), результаты третьей главы - при частичном участии (Панкова А.К.| (работа в операционной ране) и |Огородниковой Л.С,| (клинико-гистологические анализы), результаты четвертой главы - при частичном участии Коленкиной И.В. (клиническое обоснование одного из новых методов диагностики).

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывалиись на П Традиционном Всесоюзном семинаре "Развитие физиологического приборостроения для научных исследований в би'. >гии и медицине" (Москва, 1968), Всесоюзном "Совещании по ультразвуковым преобразователям и согласованию их с акустической нагрузкой" (Ростов-на-Дону,1969), Всесоюзном семинаре-совещании "Физические методы и вопросы метрологии биомедицинских измерений"

(Москва,1970), Всесоюзном Совещании по неразрушающему контролю (Кишинев,1970), 1 Областной научной конференции "Ультразвук в биологии и медицине" (Ростов-на-Дону,1983), Всесоюзной школе "Ультразвуковая диагностическая аппаратура и ее применение в медицине" (Москва,1983), Всесоюзной конференции "Взаимодействие ультразвука с биологической средой" (Ереван,1983), Всесоюзном симпозиуме с международным участием "Акустические свойства биологических объектов" (Пущино;1984), Областной научно-технической конференции, посвященной Дню Радио (Ростов-на-Дону,1985), Заседании Областного общества онкологов (Ростов-на-Дону,1985), Зональной научно-технической конференции "Математическое обеспечение и автоматизация управления высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения" (Андропов,1988) .

Некоторые разработанные при выполнении диссертации устройства демонстрировались на ВДНХ СССР: в 1987 г. (проспект "Ультразвуковые преобразователи для исследования биологических сред"), в 19-38 г. (натурный образец "Ультразвуковой датчик"), в 1991 г. (экспериментальный .образец "Универсальный ультразвуковой диагностический прибор"). Последний из перечисленных экспонатов удостоен Серебряной медали ВДНХ СССР (удостоверение N 12279).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 работ, из них 20 представлены в центральной научной печати, 29 - в патентной литературе, 6 представляют Решения о выдаче Патента РФ на изобретение, 3 - информационные материалы ВДНХ СССР, 2 - публикации в местной научной печати.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложена на 172 страницах машинописного текста, включает 13 рисунков и 16 таблиц. Список использованной литературы включает 245 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Со введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены примененный метод и объекты исследования, подробно рассмотрены научно-методическая ценность работы и научная новизна ее результатов, указана практическая значимость

диссертации. Затем сформулированы основные положения, выносимые на защиту, рассмотрен личный вклад автора в выполнение работы и полученные результаты, указаны объем и структура публикаций.

Первая глава диссертации посвящена Выбору и обоснованию метода исследования, развитию этого метода в теоретическом и аппаратурном плане.

Упруго-вязкие свойства полимеров в высокочастотном (1-100 МГц) диапазоне частот изучают на основе взаимосвязи действительной М' и мнимой М'' составляющих динамического модуля упругости М с коэффициентом затухания а и скоростью распространения С ультразвука в веществе (Перепечко И.И.,1973):

,,, рС2( 1-у2) ,, 2рС2у

И = '/'/ = ы Т) , М = ---—ГТ = и 7)

(1+у^ (ИТ

где у=аС/ы -фактор потерь, и -круговая частота звука, р -плотность среды, V и V'-динамическая вязкость и вязкость потерь.

Для идеальной среды а=0 и М=М'=рС . Для среды с малыми потерями

п я

на длину волны у«1 и М'« рС , М''~ 2рС а/и.

При распространении в исследуемой среде продольных волн указанные расчеты дают значения модуля продольной объемной упругости М, а для поперечных волн- модуля сдвига й. Последний играет главную роль в молекулярно-акустическом исследовании полимеров, т.к. наиболее полно характеризует их структурные особенности, в частности, колебательные и вращательные степени свободы сегментов макромолекул.

В случае исследования полимеров в жидком состоянии, например, в растворе, распространение поперечных волн в их объеме практически не происходит вследствие сильного затухания. Для таких условий используют измерение отражательных ультразвуковых характеристик жидкости, а именно - амплитудного коэффициента отражения звука И и характеристического импеданса (волнового сопротивления) среды Ъ, связанных формулой Френеля: ^{Ъ^-Ъ^ ). Если в

качестве Ъ^ использовать эталонную среду с известным импедансом (г1=го), а 22 считать неизвестным (22=2Х), то последнюю характеристику можно найти из соотношения:

2х= 2о

1-Й

В свою очередь, акустический импеданс (АИ) Z позволяет определить необходимые для расчета модуля упругости величины скорости распространения и коэффициента затухания звука в среде из соотношений: ^

Z=Ze-10=Z'+jZ"; Z= - ; <J=arctg у; C=Z2/pZ'; a=u p Z"/Z2.

Однако, поскольку величины И, Z, а и С однозначно связаны между собой, на практике используют прямые соотношения меиду G (или

М) и Z : „ „

q. (Z') - (Z")z . 2Z'Z"

Р ' Р

Для среды с малым затуханием звука: Z « Z « рС.

Метод определения АИ исследуемой жидкой среды путем измерения коэффициента отражения поперечных ультразвуковых волн на ее границе с эталонной средой был впервые предложен Mason И.Р. и др. в 1949 г. Этот метод может быть назван акустической рефлектоимпе-дансометрией (АРИ) для отличия от других методов определения АИ, в том числе - от косвенного метода, основанного на измерениях величин скорости звука и плотности среды. В качестве эталонной среды авторы метода предложили использовать плавленный кварц,

имеющий АИ Z = 8,3 МПа*с/м , который moeho считать чисто активным

-4

с очень малой погрешностью ,2*10 Л на частоте 100 МГц. На меньших частотах вносимая погрешность еще более снижается.

Процедура метода сводится к независимым измерениям модуля коэффициента отражения R (по отнопению амплитуд отраженной от воздуха Aq и от объекта Ах волн) и его фазового угла в (по сдвигу фаз между соответствующими колебаниями):

R=Rej0= - • h = z l-R2+2jRSine

; ^ 0 1+R -2RCose

Знак (-) перед отношением амплитуд учитывает изменения фазы колебаний на п при отражении падающих волн от свободной границы эталона. Описанный метод в неизменном виде используется для исследования не только жидких, но и эластомерных полимеров (Ферри Дж., 1963), а в последние годы - и жидких кристаллов (Капустин А.П., Капустина O.A., 1986).

Анализ возмояностей метода АРИ, проведенный в первой главе диссертации, позволил выявить его потенциальные преимущества при исследовании биологических объектов.

Развитие метода. Как отметено выше-, метод АРИ обращает на себя внимание прежде всего своей результативностью в тех случаях, где традиционные акустические подходы, основанные на прохождении ультразвука сквозь объект, неработоспособны или малоэффективны. В то же время этому методу в его классическом варианте свойственны определенные недостатки, затрудняющие его широкое использование и ограничивающие сферу применения. Эти недостатки подробно рассмотрены в диссертации. Гласные из них: малая чувствительность, сложность измерительных процедур, ограниченность акустических условий объектов (плоская поверхность, однослойность и однородность). Поэтому возникает объективная необходимость развития метода применительно к биологическим объектам и биофизическим задачам.

Введем понятие "чувствительность метода", под которым для метода АРИ будем понимать коэффициент пропорциональности Б между относительным изменением АН и соответствующим относительным из-менензем коэффициента отражения:

АК . дг (№ .

- = Б - , для бесконечно малых приращений - = 5 - .

Й ¿х К ¿х

Эта характеристика позволяет при одной и той же чувствительности прибора (термин, определяемый стандартом) путем изменения методики измерений получать значительные приращения непосредственно измеряемой величины И при незначительных изменениях исследуемой величины Кроме того, чувствительность позволяет оценить и погрешность .измерения АИ на основе обратного соотношения:

% „ з -1 /Д

¿х К.

Тем самым открывается возможность разрабатывать одновременно и высокоточные методы измерения АИ.

Для общего случая комплексных импедансов объекта и эталона 7=7 Й^ • 7=7 р^ путем подстановки их в формулу Френеля можно найти зависимость модуля коэффициента отражения от модуля АИ исследуемой среды:

и =

1/2

1^1~21х10Со Б(ф-ф)

~^Щ+2гхгоСо г(ф-ф)

Положим далее Ъ0 и {ф-ф) условно постоянными (параметрами). Произведя дифференцирование последнего выражения по Ъх и разделив производную на оригинал, можно найти выражение для чувствительности метода АРИ (а именно - ее частного случая как коэффициента между относительными приращениями соответствующих модулей) в виде: 2„ (,2 1)Сов(и)

X , о X , о

где Ъ = ZВидно, что чувствительность типа "модуль-мол, О л О

дуль" является сложной функцией от фазового сдвига и отношения модулей ЛИ исследуемой и эталонной сред. В частности, если продифференцировать выражение Б (¡2^ „) по „ и приравнять произ-

Л., и Л , О

водную нулю, то можно путем решения полученного уравнения найти точки, соответствующие максимумам чувствительности:

(7 )

х.о'иах

3-2Соз2( 1/(-0) ± 2 2-ЗСовг(111-ф)+Соз4(111-ф) . . Подставляя эти значения аргумента в выражение для чувствительности, можно для каждого конкретного случая определить величины максимумов чувствительности метода АРИ, принципиально ограничивающие его возможности. Они оказываются равными по абсолютной величине, но противоположными по знаку.

