автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Экспериментальное исследование возможности дистанционного измерения температуры по тепловым акустическим шумам

р Г Б ОА

1 1\ ДВГ 1905

ГЕРАСИМОВ ВАДИМ ВЛАДИМИРОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ТЕПЛОВЫМ АКУСТИЧЕСКИМ ШУМАМ

05.27.01 - твердотельная электроника, микроэлектроника и навоэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Фряэино - 1995

на правах рукописи

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА в Институте радиотехники и электроники РАН." НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник В.И. Миргородский ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: доктор физико-математических наук

Э. Н. Эпштейн (НПО "Платан"), кандидат физико-математических наук А. В. Герус (ИРЭ РАН).

ВЕДУЩАЯ ОРРАНИЗАЩЯ: Институт биохимической физики РАН,

г. Москва.

Защита диссертации состоится " 14 " сентября 1995 г. в 13 часов на заседании Диссертационного Совета К.002.74.01 в Институте радиотехники и электроники РАН ( I4I320, Московская обл. г. Фрязино, пл. академика Введенского I ).

'С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института радиотехники и электроники РАН (Фрязинская часть).

Автореферат разослан " J_ и августа 1995 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физико-математических наук

f!0-'^ ^ И. И. Чусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ TEMO. Температура и связанные с нею тепловые параметры веществ являются одними из тех фундаментальных физических характеристик материи, знание которых весьма важно в целом ряде областей человеческой деятельности, таких как металлургическая и оптическая промышленности, медицинская диагностика, геофизика, океанология л т.д. Однако, не всегда оказывается возможным непосредственное измерение температуры поверхности объектов, а особенно, температуры внутри объектов, не разрушая их. Поэтому несомненный интерес представляют измерения температуры пассивными неинвазивными методами по собственному тепловому излучению объектов.

Хорошо известны способы определения поверхностной температуры, например, по инфракрасному или видимому излучению (тепловизоры, пирометры), но информации о поверхностной температуре часто бывает недостаточно.

В настоящее время развиваются радиометрические и акустотермометрические методы дистанционного измерения температуры по собственному тепловому электромагнитному или акустическому излучению объектов. Особенностью этих методов является то, что в тех случаях, когда используемое в них излучение слабо поглощается в исследуемых объектах, регистрация интенсивности такого излучения позволяет судить о температуре внутри объектов.

По сравнению с радиометрическим акустотермометрический метод измерения глубинной температуры имеет ряд преимуществ. Затухание акустических колебаний в средах, представляющих практический

интерес, меньше, «ем у электромагнитных, это приводит к возможности увеличения глубины зондирования (для частот около I МГц больше 10 см). Кроме того, существенно меньшая скорость распространения акустических волн по сравнению с электромагнитными приводит к существенно меньшим длинам волн (на частоте I МГц - 1.5 мм), что позволяет обеспечивать лучшее пространственное разрешение.

Однако, чувствительность акустотермометрического метода хуже радиометрического примерно в 30 раз, что вызвано существенно большим (примерно на три порядка) практически достижимым диапазоном принимаемых частот в радиометрическом методе. Оценки чувствительности акустотермометрического метода показывают, что при допустимых для практики временах накопления (около I мин) она находится вблизи предела, приемлемого, например, для целей медицинской диагностики (~0.1°), которая является перспективной для использования акустотермометрии.

В первых экспериментах по измерению температуры путем приема тепловых акустических колебаний была реализована чувствительность, хуке предельно достижимой почти на порядок, что серьезно затрудняет применение метода на практике. Это обстоятельство, а также не изученность основных физических аспектов акустотермометрии и определили начальную постановку данной работы.

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ заключалась в изучении возможности достижения параметров акустотермометров, близких к предельным, а также особенностей применения метода акустотермометрии для исследования свойств различных объектов, в том числе и биологических- Для достижения этой цели решались следующие задачи:

I. Экспериментальное исследование возможностей применения

акустозлектроншх модуляторов звука для приема теплового акустического излучения.

