автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Совмещение лазерной ультразвуковой и оптико-акустической томографии гетерогенных сред

005003567

Симонова Варвара Аркадьевна

СОВМЕЩЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ И ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕД

Специальность: 05.27.03 - квантовая электроника

2 4 НОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Шатура-2011

005003567

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН.

Научные руководители: академик РАН,

Панченко Владислав Яковлевич

доктор физико-математических наук, Карабутов Александр Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Гончуков Сергей Александрович

доктор физико-математических наук, Мансфельд Георгий Дмитриевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук

Институт общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Защита состоится «15» декабря 2011 года в 14^ часов на заседании диссертационного совета Д 002.126.01 в Институте проблем лазерных и информационных технологий РАН по адресу: 140700, Московская область, г. Шатура, ул. Святоозерская, д. 1, Круглый зал.

С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ИПЛИТ РАН по адресу: http://www.laser.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПЛИТ РАН.

Автореферат разослан «/£S> ноября 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.126.01 к.ф.-м.н., с.н.с.

Дубров В.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие методов исследования физических свойств и внутренней структуры неоднородных гетерогенных сред является важным аспектом многочисленных задач как фундаментального, так и прикладного характера. Среди них можно отметить разработку новых неинвазивных методов диагностики биологических объектов (например, обнаружение опухолей), исследование внутренних неоднородностей в тканях, неразрушающий контроль структуры материалов на различных стадиях процесса изготовления, а также неразрушающие исследования изменений структуры конструкционных материалов в процессе эксплуатации деталей и изделий из них.

Существует два основных подхода к проблеме диагностики и неразрушающего контроля веществ и материалов: получение изображения структуры объекта (в иностранной литературе этот метод получил название «imaging») и измерение определенных физических параметров объекта и установление связи этих параметров с исследуемыми свойствами или структурой объекта.

Общая тенденция развития современной науки и техники - переход к многофазным средам, системам с микро- и наноструктурной организацией, детальное исследование биологических сред - определяет все возрастающую потребность в разработке и усовершенствовании методов диагностики структуры таких материалов и сред. Среди этих методов существенную роль играют методы лазерной диагностики гетерогенных объектов. Данная работа посвящена исследованию совмещения функциональных возможностей двумерной оптико-акустической томографии и лазерной ультразвуковой томографии поглощающих и рассеивающих объектов.

Получение изображения внутренней структуры гетерогенных объектов традиционно осуществляется с использованием лазерных методов оптической диффузионной и когерентной томографии, оптоакустической (OA) томографии, ультразвукового исследования, электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа.

OA томография сочетает в себе преимущества оптической диффузионной томографии и диагностических ультразвуковых методов, то есть высокую контрастность получаемых изображений и высокое пространственное разрешение. Этот метод основан на термоупругом или оптико-акустическом эффекте [1]: при поглощении импульсного лазерного излучения в среде происходит ее нестационарный нагрев, что приводит, вследствие неоднородного теплового расширения среды, к генерации ультразвуковых импульсов.

OA томография применима к любой задаче, в которой требуется визуализация объекта, обладающего повышенным коэффициентом поглощения света по

отношению к окружающей среде. К таким задачам относится, например, визуализация кровеносных сосудов, так как кровь является основным хромофором в ближнем ИК диапазоне [2-4]. Повышенное содержание кровеносных сосудов характерно для злокачественных новообразований [3, 5, 6], поэтому лазерные методы позволяют проводить их обнаружение и диагностику. Эта задача особенно актуальна ввиду прогрессирующего роста числа раковых заболеваний в последние годы.

Основным преимуществом лазерных диагностических методов перед рентгеновскими, ультразвуковыми и магнитно-резонансными методами является высокая контрастность получаемых изображений, соответствующая контрасту поглощения света в здоровой и опухолевой тканях [6, 7]. Кроме того, оптические методы неинвазивны и не оказывают ионизирующего воздействия на организм человека.

Последнее время все большее применение находит лазерный ультразвуковой (ЛУ) метод диагностики, как для исследования самой структуры конструкционных материалов, так и ее изменений [8-10]. Однако метод лазерной ультразвуковой двумерной томографии, позволяющий получать двумерные изображения исследуемых объектов, в том числе биологических сред, до сих пор не применялся.

Схожие принципы регистрации и обработки сигналов в ОА и ЛУ методах наталкивают на идею их объединения с целью получения более полной и качественной картины исследуемого объекта.

Таким образом, целью диссертационной работы является совмещение функциональных возможностей двумерной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии поглощающих и рассеивающих объектов с использованием многоэлементной комбинированной фокусированной антенны, а также разработка методики расчета параметров такой антенны в случае заданных пространственных разрешений получаемых изображений.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка и апробация методики расчета геометрических параметров и характеристик комбинированной антенны на основе заданных значений пространственных разрешений получаемых изображений.

2. Получение аналитической зависимости пространственного разрешения, обеспечиваемого фокусированным пьезоэлектрическим приемным элементом при регистрации широкополосных оптико-акустических импульсов, от геометрических параметров приемной антенны, частотной полосы и ширины приемного элемента антенны.

3. Разработка и апробация метода лазерной ультразвуковой томографии для визуализации двумерных рассеивателей.

4

4. Создание экспериментального образца многоэлементной комбинированной антенны для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии для задач диагностики новообразований молочной железы человека на ранней стадии развития.

5. Экспериментальное исследование возможности совмещения оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана аналитическая методика расчета геометрических параметров и характеристик комбинированной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой фокусированной цилиндрической приемной антенны по заданным значениям пространственных разрешений получаемых изображений. Методика учитывает широкий спектр принимаемых ультразвуковых сигналов.

2. Численным моделированием исследовано влияние ширины приемного элемента, частотной полосы приемного элемента и размеров многоэлементной комбинированной цилиндрической фокусированной приемной антенны на поперечное пространственное разрешение получаемых изображений.

3. Продемонстрирована возможность экспериментального осуществления лазерной ультразвуковой томографии с высоким пространственным разрешением для диагностики модельных гетерогенных объектов.

4. Создана экспериментальная многоэлементная комбинированная антенна для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии, позволяющая получать изображения исследуемых объектов на большой глубине (до 5 см) с высоким пространственным разрешением (-0.1 мм).

Научная и практическая значимость работы:

1. Показано, что на основе заданных пространственных разрешений изображений, получаемых с помощью многоэлементных приемных антенн, можно заранее рассчитать геометрические параметры антенны (длину, ширину и толщину приемного элемента, углы раскрыва антенны в двух плоскостях, минимальное число приемных элементов, период следования элементов и полную длину антенны) и характеристики антенны (частотная полоса, зона обзора антенны). В ряде областей науки, техники и медицины, где могут быть использованы многоэлементные приемные антенны, и требуется знание зависимостей параметров изображений от параметров приемной антенны, предлагаемая методика расчета параметров цилиндрической многоэлементной фокусированной антенны может оказаться незаменимой.

2. Установлена простая аналитическая зависимость, связывающая поперечное пространственное разрешение, обеспечиваемое антенной, с геометрическими параметрами антенны и частотной полосой приема элемента. Использование установленной зависимости и разработанной методики значительно облегчает проектирование систем регистрации сигналов в оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии.

3. Экспериментально подтверждена применимость и перспективность использования лазерной ультразвуковой томографии, а также совмещенной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии для задач диагностики новообразований молочной железы человека на ранней стадии развития.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Геометрические параметры и характеристики широкополосной фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии однозначно определяются по заданным пространственным разрешениям получаемого изображения.

2. Поперечное разрешение Д= широкополосной фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии зависит от трех параметров: частотной полосы отдельного приемного элемента Д/, угла раскрыва антенны <р и ширины приемного элемента 2Ь0.

3. Комбинированная широкополосная фокусированная приемная антенна, позволяющая получать лазерные ультразвуковые и оптико-акустические изображения неоднородностей исследуемого объекта в режиме реального времени. Полученные с помощью созданной комбинированной системы изображения исследуемого объекта позволяют диагностировать неоднородность размерами Ах = 0.1 мм, Ду = 0.5 мм, Дг= 1 мм на глубине до 5 см.

Апробация результатов работы. Вошедшие в диссертацию материалы докладывались на всероссийских и международных конференциях: I международном симпозиуме по лазерному ультразвуку «Laser Ultrasonics 2008» (16-18 июля 2008 г., Монреаль, Канада), II международном симпозиуме по лазерному ультразвуку «Laser Ultrasonics 2010» (5-8 июля 2010 г., Бордо, Франция), Второй Всероссийской школе-семинаре «Современные достижения бионаноскопии» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (16-18

6

июня 2009 г., Москва), XVI международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2009» (13-18 апреля 2009 г., Москва), XVII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (12-15 апреля 2010 г., Москва), XVIII международной конференции по лазерной физике «Laser Physics Workshop» (LPHYS'09) (13-17 июля 2009 г., Барселона, Испания), XV международной конференции по фотоакустике «Photoacoustic and Photothermal Phenomena» (19-23 июля 2009 г., Левен, Бельгия), X международной конференции по лазерно-информационным технологиям «ILLA» (1822 июля 2009 г., Смолян, Болгария), III евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (21-26 июня 2010 г., Москва). Результаты исследований обсуждались на научных семинарах ИПЛИТ РАН (2011 г., Шатура).

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается проверочными численными и физическими экспериментами, а также соответствием результатов экспериментов априорной информации и теоретическим расчетам. Результаты диссертационной работы также неоднократно докладывались и подробно обсуждались на международных конференциях.

Личный вклад автора. Автор является непосредственным конструктором и разработчиком экспериментальной многоэлементной комбинированной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой фокусированной цилиндрической антенны. Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 11 научных публикациях (из них 3 статьи в научных рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 статьи в сборниках трудов конференций, 1 заявка на патент РФ, 5 тезисов конференций), список которых приведен в конце раздела.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, в первой из которых представлен подробный обзор применений оптико-акустического и лазерного ультразвукового методов диагностики гетерогенных объектов, а следующие три являются оригинальными, заключения и списка цитируемой литературы. Каждая оригинальная глава включает в себя короткое введение и выводы. Материал работы изложен на 140 страницах, включающих 53 иллюстрации. Список цитируемой литературы содержит 173 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели и задачи работы, обоснована актуальность исследуемой проблемы, обсуждается ее научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту, краткий обзор литературы, и дано краткое описание содержания работы по главам.