Из полученных аналитических выражений следует, что чувствительность метода АРИ, в том числе - и ее максимально достижимое значение, растет преимущественно при уменьшении сдвига фаз между АИ исследуемой и эталонной: сред и, в меньшей степени, -при сближении их модулей. При полном согласовании эталонной и исследуемой сред имеем $ - ф = О, £х 0=1 и, очевидно, чувствительность и точность измерений АИ достигают теоретически бесконечных значений .

Аналогичными способами могут быть найдены аналитические выражения и для других чувствительностей метода АРИ:'фазового угла коэффициента отражения к фазовому углу АИ ("ф&за^фаза"), а также чувствительности "фаза-модуль" и "модуль-фаза". Каждая из них дополняет ранее введенную чувствительность типа "модуль-модуль",

в то же время имеет самостоятельное значение и позволяет оптимизировать метод ЛРИ по чувствительности и точности.

Далее с помощью полученного аналитического выражения чувствительности проанализирована методика АРИ, предложенная авторами метода, найдены величины чувствительности и точности: Э = 0,128; Д39%, рассмотрены способы повышения чувствительности АРИ, предложенные авторами и последующими исследователями и сделан вывод о неприемлемости известных подходов к изучению биологических объектов. Так, например, при использовании классического варианта АРИ к исследованию мягких тканей чувствительность метода составит 0,00125-0,013, а погрешность АИ возрастет до 400-4000%.

Если отказаться от применения поперечных волн и использовать продольные, то чувствительность и точность АРИ будут примерно такие, какие были у авторов метода, что сделает метод работоспособным в биофизических исследованиях. Если, вдобавок, отказаться от кварцевого эталона, а использовать материалы с меньшим АИ, то выигрыш в чувствительности еще более повысится. Причем, наиболее совместимыми с биологическими объектами и, в то же время, обладающими подходящими акустическими свойствами могут быть избраны пластмассы полистирол 2,4 МПа*с/м) и органическое стекло

(10~ 3,2 МПа*с/м). Наивысшая чувствительность типа "модуль-модуль" достигается при использовании в качестве эталона для мягкой ткани жидкости известного состава, например, физиологического раствора. В этом случае при исследовании мышцы чувствительность составит примерно 10, превысив типовое значение метода АРИ примерно в 80 раз и значение, свойственное использованию поперечных волн и кварцевого эталона, - примерно в 800 раз. При точном расчете для комплексных АИ мышцы и полистирола на 10 МГц предел чувствительности составляет по абсолютной величине 98, т.е. возможности метода оказываются практически неограниченными: при изменении на 1% изменения И могут составлять почти 100%.

Затем в работе анализируются, преимущества, особенности и недостатки замены поперечных волн классического метода АРИ на продольные при изучении мягких и жидких биотканей. Кроме повышения чувствительности, улучшается технологичность, обеспечивается возможность проведения физиологических опытов в камерах для переживания, отпадает необходимость в фазовых измерениях. Основной особенностью

является изменение характера получаемой информации, что, в свою очередь, требует резкого повышения чувствительности методик при изучении структурных перестроек в тканях. Особую сложность представляет проблема повышения чувствительности, когда согласовать эталон и объект не представляется возможным по внеакустическим соображениям. Однако и в таких случаях можно обеспечить высокую чувствительность метода измерений, что следует из общего аналитического рассмотрения измерительной задачи.

Пусть Г(х)-измерительная функция, где x=Zx/ZQ. Задача обеспечения чувствительности |S| метода не меньшей, чем D, сводится к синтезу функций F(x), для которых в заданном интервале изменения х выполняется неравенство: IdFl _ |F|

|с!х| = ~ С •

Различные решения этого неравенства, которые приводятся в работе, позволяют получить аналитические выражения для Е как в общем случае (при любом х), так и в частных случаях для конретных диапазонов изменения последней величины. Их аппаратурная реализация обеспечивает создание оригинальных приборов для решения различных задач.

В то же время, при реализации метода АРИ повышенной чувствительности и технологичности возникают и определенные проблемы методического, метрологического и аппаратурного характера, которые подробно анализируются и даются способы их преодоления. Одна из таких проблем - ухудшение разрешающей способности импульсной аппаратуры. Рассмотрим один из упомянутых способов.

Требование разрешения во времени эхоимпульсных сигналов эквивалентно условию акустической полубесконечности отражающей их среды. Как показывает анализ, в ряде случаев последнее условие с достаточной точностью может быть выполнено и при неразрешимости во времени эхосигналов за счет малости влияния отражения от конца среды (см. Рис.1).

Рис.1.

Способы обеспечения акустической полубесконечности среды.

Для вывода необходимых соотношений представим входной АИ Ъх ограниченной среды в виде (Беранек Л.,1952):

V 2Х 1<в1+€> + ЗкИ = А в ,

,,«■ - 0,5'У2; -" , к ■ „/с,

1Н -АИ контактирующей нагрузки на задней границе среды, 1 -толщина исследуемой среды, -АИ исследуемой среды. Остальные обозначения прежние. Очевидно, что если А*В=1. Анализ показал, что в случае биологических тканей требуемое условие сводится к соотношению № (а1+£) « 1, или для трех порогов надежности результатов: «1+€=1,83 (Ми0,95); «1+^^2,65 а^0,99); «1+5^3,80 («и0,999). Обеспечение условия акустической полубесконечности среды сводится, таким образом, к выбору частоты ультразвука выше определенного предела, с учет<?м линейной зависимости коэффициента затухания звука от частоты в мягких тканях и квадратичной - в биожидкостях.

Если же на задней границе исследуемого слоя не может быть обеспечена необходимая степень акустического согласования (т.е. £ мало), то модель полубесконечной среды в общем случае не применима, и необходимо учитывать зависимость коэффициента отражения Ё от толщины слоя и других акустических характеристик. В этих случаях удобно применить общеизвестную в акустике модель идеального конечного слоя между двумя полупространствами, для которой выражение входного АИ имеет вид (Скучик Е.,1959 и др.):

¿ = 2 еЗ* = 2° 2н + ^ к1 х х х 1° + к1

обозначения прежние. Такая формула монет применяться для исследования методом АРИ слоистых биологических тканей. Формула является рекуррентной, входной АИ системы последовательных слоев может расчитываться, начиная от оконечной нагрузки в сторону источника колебаний. С ее помощью могут быть выведены выражения для чувствительности АРИ (модуля коэффициента отражения) к изменению АИ нагрузки Ъ„, толщины слоя 1 и его АИ

л Л

Оказывается, что получаемые аналитически частные условные чувствительности (при их выводе все переменные, кроме анализируемой, полагаются условно постоянными) пропорциональны "общей"

чувствительности метода АРИ, выражение для которой было рассмотрено ранее. Коэффициенты пропорциональности имеют вид:

[(г°)4 - г4] к1 {ъ°х)Ч1( 1 - tg4kl)

для Б, :-2-« -:_ , для Б7 :-£--- ,

1 Р Ч Соэ к1 н Р Я

- 1)

22О : -£-«- + 1 ,

^х Р <3

где р = + (г£)^2к1 , о = (г°)г + г^ё2к1 . Как показывает анализ, чувствительность модуля коэффициента отражения к АИ нагрузки слоя или.АИ его материала может быть сделана теоретически бесконечной, если полностью согласовать и Для

О л

обеспечения высокой чувствительности И к толщине слоя кроме согласования необходимо еще создать большое различие в АИ у материала слоя и его нагрузки. Величина этой чувствительности не может достигать бесконечно больших значений, однако она может быть сделана выше любого заданного числа.

Отличия мягких и твердых биологических тканей от жидкостей, на которые расчитан классический метод АРИ, кроме слоистости состоят в их гетерогенности и наличии у них неровной поверхности. Некоторые ткани, вдобавок, являются волокнистыми и, по результатам ряда исследований, акустически анизотропными. Для метода АРИ значимыми являются неровность отражающей нативной границы ткани и проявление гетерогенности в проекции на границу, даже если последнюю сделать плоской. влияние обоих этих факторов может быть рассмотрено в единых рамках предложенной нами модели отражения волн от акустически неоднородной границы.