2. Исследование физических аспектов электрического согласования пьезспреобразователя с предусилителем и акустического согласования пьезспреобразователя со средой.

3. Разработка и создание действующего макета модуляционного анустотермометра с внсокой временной стабильностью работы, ориентированного на исследования биологических объектов.

4. Исследование возможностей измерения температуропроводности, акустического затухания в биообъектах и параметра, характеризующего мощность тепловых источников внутри них, по регистрации акустотермометром процесса распространения тепла при тепловом воздействии на исследуемый объект.

5. Теоретически и экспериментально исследовалась возможность получения информации томографического типа о пространственном распределении источников некогерентного излучения, в том числе -теплового излучения, с помощью корреляционной обработки шумовых сигналов.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем:

1. Исследованы физические ограничения параметров акустоэлектронных модуляторов звука и акустотермометров на их основе.

2. Предложен и реализован на экспериментах ряд возможностей использования акустотермометров для целей материаловедения и медицинской диагностики.

3. Предложен и реализован экспериментально новый метод построения изображения тепловых источников томографического типа при помощи корреляционной обработки тепловых шумов от этих

источников, принимаемых многоэлементным пьеэопреобразователем.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы определяется тем, что:

I.. Показана возможность дистанционного измерения температуры внутри различных объектов, включая биологические, по их собственному тепловому акустическому излучению.

2. Предложены методы измерений температуропроводности и акустического затухания в исследуемых объектах и параметр, характеризующий мощность тепловых источников внутри них.

3. Предложен'новый способ измерения суммарных диссипативных потерь пьезопреобразователя с слоями, обеспечивающими акустическое согласование, на основе анализа зависимости показаний акустотермометра от температуры пьезопреобразователя.

4. Экспериментально показано, что корреляционная обработка шумовых сигналов, принимаемых многозлементными пьезопреобразователями, позволяет получать 3-х мерное пространственное распределение источников некогерентного излучения.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Применение переменного во времени акустозлектронного взаимодействия позволяет осуществлять прием тепловых акустических шумов, что дает возможность проводить высокостабильные измерения акустояркостной температуры объектов с приемлемой для ряда практических применений точностью.

2. По акустояркостной температуре исследуемого объекта при тепловом воздействии на него можно определять акустическое затухание, температуропроводность и параметр, характеризующий мощность тепловых источников в этом объекте.

3. Регистрация зависимости показаний акустотермометра от

температуры пьеэопреобразователя с согласующей системой позволяет определять суммарные диссипативнне потери в пьезопреобраэователе вместе с согласующей системой.

4. Корреляционная обработка сигналов, принимаемых многоэлементными пьеэопреобразователями, позволяет получать 3-х мерное пространственное распределение (томографического типа) интенсивности источников некогеренгного излучения, в частном случае, температуры.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на XXIII Генеральной ассамблее международного радиосоюэа (Прага, 1990), конференции "Акустозлектронные системы и компоненты" (Санкт-Петербург,1993), III сессии Российского Акустического Общества (Москва, 1994), научных семинарах ИРЭ РАН.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано десять работ, список которых приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем составляет 108 страниц, включая 28 рисунков. Список литературы включает 77 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ сформулированы цель диссертации, актуальность исследований, научная новизна и практическая ценность работы. Представлены положения, выносимые на защиту, и структура диссертации. Содержится информация об истории акустотермометрии и современном состоянии ее развития, изложены физические основы

акустотермометрии и акустотермографии.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальному исследованию возможности применения акустоэлектронных модуляторов для создания приемников акустических шумовых сигналов.