В первой главе приведен обзор литературы по применениям оптико-акустического и лазерного ультразвукового методов диагностики гетерогенных объектов. В работе рассмотрены известные в настоящее время методы генерации и регистрации ультразвуковых волн. При этом наиболее подробно рассмотрены лазерный и пьезоэлектрический методы, поскольку работа посвящена методам, основанным на лазерном возбуждении и пьезоэлектрической регистрации ультразвуковых волн. В работе описан тепловой механизм лазерного возбуждения ультразвуковых сигналов. Также приведен подробный обзор работ по оптико-акустическому и лазерному ультразвуковому методам диагностики, а также подробно рассмотрены преимущества и недостатки каждого из методов и особенности их совмещения.

Вторая глава посвящена оптимизации параметров фокусированной решетки широкополосных приемных элементов для конкретной задачи двумерной (20) ОА и ЛУ томографии и разработке методики расчета этих параметров на основе заданных значений пространственных разрешений изображений.

§2.1 посвящен оптимизации выбора материала пьезоэлектрического элемента приемной антенны. Рассмотрены основные критерии выбора пьезоэлектрического материала для приемного элемента. Для нерезонансного режима работы рассчитаны минимальный уровень обнаружимого давления и погонная емкость элемента приемной антенны (Таблица 1). По результатам проведенного анализа материалом приемных элементов фокусированной цилиндрической антенны выбран пьезоэлектрический полимер поливинилденфторид (ПВДФ) в режиме работы «холостого хода».

Таблица 1 Расчет значений основных характеристик пьезоэлектрических материалов приемных элементов (поливинилденфторид ПВДФ, цирконат-титанат свинца ЦТС-19)_

ЦТС-19 ПВДФ

Толщина элемента й, мкм менее 150 менее 105

Погонная емкость Ст, пФ/мм^ более 100 более 1.1

Минимальный уровень сигнала Па 3.3 1.8

Минимальный уровень сигнала рттП, Па 1.8 1.4

Геометрия рассматриваемой модели широкополосной фокусированной

§2.2-§2.3 посвящены методике аналитического расчета

геометрических параметров и характеристик широкополосной

фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии на основе заданных пространственных

разрешений изображения.

Акустическая часть методики базируется на использовании комбинации нескольких упрощений. Основная идея расчета частотной полосы элемента приемной решетки основана на том, что спектральная чувствительность отдельного

приемного элемента представляет собой гауссову функцию с характеристической частотой /0. Это оправдано проводимыми экспериментальными измерениями зависимости спектральной чувствительности пьезоэлектрического ПВДФ приемного элемента от частоты.

В данной работе при описании эволюции профиля ОА импульса в нелинейной диссипативной среде при ограниченных поперечных размерах пучка используется уравнение типа Хохлова-Заболотской-Кузнецова в параксиальном приближении. Одним из существенных упрощений при расчете углов раскрыва приемной антенны является переход от рассмотрения дифракции широкополосного сигнала к рассмотрению дифракции одной гармоники, соответствующей максимуму в спектральной чувствительности приемного элемента (Рис. 2, справа, тонкая кривая).

Аналитическая зависимость пространственного разрешения и глубины обзора от геометрических параметров и частотной полосы приемного элемента, с точностью до постоянного множителя, совпадает с известным выражением для поля монохроматического сферически фокусированного излучателя гармонических акустических волн. Точность такой аппроксимации может улучшаться при увеличении полосы приема и угла фокусировки антенны, тогда как максимальная погрешность составляет 6%. Это совпадение обусловлено тем, что если для большинства частотных составляющих широкополосного импульса длина дифракции значительно превышает радиус кривизны приемного элемента!,^/г»1, то

приемной антенны представлена на Рис. 1.

фокусированной антенны с поперечными приемными элементами: 2 ¿>0 - ширина приемного элемента; А - толщина приемного элемента; I - полная длина антенны; ¡р,в -углы раскрыва антенны в перпендикулярных

искажение волнового фронта, вызванное дифракцией, вблизи фокуса будет незначительным [11].

1,0

Амплитуда, отн. ед.

1,0

Амплитуда, отн. ед.

1,0

Амплитуда, отнсд.

-0,5

0,5

0,0

1,0

-0,5

0,5

0,0

0,6 0,4 0,2 0,0,

0,8

40,5 41,0 41,5 Время, мкс

40,5 41,0 41,5 Время, мкс

0

2 3 4 5 Частота, МГц

Рис. 2 ОА сигнал от точечного источника (слева); производная ОА сигнала, взятая с обратным знаком (по центру); спектральная переходная характеристика приемного элемента (справа, жирная кривая), частотный спектр зарегистрированного сигнала (справа, тонкая кривая), частотный спектр сигнала после обработки (справа, пунктирная кривая).

Методика расчета параметров антенны учитывает тот факт, что задачи излучения и приема в линейном режиме распространения волн аналогичны: размеры перетяжки в поле излучателя будут соответствовать области максимальной чувствительности, если тот же преобразователь используется в качестве приемника. Эквивалентность этих задач дает возможность сопоставить предельный угол приема антенны в плоскости фокусировки ХУ в и угол расходимости пучка в этой плоскости.

Пространственные разрешения приемной антенны определяются не только геометрией приемных элементов, но и их количеством и геометрией расположения в антенне. Основным фактором, ограничивающим апертурный угол раскрыва антенны (р в плоскости изображения XI, является первый критический угол перехода ультразвукового сигнала из иммерсионной жидкости в демпфирующую нагрузку, при этом учитывается, что источник ультразвуковых сигналов может располагаться в любой точке в пределах зоны обзора.

Определение необходимого количества приемных элементов антенны является сложной и неоднозначной задачей. В рассматриваемой цилиндрической геометрии решетки, увеличение числа приемных элементов при фиксированных апертурных углах приведет к уменьшению эффективной ширины приемного элемента, что приведет к уменьшению емкости элемента и возрастанию уровня шумов. Также следует иметь в виду, что при достаточно большом количестве приемных элементов необходимо обрабатывать большой поток информации в режиме реального времени, что также является сложной технической задачей. На основании анализа результатов численного расчета преобразования Радона обнаружено, что для обеспечения заданного пространственного разрешения изображения число приемных элементов решетки на полной длине окружности (полный угол 360°) должно соответствовать

числу пикселей изображения по радиусу Мра = Ии. Это соотношение дает возможность оценить минимальное число элементов в приемной антенне для задачи с неполными данными для обеспечения заданного пространственного разрешения

Дх 2 я

Разработанная методика также учитывает технические ограничения, накладываемые на электрическую емкость приемного элемента. Эти ограничения связаны с ограничением максимальной толщины пьезоэлектрической пленки. Для обеспечения нерезонансного режима работы приемного элемента или, другими словами, приема широкополосных ОА сигналов без частотных искажений в режиме

работы «холостого хода» приемного пьезоэлектрического элемента частота основного

£

толщинного резонанса пьезоэлектрического элемента /„, = ~ должна быть больше

верхней граничной частоты в спектре принимаемых сигналов.

Расчет параметров по предложенной методике проводится следующим образом. Задаются значения пространственных разрешений изображений Дх, Ау и Д2 по трем направлениям, а также скорости распространения звука в материалах демпфирующей нагрузки, иммерсионной жидкости и акустической линзы. Рассчитывается частотная полоса и максимальная толщина приемного элемента А. Затем производится расчет длины волны в максимуме спектральной чувствительности приемного элемента. Для этой длины волны последовательно рассчитываются: апертурный угол раскрыва отдельного приемного элемента в, глубина обзора ¡1, апертурный угол раскрыва антенны в плоскости изображения <р с учетом ограничения сверху, радиус кривизны приемного элемента г, радиус кривизны акустической линзы ^, апертурный угол раскрыва акустической линзы в,, полная длина антенны ¿, длина / и ширина 2Ь„ приемного элемента, а также

минимальное количество приемных элементов N.

В работе предложена оптимизация геометрии антенны. Приемные элементы удобнее изготавливать плоскими, фокусировку в этом случае будет осуществлять акустическая линза (Рис. 3).

Предложена геометрия цилиндрической фокусирующей акустической линзы с боковыми элементами и геометрия демпфирующей нагрузки в форме клина, которые позволяют отсечь из принимаемого временного профиля ультразвукового сигнала отражения от различных границ системы. В рассматриваемой задаче радиус кривизны фронта пучка до линзы совпадает с фокусным расстоянием линзы, а падающий фронт

является плоским. В этом случае радиус кривизны линзы определяется как

Приемный элемент

1 [рицмпмй элемент //

Акустическая ни г;а

\ / \ /

Фокус^

Фокус

Рис. 3 Схема фокусированного приемного элемента (слева) и схема плоского приемного элемента и фокусирующей акустической линзы (справа) в плоскости фокусировки ХУ.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям совмещения лазерной ультразвуковой и оптико-акустической томографии в комбинированной широкополосной антенне.

Проведены исследования теплофизических, механических свойств и эффективности оптико-акустического преобразования полимерных сред: полиэтилена, поливинилхлорида, полистирола, поликарбоната и полимерного материала с поглощающим красителем. Основными недостатками полиэтиленовых пленок является неконтролируемая разработчиком неравномерность коэффициента поглощения по объему пленки, которая сильно влияет на длительность возбуждаемых ОА сигналов, а также гладкость поверхности, которая практически исключает возможность осуществления склейки такой пленки с элементами приемной антенны. Образцы из поливинилхлорида обладают большой объемной пористостью, что в свою очередь, также гарантирует неравномерность коэффициента поглощения по объему пленки.

Образцы из полистирола обладают высокой эффективностью ОА генерации,

однако имеют низкий акустический импеданс (1.85-106 кг.), по сравнению с

см

акустическим импедансом используемой в работе ПВДФ пленки (3.7-106 кг ).

•• с-м

Образцы из поликарбоната, напротив, по сравнению с образцами из полистирола

обладают низкой эффективностью ОА генерации, однако лучше согласуются по

акустическому импедансу с используемой в работе ПВДФ пленкой (2.6-Ю6-^-). На

см

основе проведенных исследований в качестве среды генератора предложен полимерный материал на основе эпоксидной смолы с поглощающим красителем.

Такие образцы обладают высокой эффективностью генерации (Рис. 4), и акустический импеданс

такого материала (2.9-10й )

с-м

наиболее близок к акустическому импедансу используемой в работе ПВДФ пленки. Выбранный материал генератора позволяет возбуждать зондирующие ультразвуковые

импульсы длительностью до 30 не.