Для произвольных поверхностей излучателя-приемника Е и отражающего объекта 2 выведем взаимосвязь измеряемого коэффициента отражения звука И и функций распределения давления падающих &пад и отраженных А0Гр волн. Будем считать, что на каждом элементарном

участке (]Х выполняется соотношение (£)=А„„гг(£)К(х), где !?(£)-

игр паи

ко'ф!чциент отражения для неоднородной поверхности. Проведем усреднение амплитуд парциальных отраженных волн по площади £0 поверхности X:

А;.тр = 4- 1 ■

Полученное выражение определяет условную величину давления (с опусканием временного множителя - его амплитуду), которую зарегистрировал бы полностью поглощающий падающие на него колебания приемник, если бы его конфигурация, размеры и положение в пространстве совпадали бы с поверхностью 2 (Еег). Поскольку в реальном случае перечисленные долущения не выполняются, вводим коэффициент пересчета К для принятого сигнала:

Этот коэффициент отражает влияние несовпадения отражателя и приемника в пространстве, затухание в среде, отражающие свойства приемника, потери преобразования энергии и другие влияющие факторы.

Если заменить реальный отражатель на идеальный, то К(£)=1, и при сохранении неизменными всех остальных акустических условий амплитуда принятого сигнала будет определяться выражением:

Очевидно, что выражение для измеренного коэффициента отражения И от неоднородной отражающей поверхности будет иметь вид:

Если теперь в последнем соотношении для каждого элементарного участка йх записать формулу 11(е)=[2: (г)-70.(е) 1/[гх(Е)+го(Е) ], то полученное выражение можно назвать "интегральной формулой Френеля", или "формулой Френеля для неоднородной отражающей поверхности".

Из полученного выражения для И видно, что если ^ (х)=Сог\бЬ , то

Таким образом, для плоской однородной в.олны общий коэффициент отражения является усредненной величиной от коэффициентов отражения в каждой точке отражающей поверхности. .В частности, если отражающая поверхность состоит из п однородных участков, имеющих раз-

'о

личные коэффициенты отражения , то общий коэффициент отражения

имеет вид:

И =

1=1

, где

2х,1 ~2о + 2о

-относительные

(долевые) площади участков отражающей поверхности, имеющие коэффициенты отражения . Знак (") можно опустить.

Важнейшие частные случаи такой кусочно-однородной границы иллюстрируются на Рис.2.

ш ШМШШ-

* , #,/

Рис.2. Различные случаи границы кусочно-однородной среды.

Если отражающая поверхность состоит из участков двух типов, имеющих АИ равные ^ и Ъх 2 (см. Рис.2,а), то

И =

х,1 2о , х,2 2о

-!- 1 + —у---■ у

*Х.2 о

Х,1 +

(1-у)

Последнее выражение позволяет разработать методики определения Ъх | и 1Х 2, т.е. АИ каждого компонента композиционного материала, без его разрушения. Один из них - варьирование величины АИ эталона:

р1^к ± Л (р1-дк)^- 4(пк-ш1) (шд-пр)

"1,2

2(пк-т1)

где -р=22(К2-И)-г3(а3+1), q=Z1(R1+l)-Z2(R2-t-l). т=К2~К3' П=К1-К2>

(К2-1)-йз-1(К3-1), 1=21_1(К1-1)-22~1(К2-1), Rj.R2.R3-

величины коэффициентов отражения при АИ эталонов и Ъ^

соответственно.

Формулы и методики измерений упрощаются, если один из компонентов отражающей поверхности имебт известный АИ. Им, в частности, .может быть воздух, заполняющий углубления неровной^пяв^хноети^одноком-

понентной среды и имеющий АИ равный 0 (см.Рис.2,б). В этом случае

рабочая формула определения 2при сухом контакте и изменении АИ

эталона имеет вид: 22(1+^2^ ~~ 2^(1+1^) 2 = ---------- — — — — ■

Х К1 ~ К2 Такой способ измерений АИ позволяет сохранить фактуру поверхности объекта. Вдобавок, путем измерения у возможно определение параметров шероховатости неровной поверхности.

Возможны и некоторые другие варианты методик, логически вытекающие из требуемых акустических и биологических (технических) условий, которые подробно рассматриваются в работе.

Более сложным в теоретическом плане представляется случай, когда исследуемый плотный материал является пористым и находится в жидкости, например, в иммерсионной среде. В этом случае граница раздела жидкого эталона с объектом не обязательно является плоской (см.Рис.2,в). Оказывается, однако, что и в этом случае можно применить рассматриваемую модель плоской неоднородной отражающей поверхности, если аппроксимировать границу раздела условной плоскостью, которая будет проходить частично по касательной к участкам плотного материала, а частично - через жидкость с АИ Ъ^ . В этом случае решение имеет вид:

7 _ 2Г22 , а1+К2 ¿х -

2 Н2-К1

Н гг

К1+К2

К2~К1

+ ЧЧ

Таким образом, с использованием описанной модели отражения ультразвука от неоднородной (неровной) поверхности область применения метода АРИ может быть расширена на гетерогенные среды и материалы с неровной поверхностью, в том числе-пористые.

Рассматриваемая акустическая модель также позволяет предложить новые способы акустического согласования сред, один из которых состоит в выполнении границы разделу в виде кусочно-прямоугольых участков (см. Рис. 2,г), когда глубина участков среды, заполненных одним из компонентов (например, кратна нечетному числу четвертей длин волн в материалах с АИ, равными как 2Х так и 2 ■ При этом формула для г модифицируется:

: 2

г =

х,2 ио"х,2'

2г г^,)

"О1- х,2 х,1' и продуцирует важные частные случаи:

- 20 -2х,2 " 2о

а) при , = 0 : у = - , б) при . = Ъ'. 7 = 1/2.

Л, 1 017

х, 2

Несмотря на важность рассмотренной акустической модели для исследования методом АРИ биологических сред, в ряде случаев таких исследований она может оказаться излишней. Это касается изучения таких биосред, которые для использованного типа волн, частот ультразвука и площади зоны одномоментного контроля могут считаться акустически однородными, хотя и многокомпонентными по химическому составу. При этом контролируемые границы таких сред также должны быть плоскими. Будем называть такие ткани микрокомпозиционными, в отличие от вышерассмотренных - макрокомпозиционных.

Для мнкрокомпозиционных сред известна простая (так называемая линейно-аддитивная) модель расчета АН среды, часто используемая в акустической литературе (Потапов А.И.,Пеккер Ф.П.,1977; Ре1шоге

л.и.,1979): г-= ?. ,

где Ъ^ - АИ 1-го компонента1^ свободном (изолированном) состоянии, С^ - его объемная концентрация в смеси.

В работе эта формула подвергнута аналитической проверке и показано, что в общем случае она. не имеет обоснования. Особенно это касается таких сложных систем, как биоткани.

Вместе с тем, следует ожидать, что в ряде практически важных случаев правило аддитивности может оказаться приемлемым как первое приближение для акустического моделирования и интерпретации экспериментальных результатов. Критерием правомерности его использования, очевидно, должны выступать эмпирические концентрационные зависимости АИ.

Далее в первой главе рассматриваются средства измерений для применяемого метода АРИ,, которые включают электронные блоки и ультразвуковые преобразователи, причем послечние всегда, а первые -на заключительном этапе работы являлись результатами наших собственных разработок. Блок-схемы сконструированных экспериментальных образцов акустических рефлектоимпедансометров приведены на Рис. 3. Все приборы являются аналого-цифровыми, однако имеют разные схем-но-конструктивные решения и метрологические особенности. Приборы МАРИ-1 и МАРИ-2 - одночастотные (3 и 4,5 МГц), остальные - широкополосные (1-10 МГц).

I—~1

14 15

"МАРИ- 2"

ИН1Н

_]_ -Г—71 X

г 6 9 10

ч_ 6 9 10

Г*Ъ

иГ

Рис. 3. Блок-схемы рефлектометров-импедапсомстрив.

Обозначения:

"МАРИ-4"

"МАРИ-5"

1-генератор импульсов,

2-геперагпор ВЧ-колебаиий,

3-генератор задержанных сигналов,

4-генератор ударного возбуждения,

5-триггер,

С-стробирующий усилитель,

7-ключ,

8-усилителъ ВЧ-колебаний,

9-амплитудный детектор,

10-усилителъ постоянного тока,

11-арифметическое устройство,

12-ЦАП,

13-блок управления, М-АЦП,

15-цифровой индикатор,

16-запоминающий элемент.