В процессе проведения исследований акустоэлектронного взаимодействия в средах с нестационарными во времени параметрами обнаружился новей аспект возможного использования акустоэлектронного взаимодействия: для регистрации слабых акустических колебаний. Акустоэлектронное затухание пьезоактивной акустической волны в фотспроводящем сульфиде кадмия, где концентрацией свободных носителей заряда можно управлять с помощью внешней подсветки оптическим излучением, позволило осуществить модуляционный прием тепловых акустических колебаний.

Для проверки возможности практической реализации модуляционного приема тепловых акустических колебаний с помощью акустоэлектронного модулятора была создана экспериментальная установка на основе модулятора из фоточувствнтельного монокристалличесг.огс сульфида кадмия.

В качестве фактора, позволяющего эффективно изменять акустоэлектронное взаимодействие использовалась фотовозбуждающая подсветка. С помощью модулированного по интенсивности освещения кристалла видимым светом, в кристалле генерировались носители заряда, на которых и происходило в такт с модуляцией освещения кристалла переменное во времени затухание звука. Особое внимание уделялось проверке фоточувствительности и однородности кристаллов, для чего применялась специальная экспериментальная установка. Слабая или неоднородная фоточувствительность кристаллов приводила к существенному ухудшению работы модулятора.

В акустическом контакте с модулятором находился приемный пьезопреобразователь, с которого снимался электрический сигнал и подавался на усилитель. Усиленный сигнал детектировался квадратичным детектором, на выходе которого выделялась огибающая, пропорциональная разнице акустических потоков, приходящих от исследуемого объекта и от собственно модулятора. Поскольку интенсивность теплового' акустического шума пропорциональна температуре излучателя, то, в нашем случае, амплитуда огибающей сигнала на выходе будет пропорциональна разнице акустояркостных температур исследуемого объекта и "черного" тела, в данном случае, модулятора. ,

Обработка огибающей __состояла в ее усилении и синхронном детектировании, _ в результате' чего выделялся постоянный электрический сигнал, пропорциональный амплитуде огибающей. Этот сигнал с определяемым калибровкой весовым множителем складывался с температурой -модулятора, которая измерялась полупроводниковым термосопротивлением, в'результате чего и получалось окончательное значение акустояркостной температуры объекта исследований.

Эксперимент приводился следующим образом. Акустический приемник и исследуемый -объект помещали в воду на расстоянии- около 5 см друг от друга. Это позволило избежать изменения температуры акустического приемника за счет непосредственной теплопередачи от исследуемого объекта, как было бы при непосредственном их контакте, что затруднило бы интерпретацию экспериментальных данных. В качестве исследуемых объектов использовались тела, обладающие достаточной "чернотой" для акустического излучения и хорошо акустически согласованные о водой. В работе измеряли температуру ладони человека, сжатой в кулак, и диска из пластилина

'10 , , , диаметром 15 см м толщиной 5 см (диск.предварительно охлаждали до низкой температуры). В толще пластилина на разных глубинах были размещены полупроводниковые . термосопротивления, позволяющие контролировать объемную температуру объекта во время измерений. Сравнение показаний акустотермометра при релаксации температуры охлажденного до ~ -10 °с пластилинового диска к комнатной температуре'с зависимостями термодинамической температуры внутри диска, полученными с помощью термодатчиков, говорит о - глубинности , акустотермометрических измерений. , ' .

В этом' эксперименте была реализована флуктуационная чувствительность около,0.8 ° С, при времени усреднения 30 с, что. примерно в 8 раз хуже теоретически предельно достижимой чувствительности. . Основная причина рассогласования заключается в недостаточно больших значениях акустоэлектронного' затухания, , что связано с низкой частотой используемого ультразвукового диапазона- около I МГц, и приводит к недостаточной эффективности модуляции.

■ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена одному -из наиболее важных физических аспектов, определяющих параметры акустотермометров - их согласованию с исследуемыми объектами. Необходимость согласований связана с тем, что при отсутствии надлежащих согласований будет неизбежно происходить невосполнимая ■ потеря . принимаемого от исследуемого объекта сигнала, .что, в конечном итоге, не позволит осуществлять акустотермометрические измерения с приемлемой для практических нужд- точностью.