Проведенные исследования позволяют изготовить генератор с заранее заданными толщиной, коэффициентом поглощения и однородностью коэффициента

поглощения по объему генератора.

По предложенной в главе 2 методике рассчитаны параметры многоканальной широкополосной антенны для задачи диагностики новообразований молочной железы человека на ранней стадии (для значений пространственных разрешений Дх = 0.1 мм, Ду = 0.4 мм, Дг = 0.5 мм). Для такой задачи необходима диагностика опухолей в биологической ткани на глубине нескольких сантиметров.

Предложена модель комбинированной многоканальной широкополосной решетки для поставленной задачи ЛУ и ОА томографии новообразований молочной железы человека на ранней стадии.

На Рис. 5 (слева) показана схема разработанной многоканальной системы для лазерной ультразвуковой и оптико-акустической томографии. Она содержит: 1 -лазер; 2 - систему доставки лазерного излучения; 3 - блок питания; 4 -многоканальный аналого-цифровой преобразователь; 5 - систему обработки данных; 6 - приемную антенну.

Схема приемной антенны 6 (Рис. 5, справа) содержит: 8 - оптическую систему; 9 - звукопровод; 10 - оптико-акустический преобразователь (ОА генератор); 11-решетку приемных элементов; 12 - акустическую линзу; 13 - исследуемый объект; 14 - усилитель; 7, 15 - лазерное излучение.

Время /, мке

Рис. 4 Экспериментальные ОА сигналы, возбуждаемые различными генераторами (8 образцов полимерного материала на основе эпоксидной смолы с различными поглощающими красителями).

Рис. 5 Схема многоканальной системы для лазерной ультразвуковой и оптико-акустической

томографии (слева) и схема ее приемной антенны (справа).

Система работает следующим образом. В случае лазерной ультразвуковой томографии импульсы оптического излучения от лазера 7 поступают через оптическую систему 8, формирующую необходимый размер пучка, и звукопровод 9, прозрачный для оптического излучения 7, на ОА генератор 10, где за счет нестационарного теплового расширения происходит формирование широкополосного акустического импульса. Акустический сигнал от ОА генератора 10 распространяется к решетке приемных элементов 11 и регистрируется системой как опорный, после чего распространяется через акустическую фокусирующую линзу 12 к исследуемому объекту 13. Акустический импульс, распространяясь в исследуемом объекте, отражается и рассеивается от искомых неоднородностей и, пройдя обратно через акустическую фокусирующую линзу, регистрируется решеткой приемных элементов. Электрические сигналы с приемных элементов, пройдя усилитель 14, попадают на аналого-цифровой преобразователь 4. Для построения изображений используется компьютер, работающий в режиме реального времени.

В случае оптико-акустической томографии импульсы оптического излучения 15 поступают непосредственно на исследуемый объект 13. В результате поглощения лазерного излучения происходит нагрев и неоднородное расширение исследуемого объекта, что приводит к формированию акустических импульсов, которые аналогичным образом регистрируются решеткой приемных элементов 11.

Демпфирующая нагрузка в виде клина

Генератор

11сследусмый

Акустическая ишча

Рис. 6 Трехмерная модель экспериментального образца многоэлементной системы (слева) и схема расположения элементов в экспериментальном образце многоэлементной системы (справа).

На основе предложенной модели и по рассчитанным параметрам были созданы экспериментальные образцы комбинированной системы для ЛУ и ОА томографии (Рис. 6). Первый опытный образец состоял из 8 приемных элементов шириной 2 мм, второй-из 16 элементов шириной 1 мм.

§3.3-§3.6 посвящены проверке предложенной в главе 2 методики и описанных в главе 3 опытных образцов комбинированной системы для ЛУ и ОА томографии.

Численно и экспериментально рассчитаны карты чувствительности отдельного элемента описанной в главе 3 комбинированной системы (Рис. 7), которые позволяют определить поперечное

пространственное разрешение

изображения в плоскости ХУ Дуй величину зоны обзора с!.

Эти величины позволяют оценить направленность отдельного приемного элемента системы. Полученные численно и

экспериментально значения зоны обзора й и поперечного пространственного разрешения в плоскости фокусировки Ду для всех приемных элементов совпадают с рассчитанными по методике значениями в пределах 15%.

Рис. 7 Карта чувствительности фокальной области приемного элемента (сверху эксперимент, снизу - численный расчет) для опытного образца с 16 приемными элементами, шириной отдельного приемного элемента 2Ао = 1 мм, углом раскрыва элемента 24°, частотной полосой 9 МГц.

Численно и экспериментально получены функции передачи точки описанной в главе 3 комбинированной системы (Рис. 8). Функция передачи точки дает возможность определить продольное Дх и поперечное Дг пространственные разрешения в плоскости изображения XI антенны, так как размеры изображения будут соответствовать пространственным разрешениям антенны в плоскости изображения. Значения продольного пространственного разрешения Дх в плоскости изображения XI, полученные численно и экспериментально, совпадают между собой и со значением из методики в пределах 1%. Такое хорошее соответствие объясняется тем, что продольное пространственное разрешение определяется только частотной полосой приема антенны.

Рис. 8 Функция передачи точки по уровню 'Л от максимума для ОА метода (сверху эксперимент, снизу - численный расчет) для опытного образца с 8 приемными элементами, шириной отдельного приемного элемента 2Ьа = 2 мм, углом раскрыва антенны 43°.

3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

Дг/Дг ., отн. ед.

min

Численно ■ г = 35 мм □ /- = 43 мм • г = 47.1 мм О г s 50 мм

Ж

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2 К

2,5 3,0 , отн. ед.

Рис. 9 Зависимость нормированного поперечного

0.52с

разрешения tsz I -

Af sin q> / 2

ширины приемных элементов 2А0/-

от нормированной

0.52с„

Значения поперечного

пространственного разрешения Дг в плоскости изображения Х2, полученные численно и

экспериментально, совпадают

между собой в пределах 20%, однако превосходят значение из методики в несколько раз. Объяснения полученных различий экспериментальных значений

поперечного пространственного разрешения Дг в плоскости изображения XI со значениями из методики обсуждаются в главе 4.

Глава_4 посвящена

Д/" sin <р / 2

антенне, полученная численно (16 приемных элементов, частотная полоса приемного элемента 10 МГц).

цилиндрически фокусированной

численным исследованиям функции передачи точки многоэлементной антенны для задачи двумерной (20) ОА томографии. Для

многоэлементной антенны, состоящей из 16

широкополосных пьезоэлектрических приемных элементов, получены результаты численного моделирования зависимости поперечного разрешения Лг вдоль соответствующей оси в плоскости изображения от геометрических параметров антенны и частотной полосы отдельного приемного элемента.

Показано, что поперечное разрешение Лг многоэлементной цилиндрически фокусированной антенны зависит от трех параметров: частотной полосы отдельного приемного элемента Д/, угла раскрыва антенны <р и ширины приемного элемента 2Ьа. Зависимость поперечного разрешения антенны Лг от этих параметров приведена к безразмерному виду, а также предложена гладкая функция, аппроксимирующая эту зависимость (Рис. 9). Это позволяет оценивать поперечное разрешение, обеспечиваемое многоэлементной антенной при заданных геометрических параметрах антенны и частотной полосе отдельного приемного элемента. Также показано, что в случае восстановления изображения методом обратных проекций поперечное разрешение, обеспечиваемое многоэлементной антенной в 2й ОА томографии, не зависит от числа приемных элементов, их расположения и расстояния между ними.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана методика аналитического расчета геометрических параметров и характеристик широкополосной фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии на основе заданных пространственных разрешений изображения. Корректность методики подтверждают численные и экспериментальные карты фокальной области приемных элементов и функции передачи точки для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии.

2. Показано, что поперечное разрешение Лг многоэлементной цилиндрически фокусированной антенны для задач оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии зависит от трех параметров: частотной полосы отдельного приемного элемента Д/, угла раскрыва антенны <р и ширины приемного элемента 260. Зависимость поперечного разрешения антенны Лг от этих параметров приведена к безразмерному виду, а также предложена гладкая функция, аппроксимирующая эту зависимость. Это позволяет оценивать поперечное разрешение, обеспечиваемое многоэлементной антенной при заданных геометрических параметрах антенны и частотной полосе отдельного приемного элемента

3. Создана многоканальная комбинированная система для задач оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии новообразований молочной железы человека на ранней стадии (продольное пространственное

17

разрешение Лх = 0.1 мм, размер исследуемой области d =20 мм). Опытные образцы комбинированной системы состояли из 8 и 16 приемных элементов. Пьезоэлектрические приемные элементы представляют собой полосы ПВДФ толщиной 0.11 мм и шириной 1 мм и 2 мм (для разных образцов), и расположены на плоскости с шагом 1 мм. Фокусировку осуществляет акустической линза, выполненной из оргстекла, с углом раскрыва 51° и радиусом кривизны 20.6 мм.

4. Комбинированная система позволяет диагностировать неоднородности размерами Д* = 0.1 мм, Ду= 0.5 мм, Дг= 1 мм в биологических средах на глубине до 5 см.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Симонова В.А., Хохлова Т.Д., Карабутов А.А. Широкополосная фокусирующая многоэлементная антенна для оптико-акустической томографии // Акустический журнал, 2009, том 55, № 6, с. 1-7.

2. Симонова В.А., Саватеева Е.В., Карабутов А.А. Новая комбинированная антенна для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии // ВМУ. Серия 3. Физика, 2009, № 4, с. 35-37.

3. Симонова В.А., Пеливанов И.М., Панченко В.Я., Карабутов А.А. Поперечное пространственного разрешение многоэлементной антенны для оптико-акустической томографии // Акустический журнал, 2010, том 56, № 5, с. 693-698.

4. Pelivanov I.M., Simonova V.A., Khokhlova T.D., Karabutov А.А. Point spread function of the array transducers in 2D optoacoustic tomography // Proc. of SPIE, 2010, v. 7564, pp. 756428-1-12.

5. Simonova V.A., Karabutov A.A., Khokhlova T.D. // Proc. of 1st International Symposium on Laser Ultrasonics, 2008, Montreal, Canada.