Степень достоверности результатов экспериментов и глубина их биофизической трактовки, особенно - для нового метода, в решающей степени зависит от погрешности измерений. В работе анализируются приборные погрешности для разных аппаратурных вариантов реализации метода АРИ, а также методические, касающиеся устранения фазовых измерений и пренебрежения реактивной составляющей АИ. Обоснована метрологическая корректность эксперимента. В частности, доказано, что при определенной степени акустического согласования объекта и эталона погрешность измерения АИ меньше погрешности коэффициента отражения. В разных методических вариантах наших опытов погрешность АИ лежала в пределах 0,05-2%.

Во второй главе диссертации приводятся результаты апробации разработанных методик на технических объектах: промышленных материалах и изделиях. Как правило, были использованы жидкие, эласто-мерные и твердые материалы с акустическими параметрами, близкими к биосредам. Кроме акустических параметров моделировали другие физические характеристики биообъектов: слоистость, объемную неоднородность, неровность поверхности, а также условия измерений (односторонний доступ, макро- и микрообъемы образцов и т.д.). Частоты ультразвука лежали в пределах 1-10 МГц.

Для ряда конструкционных материалов и технических жидкостей (всего более 30 наименований) были определены методом АРИ значения АИ для плоской отражающей поверхности. Полученные величины сравнивали с табличными данными, а также - со значениями, полученными косвенным методом, т.е. путем измерения скорости ультразвука и плотности среды (погрешность имела порядок 10~2 % ). Для корректности измеряли и затухание ультразвука в материалах (погрешность 1,2 - 2,5 %).

Установлено, что в пределах погрешности измерений значения АИ, как правило, совпадают. Причем, в большинстве случаев полученные значения АИ являются более точными, чем представленные в справочной литературе по технической акустике. Они также заметно различаются для разных марок исследованных материалов. Например, различия для полистиролов доходило до 7%, различия для глицерина - до 9%. Это является основанием возможного применения метода АИ для идентификации веществ, в том числе - в микрообъемах, по их химическому составу. Высокая чувствительность метода АРИ к химическому со-

ставу веществ кокет быть такие использована для определения влаж ности пластичных материалов, как было показано в опытах с ланолином. Применение других ультразвуковых способов здесь практически невозможно ввиду сильного затухания волн.

Проверка чувствительности метода АРИ к чисто структурным изменениям технических сред была произведена на нефтяных битумах, подвергнутых циклическим температурным циклам (20-60-20 °С) вдали от температуры окисления (250-350 °С). При этом АР! понижается на 8~9°/ и восстанавливается через 1 сутки.

На образцах технических резин был исследован методом АРИ процесс приработки поверхности, который дал положительные результаты. Это доказывает чувствительность метода к тонким структурным изменениям поверхностного слоя материалов.

В качестве моделей биологических сред в аспектах слоистое?:! были выбраны, во-первых, радиоплаты из слоистых пластиков с проводящими (медными) покрытиями и, во-вторых, древеснослоистые небель ные пластики с декоративными полимерными покрытиями. В результате опытов была доказана высокая чувствительность метода АРИ к (разная степень окисления материала покрытия радиоплат), к 1 (разная толщина последнего) и к Z„ (разная величина адгезии покрытий ДСП).

гз

Одновременно были проанализированы потенциальные возможности метода АРИ в указанном плане, что позволило предложить новые способы технического контроля.

Возможности метода АРИ в исследовании материалов с неоднородными акустическими свойствами были апробированы на образцах из акустических композиционных материалов (защитных и демпфирующих), представляющих отвернденные смеси эпоксидной смолы с порошкообразными наполнителями. Опыты позволили выявить вариабельность АИ (6-25%) в пределах площади (2-3 см2) поверхности образцов. Полученные результаты имеют значение для улучшения технологии изготовления ультразвуковых преобразователей (Silk M.G.,1984).

Для проверки корректности вышеописанных акустических моделей при неровной поверхности исследуемого объекта были использованы различные твердые и эластомерные материалы с натуральной фактурой поверхности, а также модельные оттиски на пластичном материале (воске). Установлено совпадение полученных величин АИ с табличными данными и результатами косвенных измерений. Таким образом

была доказана возможность применения метод АРИ для сохраненной фактуры неровной поверхности объекта. Учитывая, что в опытах как размеры неровностей поверхности, так и их конфигурация варьировали в широких пределах, практически не влияя на точность результатов, следует отметить высокое метрологическое качество метода АРИ, в осуществлении которого обязательно присутствуют процедура калибровки с воспроизведением акустических условий измерения, а такие сравнение измеряемого АИ с АИ эталона.

Наиболее сложными объектами технических исследований и, в то же время, наиболее адекватными биологический тканям являлись материалы покрытий и сами покрытия на основе антифрикционных самосмазывающихся органоволокнитов. В них наполнителем служит один слой технической ткани специального плетения из фторопластовых и полиимидных волокон, а связующим - фенолфорыальдегиднокаучуковый клей горячего отверждения. Были измерены АИ данных материалов при сохранении фактуры поверхности, а также коэффициент затухания в них ультразвука. Последнее потребовало разработки новой методики измерения затухания в двухслойных материалах. Исследование указанных материалов методом АРИ позволило также впервые разработать неразрушающий метод контроля их "прочности.

Третья глаза посвящена описанию исследований методом АРИ мягких биологических тканей человека и животных.

Исследование мяса.На материале фрагментов мышечной, жировой и соединительной тканей 12 туш свиней было изучено влияние химического состава, структурных особенностей и биологического состояния на величину АИ. Измерения проводили как на парном мясе (в срок не более 3 час после убоя), так и на выдержанном 48 час в холодильнике при температуре 4 °С. Такая холодовая выдержка соответствует требованиям действующего стандарта на проведение химического анализа мяса.

Для определения вклада гистоструктуры в величину ЛИ были произведены измерения на цельной ткани и после ее гомогенизации. Результаты для разных тканей представлены в таблице 1.

Как можно видеть из таблицы 1, после гомогенизации АИ ткани снижается. В наименьшей степени это характерно для для жировой ткани, в наибольшей - для бедренной мыацы, содер;кащей относительно мало внутримышечного жира. Малость гистоструктурного вклада

Исследование гистоструктурного вклада в величину АИ (в Шз'с/с!) тканей сзкне'л

ТЛБЛИЦД 1

Состояние ткани Спад АИ,

Объект исследования цельное 1 гомогенат %

Бедренная мышца Длиннейшая мышца Сало грудное

1,645 1,562 1,342

1,565 1,526 1,334

4,6

2,3 0,6

в АК мышцы совпадает по порядку величины с данными аналогичных публикаций по скорости звука (Ташига У. е1 а1.,1982).

Для установления взаимосвязи ЛИ с химическим составом ткани были проведены измерения АИ гомогената мяса с его последующим химическим (зоотехническим) анализом. По данным химанализа с использованием аддитивной модели расчитывали АИ конкретных образ-мяса. Среднее расхождение измеренных и расчетных значений ЛИ составило: - 0,46%.

Следовательно, возможна разработка автоматического акустического анализатора мяса, основанного на принципе АРИ.

Нами было проведено исследование анизотропии АИ в различных волокнистых структурах. Результаты представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2

Различие величин АИ (в МПа*с/м) вдоль (и) и поперек (¿) волокон ряда анизотропных мягких тканей 0 (М±м)

До охлаждения

Объект

После охлаждения

Бедренная мышца 1,716+0,004 1,673+0,007 1,591+0,006 1,560+0,005

Длиннейшая мышца 1,672+0,007 1,620±0,007 1,567+0,007 1,523+0,008

Реберная мышца 1,612+0,009 1,567±0,007 1,559+0,009 1,526+0,008

Сухожилие 1,834+0,006 1,795+0,007 1,805+0,007 1,773+0,007

Таким образом, превышение АИ при его измерении вдоль волокон достоверно (Р<0,001) и варьирует от 1,8% (для сухожилия после холо-довой выдержки) до 3,1% (для длиннейшей мышцы парного мяса). Последний показатель соответствует результату специально проведенного исследования на аналогичном объекте для скорости звука (Му-

ляр И.А.,1986), что дало значение 2,5%. Автор распространил свой вывод и на косвенно измеренную им величину ЛИ мышцы.

Далее в работе приведены биофизическая и метрологическая интерпретации полученных результатов по акустической анизотропии мышцы.

Проведенное большое число измерений АИ показало, что после холодовой выдержки этот показатель достоверно снижается (в большинстве опытов Р<0,001). Величина спада варьирует в зависимости от типа ткани и ее локализации в организме: наиболее инертно ведет себя жировая ткань, средне - соединительная и наиболее лабильно -бедренная мышца. Что касается объяснения происходящих акустических изменений, то они преимущественно обусловлены тонкими деструктивными процессами в мясе за 2 суток холодовой выдержки.