При анализе электрического согласования преобразователя с усилителем, исходя из простых, однако отражающих основную физическую суть, моделей усилителя и пьезопреобразовэтеля, было показано, что наиболее подходящими материалами для

пьеэопреобразователей акустотермометров являются ниобат лития и танталит лития. Применение указанных материалов позволяет обеспечивать потери на электрическое согласование менее 0.001 Дб.

Не менее важным фактором, определяющим предельно достижимые параметры акустотермометров, является акустическое согласование -Важность акустического согласования при исследованиях биообъектов следует из большой разницы импедансов материала пьезопреобразователя (около Збооооо г/смас) и (около 150000 г/см2с) для биообъектов, при которой, без согласования, возникает существенное отражение - около 90Х, приводящее к потерям - м дБ. для компенсации которых необходимо увеличение времени интегрирования в ЮО раз, что, по- видимому, неприемлемо для большинства • . применений: В' действительности же, потери чувствительности .будут еще- большими из-за существенного- уменьшения при рассогласовании эффективной полосы частот принимаемых сигналов. . '

В наших"исследованиях при согласовании'акустотермометров, как правило,, использовалось два^слоя,^поскольку таким образом удается обеспечить большую, чем^ с одним слоем, широкополосность- Для - расчета использовалась одномерная модель, в результате оказалось, что для нагруженного и для . яенагруженного режимов наблюдается неплохое согласование экспериментальных . и теоретических результатов.

Таким образом, экспериментально показана и . теоретически подтверждена" возможность эффективного акустического согласования ' пьезопреобразователя акустотермометра с биообъектами в полосе частот, составляющей 60-70% от центральной частоты. Это позволило реализовать флуктуационную чувствительность около 0.3 °С при

12' ' времени интегрирования 5 с в акустотермометре непрерывного действия. Сравнение этого значения чувствительности (0.3 °) с теоретической оценкой предельно достижимой чувствительности ЛГ-0.15" (дт = та / т'тД!" при т=5 с, лгтоо кГц и то~300°, реализованных в эксперименте), указывает на наличие потерь в акустотермометре, составляющих в сумме около 3 Дб.

При исследовании ' пьеэопреобразователя. акустотермометра возникает возможность измерения потерь преобразования особым, специфичным для акустотермометра'. образом- Идея измерения основана на следствии флуктуационно-диссипационной теоремы, по которому. потери преобразования должны приводить к появлению дополнительного шума, который должен регистрироваться акустотермометром. Поскольку наиболее вероятным местом локализации потерь ' является пьезопреобразователь с согласующей системой, то должна наблюдаться прямо пропорциональная зависимость показаний акустотермометра от температуры преобразователя с согласующей системой, по величине которой и можно судить о величине потерь.

Для проверки этого был проведен эксперимент. В поле зрения преобразователя акустотермометра располагалось "черное" в акустическом смысле тело с постоянной температурой, а преобразователь с согласующей системой подвергался кратковременному нагреву на ~ 10°, при этом происходила регистрация показаний акустотермометра. Затем, иэ полученных данных вычиталась температура преобразователя с. коэффициентом "к", подбираемым по методу наименьшего среднеквадратичного отклонения полученной таким образом зависимости ог среднего значения. Расчет приводит к значению средних потерь 3.9 дБ. что близко к оценке потерь, подученных ранее (3 дБ) иэ сравнения достигнутой

чувствительности с предельно достижимой, что показывает возможность измерения качества пьезопреобразователей с согласующей системой путем регистрации чувствительности показаний акустотермометра к температуре преобразователя с согласующей системой.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена исследованию возможности получения. пространственных распределений источников некогерентного излучения с помощью корреляционной обработки шумовых сигналов.