6. Pelivanov I., Khokhlova Т., Simonova V., Podolsky A., Karabutov A. Point spread function of the limited-view array transducers in optoacoustic tomography: numerical and experimental studies // J. Acoust. Soc. Am., 2008, vol. 5, no. 123, p. 3640.

7. Симонова B.A. Широкополосная фокусированная многоэлементная антенна для оптико-акустической томографии // XVI международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2009». Секция «Физика». Сборник тезисов, М.: Физический факультет МГУ, 2009, с. 13-14.

8. Simonova V.A., Savateeva E.V., Panchenko V.Ya., Karabutov А.А. Novel combined laser-ultrasonic and optoacoustic focused transducer array // 18th International Laser

Physics Workshop (LPHYS'09) (July 13-17, 2009, Barcelona, Spain). Technical Digest, (2009).

9. Симонова B.A. Комбинированная многоканальная система: особенности совмещения оптико-акустической и лазерной-ультразвуковой томографии // XVII международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2010». Секция «Физика». Сборник тезисов, М.: Физический факультет МГУ, 2010, с. 2358-1-2.

Ю.Симонова В.А., Панченко В.Я., Кудинов И.А., Карабутов А.А. Особенности совмещения оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии в многоканальной диагностической системе // III Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии "Медицинская Физика - 2010", Сборник материалов, 2010.

11. Карабутов А.А., Симонова В.А. Способ лазерной оптико-акустической томографии и устройство для его реализации // Заявка на Патент РФ № 2011107788 от 28.02.2011.

Список цитируемой литературы:

1. Гусев В.Е., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика-М.: Наука, 1991.-278 с.

2. Duck F.A. Physical properties of tissue. A comprehensive reference book. - London, San Diego, N.-Y., Boston: Academic Press, 1990. - 346 p.

3. Durduran Т., Choe R., Culver J.P., Zubkov L., Holboke M.J., Giammarco J., Chance В., Yodh A.J. Bulk optical properties of healthy female breast tissue // Phys. Med. Biol., 2002, vol. 47, pp. 2847-2861.

4. Young A.R. Chromophores in human skin // Phys. Med. Biol., 1997, vol. 42, pp. 789-802.

5. Pass L. Imaging and cancer: A review // Molecular Oncology, 2008, vol. 2, pp. 115-152.

6. van Veen R.L.P., Sterenborg H.J.C.M., Marinelli A.W.K.S., Menke-Pluymers M. Intraoperatively assessed optical properties of malignant and healthy breast tissue used to determine the optimum wavelength of contrast for optical mammography // J. Biomed. Opt., 2004, vol. 9(1), pp. 129-1136.

7. Оптическая биомедицинская диагностика / Пер. с англ. под ред. Тучина В.В., том 1 - М.: Физматлит, 2007. - 560 с.

8. Kozhushko V.V., Hess P. Laser-induced focused ultrasound for nondestructive testing and evaluation И J. Appl. Phys., 2008, vol. 103, pp. 124902-1-9.

9. Kalms M., Focke 0., Kopylow C. Applications of laser ultrasound NDT methods on composite structures in aerospace industry // Proc. of SPIE, 2008, vol. 7155, PP-71550E-1-11.

10.Blouin A., Choquet M., Levesque D., Moreau A., Monchalin J.-P. Laser ultrasonics: a new tool for the industry // Proc. of SPIE, 2000, vol. 4087, pp. 1106-1117.

1 l.Khokhlova T.D., Pelivanov I.M., Karabutov A.A. Optoacoustic tomography utilizing focused transducers: the resolution study // App. Phys. Lett., 2008, vol. 94, pp. 024105-1-3.

Подписано в печать: 11.11.2011 Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 120 экз. Заказ № 538 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, Страстной бульвар, д. 6,стр. 1 (495) 978-43-34; www.reglet.ru

Оглавление

Введение

Глава 1. Применения оптико-акустического и лазерного ультразвукового методов для диагностики гетерогенных объектов.

§1.1. Методы возбуждения ультразвуковых волн.

§ 1.2. Тепловой механизм лазерного возбуждения ультразвуковых волн.

§1.3. Методы регистрации ультразвуковых волн.

§ 1.4. Методы оптико-акустической томографии. Обзор литературы.

§ 1.5. Методы лазерной ультразвуковой диагностики. Обзор литературы.

§1.6. Совмещение нескольких методов диагностики в одной системе: различия, преимущества и недостатки.

§ 1.7. Принципы конструирования приемных антенн и решеток.

Глава 2. Оптимизация параметров фокусированной решетки широкополосных приемных элементов для конкретной задачи двумерной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии (теоретические оценки).

§2.1. Оптимизация выбора пьезоэлектрического материала для приемного элемента решетки.

§2.2. Рассматриваемая модель приемной антенны и пространственные разрешения получаемых изображений.

§2.3. Теоретический расчет геометрических параметров и характеристик приемной решетки.

§2.4. Теоретический расчет параметров акустической части приемной системы

§2.5. Теоретический расчет параметров оптической части приемной системы.

§2.6. Выводы главы 2.

Глава 3. Совмещение оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии в комбинированной широкополосной антенне (результаты экспериментальных исследований).

§3.1. Исследование возможности использования полимерных материалов в качестве оптико-акустических преобразователей для лазерной ультразвуковой томографии.

§3.2. Экспериментальная многоканальная широкополосная система для оптикоакустической и лазерной ультразвуковой томографии.

§3.3. Численный расчет карты чувствительности фокальной области широкополосного приемного элемента.

§3.4. Экспериментальное измерение карты чувствительности фокальной области широкополосного приемного элемента.

§3.5. Численные и экспериментальные оптико-акустические изображения точечного источника.

§3.6. Численные и экспериментальные лазерные ультразвуковые изображения точечного источника.

§3.7. Выводы главы 3.

Глава 4. Численные исследования функции передачи точки для задачи двумерной оптико-акустической томографии.

§4.1. Рассматриваемая модель приемной антенны для численного моделирования функции передачи точки.

§4.2. Исследование влияния апертурного угла раскрыва антенны ср на поперечное пространственное разрешение в плоскости изображения Az.

§4.3. Исследование влияния ширины приемного элемента 2Ь0 на поперечное пространственное разрешение в плоскости изображения Az.

§4.4. Исследование влияния числа приемных элементов N на поперечное пространственное разрешение в плоскости изображения Az.

§4.5. Результаты численных исследований функции передачи точки.

§4.6. Выводы главы 4.

Развитие методов исследования физических свойств и внутренней структуры неоднородных гетерогенных сред является важным аспектом многочисленны^ задач как фундаментального, так и прикладного характера. Среди них можно отметить разработку новых неинвазивных методов диагностики биологических объектов (например, обнаружение опухолей), исследование внутренних неоднородностей в тканях, неразрушающий контроль структуры материалов на различных стадиях процесса изготовления, а также неразрушающие исследования, изменений . структуры конструкционных материалов в процессе эксплуатации деталей и изделий из них.

Существует два основных подхода к проблеме диагностики; и неразрУшаЮ1Цег0 контроля веществ и материалов: получение изображения структуры объекта (в иностранной литературе этот метод получил название «imaging») . и, измерение определенных физических параметров объекта и установление связи этих параметров - с исследуемыми свойствами или структурой объекта.

Общая тенденция развития современной науки и техники - переход к многофазным средам, системам с микро- и наноструктурной организацией, детальное исследование биологических сред - определяет все возрастающую потребность в разработке и усовершенствовании методов диагностики структуры таких материалов и сред. Среди этих методов существенную роль играют методы лазерной диагностики гетерогенных объектов. Данная работа посвящена исследованию совмещения функциональных возможностей двумерной оптико-акустической томографии и лазерной ультразвуковой томографии поглощающих и рассеивающих объектов.

Получение изображения внутренней структуры гетерогенных объектов традиционно осуществляется с использованием лазерных, методов септической диффузионной и когерентной томографии, оптоакустической (OA) томографии, ультразвукового исследования, электронной микроскопии и рентгеносг|рУ1СГУРного анализа.

OA томография сочетает в себе преимущества оптической дис]><3?Узиошюи томографии и диагностических ультразвуковых методов, то есть высокую конгтрастность получаемых изображений и высокое пространственное разрешение. Этот метод основан на термоупругом или оптико-акустическом эффекте [1]: при поглощении шу^спульсного лазерного излучения в среде происходит ее нестационарный нагрев, что приводит, вследствие неоднородного теплового расширения среды, к генерации ультразвуковых импульсов.

ОА томография применима к любой задаче, в которой требуется визуализация объекта, обладающего повышенным коэффициентом поглощения света по отношению к окружающей среде. К таким задачам относится, например, визуализация кровеносных сосудов, так как кровь является основным хромофором в ближнем ИК диапазоне [2-4]. Повышенное содержание кровеносных сосудов характерно для злокачественных новообразований [3, 5, 6], поэтому лазерные методы позволяют проводить их обнаружение • и диагностику. Эта задача* особенно актуальна ввиду прогрессирующего роста числа раковых заболеваний в последние годы.

Основным преимуществом, лазерных диагностических методов перед рентгеновскими, ультразвуковыми и магнитно-резонансными является высокая контрастность получаемых изображений, соответствующая контрасту поглощения света в здоровой и опухолевой тканях [6, 7]. Кроме того, оптические методы неинвазивны и не оказывают ионизирующего воздействия на организм человека.

Последнее время все большее применение находит лазерный ультразвуковой (ЛУ) метод диагностики, как для исследования самой структуры конструкционных материалов, так и ее изменений [8-10]. Однако метод лазерной ультразвуковой двумерной томографии, позволяющий получать двумерные изображения исследуемых объектов, в том числе биологических сред, до сих пор не применялся.

Схожие принципы регистрации и обработки сигналов в ОА и ЛУ методах наталкивают на идею их объединения с целью получения более полной и качественной картины исследуемого объекта.

Цели и задачи диссертационной работы

Основной целью диссертационной работы является совмещение функциональных возможностей двумерной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии поглощающих и рассеивающих объектов с использованием многоэлементной комбинированной фокусированной антенны, а также разработка методики расчета параметров такой антенны в случае заданных пространственных разрешений получаемых изображений.

В соответствии с заявленной целью были сформулированы и решены следующие практически значимые задачи:

Разработка и апробация методики расчета геометрических параметров и характеристик комбинированной антенны на основе заданных значений пространственных разрешений получаемых изображений.