Новые возможности в изучении биологического состояния мышечной ткани открывает акустико - топографическое изучение мышцы. Нами проведено такое исследование на поперечных разрезах препаратов длиннейшей мышцы спины с прилежащим участком шпика. Пример одного из случаев измерений до и после охлаждения показан на Рис.4.

Сводные показатели (М±м) для 12 образцов до и после выдержки составили соответственно: для длиннейшей мышцы 1,672±0,007 и 1,567+ 0,007; для шпика (верхний слой) 1,347+0,009 и 1,318±0,01?' нижний слой - 1,386+0,008 и 1,329+0,011 МПа*с/м. Как абсолютные начения АИ, так и их соотношение в парном мясе примерно соответствуют результатам для других пород свиней Северо-Кавказского региона (Му-ляр И.А.,1970).

Анализ полученных результатов, а также Фундаментальных положений науки о мясе позволил уверенно предположить взаимосвязь аку-

стико—топографических показателей длиннейшей мышцы с качеством получаемого мяса.

Исследование мягких тканей и органов человека. Материалом для опытов служили хирургические препараты, полученные во время 122 операций по поводу воспалительных и опухолевых процессов; секционные препараты, полученные от 20 вскрытий. В ряде случаев исследование проводилось in vivo, в том числе - непосредственно в операционной ране (34 случая). Контроль биологического состояния участков тканей осуществляли посредством гистологических анализов.

Выли- получены значения АИ для ряда органов и тканей: мышц, кожи, печени, почки, селезенки, матки, щитовиднгч железы, мочевого пузыря, молочной железы, лимфатических узлов, жировой ткани, желудка, кишечника, желчного пузыря и нек.др. как в норме, так и при конкретной патологии. Установлены общие закономерности влияния патологического процесса на АИ:

а) диапазон вариации АИ в органе или ткани при патологи» существенно шире, чем в норме;

б) значения АИ, измеренные на разрезе ткани и на ее границе, в большинстве случаев не совпадают;

в) распределение АИ для конкретных тканей и органов в норме и при патологии, как правило, несимметрично и имеет эксцесс в сторону меньших значений показателя;

г) при патологии среднее значение АИ может быть смещено в сравнении с нормой в любую сторону, но в большинстве случаев оно повышено .

Полученные нами результаты могут войти составной частью в банк данных по акустическим параметрам тканей в норме и при конкретной патологии и использоваться разработчиками новых систем и методик ультразвуковой медицинской диагностики, в первую очередь - реконструктивных импедансных томографов. Их соответствие условиям живого организма было подтверждено специальными интраоперациошшми исследованиями непосредственно в операционной ране.

Биофизическое обоснование методик ультразвуковой клинической диагностики особенно важно для патологии онкологического характера." С-э'х.ой целью нами были исследованы молочные железы (41 препа-ратКи лимфатические узлы (49 препаратов) в норме и при воспали-'/•тельных и опухолевых процессах.

Результаты исследования молочной железы отражены в таблице 3

ТАБЛИЦА 3

Результаты измерения АН (и МПа*с/м) тканей молочной железы в норме и при различной патологии

Состояние ткани К - во участков Z 7 -7 Ein шах

Норма 66 1,44 1,35-1,65

Патология 324 1,49 1,25-1,79

хроническое воспаление аденоз (метаплазия) фиброаденомы разные мастопатии карциномы -*-«- 8 6 31 46 48 1,58 1.57 1,60 1.58 1,56 1,49-1,70 1,56-1,58 1,49-1,76 1,49-1,76 1,49-1,66

Нами было проведено измерение АИ у основных тканевых компонентов молочной железы, к которым следует относить железистую, жировую и соединительную ткани (Авербах И.М.,1958). Далее была выполнена гисгометрия исследованных участков тканей для разных ее биологических состояний. С ее учетом на основе аддитивной модели были расчитаны величины АИ трехкомпонентной ткани в норме и при разной патологии. Между ними и измеренными величинами обнаруживается хорошее согласие. Так, например, для нормы соответствующие значения (в МПа*с/м) равны 1,41 и 1,44, для рака (в среднем у разных форм) 1,55 и 1,56; для мастопатий (также в среднем) 1,57 и 1,58.

Таким образом, значения АИ конкретных участков мягких тканей можно биофизически интерпретировать на основе трехкомпонентной модели основных тканевых соотношений. Такая модель должна включать специфическую ткань (мышечную, железистую, эпителиальную и т.д.), соединительную ткань (строму) и жировую.

Аналогичные результаты были получены и при исследовании лимфатических узлов.

Далее на основе наших исследований методом АРИ мягких тканей в норме и при онкологической патологии были проанализирована с позиций биофизики и общей патологии существующие эхографические критерии злокачественного процесса (Bamber J.С.,1984; Фазылов A.A., 1977 и др.). Доказано, что существующая система таких критериев не является обоснованной с фундаментальных позиций биоакустики и общей патологии. Указанный вывод был подтвержден специальным рет-

- 29 -

роепективным анализом развития эхографии в онкологии.

Большое количество экспериментов было посвящено исследованию акустической топографии протяженных органов и тканей. Величины АИ снимались через 1 см (для резких изменений - через 0,5 см), а результаты представлялись графически. Для полых органов (желудок, кишечник, желчный пузырь) топографию на внутренней и наружной их поверхностях исследовали отдельно. Причем, в отличие от первого опубликованного исследования акустической топографии скорости ультразвука по слизистой оболочке полого орг-^а (Клемин В.А. и др.,1981), отделения слизистой от мышечной оболочки не производили, а процедура измерения не включала прокалывания ткани, а только ее касание.

На Рис.5 представлены картины акустической топографии резецированного по Бильрот П желудка (а) и удаленного по поводу кальку-лезного холецистита желчного пузыря (б). Непрерывной линией показана топография наружной (серозно-мышечной) оболочки органов, пунктирной - внутренней (слизистой) оболочки. Соответствующими отрезками слева отмечены диапазоны гистологической нормы.

z'4") Z.MIIa-c/M I ' -—

Z.Mlhi-c .ч 'Лл -

t.rf- ' ^

i.j ~

1,4 - • 1.1 -

f 1,4.4 V

J-1-1-1-1-1— "C_I_i_I__

0 4» 88 12» 160 200 it M Ail 120

tl Ь

Рис.л. Акустическая топография сегмента желудка (.ft) м желчного пузыря (о).

Абсолютные значения АИ, соответствующие конкретным участкам топо-грамм, как правило, легко поддаются интерпретации с позиций биофизики и общей патологии. Большую помощь в этом оказывают биоакустические модели тканей, рассмотренные выше.

Отсюда очевидна принципиальная возможность создания способа клинической диагностики заболевании желудочно-кишечного тракта на основе метода АРИ. Нами такой способ был разработан, причем, как оказалось, он способен выявлять и опухолевые процессы. Разработанные при изучении акустической топографии орглнов

методические приемы и полученные результаты могут быть использованы не только для прикладных целей диагностики, но и для фундаментальных исследований, относящихся к общей патологии. Эти перспективы применения метода АРИ в медицинских целях нами подробно проанализированы и проиллюстрированы собственными результатами. К ним относится, в первую очередь, возможность с помощью метода АРИ выявлять начальные (латентные) стадии патологических процессов в мягких тканях. Другой аспект рассматриваемого применения акустико-топографических исследований - возможность измерения патологического процесса на тканевом уровне как в разнородных тканях, так и на различных участках одной ткани, что наглядно иллюстрируется на Рис.6,а. На этом рисунке представлены параллельные картины акустической топографии серозно-мышечной (треугольниками) и слизистой (крестиками) оболочек сегмента тонкой кишки и прилежащей брыжейки (кружками), удаленных единым блоком по поводу ущемленной грыжи тощей кишки.

К.МПас/м г,МПа-с/м

Рис.6. Акустическая топография сегментов тощей (а) и сигмовидной (б) кишки.

Третья возможность использования акустико-топографического подхода для общепатологических целей - это исследование общих и индивидуальных топических характеристик патологического процесса. Обнаружены топические закономерности изменения АИ участков ткани в окрестностях патологического очага. К ним, например, относится колебательно-затухающий характер АИ, величина которого с сохраняющейся периодичностью уменьшается по мере удаления от фо^са патологии (см. Рис. 6,а). Природа этого феномена не установлена. К важным акустико-топографическим закономерностям органов при патологии относятся и обсуждаемые ниже влияния межтканевых слоев.

Если сравнить акустико-топографические изменения АИ вблизи

границ резецированных органов между собой, то, оказывается, далеко не :-:о всех случаях они совпадают (см. Рис. 6,а,б). Этот факт имеет прямое отношение к возможностям метода АРИ в определении оптимальных границ резекции во время хирургических операций.

Акустико-топографическое исследование такого органа, как сердце, может помочь в решении важной проблемы практической судебной медицины - установлении причины внезапной ненасильственной смерти. В патоморфологическом аспекте она сводится к выявлению в миокарде участков острой ишемии.

