Цысарь С.А., Сапожников О.А., Крейдер У. «Нелинейная акустическая голография для исследования терапевтических источников мощного ультразвука» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 62-66 (2014)

Ультразвуковые методы широко используются в медицинской диагностике и терапии. Мощный ультразвук (УЗ) в ряде случаев может служить альтернативой традиционным хирургическим методам лечения. Тем не менее, серьезным препятствием для широкого клинического использования УЗ в терапевтических целях является то, что до сих пор не существует разработанных метрологических методов для калибровки мощных акустических источников. Современные методы характеризации ультразвуковых полей не позволяют проводить прямые измерения в мощных УЗ системах в рабочем диапазоне мощностей и не могут дать полную информацию о пространственном распределении параметров интенсивных полей. Акустическая голография является методом, который способен предоставить подробную информацию о распределении колебательной скорости на поверхности источника и найти пространственно-временную структуру излучаемого акустического поля. На сегодняшний день голография использовалась только для линейного поля, т.е. в случае низкой интенсивности излучения, что характерно в основном для диагностических устройств. Однако в ультразвуковой терапии используются источники, работающие при высокой интенсивности, и характер распространения излучаемых ими волн является нелинейным. Нелинейная акустическая голография основана на измерении двумерных распределений амплитуды и фазы акустического давления для всех гармоник, присутствующих в спектре сигнала. На основе полученных данных с использованием интеграла Рэлея или других алгоритмов имеется возможность провести расчет распространения акустического поля для математической реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источника. Нелинейные расчеты распространения поля основаны на численном решении волнового уравнения Вестервельта. Разработанный метод нелинейной акустической голографии является эффективным инструментом для характеризации терапевтических источников ультразвука при работе на высоких мощностях, когда характеристики колебания поверхности источника могут значительно отличаться от вибрационных характеристик на низких уровнях мощности. В работе развиты численные алгоритмы нелинейного распространения акустического поля в условиях обращения времени, а также представлены результаты физических экспериментов по нелинейной голографии реальных терапевтических источников.

Руденко О.В., Хедберг К.М. «Дифракция интенсивного поля в фокальной области как динамика нелинейной системы с низкочастотной дисперсией» Акустический журнал, 61, № 1, с. 30-39 (2015)

Описаны стационарные формы профиля нелинейной акустической волны, распространяющейся в пределах фокальной области. Использованы модели, следующие из уравнения Хохлова–Заболотской с тремя независимыми переменными: 1 – упрощенное одномерное уравнение Островского–Вахненко, 2 – система уравнений для параксиального разложения акустического поля в ряд по поперечной координате и 3 – уравнение Хохлова–Заболотской, редуцированное к двум независимым переменным. Структура последнего аналогична уравнению Вестервельта. Показана возможность его линеаризации с помощью преобразования Лежандра и сведения к хорошо изученному уравнению Эйлера–Трикоми. Стационарные профили при больших интенсивностях сфокусированных акустических волн оказываются периодическими последовательностями дугообразных участков с особенностями производной в точках их сшивания, существование которых подчеркнуто Маковым. Такие профили возникают во многих нелинейных системах с низкочастотной дисперсией. Профили с разрывами (ударными фронтами) изменяют свою форму при прохождении через фокальную область и не являются стационарными. Оценка максимальных давлений и интенсивностей в фокусе согласуется с полученными ранее данными компьютерных расчетов и экспериментальных измерений.

Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Мощные двумерные терапевтические решётки с плотной "упаковкой" элементов» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 54-61 (2014)

В последние годы активно ведутся разработки мощных двумерных терапевтических решёток для применения в ультразвуковой хирургии. В нескольких зарубежных лабораториях изготовлены опытные образцы подобных устройств, проведены исследования на тканях ex vivo, показана возможность их клинического использования. Общим для этих фокусирующих систем является квазислучайное расположение элементов на поверхности решётки, что позволяет минимизировать уровень лепестков решётки и других вторичных максимумов интенсивности в излученном ею поле. Однако появление новых методов применения мощного ультразвука в медицине, основанных на использовании нелинейных полей и ударно-волновых режимов воздействия, требует существенного повышения мощности таких решёток. Предложено обоснование целесообразности создания нового поколения подобных решёток, основанных на применении плотно «упакованных» элементов решётки с сохранением рандомизации их расположения на поверхности. Приведены примеры возможных конструкций подобных решёток.