Получение аналитической зависимости пространственного разрешения, обеспечиваемого фокусированным пьезоэлектрическим приемным элементом при регистрации широкополосных оптико-акустических импульсов, от геометрических параметров приемной антенны, частотной полосы и. ширины приемного элемента антенны.

Разработка иг апробация' метода лазерной ультразвуковой томографии для визуализации двумерных рассеивателей.

Создание экспериментального образца многоэлементной комбинированной; антенны для; оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии для задач диагностики новообразований молочной железы-человека на ранней стадии развития.

Экспериментальное исследование возможности совмещения оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии;

Научная,новизна работы

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в следующем: Разработана аналитическая методика расчета геометрических параметров и характеристик комбинированной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой фокусированной цилиндрической приемной антенны по заданным значениям пространственных разрешений получаемых изображений. Методика учитывает широкий спектр принимаемых ультразвуковых сигналов.

Численным моделированием исследовано влияние ширины приемного элемента, частотной полосы, приемного элемента и размеров многоэлементной комбинированной цилиндрической фокусированной приемной антенны на поперечное пространственное разрешение получаемых изображений. Продемонстрирована возможность экспериментального осуществления лазерной ультразвуковой томографии с высоким пространственным разрешением для диагностики модельных гетерогенных объектов.

Создана экспериментальная многоэлементная комбинированная антенна для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии, позволяющая получать изображения исследуемых объектов на большой глубине (до 5 см) с высоким пространственным разрешением (~0.1 мм).

Научная и практическая значимость работы:

1. Показано, что на основе заданных пространственных разрешений изображении, получаемых с помощью многоэлементных приемных антенн, можно заранее рассчитать геометрические параметры антенны (длину, ширину и толщину приемного элемента, углы раскрыва антенны в двух плоскостях, минимальное число приемных элементов, период следования элементов и полную длину антенны) и характеристики антенны (частотная полоса, зона обзора антенны). В ряде областей науки, техники и медицины, где могут быть использованы многоэлементные приемные антенны и требуется знание зависимостей параметров изображений от параметров приемной антенны, предлагаемая методика расчета параметров цилиндрической многоэлементной фокусированной антенны может оказаться незаменимой.

2. Установлена простая аналитическая зависимость, связывающая поперечное пространственное разрешение, обеспечиваемое антенной, с геометрическими параметрами антенны и частотной полосой приема элемента. Использование установленной зависимости и разработанной методики значительно облегчает проектирование систем регистрации сигналов в оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии.

3. Экспериментально подтверждена применимость и перспективность использования лазерной ультразвуковой томографии, а также совмещенной оптико-акустическои и лазерной ультразвуковой томографии для задач диагностики новообразований молочной железы человека на ранней стадии развития.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Геометрические параметры и характеристики широкополосной фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии однозначно определяются по заданным пространственным разрешениям получаемого изображения.

2. Поперечное разрешение Ьг широкополосной фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии зависит от трех параметров: частотной полосы отдельного приемного элемента Д/, угла раскрыва антенны (р и ширины приемного элемента 2Ь0 7

3. Комбинированная широкополосная фокусированная приемная антенна, позволяющая получать лазерные ультразвуковые и оптико-акустические изображения неоднородностей исследуемого объекта в режиме реального времени. Полученные с помощью созданной комбинированной системы изображения исследуемого объекта позволяют диагностировать неоднородность размерами Дх = 0.1 мм, Ду = 0.5 мм, Az = 1 мм на глубине до 5 см.

Апробация результатов работы

Вошедшие в диссертацию материалы докладывались на всероссийских и международных конференциях: I международном симпозиуме по лазерному ультразвуку «Laser Ultrasonics 2008» (16-18 июля 2008 г., Монреаль, Канада), II международном симпозиуме по лазерному ультразвуку «Laser Ultrasonics 2010» (5-8 июля 2010 г., Бордо, Франция), Второй Всероссийской школе-семинаре «Современные достижения бионаноскопии» в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (16-18 июня 2009 г., Москва), XVI международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2009» (13-18 апреля 2009 г., Москва), XVII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (12-15 апреля 2010 г., Москва), XVIII международной конференции по лазерной физике «Laser Physics Workshop» (LPHYS'09) (13-17 июля 2009 г., Барселона, Испания), XV международной конференции по фотоакустике «Photoacoustic and Photothermal Phenomena» (19-23 июля 2009 г., Левен, Бельгия), X международной конференции по лазерно-информационным технологиям «ILLA» (18-22 июля 2009 г., Смолян, Болгария), III евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2010» (21-26 июня 2010 г., Москва). Результаты исследований обсуждались на научных семинарах ИПЛИТ РАН (2011 г., Шатура).

Достоверность

Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается проверочными численными и физическими экспериментами, а также соответствием результатов экспериментов априорной информации и теоретическим расчетам. Результаты диссертационной работы также неоднократно докладывались и подробно обсуждались на международных конференциях.

Личный вклад автора

Автор является непосредственным конструктором и разработчиком экспериментальной многоэлементной комбинированной оптико-акустической и лазерной ультразвуковой фокусированной цилиндрической антенны. Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Публикации

Основные результаты диссертации изложены в 11 научных публикациях (из них 3 статьи в научных рецензируемых журналах из списка ВАК, 2 статьи в сборниках трудов конференций, 1 заявка на патент, 5 тезисов конференций), список которых приведен в конце раздела.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, в первой из которых представлен подробный обзор применений оптико-акустического и лазерного ультразвукового методов диагностики гетерогенных объектов, а следующие три являются оригинальными, заключения и списка цитируемой литературы. Каждая оригинальная глава включает в себя короткое введение и выводы. Материал работы изложен на 140 страницах, включающих 53 иллюстрации. Список цитируемой литературы содержит 173 наименования.

§4.6. Выводы главы 4

1. Проведено исследование функции передачи точки многоэлементной антенны, использующейся для различных проблем 2Б ОА томографии. Рассмотрена цилиндрически фокусированная многоэлементная антенна, состоящая из широкополосных пьезоэлектрических приемных элементов.

2. Получены результаты численного моделирования зависимости поперечного разрешения Аг вдоль соответствующей оси в плоскости изображения от геометрических параметров антенны и частотной полосы отдельного приемного элемента.

3. Численным моделированием функции передачи точки антенны показано, что поперечное разрешение Аг многоэлементной цилиндрически фокусированной антенны зависит от трех параметров: частотной полосы отдельного приемного элемента Д/, угла раскрыва антенны ср и ширины приемного элемента 2Ь0.

123

4. Для случая бесконечно малой ширины отдельного приемного элемента, поперечное разрешение Аг соответствует поперечному разрешению Лу, полученному для тех же параметров с точностью до замены угла 0 на ср.

5. Зависимость поперечного разрешения антенны Дг от этих параметров приведена к безразмерному виду, а также предложена гладкая функция, аппроксимирующая эту зависимость. Это позволяет оценивать поперечное разрешение, обеспечиваемое многоэлементной антенной при определенных геометрических параметрах антенны и частотной полосе отдельного приемного элемента.

6. Показано, что в случае восстановления изображения методом обратных проекций поперечное разрешение, обеспечиваемое многоэлементной антенной в 2И ОА томографии, не зависит от числа приемных элементов, их расположения и расстояния между ними.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика аналитического расчета геометрических параметров и характеристик широкополосной фокусированной приемной антенны цилиндрической геометрии на основе заданных пространственных разрешений изображения. Корректность методики подтверждает соответствие численных и экспериментальных карт фокальных областей приемных элементов и функций передачи точки для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии.

2. Показано, что поперечное разрешение Аг многоэлементной цилиндрически фокусированной антенны для задач оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии зависит от трех параметров: частотной полосы отдельного приемного элемента А/, угла раскрыва антенны (р и ширины приемного элемента 2Ь0. Зависимость поперечного разрешения антенны Аг от этих параметров приведена к безразмерному виду, а также предложена гладкая функция, аппроксимирующая эту зависимость. Это позволяет оценивать поперечное разрешение, обеспечиваемое многоэлементной антенной при заданных геометрических параметрах антенны и частотной полосе отдельного приемного элемента.

3. Создана многоканальная комбинированная система для задач оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии новообразований молочной железы человека на ранней стадии (продольное пространственное разрешение Ах = 0.1 мм, размер исследуемой области ¿/=20 мм). Опытные образцы комбинированной системы состояли из 8 и 16 приемных элементов. Пьезоэлектрические приемные элементы представляют собой полосы ПВДФ толщиной 0.11 мм и шириной 1 мм и 2 мм (для разных образцов) и расположены на плоскости с шагом 1 мм. Фокусировку осуществляет акустическая линза, выполненная из оргстекла, с углом раскрыва 51° и радиусом кривизны 20.6 мм.

4. Комбинированная система позволяет диагностировать неоднородность размерами Ах = 0.1 мм, Ду = 0.5 мм, Аг — 1 мм в биологических средах на глубине до 5 см.

В заключение считаю своей приятной обязанностью выразить глубокую благодарность и признательность Александру Алексеевичу Карабутову и Владиславу Яковлевичу Панченко за неоценимую помощь в осуществлении моей научной деятельности, за интересные задачи, идеи, полезные советы и всестороннюю поддержку.

Я также искренне благодарна Игорю Александровичу Кудинову, который помогал в сборке и тестировании электронной части системы, и Виталию Ивановичу Соустину за исполнение всех конструкционных деталей корпуса этой системы.

Большое спасибо всем сотрудникам лаборатории лазерной оптоакустики за ценные обсуждения и рекомендации, а также за оказанное внимание и поддержку в сложных жизненных и рабочих ситуациях. Отдельно хочу выразить благодарность замечательным студентам и аспирантам лаборатории оптоакустики за теплую дружескую атмосферу, в которой очень приятно работать.

В заключение хотелось бы поблагодарить моего мужа за искреннюю любовь к оптоакустике, терпение и поддержку, без него эта работа вряд ли была бы доведена до конца.

1. Гусев В.Е., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика М.: Наука, 1991. - 278 с.

2. Duck F.A. Physical properties of tissue. A comprehensive reference book. London, San Diego, N.-Y., Boston: Academic Press, 1990. - 346 p.

3. Durduran Т., Choe R., Culver J.P., Zubkov L., Ilolboke M.J., Giammarco J., Chance В., Yodh A.J. Bulk optical properties of healthy female breast tissue // Phys. Med. Biol., 2002, vol. 47, pp. 2847-2861.