Как известно из - работ . Бовена, акустотермометрические измерения позволяют получать температурные распределения • по глубине исследуемого объекта при использовании многоканальных акустотермометров, работающих на разных частотах и принимающих излучение, приходящее с разных глубин. Однако, оказалось, что технически это сложно'реализовать. В данной работе рассматривался одноканальный вариант акустотермометра, измеряющий интегральную температуру области объекта, попадающей в поле зрения преобразователя. Невозможность локализации -температуры внутри исследуемого объекта при таких измерениях существенно ограничивает практические применения акустотермометра. Тем не менее, регистрация . теплового излучения многозлементными

преобразователями, как оказалось, позволяет получать информацию о 3-х мерном пространственном распределении тепловых источников.

Известно, что стационарная картина интерференции неногерентного излучения наблюдается только , при условии малости разности хода интерферирующих лучей по сравнению с длиной когерентности излучения. Предлагаемая глава посвящена изложению основанного на этом явлении нового принципа получения информации о распределении в пространстве источников некогерентного излучения

электромагнитной, акустической .или ' какой-либо другой природы. Главным требованием к параметрам излучения для реализации - такого зондирования является цалость-длины когерентности Ц пй сравнению •с ■ требуемым пространственным разрешением" ¿г. В этом случае излучение, испускаемое различными (отстоящими друг от друга более чем на ¿г) точками .пространства .гиг, может считаться некоррелированным. •

Мгновенные амплитуды эмиссии источников излучения представим, для простоты, скалярной вещественной функцией Ы(?,г>. Пусть приемники излучения расположены в различны? точках пространства £

(1=1,2----и), не принадлежащие к области расположения источников-.

Тогда амплитуд^ излучения источников вблизи. чувствительного элемента 1-ого приемника будет определяться следующим выражением:

э. (г.) = Г Ы(г,г--—>--——-аэг

у V - |г-л I

При анализе сигналов с помощью корреляционной функции

второго порядка: * . ~ < .

со „

-оо ■ , * у

где т^ - задержка между 1.- м й о - м сигналами, оказалось, что значение корреляционной функции определяется источниками, располагающимися на гиперболической поверхности, разность хода от точек которой до приемников, расположенных в точках г. и.г., равна VI- Наличие "п" приемников, расположенных в различных • точках

' - П!

пространства, позволяет получить - .разных сочетаний

2(п-2)!

сигналов по 2, образующих систему уравнений, где искомой функцией является усредненное по времени распределение интенсивностей лоточников <Мг(?)>. Полученная система относится к типу уравнений

Фредгольма 1 - го рода * обтт, трудно поддающихся решению.

Эта трудность, как оказалось, может быть преодолена путем

изменения метода обработки принимаемых сигналов, а именно, с,

помощью замены корреляционного ■ интеграла 2 - го порядка на .

корреляционный интеграл 4 -го порядка-

00 __ ,

- ОО •

где'т1ут1)с'ти - времена задержки о, к-и'1 каналов относительно 1 - го - ' '

В зтои случае,^ при несовпадающих значениях положений . приемников г , 1\, гк,г^, ' значения корреляционной функции определяются источниками, находящимися на пересечении 3 -х гиперболических поверхностей,- параметры которых определяются задержками тд>т1к»ти_- "В простейшем случае . - пересечение трех гийерболических поверхностей представляет из1себя.одну точку, что приводит к следующему результату:, <ы*(?)> = кы-^д 1и?-?, |,

( (?-?. | + |г-?. 1|г-гк | + | ) ]С. .и'(т.к.та),

т-е- значение <Ы^Сг)> в любой точке"области, в которой расположены

источники,. определяется - ' корреляционной функцией

С1зк1<т1/т1*,ти), коэффициенты ., • определяются

чувствительностями а, к и 1 - -го каналов. Задавая различные

значения времен задержки • гм'т1к'ти > можно последовательно

просматривать точки исследуемой области пространства и получать.