Нами на материале 10 секций для случаев внезапной смерти и 5 секций - для случаев смерти от инфаркта миокарда было выполнено акустико-топографическое исследование на поверхности и разрезах препаратов сердца. Было установлено, что АИ миокарда при его инфаркте достоверно снижается на 1,2-3,8%, причем область лоцируемых изменений показателя в несколько раз превышает область инфаркта по гистоанализу. В ряде случаев выполненная по результатам АРИ прицельная аутопсия позволила вывести заключение о наличии ИБС и острой ишемии миокарда исследованных участков ткани.

Специальное исследование было посвящено влиянию межтканевых слоев (МТС) на отражение ультразвука. Теоретической базой исследования служила вышерассмотренная акустическая модель тонкого слоя между двумя полупространствами. С ее помощью и при учете известных литературных данных об АИ мягких тканей была предсказано, что МТС должны существенно влиять на отражение ультразвука.

Теоретические оценки были проверены нами в экспериментах на 46 хирургических препаратах и в 12 случаях - в операционной ране. Установлено, что в 68% исследованных случаев МТС увеличивали АИ подлежащей ткани, в 23% случаев - уменьшали и только в 9% - не влияли на отражение звука. Максимальное влияние доходило до 40%.

Полученные результаты имеют принципиальное значение для биофизического обоснования разработки новых систем ультразвуковых компьютерных (реконструктивных) томографов и интрерпретации клинико-эхографической информации.

Далее следует установить, какой параметр МТС (его АИ или толщина 1) в наибольшей степени влияет на отражение звука используемой частоты 2,5-5,0 МГц. Выполненное нами математическое моделирование показало, что для диапазона наших экспериментальных резу-

льтатов различие между действительной частью Zx и ZgKB не превышает погрешности измерения АИ. Поэтому появляется возможность расчета АИ ткани МТС по приближенной формуле:

Ъ° и ZHtg kl i * + * , где в = %iS - 1 . х н |fcg kl - г я

Показатель 5 может быть назван "показателем влияния МТС".

С помощью рассматриваемой акустической модели на материале 76 свежеудаленных хирургических препаратов были расчитаны величины АИ МТС, т.е. Z°. Оказалось, что в норме для паренхиматозных и гладкомышечных органов, поперечно-полосатых мышц эта величина (в МПа*с/м) варьирует в пределах 1,51-1,60 (среднее 1,55), при патологии - 1,58-1,75 (1,66). Для жировой ткани соответствующие значения равны 1,30-1,42 (1,35) и 1,55-1,70 (1,63).

Проведенный статистический анализ показал, что в норме МТС, как правило, не влияют на отражение ультразвука, при патологии-наоборот. Различие соответствующих средних значений б ( 0,4+0,3 и 8±1 ) достоверно и существенно. Специальными экспериментами было доказано, что выраженные акустические изменения МТС локализуются в пределах их толщины и могут регистрироваться на большом удалении от патологического очага. Обсуждается возможный биофизический механизм этого явления.

Четвертая глава посвящена описанию исследования методом АРИ биологических жидкостей.

Исследование биомолекулярных систем. Нами были исследованы концентрационные при двух температурах (18 и 25 ± 0,2 °С) зависимости АИ водных растворов фармпрепаратов сывороточного альбумина человека (САЧ) и сывороточного гамма-глобулина (СГЧ), а также суммарной фракции а и ß-глобулинов с массовым соотношением « 1:1 (все-отечественного производства).

Установлено, что для всех исследованных белков АИ линейно зви-сит от концентрации (0-10%) раствора. Это позволило применить 4-х компонентную линейно-аддитивную модель, включающую чистый растворитель, макромолекулу и воду гидрофильных и гидрофобных областей. По указанной модели нами были расчитаны значения АИ этих растворов для концентрации 5% и температуры 20 °С. Полученные в опыте результаты для САЧ не отличаются от расчетных в пределах погрешности опыта (0,13%), а для СГЧ они меньше расчетных на 0,6%.

Из результатов эксперимента были определены величины концентрационных инкрементов АИ, которые сопоставлены с расчитанными по данным АВ и денситометрии (см. таблицу 4). При этом были использованы соотношения

А2=(1+АрС)АУ+ Ар» Ау+ Ар, эА/Л

эА„/эТ + эА /,чТ,

V р

где С -концентрация, Т -температура, р -плотность.

ТАБЛИЦА 4

Измеренные и расчитанные (в скобках) величины концентрационного инкремента (в см3/г) белковых растворов и его температурного коэффициента (в см3/г*град)

Фракция А2 аА^Т

18 °С 25 °С

САЧ 0,346 (0,428) 0,375 (0,417) 0,004 (-0,002)

СГЧ 0,468 0,482 0,002

а + /3 - глобулины 0,427 0,462 0,005

Установленные различия объясняются различием способов измерений. Методы АВ и денситометрии дают значения соответствующих физических характеристик в объеме раствора, а метод АРИ - в приповерхностном слое его контакта с эталонной средой, где как конфор-мации белков, так и молекулярные особенности воды существенно отличаются (Измайлова В.Н.,Ребиндер П.А.,1974).

Далее в работе проводится сопоставительный анализ возможностей методов АВ и АРИ в изучении растворов макромолекул. В ряде случаев последний может иметь преимущества. Так, например, при исследовании разбавленных растворов с целью установления физико-химичес-ских характеристик макромолекул (Сарвазян А.П.Даракоз Д.П.,1983) метод АРИ не требует применения других (кроме акустических) измерений:

^ ~ - ? а

1+ 2

Ро - ■ " 2 ^о ' где приведенная кажущаяся адиабатическая сжимаемость мак-

ромолекулы,

р1- плотность^растворителя в свободном состоянии, Ф'^ уделнный 'объем растворенного вещества.

Исследование сыворотки крови. Были исследованы пробы сыворотки крови 57 онкологических больных и 106 здоровых лиц - кадровых доноров крови с известными ее группами. Параллельно с АИ в сыворотке измеряли концентрацию белка (общий белок и фракции) биуретовым методом (погрешность ^ 1% отн.), фракции разделяли высаливанием.

Исследованные больные имели различную локализацию новообразований (рак желудка, кишечника, матки, молочной железы и др.).

Результаты исследования представлены на Рис. 7. Каждому пациенту соответствует одна точка графика. Расходящимися лучами показаны итоги линейно-аддитивного моделирования по предельным (для АИ) фракционным составам у каждой группы, а штирих-пунктиром -демаркационные линии концентрации белка, где характер распределений АИ нарушается.

Установлено достоверное (Р«0,001) различие средних-значений АИ для здоровых и больных. Проведенный анализ показал, .что основной причиной этого различия не может быть ни общая концентрация белка, ни его фракционный состав, а также влияние небелковых компонентов сыворотки. Вместе с тем, есть все основания полагать, что такой причиной являются белковые факторы, не связанные прямо с их концентрацией.

Кроме этого, сыворотка крови была исследована нами и с целью тестирования методом АРИ стафилококков по их плазмокоагулазной активности, являющейся главным из косвенных показателем патогенности этих бактерий. Результаты исследования положительные (Р<0,01).

Исследование крови. Опыты с кровью были аналогичны опытам с ее сывороткой и отличались от последних большей технологичностью и информативностью.

Всего было исследовано 227 онкологических и 36 неонкологических больных и 109 здоровых лиц. Для измерений использовали пробы (капли) цитратной крови, оставшиеся после анализа на СОЭ. В качестве контрольного биологического метода использовали результаты общего клинического анализа крови, кроме того, анализировали (в том числе - непараметрически) диагноз, локализацию, стадию процесса, вид, объем и результаты проведенного лечения и некоторые другие данные.

Установленные различия статистических показателей АИ крови для здоровых и онкологических больных были положены нами в основу разработанного нового способа лабораторно-клинического исследования.

X, МПа-с/м

Рис. 7. Акустический импеданс сыворотки кропи.

В 1992 г. в НИИ клинической онкологии Онкологического Научного Центра РЛМН проводились официальные испытания описываемого способа. Для гистологически верифицированных диагнозов больных метод дал следующие стандартизированные диагностические показатели: чувствительность 65%, специфичность 76% (в том числе-для доноров 77%). эффективность 68%. В Заключении НИИКО ОНЦ РАМН было отмечено: "Учитывая высокую специфичность метода в группе здоровых лиц (доноры), можно рекомендовать его для формирования группы лиц повышенного риска на наличие патологического процесса (аналогично реакции оседания эритроцитов)". Эта рекомендация была подтверждена и решением отделения клинической медицины РАМН в 1994 г.