4. Young A.R. Chromophores in human skin // Phys. Med. Biol., 1997, vol. 42, pp. 789-802.

5. Оптическая биомедицинская диагностика / Пер. с англ. под ред. Тучина В.В., том 1 М.: Физматлит, 2007. - 560 с.

6. Kozhushko V.V., Hess P. Laser-induced focused ultrasound for nondestructive testing and evaluation // J. Appl. Phys., 2008, vol. 103, pp. 124902-1-9.

7. Kalms M., Focke O., Kopylow C. Applications of laser ultrasound NDT methods on composite structures in aerospace industry // Proc. of SPIE, 2008, vol. 7155, pp. 71550E-1-11.

8. Blouin A.,Choquet M., Levesque D., Moreau A.,Monchalin J.-P. Laser ultrasonics: a new tool for the industry // Proc. of SPIE, 2000, vol. 4087, pp. 1106-1117.

9. Khokhlova T.D., Pelivanov I.M., Karabutov A.A. Optoacoustic tomography utilizing focused transducers: the resolution study // App. Phys. Lett., 2008, vol. 94, pp. 024105-1-3.

10. Ультразвук в медицине. Физические основы применения / Под ред. Хилла К., Бэмбера Дж., тер Хаар Г. Пер. с англ. под ред. Гаврилова Л.Р., Хохловой В.А., Сапожникова О.А. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 544 с.

11. Балдев Р., Раджендран В., Паланичами П. Применения ультразвука М.: Техносфера, 2006. - 576 с.

12. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / Пер. с нем. под ред. Григорьева B.C. и Розенберга Л.Д. М.: Издательство Иностранной Литературы, 1957.-727 с.

13. Физическая акустика. Методы и приборы ультразвуковых исследований под ред. У. Мэзона. / Пер. с англ., т. 1, ч. А. М.: Мир, 1966. - 592 с.

14. Ультразвуковые преобразователи под ред. Е. Кикучи, пер. с англ. М.: Мир, 1972.-425 с.

15. Bell A.G. Production of sound by light // American J. of Science, 1880, vol. 20, pp. 305.

16. White R.M. Elastic wave generation by electron bombardment or electromagnetic wave absorption // J. Appl. Phys., 1963, vol. 34 (7), pp. 2123-2124.

17. Аскарьян Г.А., Прохоров A.M., Чантурия Г.Ф., Шипуло Г.П. Луч оптического квантового генератора в жидкости // ЖЭТФ, 1963, т. 44, №6, с. 2180-2182.

18. Carome E.F., Clark N.A., Moeller С.Е. Generation of acoustic signals in liquids by ruby laser-induced thermal stress transients // Appl. Phys. Lett., 1964, vol. 4 (6), pp. 95-97.

19. Hutchins D.A., Dewhurst R.J., Palmer S.B. Mechanisms of laser-generated ultrasound by directivity pattern measurements // Proc. of Ultrasonics Intern., 1981, vol. 81, pp. 20-25.

20. Aussel J.D., Le Brun A., Baboux J.C. Generating acoustic waves by laser: theoretical and experimental study of the emission source // Ultrasonics, 1988, vol. 26, pp. 245-255.

21. Bernstein J.R., Spicer J.B. Hybrid laser/broadband EMAT ultrasonic system for characterizing cracks in metals // J. Acoust. Soc. Am., 2002, vol. Ill (4), pp. 1685-1691.

22. Бункин Ф.В., Комиссаров B.M. Оптическое возбуждение звуковых волн // Акустический журнал, 1973, т. 19, №3, с. 306 320.

23. Лямшев Л.М. Оптико-акустические источники звука // УФН, 1981, т. 135, в. 4, с. 637-669.

24. Карабутов А.А. Лазерное возбуждение поверхностных акустических волн: новое направление в оптико-акустической спектроскопии твердого тела // УФН, 1985, т. 147, №3, с. 605-620.

25. Patel C.K.N., Tam А.С. Pulsed optoacoustic spectroscopy of condensed matter // Rev. Mod. Phys., 1981, vol. 53, pp. 517-550.

26. Rosencwaig A. Photoacoustics and photoacoustic spectroscopy. — New York: Wiley and Sons, 1980.-309 p.

27. Rosencwaig A., Gersho A. Theory of photoacoustic effect with solids // J. Appl. Phys., 1976, vol. 47(1), pp. 64-69.

28. Оптико-акустический метод в лазерной спектроскопии молекулярных газов. / Под ред. Макушкина Ю.С. Новосибирск: Наука, 1984. - 128 с.

29. Агеев Б.Г., Пономарев Ю.Н., Тихомиров Б.А. Нелинейная оптико-акустическая спектроскопия молекулярных газов. — Новосибирск: Наука, 1984. — 128 с.

30. Патент Соколов С.Я. Способ и устройство для испытания металлов Авт. Свид. СССР №23246, 1928 г.

31. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. / Глав. ред. Голямина И.П. — М.: Советская* энциклопедия, 1979. 400 с.

32. Oraevsky А.А., Karabutov А.А. Ultimate sensitivity of time-resolved opto-acoustic detection // Proc. of SPIE, 2000, vol. 3916, pp. 1-12.

33. Бэйли M.P., Хохлова B.A., Сапожников O.A., Каргл С.Г., Крам JI.A. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань // Акустический журнал, 2003, т. 49, №4, с. 437-464.

34. McDannold N. Quantitative MRI-based temperature mapping based on the proton resonant frequency shift: Review of validation studies // Int. J. Hypertermia, 2005, vol. 21 (6), pp. 533-546.

35. Zapka W., Tam A.C. Photoacoustic pulse generation and probe-beam deflection for ultrasonic velocity measurements in liquids // Appl. Phys. Lett., 1982, vol. 40 (4), pp. 310-312.

36. Holt D. Laser beam deflection techniques // Optics Technology, 1970, vol. 2 (1), pp.1-7.

37. Noui L., Dewhurst R.J. A laser beam deflection technique for the quantitative detection of ultrasonic Lamb waves // Ultrasonics, 1993, vol. 31 (6), pp. 425-432.

38. Beard P.C., Perennes F., Mills T. N. Transduction mechanisms of the Fabry-Perot polymer film sensing concept for wideband ultrasound detection // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 1999, vol. 46 (6), pp. 1575-1582.

39. Hamilton J.D., Buma Т., Spisar M., O'Donnell M. High frequency optoacoustic arrays using etalon detection // IEEE Tran. Ultrason., Ferroelectr. Freq. Control, 2000, vol. 47 (1), pp. 160-169.

40. Beard P.C., Zhang E.Z., Cox B.T. Transparent Fabry Perot polymer film ultrasound array for backward-mode photoacoustic imaging //Proc. of SPIE, 2004, vol. 5320, pp. 230-237.

41. Aslikenazi S., Hou Y., Buma T., O'Donnell M. Optoacoustic imaging using thin polymer etalon // Appl. Phys. Lett., 2005, vol. 86, pp. 13410-1-5.

42. Beard P.C. Photoacoustic imaging of blood vessel equivalent phantoms // Proc. SPIE, 2002, vol. 4618, pp. 54-62.

43. Astrath N.G., Bento A.C., Baesso M.L., Ferreira A., Persson C. Photoacoustic spectroscopy to determine the optical properties of thin film 4H-SÍC // Thin Solid Films, 2006, vol. 515, pp. 2821-2823.

44. Albuquerquea J.E., Tavenner E., Curry M., Giedd R.E., Meredith P. Determination of thermal and optical properties of ion implantedpolyetheretherketone films by photothermal spectroscopies // J. Appl. Phys., 2007, vol. 101, pp. 054506-1-8.

45. Sajan D.G., Dilna S., Suresh Kumar P., Radhakrishnan P., Nampoori V.P., Vallabhan C.P: Investigation of transport properties of doped GaAs epitaxial layer using open photoacoustic cell // Proc. of SPIE, 2002, vol. 4918, pp. 267-273.

46. Takabatake N., Kobayashi T., Show Y., Izumi T. Photoacoustic evaluation of defects and thermal conductivity in the surface layer of ion implanted semiconductors // Mat. Sci. En. B., 2002, vol. 91-92, pp. 186-188.

47. Yang D.Q., Meunier M., Sachera E. Photoacoustic Fourier transform infrared spectroscopy of nanoporous SiO/Si thin films with varying porosities // J. Appl. Phys., 2005, vol. 98, pp. 114310-1-6.

48. Cervantes-Contreras M., Quezada-Maya C.A., Lopez-Lopez M., Gonzar lez de la Cruc G., Tamura M., Yodo T. Thermal properties of GaN/Si heterostructures grown by molecular beam epitaxy // J. Cryst. Growth., 2005, vol. 278, pp. 415-420.

49. Power J.F. A survey of current issues in inverse problem theory as applied to thermal wave imaging // AIP Conf. Proc., 1999, vol. 463, pp. 3-7.

50. Roach J.F., Zageroylo W., Davies J.M. Shock wave generation in dielectric liquids using Q-switched lasers // Proc. Inst. Electr. Eng. Lett., 1969, vol. 57, pp. 1693-1702.

51. Sigrist M.W., Kneubuhl F.K. Laser-generated stress waves in liquids // J. Acoust. Soc. Am., 1978, vol. 64(6), pp. 1652-1663.

52. Roome K.A., Knott J., Payne P.A., Dewhurst R.J. Development of sideways looking laser ultrasound probe for use in laser angioplasty procedures // Ultrasonics, 1996, vol. 34, pp. 629-639.

53. Kenderian S., Djordjevic B.B., Green R.E. Point and line source laser generation of ultrasound for inspection of internal and surface flaws in rail and structural materials // Res. inNDE, 2001, vol. 13, pp. 189-200.

54. Матросов М.П., Подымова Н.Б., Карабутов A.A. Широкополосная ультразвуковая спектроскопия керамических материалов на основе лазерного генератора ультразвука //Акустический журнал, 1992, т. 38, №2, с. 359-361.

55. Матросов М.П., Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Термооптический генератор широкополосных импульсов сдвиговых волн // Акустический журнал, 1992, т. 39, №2, с. 373-375.

56. Хохлова Т.Д., Пеливанов И.М., Карабутов А.А. Методы оптико-акустической диагностики биотканей // Акустический журнал, 2009, т. 55, №4, с. 1-12.

57. Viator J., Au G., Paltauf G., Jaques S., Prahl S., Ren H., Chen Z., Nelson S. Clinical testing of a photoacoustic probe for port wine stain depth determination // Las. Surg. Med., 2002, vol. 30, pp. 141-148.