тем самым, трехмерные пространственные распределения

интенсивностей источников • некогерентного излучения. В случае

п!

наличия более 4-х приемников возможно образование -

4!(п-4)!

изображений с разных точек зрения - при использовании различных

сочетаний сигналов з.(Ъ) по 4.

Для иллюстрации возможностей предложенного принципа отображения информации было проведено математическое моделирование процесса приема сигналов и воссоздания из них пространственного распределения интенсивности источников излучения, которое показало, что форма восстановленного распределения близка по форме к исходному распределению. Однако на восстановленном распределении заметно некоторое уширение, а также имеются шумы. Эти шумы, как показали вычисления, уменьшаются при' увеличении числа отсчетов И пропорционально 1 / у~ИГ. , _

Для проверки реализуемости предложенного принципа отображения информации было проведено экспериментальное исследование процесса получения пространственного распределения интенсивности источников акустического излучения. Эксперимент сортоял в приеме" с помощью четырех микрофонов акустических сигналов, излучаемых- динамическим громкоговорителем, возбуждаемым шумовым электрическим сигналом. Мощность возбуждения устанавливалась достаточной для -обеспечения в приемных каналах отношения сигнал Лиум., превышающего ю раз-Излучатель имел характерные размеры около 50 см- Полученное распределение имеет характер локализованного в пространстве максимума, по форме напоминающего эллипсоид. Максимальный размер сечений по уровню 0.5 от максимума, составил около 120 см. Анализ причин уширения наблюдаемого распределения показал, что, в основном, ухудшение пространственного разрешения,- как и в вычислительных экспериментах, связано с ограниченностью частотного спектра сигналов, что приводит к достаточно большим длинам когерентности принимаемых сигналов - Оценки показали, что в условиях эксперимента длина когерентности сигналов составляла

около 1 м, что близко к величине полученного пространственного разрешения.

Следует остановиться на одном существенном преимуществе, выделяющем представленный принцип отображения информации из известных. Преимущество состоит в достаточности 4-х приемников излучения для отображения в трехмерном пространстве распределений 5"ггочж!ков эмиссии с бользшм {» 4) количеством разрешаему-с элементов, в то время как известные принципы пассивного отображения информации, на одном аз которых основано, например, зрение требуют количества приемников, равного или превышающего необходимое количество разрешаемых элементов. Физической основой для такого отяичия является, по нашему мнению, то. что представленный принцип может реалиэовываться только на иекогерентних сигналах, не ккэкщих периода повторения, автокорреляционные функции которых имеют один максимум, в то время как известные принципы реализуются а с периодическими сигналами, автокорреляционные функции которых имеют периодический характер.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы применения акустотермометров для измерения температуры внутри различных объектов, включая биологические, а также их свойств.

Показана принципиальная возможность использования акустотерыометра для контроля температуры во время проведения сеансов лазерной гипертермии. Эксперименты заключались в регистрации акустотермометром лазерного нагрева при различной мощности, подводимой внутрь прямоугольного образца печени с помощью волоконного световода. Оценка точности определения температуры области объекта вблизи световода акустотермометром приЕела к значении " 5 °С при изменении температуры этой области

на " 100 °С.

Предложен метод измерения температуропроводности различных веществ, который состоит в регистрации кинетики изменения температуры внутри исследуемого объекта при заданном температурном воздействии на него. Реально это обеспечивается при контакте с исследуемым объектом акустотермометра, температура которого поддерживается постоянной. Если до контакта температуры исследуемого объекта и акустотермометра различались (обычно, примерно на Ю°С), то после контакта начинается релаксация, параметры которой определяются температуропроводностью исследуемого вещества его геометрическими размерами "L" и затуханием в исследуемом объекте ультразвука "а". Для определения из экспериментальных зависимостей был проведен теоретический расчет показаний акустотермометра во время установления равновесия при контакте с исследуемым объектом, представляющим из себя слой толщиной L. Значения температуропроводности, полученные с помощью этого метода, удовлетворительно согласуются с значениях®, полученными методами фоготермоакустики.