Пятая глава посвящена описанию применения метода АРИ для физиологических целей, а именно - для изучения мышечной активности. Опыты проводили на переживающих препаратах (круговых и продольных полосках) из стенок кровеносных сосудов и матки сельскохозяйственных животных, а также на живом сердце собаки в условиях острого эксперимента.

В опытах с препаратами режим их нагружения был изотоническим со скачкообразным циклическим изменением нагрузок известных величн. Измерения проводили при двух температурах - комнатной и температуре тела животного. Параллельно в реальном масштабе времени регистрировали длину полоски и коэффициент отражения от нее ультразвука.

Установлено, что степень и направление изменений АИ стенки сосуда при комнатной температуре и при температуре тела достоверно (Р«0,001) отличаются, в последнем случае акустические изменения в среднем вдвое меньше и проявляются не только в повышении АИ при нагружении, но и в его понижении или даже неизменности при этом. Для каждого образца влияние нагружения и температуры на АИ обнаруживает реципрокность: коэффициент корреляции г=-0,72 (Р<0,01).

Для выяснения физиологической значимости измерения АИ стенки сосуда был проведен обширный (779 значений АИ) сопоставительный анализ физиологического и акустического поведения полосок под влиянием изменения нагрузки.

Пмводы сопоставительного анализа следующие: 1. Механические и акустические реакции полосок в ответ на скачкообразное изменение нагрузки в большинстве случаев не совпадают по типу (форме, направлению, длительности), при этом вторые реакции

- 37 -

являются зачастую более сложными.

2. Абсолютное значение ЛИ стенки сосуда может считаться характеристикой ее физиологического состояния (тонуса) с той же надежностью, которая свойственна принятой характеристике тонуса - тангенциальному напряжению стенки.

3. Исходное значение ЛИ стенки сосуда, как и исходное значение ее тангенциального напряжения, неинформативно в отношении последующего физиологического поведения сосуда. С другой стороны, степень и направление изменений АИ стенки в достаточно полной мере позволяет охарактеризовать ее физиологическую активность:

а) повышение АИ сопровождается переходом к физиологическому состоянию более высокого уровня,

б) более высокому функциональному состоянию соответствуют сравнительно малые изменения АИ или вообще его неизменность при од-нотемпературных механических воздействиях, однако под влиянием температуры в таких случаях АИ изменяется в максимальной степени.

В опытах с полосками матки были зарегистрированы спонтанные сокращения, возникающие с периодичностью примерно 10 мин и длящиеся 3-4 мин (см. Рис.8).

Как можно видеть из диаграммы сокращения, механическая и акустическая реакции матки имеют сходство и различия. В частности, большой интерес вызывает начальный комплекс акустической реакции, который возникает за ~ 0,5 мин до сокращения и не может быть результатом потенциала действия (Орлов P.C. и др.,1971). Можно предполагать, что он связан со структурной перестройкой сократительных белков, у которых резко повышается упругость и запасается энергия для последующего сокращения (йуков Е.К.,1972).

Опыты на живом сердце были проведены на 18 взрослых беспородных собаках в условиях острого эксперимента под управляемым бар-битуратовым наркозом. Параллельно регистрировали кривую внутри-

желудочкового давления крови (Р„„), ее первую производную и ЭКГ

лж

во ?.-м стандартном отведении, а также - постоянную и переменную составляющие ультразвукового сигнала, отраженного от границы эталона и миокарда левого желудочка в области дистальнее бифуркации левой коронарной артерии. Последнюю кривую можно назвать ультразвуковой рефлектограммой миокарда (УРМ). Так как она снималась в контактном варианте озвучивания, рост ординаты УРМ соответствует снижению ЛИ и наоборот.

Из Рис. 9 представлены образцы регистрации физиологических и акустических показателей сердца в норме и при некоторых экспериментальных воздействиях. Как можно видеть, УРМ не повторяет ни один из известных типов кардиограмм, регистрируемых другими ультразвуковыми (эхография, допплерография), а также неультразвуковыми методами. Анализ показывает, что УРМ отражает действие внутренних механизмов регуляции сокращений сердца и в ряде случаев проявляет большую информативность, чем известные типы регистрации.

УРМ

л.

Л......-П.

л.

Рис. 9. Физиологические и акустические показатели сердечной активности в норме («), при коарктации аорты (б) и ири инфаркте миокарда (в).

- 39 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Происходящее в настоящее время интенсивное развитие акустической импедансометрии сред в различных областях науки и практики позволяет предположить, что в недалеком будущем такой подход может стать главенствующим в ультразвуковой медицинской диагностике и неразрушающем акустическом контроле. В этом плане наши теоретические и приборные разработки метода акустической рефлектоимпеда-нсометрии и экспериментальные результаты могут представлять определенную ценность в перспективе. Однако и на нынешнем этапе развития акустических методов исследования они вызывают несомненный интерес. Так, обеспечение повышения чувствительности и точности метода АРИ открывают реальную возможность его использования не как вспомогательного, а как одного из основных методов акустического контроля. Этому же должно способствовать и доказанное нами расширение области применения метода АРИ на материалы с неровной поверхностью, макрокомпозиционные среды, тонкослойные изделия. Метод АРИ позволяет не только определять акустический импеданс среды, но и прочностные ее характеристики, толщину, адгезионное состояние, степень неоднородности, параметры шероховатости поверхности и ряд других показателей, что зачастую проблематично или невозможно установить известными методиками неразрушающего контроля.

Кроме исследования характеристик сред, наши теоретические и практические разработки позволили по-новому решить ряд других актуальных вопросов прикладной акустики.

Еще большие возможности предоставляет метод АРИ для исследования биологических объектов. Диапазон решаемых здесь с его помощью задач может быть очень широк: от контроля качества мяса до изучения механизмов сокращения мышц и выведения диагнозов злокачественных новообразований. Причем, в области медицины метод позволяет не только помочь практическому здравоохранению (профилактичес-ские осмотры, хирургические операции, эхографические обследования, микробиологическое тестирование, судебная экспертиза и т.д.), но и должен стать предметом внимания теоретиков: биофизиков, биохимиков, морфологов. В пользу этого говорят некоторые полученные нами в экспериментах результаты, которые не могут быть объяснены, исходя из существующих знаний в этих науках.

- 40 -БЬВОДЫ

1. Метод акустической рефлектоимпедансометрии сред является эффективным средством изучения большого класса биологических и технических объектов и решения широкого диапазона исследовательских

и контрольно-диагностических задач. В разработанных методических вариантах и на базе сконструированной аппаратуры он позволяет измерять акустический импеданс жидких, эластомерных, пластичных и твердых материалов с относительной погрешностью, не превышающей 0,1-1%.

2. Измеряемые данным методом акустические показатели среды отражают характеристики ее химического (качественно-количественного) состава и структуры (макро-, микро- и молекулярной). При этом для использованного типа акустических волн (продольно-объемные) и частот ультразвука (1-10 МГц) преобладающий вклад в акустический импеданс мягких и жидких биотканей дают химические факторы; суммарный вклад структурных факторов не превышает нескольких процентов. Это требует повышения чувствительности метода при исследовании изменений микроструктуры и физиологического состояния биосред.

3. Проведен теоретический анализ чувствительности метода акустической рефлектоимпедансометрии, что позволило разработать высокоточные методики его применения для конкретных акустических условий объектов. В первую очередь это относится к биологическим средам - мягким и жидким тканям организма, где прирост чувствительности составил 2-3 порядка ее величины.

4. Предложена и развита теоретическая модель отражения ультразвука от акустически неоднородной границы среды. Это позволило впервые применить метод акустической рефлектоимпедансометрии для изучения материалов с неровной поверхностью, макрокомпозиционных и пористых сред, в частности, мягких биологических тканей. Для учета слоистости последних выбрана из существующих и развита теоретическая модель отражения звука от слоистой среды с плоскими границами раздела. Это позволило впервые определить акустический параметр тонкослойных образцов мягких биологических тканей человека и животных. Наряду с биофизическими удалось решить и некоторые технические задачи: разработать новые способы исследования' промышленных изделий и акустического согласоь--.шя сред.

5. Разработана метрология акустической рефлектоимпедансометрии для разных аппаратурных вариантов ее реализации, сконструированы и изготовлены новые технические устройства целевого назначения: ультразвуковые преобразователи 15-ти вариантов и контрольно-измерительные приборы - акустические рефлектсимиедансометры 4-х типов. Это обеспечивает техническую возможность применения метода акустической рефлектоимпедансометрии в самых различных областях биологии, медицины и техники.

6. Акустический импеданс подвижной мышечной структуры (кровеносный сосуд, матка, сердце) и коэффициент отражения ею ультразвука могут служить характеристиками физиологического состояния мышцы. В сравнении с используемыми характеристиками (механическое напряжение и деформация объекта) они несут новую информацию об интимных процессах в мышечной ткани и могут применяться для изучения механизмов ее сократительной активности.