Юлдашев П.В., Максвелл А., Крайдер В., Сапожников О.А., Бэйли М., Крам Л., Хохлова В.А. «Моделирование и измерение поля мощного многоэлементного терапевтического излучателя в широком диапазоне интенсивностей вплоть до проявления эффекта насыщения в фокусе» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 67-70 (2014)

Во многих современных приложениях мощного фокусированного ультразвука (HIFU) в неинвазивной хирургии, например, при гистотрипсии, возникает необходимость генерации мощных ультразвуковых полей с амплитудой ударного фронта в фокусе до 120 МПа на значительной глубине в ткани. Для экспериментального исследования возможности создания таких полей и генерации механических разрушений в ткани был создан прототип системы, состоящий из усилителя и излучателя с рабочей частотой 1 МГц. Излучатель состоит из семи отдельных элементов круглой формы, расположенных на сферической чашке диаметром 14.7 см и радиусом кривизны (фокусным расстоянием) 14 см. Цель настоящей работы состояла в характеризации поля указанного излучателя в воде с помощью гидрофонных измерений и численного моделирования. Моделирование поля было выполнено на основе трехмерного уравнения Вестервельта с начальными условиями, полученными экспериментально методом акустической голографии. В эксперименте профили волны в фокусе были измерены оптоволоконным гидрофоном. Измерения проводились при различной амплитуде акустического давления на поверхности источника, вплоть до уровня, соответствующего 30% от максимально достижимой амплитуды. Было показано, что результаты измерений и расчетов хорошо согласуются между собой. Проведение измерений при амплитуде волны на источнике выше указанного уровня было невозможным из-за возникновения кавитации на поверхности гидрофона. Однако в расчетах такой проблемы не возникает, и поэтому профили в фокусе были получены вплоть до максимальной амплитуды волны на источнике в рабочем диапазоне мощностей усилителя. Было показано, что при больших амплитудах проявляются эффекты нелинейного насыщения поля в фокусе. Найдены максимально достижимые значения для пиковых давлений и амплитуды ударного фронта. Таким образом, в работе было показано, что численное моделирование на основе трехмерного уравнения Вестервельта является важным инструментом для прогнозирования характеристик ультразвуковых полей, создаваемых мощными терапевтическими HIFU излучателями.

Руденко О.В., Сапожников О.А. «Теоретическое описание тепловой самофокусировки пилообразных звуковых волн» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 6, с. 91-92 (1988)

Мусатов А.Г., Сапожников О.А. «Фокусировка слабых акустических импульсов» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 4, с. 94-97 (1993)

Веденькин Д.А., Седельников Ю.Е., Потапова О.В. «Свойства сфокусированных антенн для задач акустической эхолокационной диагностики» Нелинейный мир, 12, № 10, с. 64-68 (2014)

Рассмотрены свойства сфокусированных акустических систем: интенсивность волнового поля, коэффициент направленного действия в зоне Френеля, размеры пятна в области фокусировки и уровни боковых лепестков. Изучено влияние потерь на данные свойства. The article deals with the general properties of focused acoustic systems, which are based on the principle of the antenna array, which is a functional system omnidirectional radiators excited by means of a dispenser. The intensity of the wave field can be represented as a superposition of partial wave fields. In the surrounding area the focus point, the wave field has a complex structure in which there is increased both in perpendicular and parallel to the direction of the aperture. Considered characteristics such as antenna directivity in the Fresnel zone, the size of the focus area and the side lobe level. Considered depending on the characteristics of the proposed quality parameters and formulas for their evaluation.

Сорокин А.Г., Лобычева И.Ю. «О структуре инфразвукового сигнала Челябинского метеороида» Ученые записки физического факультета МГУ, № 6, с. 146309 (2014)

Приводятся сведения о падении метеороида в районе Челябинска 15 февраля 2013 года. Описаны подобные инфразвуковые эффекты, зарегистрированные ранее и методы их интерпретации. Даются характеристики инфразвуковой установки ИСЗФ СО РАН, на которой зарегистрирован эффект взрыва метеороида в атмосфере. Приводится вид когерентного инфразвукового сигнала, обсуждаются его параметры.

Руденко О.В., Сапожников О.А. «Мощные акустические пучки: самовоздействие разрывных волн, фокусировка импульсов и экстракорпоральная литотрипсия» Вестник Московского университета. Серия 3: Физика. Астрономия, № 1, с. 3-17 (1991)