Продолжением исследований возможностей практического применения акустотермометра явились эксперименты с биообъектами. На основе этих исследований предложен метод измерения температуропроводности и параметр, характеризующий мощность тепловых источников внутри биологических объектов, допускающий использование IH vivo. На экспериментальном материале, полученном при использовании в качестве объекта исследования икроножной мышцы человека, иллюстрируются возможности метода, позволяющего также измерять величину акустического затухания в тканях биообъектов. Эксперименты проводились следующим образом: сначала

акустотермометр приводился в контакт с объектом исследования (икроножной мышцей человека), через некоторое время в поле зрения преобразователя акустотермометра вводился охладитель с противоположной ахустотермометру стороны ноги, причем, охладитель хорошо акустически согласовывался с объектом, а, следовательно, и с акустотермометром. В результате этого происходило быстрое (скачком) уменьшение показаний акустотермометра, вызванное акустической связью акустотермометра с охладителем. По величине возникающего скачка можно определить акустическое затухание в объекте. Далее, проводилась регистрация акустотермометром охлаждения объекта, после чего охладитель выводился из контакта, с объектом, что вызывало быстрое (скачком) увеличение показаний акустотермометра, и регистрировалось отогревание объекта. Кинетика изменения температуры живых тканей при термическом воздействии определяется не только процессами теплопроводности, но и внутренними процессами генерации (или поглощения) тепла, связанными с кровообращением и метаболизмом. По зависимостям показаний акустотермометра при охлаждении и отогревании объекта можно определить коэффициент температуропроводности и параметр, характеризующий мощность тепловых источников в исследуемом объекте.

В ЗАКЛЮЧЕНИЙ сформулированы основные результаты, полученные в данной работе, и приведен список работ, в которых эти результаты были опубликованы. В конце диссертации приведен единый список цитируемой литературы.

На основании полученных в диссертации результатов были сделаны следующие выводы:

I. На основе теоретического и экспериментального анализа

акустического согласования пьезопреобразователя со средой и электрического согласования с ггредусилителем* показано, что:

а) наиболее подходящими материалами для пьеэопреобразователей акустотермометров являются ниобат лития и танталат пития -

б) возможно обеспечить эффективное акустическое согласование пьезопреобразователя акустотермометра с биообъектами с. суммарными потерями менее 4 дБ в полосе частот. составляющей 60 - 70Ж от центральной частоты. В целом, это позволило реализовать флуктуационную чувствительность акустотермометра около 0.3" при времени интегрирования 5 с.

2. На основе анализа, зависимости показаний акустотермометра от температуры пьезопреобразователя предложен и экспериментально проверен способ измерения суммарных диссипативных потерь пьезопреобразователя вместе с согласующей системой. Полученные значения потерь удовлетворительно согласуются с результатами полученнми известным методом.

3. Предложен принцип и разработана теория получения информации томографического типа о пространственных распределениях источников эмиссии некогерентного излучения. Экспериментальная проверка показала возможность достижения таким образом трехмерного пространственнго разрешения, близкого к длине когерентности принимаемого акустического излучения.

4. На основе использования переменного во времени акустоэлектронного взаимодействия предложен модуляционный метод приема слабых акустических сигналов, что позволило разработать действующий макет модуляционного акустотермометра с высокой временной стабильностью работы, ориентированный на исследования биологических объектов, испытания показали возможность регистрации

с помощью такого прибора температуры внутри объектов, с флуктуационной чувствительностью около 0.8 ° С, при времени усреднения 30 с, что примерно ь 8 раз хуже теоретически предельно достижимой чувствительности. Основная причина рассогласования в недостаточно больших значения/. экустоэлектронного затухания, что связано с низкой частотой «»чг^ьзуе-мого ультразвукового диапазона - около J МГц.