7. Акустические импедансы как цельной крови человека, так и ее сыворотки достоверно отличаются в норме и при злокачественных новообразованиях различной локализации в организме. Это позволяет предложить новый способ клинико-диагностического исследования в онкологии. На основе биоакустического моделирования можно предполагать, что основными причинами обнаруженного различия являются неконцентрационные белковые факторы.

8. Межтканевые слои в организме человека существенно влияют на отражение ультразвуковых сигналов, используемых в ультразвуковой клинико-диагностической аппаратуре. Это влияние резко возрастает при патологических процессах, что заставляет пересмотреть некоторые биофизические обоснования соответствующих методик диагностики и должно быть взято на учет разработчиками систем акустической визуализации внутренних органов. Обнаружено также, что акустические изменения в межтканевых слоях при патологии локализуются в пределах их толщины и могут детектироваться на большом расстоянии от патологического очага.

9. Акустический импеданс локального участка мягкой ткани отражает ее биологическое состояние (варианты нормы и конкретной патологии) в зоне контроля и тесно коррелирует с результатами гистологических анализов соответствующих микропрепаратов. Это поз-

воляет предложить новые способы биологического исследования и медицинской диагностики для их применения как в сочетании с принятыми клинико-лабораторными методиками, так и автономно по ультразвуковому контролю.

10. Акустико-импедансное топографическое исследование объемных органов и тканей позволяет получать новую (в сравнении с известными патоморфологическими методами) информацию о развитии в них патологического процесса: о его топических проявлениях, индивидуальных особенностях протекания, о степени патологических изменений в различных тканях и на различных участках одной ткани. Это открывает новые возможности тканевого топографического контроля

и может быть использовано в тактике хирургических операций, при патологоанатомических исследованиях и в судебно-медицинских экспертизах.

11. Сравнительное акустико-топографическое исследование длиннейшей мышцы спины (с прилежащим слоем шпика) сельскохозяйственных животных на парном мясе и после его 48-часовой холодовой выдержки дает различные показатели акустического импеданса: в последнем случае он достоверно снижается. Степень снижения импеданса коррелирует с его исходным значением и вариабельностью в пределах конкретной топограммы, что может рассматриваться как отражение качественной характеристики мяса.

- 43 -ЛИТЕРАТУРА

Материалы диссертации опубликованы автором в 60 работах (из

них в соавторстве - в 10). Наиболее значимыми из них являются

следующие:

1. Лубэ В.М., Липовко-Половинец П.О., Титнов Б.П. Способ ультразвуковой импульсной эхо-локации сред. //А.с.СССР N 284394,1968.

2. Липовко П.О. , Лубэ В.М. К вопросу об акустическом контроле свойств среды на основе измерения ее характеристического импе-данца. //Акустический ж.,1971.- Вып.1,- С.159-161.

3. Липовко Т1.0. Применение методики измерения характеристического импеданса для акустического контроля. //В сб.: Всесоюзное Совещание по неразрушающим методам контроля. Тезисы докладов.-Кишинев,1971. - С.103-104.

4. Липовко-Половинец П.О. Разработка ультраакустического импедан-сного метода для изучения свойств и состояния стенок кровеносных сосудов. //Автореф. дис....канд. биол. наук. Специальность 03.00.02 - биофизика.- Ростов-на-Дону:РГУ,1973.

5. Липовио-Половинец И.О., Коленкина И.В. Способ диагностики злокачественных новообразований. //А.с.СССР N 1294109,1983.

6. Липовко П.О. , Панков А. К. К вопросу об информативности при-жизненых измерений акустических параметров мягких тканей. //В сб.: Всесоюзная Конференция "Взаимодействие ультразвука с биологической средой". Тезисы докладов,- М.,1983,- С.64.

7. Липовко-Половинец П.О. Ультразвуковой преобразователь для исследования жидкостей. //А.с.СССР N 1188643,1984.

8. Липовко П.О. Исследование акустической топографии желудка человека при воспалительных и опухолевых процессах. // Деп. в ВИНИТИ 2.03.84.- N 1255-84 Деп.

9. Липовко П.О. , Огородникова Л.С. Исследование акустических свойств лимфатических узлов с эхографическими целями. //В сб.: Симпозиум "Акустические свойства биологических объектов". Тезисы докладов.- Пущино:НЦБИ АН СССР,1984 - С.52-53.

10. Липовко П.О. Способ измерения коэффициента затухания ультразвука в биологических тканях. //А.с.СССР Н 1377712,1984.

11. Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления материалов. //А.с.СССР N 1312472,1985.

12. Липовко-Половинец П.О. Ультразвуковой преобразователь для исследования биологических сред. //А.с.СССР N 1337053,1985.

13. Липовко П.О. 0 влиянии межтканевых слоев в организме на диагностическую информативность эхографической аппаратуры. //Изв. Сев.-Кавказск. Научн. Центра высш. шк. Серия "Технич. науки", 1985. - N 3. - С.17-20.

14. Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления материалов. //А.с.СССР N 1397822,1986.

15. Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления материалов с неровной поверхностью. // А.с.СССР

N 1460623,1987.

16. Липовко П.О. 0 возможности применения акустической рефлекто-импедансометрии для изучения растворов макромолекул // Ж. физической химии,1987. - N 11. - С.3024-3028.

17. Липовко П.О. Метрологические аспекты разработки ультразвуковых медицинских рефлексометров и импедансометров. //Изв. Сев.-Кавказск. Научн. Центра высш. шк. Серия "Технич. науки", 1987. - N 2. - С.16-20.

18. Липовко-Половинец И.О.Способ дифференциальной диагностики воспалительных и опухолевых заболеваний желудочно-кишечного тракта. А/А.с.СССР N 1767719,1987.

19. Липовко ¡Т.О. Метод сравнительного ультраакустического исследования оболочек полых органов человека при различных формах патологии. //Патол. физиол. и эксперим. терапия, 1988.- N 2 - С.85-87.

20. Лтовко П.О. Отражение ультразвука от межтканевых границ. //Биофизика,1988. - N 4. - С.686-691.

21. Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления одного из компонентов композиционного материала. //А.с.СССР N 1534392,1988.

22. Липовко П.О. Акустическое сопротивление жировой ткани как показатель ее функциональной активности. //Бюлл. эксперим. биол. и мед.,1988. - N 6. - С.662-664.

23. Липовко-Половинец П.О. Способ контроля неровностей поверхности изделий. //А.с.СССР N 1580163,1988.

24. Липовко-Половинец П.О. Материал для поглощения ультразвуковых колебаний. //A.c.СССР N 1647380,1988.

25. Липовко-Половинец П.О. Способ определения коэффициента затухания ультразвуковых колебаний в материале.//А.с.СССР N 1647379, 1989.

26. .Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления двухкомпонентных композиционных материалов.//А.с.СССР N 1677610,1989.

27. Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления пористых материалов. //А.с.СССР N 1677611,1989.

28. Липовко-Половинец П.О.Способ контроля неоднородности акустического поля преобразователей. //А.с.СССР N 1677613,1989.

29. Липовко-Половинец П.О. Способ определения акустического сопротивления однородных сред. //А.с.СССР N 1714486,1989.

30. Липовко П.О. Дифференциально-диагностические возможности эхографии в онкологии. //Вопросы онкологии,1989.- N 3.-С.270-279.

31. Липовко-Половинец П.О. Ультразвуковой контактный преобразователь. //А.с.СССР N 1772721,1989.

32. Липовко-Половинец П.О., Петин Г.П. Импедансометр акустический высокочастотный. //Патент РФ на промышленный образец N 38473, 1992.

33. Липовко-Половинец П.О. Протектор ультразвукового преобразователя. //Решение НИИГПЭ от 11.11.93 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке Н 5043271/28.

34. Липовко-Половинец П.О. Ультразвуковой эхо-импульсный толщиномер. //Решение НИИГПЭ от 23.11.93 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке N 5050822/28.

35. Липовко-Половинец П.О. Способ акустического согласования сред. //Решение НИИГПЭ от 7.12.93 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке N 5034336/28.

36. Липовко-Половинец П.О. Способ выявления неоднородности акустических свойств материала. //Решение НИИГПЭ от 17.10.94 г. о выдаче патента РФ на изобретение по заявке N 5055021/28.

Информация о работе

Липовко-Половинец, Петр Османович
доктора физико-математических наук
Москва, 1994
ВАК 03.00.02

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Теория и применение акустической рефлектоимпедансометрии в биологии и медицине ВАК РФ 03.00.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Теория и применение акустической рефлектоимпедансометрии в биологии и медицине"

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Теория и применение акустической рефлектоимпедансометрии в биологии и медицине
ВАК РФ 03.00.02, Биофизика