58. Kolkman R.G., Mulder M.J., Glade C.P., Steenbergen W., van Leeuwen T.G. Photoacoustic imaging of port-wine stains // Lasers in Surgery and Medicine, 2008, vol. 40, pp. 178-182.

59. Karabutov A.A., Savateeva E.V., Oraevsky A.A. Optoacoustic tomography: new modality of laser diagnostic systems // Las. Phys., 2003, vol. 13 (5), pp. 1-13.

60. Favazza C.P., Jassim O., Cornelius L.W., Wang L.Y. In vivo photoacoustic microscopy of human cutaneous microvasculature and a nevus // J. Biomed. Opt., 2011, vol. 16, pp. 016015-1-6.

61. Li Ch., Wang L.Y. Photoacoustic tomography and sensing in biomedicine // Phys. Med. Biol., 2009, vol. 54, pp. R59-R97.

62. Su R., Brecht H.-P., Ermilov S. A., Nadvoretsky V., Conjusteau A., Oraevsky A. A. Towards functional imaging using the OA 3D whole-body tomography system // Proc. of SPIE, 2010, vol. 7564 (23), pp. 1-6.

63. Song L., Maslov K., Shung K.K., Wang L.V. Ultrasound array photoacoustic microscopy for dynamic in-vivo 3D imaging // Proc. of SPIE, 2010, vol. 7564 (03), pp. 1-6.

64. Webb P.M., Cummings M.C., Bain C.J., Furnival C.M. Changes in survival after breast cancer: improvements in diagnosis or treatment? // The Breast, 2004, vol. 13, pp. 7-14.

65. Suryanarayanan S., Karellas A., Yedantham S., Sechopoulos I. Theoretical analysis of high-resolution digital mammography // Phys. Med. Biol., 2006, vol. 51, pp. 3041-3055.

66. Andreev V.G., Karabutov A.A., Solomatin S.V., Savateeva E.Y., Aleynikov V.L., Zhulina Y.V., Fleming R.D., Oraevsky A. A. Opto-acoustic tomography of breast cancer with arc-array transducer // Proc. of SPIE, 2003, vol. 3916, pp. 36-47.

67. Manohar S., Kharine A., van Hespen J. C. G., Steenbergen W., van Leeuwen T. G. Photoacoustic mammography laboratory prototype: imaging of breast tissue phantoms // J. Biomed. Opt., 2004, vol. 9 (6), pp. 1172-1181.

68. Kruger R.A., Kiser W.L., Romilly A.P., Schmidt P. Thermoacoustic CT of the breast: pilot study observations // Proc. of SPIE, 2001, vol. 4256, pp. 1-5.

69. Kruger R.A., Reinecke D.R., Kruger G.A. Thermoacoustic computed tomography technical considerations // Med. Phys., 1999, vol. 26 (9), pp. 1832-1842.

70. Kruger R.A., Kiser Jr W.L., Miller K.D., Reynolds H.E., Reinecke D.R., Kruger G.A., Hofacker P.J. Thermoacoustic CT: imaging principles // Proc. of SPIE, 2000, vol. 3916, pp. 150-159.

71. Zhang E.Z., Laufer J., Beard P. Three dimensional photoacoustic imaging of vascular anatomy in small animals using an optical detection system // Proc. of SPIE, 2007, vol. 6437, pp. 64370S-1-7.

72. Ku'G., Wang X., Xie X., Stoica G., Wang L.V. Imaging of.tumor angiogenesis in rat brains in vivo by photoacoustic tomography // Appl. Opt., 2005, vol. 44 (5), pp. 770-775.

73. Ku G., Wang X., Xie X., Stoica G., Wang L.V. Deep penetrating photoacoustic tomography in biological tissues // Proc. of SPIE, 2005, vol. 5697, pp. 117-126.

74. Yin B., Xing D., Wang Y., Zeng Y., Tan Y., Chen Q. Fast photoacoustic imaging system based on 320-element linear transducer array // Phys. Med. Biol., 2004, vol. 49, pp. 1339-1346.

75. Oraevsky A.A., Karabutov A.A., Solomatin S.V., Savateeva E.V., Andreev V.G., Gatalica Z., Singh H., Fleming R.D. Laser optoacoustic imaging of breast cancer in vivo // Proc. of SPIE, 2001, vol. 4256, pp. 6-15.

76. Khamapirad T., Henrichs P.M., Mehta K., Miller T.G., Yee A.T., Oraevsky A.A. Diagnostic imaging of breast cancer with LOIS: Clinical feasibility // Proc. of SPIE, 2005, vol. 5697, pp. 35-44.

77. Ermilov S., Conjusteau A., Mehta K., Lacewell R., Henrichs P. M., Oraevsky A.A. 128-channellaser optoacoustic imaging system (LOIS-128) for breast cancer diagnostics // Proc. of SPIE, 2006, vol. 6086 (09), pp. 1-12.

78. Zharinov A.N., Karabutov A.A., Kozhushko V.Y., Pelivanov I.M. , Solomatin V.S., Khokhlova T.D. Spatial resolution of a focused array transducer for laser optoacoustic tomography // Laser Physics, 2004, vol. 14 (1), pp. 106-112.

79. He Y., Tang Zh., Chen Zh., Wan W., Li J. A novel photoacoustic tomography based on a time-resolved technique and ant acoustic lens imaging system // Phys. Med. Biol., 2006, vol. 51, pp. 2671-2680.

80. Monchalin J.-P. Optical detection of ultrasound // IEEE Trans., 1986, vol. UFFC-33, pp. 485-499.

81. Zhang X.R., Zhang W., Wang X.D., Zhang L.D. Laser ultrasound characterization of chemically prepared nano-structured silver // Appl. Phys. A, 2000, vol. 70, pp. 573-580.

82. Fomitchov P., Wang L.-Sh., Steckenrider J.S., Krishnaswamy S., Achenbach J.D. Laser-based ultrasonics for QNDE applications // Proc. of SPIE, 1997, vol. 2921, pp. 166-176.

83. Norton S.J., Linzer M. Ultrasonic reflectivity tomography: reconstruction with circular transducer arrays // Ultrasonic Imaging, 1979, vol. 1, pp. 154-184.

84. Kremkau F.W. Diagnostic Ultrasound. Principles and Instruments, (sixth edition) W.B. Saunders Company, 2002. - 428 p.

85. Буров B.A., Сергеев С.H., Румянцева О.Д. Акустическая томография в медицине // Биомедицинская радиоэлектроника, 2000, № 3, с. 61-66.

86. Симонова В.А., Саватеева Е.В., Карабутов A.A. Новая комбинированная антенна для оптико-акустической и лазерной ультразвуковой томографии // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия, 2009, № 4, с. 35-37.

87. Домаркас В., Пилецкас Э. Ультразвуковая эхоскопия. JL: Машиностроение, 1988.-275 с.

88. Фадеев Л.Д. Современные проблемы математики. Т. 3 М.: 1974. — 93 с.

89. Левитан Б.М. Обратные задачи Штурма-Лиувилля. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1984. - 240 с. i

90. Шадан К. Сабатье П. Обратные задачи в квантовой теории рассеяния / Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 408 с.

91. Буров В.А., Румянцева О.Д., Сасковец A.B. Акустическая томография и дефектоскопия как обратные задачи рассеяния // ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия, 1994, т. 35, №6, с. 61-71.

92. Буров В.А., Румянцева О.Д. Линеаризованная обратная задача рассеяния в монохроматическом и импульсном режимах // Акустический журнал, 1994, т. 40, №1, с. 41-49.

93. Буров В. А., Конюшкин А. Л., Румянцева О.Д. Двумерная и трехмерная акустическая томография при неполных данных // Акустический журнал, 1997, т. 43, №4, с. 463-469.

94. Гриневич П.Г., Манаков С. В. Обратная задача теории рассеяния для двумерного оператора Шредингера // Функц. анализ и его прил., 1986, т. 20, №2, с. 14—24.

95. Новиков Р.Г. Построение двумерного оператора Шредингера с данной амплитудой рассеяния при фиксированной энергии // ТМФ, 1986, т. 66, №2, с. 234-240.

96. Kasai С., Namekawa К., Koyano A., Omoto R. Real-time two-dimensional blood flow imaging using an autocorrelation technique // IEEE Trans. Son. Ultrason., 1985, vol. 32, pp. 458-464.

97. Petrov Yu., Petrov I.Y., Esenaliev R.O., Kinsky M., Prough D.S. Combination of optoacoustics and ultrasound imaging for noninvasive, rapid assessment and management of circulatory shock // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 78990C-1-5.

98. Petrov I.Y., Petrov Yu., Prough D.S., Esenaliev R.O. High-resolution ultrasound imaging and noninvasive optoacoustic monitoring of blood variables in peripheral blood vessels // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 78990B-1-5.

99. Jiang Y., Harrison Т., Ranasinghesagara J., Zemp R.J. Combined photoacoustic and high-frequency power Doppler ultrasound' imaging // Proc. of SPIE, 2010, vol. 7564, pp. 756404-1-6.

100. Jiang Y., Harrison Т., Ranasinghesagara J., Zemp R.J. Photoacoustic and high-frequency power Doppler ultrasound biomicroscopy: a comparative study // J. Biomed. Opt., 2010, vol. 15 (5), pp. 056008-1-8.

101. Jiang Y., Harrison Т., Forbrich A., Zemp R.J. Oxygen consumption estimation with combined color Doppler ultrasound and photoacoustic microscopy: a phantom study // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 789942-1-6.

102. Sethuraman S., Aglyamova S.R., Amirian J.H., Smalling R.W., Emelianov S.Y. Development of a combined intravascular ultrasound and photoacoustic imaging system // Proc. of SPIE, 2006, vol. 6086, pp. 60860F-1-10.

103. Haisch C„ Zell K., Sperl J.I., Ketzer S., Vogel M.W., Menzenbach P., Niessner R. OPUS Optoacoustic imaging combined with conventional ultrasound for breast cancer detection // Proc. of SPIE-OSA, 2007, vol. 6631, pp. 663105-1-14.

104. Zella K., Vogel M.W., Menzenbach P., Niessner R., Haisch C. First practical experiences with the optoacoustic/ultrasound system OPUS // Proc. of SPIE, 2008, vol. 6856, pp. 68560S-1-8.