5. Предложен ме*гэд ¡¡энергия iемперэтуропроводности веществ путем регистрации изменения температуры внутри исследуемого образца при его контакта •• эхуототермсметром. Эксперименты показали принципиальную пригодность метода для практических измерений.

6. Экспериментально показана и теоретически подтверждена принципиальная возможность использования акуетотермометрз для контроля температуры во время проведения сеансов лазерной гипертермии.

7. Предложен метод определения температуропроводности и интенсивности генерации энергии внутри биологических тканей (in vivo) на основе регистрации с помощью акустотермометра процесса распространения тепла внутри биологического объекта при тепловом воздействии на него. Полученные в процессе экспериментов данные по температуропроводности ткани икроножной мышцн удовлетворительно согласуются с литературными данными.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Gera3i¡r.ev V.V.. Mirgorodsky V.l.. rashin S.V.. Sabliiov V.A. "Meaeurir.« of Tberssal Diffuaivitv oi »aterial with Acoustzi.j?nx;ssezer''. Abstr. XXIII Gen. Asr.e»Wv 'Jr.Sl, 1'гадие-.

1990, p. 56.

2. Герасимов В.В., Гуляев Ю-В-, Миргородский В-И-, Пешин С-В-, Сабликов В.А. "Диагностика системы терморегуляции человека с помощью акустотермометра <нз примере исследования икроножной мышцы)". П Материалы конференции "Акуетозлектронные системы и компоненты".- Санкт-Петербург, 1993, с. 36-39.

3. Герасимов В.В., Гуляев Ю-В-, Миргородский В-Й-, Пешин С-В-, Сабликов В. А. "Диагностика системы терморегуляции человека с помощью акустотермометра 'на примере исследования икроножной мышцы)". Радиотехника и электроника. 1993, т. 38, вып. 10, стр. I904-I9II.

4. Hirgorodsby V.I.. Garasimov V.V.. Peshin S.V. "Three-dimensional ultrasonic imaging of temperature distributions". Acoustic ami Medicine. Ill Session. Russian Acoustical Society, Moscow, 1994, pp. 46-4?.

5. Gerasimov- V.V., Hirgoroask-,' V.I.. Pestiin S.V., et al. "The Employment of Acoustotlie-nsioiiieters aa baser-Induced Regional Hyperthermia Process Control Tool". Acoustic and Medicine. Ill Session. Russian Acoustical Society. Moscow, 1994, pp. 47-49.

6. Gerasiojov V.V., Mirgorodsky Y.I.. Peshin S.V. "Acoustical and Electrical Hatching in Aeoustotherraoiiieters". Acoustic and Medicine- 111 Session. Kussian Acoustical Society. Moscow. 1994. pp. 49-50.

7. Mirgorodsxy V.I., C-ierasimov- V.V. , Peshin S.V. "Three-dimensional ultrasonic imaging of tempera ture distributions". (Abstract ! J. Acousfc. Soc. Aeier., 1995, V.S7. Ho.5, Ft.2, P.3298.

8. Герасимов В.В., Миргородский В-И., Пешин С.В- 0 возможности достижения близких к предельным параметров акустотермометров. ЖТФ.

1995, т. 65, вып. 5, стр. 149-155.

9. Миргородский В-И-, Герасимов В.В., Еешин С-В. Исследование пространственного распределения источников некогерентного излучения с помощью корреляционной обработки. Письма в ЖЭТФ. 1995, т. 62, вып. 3 (принята к печати).

10. Миргородский В-И., Герасимов В.В., Пешин С.В. 0 возможности исследования пространственного распределения источников некогерент.-.;го излучения с помощью корреляционной обработки. ЖТФ (принята к печати).

Подписано в печать 21.07.1995г.

Формат 60x84/16. Объем 1,39 усл.п.л. Тираж 70 экз.

Ротапринт йРЭ РАН. Заказ №64.