105. Aguirre A., Gamelin J., Guo P., Yan S., Zhu Q. Feasibility study of three-dimensional co-registered ultrasound and photoacoustic imaging for cancer detection and visualization // Proc. of SPIE, 2008, vol. 6856, pp. 68562A-1-10.

106. Todd N. Erpelding T.N., Wang Yu., Jankovic L., Guo Z., Robert J.-L., David G., Kim C., Wang L.Y. Three-dimensional photoacoustic imaging with a clinical twodimensional matrix ultrasound transducer // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 78990A-1-6.

107. Kim C., Erpelding T.N., Jankovic L., Wang L.V. Combined ultrasonic and photoacoustic system for deep tissue imaging // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 789935-1-5.

108. Reinecke D.R., Kruger R.A., Lam R.B., Del Rio S.P. Co-registered photoacoustic, thermoacoustic and ultrasound mouse imaging // Proc. of SPIE, 2010, vol. 7564, pp. 756420-1-9.

109. Zeng L., Liu G., Ji X., Ren Z., Huang Z. High-speed laser photoacoustic imaging system combined with digital ultrasonic imaging platform // Proc. of SPIE, 2009, vol. 7382; pp. 73823M-1-7.

110. Yaseen M.A., Brecht H.P., Ermilov S.A., Gharieb R.R., Conjusteau A., Oraevsky A.A. Hybrid optoacoustic and ultrasonic imaging system for detection of prostate malignancies // Proc. of SPIE, 2009, vol. 7177, pp. 717703-1-10.

111. Nadvoretskiy V., Ermilov S., Brecht H.P., Su R., Oraevsky A. Image processing and analysis in a dual-modality optoacoustic/ultrasonic system for breast cancer diagnosis // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 789909-1-6.

112. Emelianov S.Y., Aglyamov S.R., Shah J., Sethuraman S., Scott W.G., Schmitt R., Motamedi M., Karpiouk A., Oraevsky A. Combined ultrasound, optoacoustic and elasticity imaging //Proceedings of SPIE, 2004, vol. 5320, pp. 101-112.

113. Jia C., Huang S.W., Jin Y., Seo S.H., Huang L., Eary J.F., Gao X., O'Donnell M. Integration of photoacoustic, ultrasound and magnetomotive system // Proc. of SPIE, 2011, vol. 7564, pp. 756416-1-6.

114. Oh J., Feldman M.D., Kim J., Condit C., Emelianov S., Milner Т.Е. Detection, of magnetic nanoparticles in tissue using magneto-motive ultrasound // Nanotechnology, 2006, vol. 17, pp. 4183-4190.

115. Qu M., Kim S., Mehrmohammadi M., Mallidi S., Joshi P., Homan K., Chen Y.S., Emelianov S. Combined photoacoustic and magneto-motive ultrasound imaging // Proc. of SPIE, 2010, vol. 7564, pp. 756433-1-7.

116. Kehoe Т., Bryner J., Reboud V., Vollmann J., Sotomayor T.C. Physical properties of thin nanoimprint polymer films measured by photoacoustic metrology // Proc. of SPIE, 2009, vol. 7271, pp. 72711V-1-8.

117. Bernstein J.R., Spicer J.B. Hybrid laser/broadband EMAT ultrasonic system for characterizing cracks in metals // J. Acoust. Soc. Am., 2002, vol. 111 (4), pp. 1685-1691.

118. Boonsang S., Dewhurst R.J. Signal enhancement in Rayleigh wave interactions using a laser-ultrasound/EMAT imaging system // Ultrasonics, 2005, vol. 43, pp. 512-523.

119. Шпиндлер Э. Практические конструкции антенн. / Пер. с нем. Левина А.А., Сахарова А.П. под ред. Крицына М.: Мир, 1989. - 448 с.

120. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн Л.: Судостроение, 1973.-279 с.

121. Постнов Г.А. Антенные решетки М.: Радио и связь, 1966. — 368 с.

122. Коржик А.В., Лейко А.Г. Формирование характеристик направленности антенны, состоящей из двух электроупругих элементов // Электроника и связь, 2009, № 1, с. 45-53.

123. Khokhlova T.D., Pelivanov I.M., Kozhushko V.V., Zharinov A.N., Solomatin V.S., Karabutov A.A, Numerical modeling of broadband focused array transducer for 2D optoacoustic tomography // Proc. of ICONO/LAT, 2007.

124. Oraevsky A.A., Karabutov A.A. Time-resolved detection of optoacoustic profiles for measurement of optical energy distribution in tissues // Handbook of optical biomedical diagnostics, edited by. V.V. Tuchin. Bellingham, WA: SPIE, 2002, ch. 10.

125. Oraevsky A.A., Karabutov A.A. Optoacoustic tomography // Biomedical Photonics Handbook, ed. By T. Vo-Dinh, CRC Press, v. PM125, Chapter 34, pp. 34/1-34/34,2003.

126. Залесский B.B. Анализ и синтез пьезоэлектрических преобразователей. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского ун-та, 1971. - 152 с.

127. XuM., XuY., WangL.V., Time-Domain Reconstruction Algorithms and Numerical Simulations for Thermoacoustic Tomography in Various' Geometries // IEEE Trans. On Biomed. Eng., 2003, vol. 50 (9), pp. 1086-1099.

128. XuY., FengD., WangL.V., Exact Frequency-Domain Reconstruction for Thermoacoustic Tomography I: planar geometry // IEEE Trans, on Biomed. Im., 2002, vol. 21 (7), pp. 823-828.

129. Xu Y., Feng D., Wang L.V. Exact Frequency-Domain Reconstruction for Thermoacoustic Tomography II: cylindrical geometry // IEEE Trans, on Biomed. Im., 2002, vol. 21 (7), pp. 829-833.

130. Kostli K.P., Frenz M., Bebie H., Weber И.Р. Temporal backward projection of optoacoustic pressure transients using Fourier transform methods // Phys. Med. Biol., 2001, vol. 46, pp. 1863-1872.

131. Karabutov A.A., Kozhushko V V., Pelivanov I.M., Mityurich G.S. Interference of opposing longitudinal acoustic waves in an isotropic absorbing plate and a periodic structure with defects // Acoust. Phys., 2001, vol. 47 (6), pp. 721-726.

132. Kozhushko V., Khokhlova Т., Zharinov A., Pelivanov I., Solomatin V., Karabutov A. Focused array transducer for 2D optoacoustic tomography // J. Acous. Soc. Am., 2004, vol. 116(3), pp. 1498-1506.

133. Kruger R.A., Reinecke D.R., Kruger G.A. Thermoacoustic computed tomography -technical onsiderations // Med. Phys., 1999, vol. 26 (9), pp. 1832-1842.

134. Xu M., WangL.V. Universal back-projection algorithm for photoacoustic computed tomography // Phys. Rev., 2005, vol. 71, pp. 1-7.

135. Бахвалов H.C., Жилейкин Я.М., Заболотская E.A. Нелинейная теория звуковых пучков. М.: Наука, 1982. - 176 с.

136. Canney M.S., Bailey M.R., Crum L.A., Khokhlova V.A., Sapozhnikov O.A. Acoustic characterization of high intensity focused ultrasound fields: A combined measurement and modeling approach // J. Acoust. Soc. Am., 2008, vol. 124 (4), pp. 2406-2420.

137. Christopher P.Т., Parker K.J. New approaches to nonlinear diffractive field propagation // J. Acoust. Soc. Am., 1991, vol. 90 (1), pp. 488-499.

138. Ginter S., Liebler M., Steiger E., Dreyer Т., Riedlinger R.E. Full-wave modeling of therapeutic ultrasound: nonlinear ultrasound propagation in ideal fluids // J. Acoust. Soc. Am., 2002, vol. 111 (5), pp. 2049-2059.

139. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Изд-во Московского Университета, 1998. - 655 с.

140. Симонова В.А., Хохлова Т.Д., Карабутов А.А. Широкополосная фокусирующая многоэлементная антенна для оптико-акустической томографии // Акустический журнал, 2009, т. 55, № 6, с. 1-7.

141. Сох В.Т., Arridge S.R., Beard Р.С. Photoacoustic tomography with a limited-aperture, planar sensor and a reverberant cavity // Inverse Problems, 2007, vol. 23, pp. S95-S112.

142. Kostli K.P., Beard P.C. Two-dimensional photoacoustic imaging by use of Fouriertransform image reconstruction and a detector with an anisotropic response // Appl. Opt., 2003,.vol. 42 (10), pp. 1899-1908.

143. Andreev V.G., Popov D.A., Sushko D.V., Karabutov A.A., Oraevsky A.A. Inverse radon transform for optoacoustic imaging // Proc. of SPIE, 2001, vol. 4256, p. 119-129.

144. Pramanik M., Ku G., Wang L.V. Tangential resolution improvement in.thermoacoustic and photoacoustic tomography using a negative acoustic lens // J. Biomed. Opt., 2009, vol. 14(2), pp. 024028-1-5.

145. Yang J.M., Favazza C., Chen R., Maslov K., Cai X., Zhou Q., Shung K.K., Wang L.V. Volumetric photoacoustic endoscopy of upper gastrointestinal tract: ultrasonic transducer technology development// Proc. of SPIE, 2011, vol. 7899, pp. 78990D-1-6.

146. Ермолов И.Н., Ланге Ю.В. Ультразвуковой контроль т. 3 / Справочник в 7 т. под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 2004. - 864 с.

147. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. — М.: Наука, 1973. 343 с.

148. Труэлл Л., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. / Пер. с англ. Михайлова И.Г., Леманова В.В. М.: Мир, 1972. - 307 с.

149. Карабутов А.А.; Симонова В.А. Способ лазерной оптико-акустической томографии и устройство для его реализации // Заявка на Патент РФ № 2011107788.

150. Жаринов А.Н., Карабутов А.А., Кожушко В.В., Пеливанов И.М., Соломатин B.C., Хохлова Т.Д. Пленочный широкополосный фокусированный гидрофон для оптико-акустической томографии // Акустический журнал, 2003, т. 49, №6, с. 799-805.

151. Andreev Y.G., Karabutov A.A., Ponomaryov A.E., Oraevsky A.A. Detection of optoacoustic transients with a rectangular transducer of finite dimension // Proc. of SPIE,2002, vol. 4618, pp. 153-161.

152. Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. М.: Наука, 1977.-336 с.

153. Губарени Н.М. Численные методы и алгоритмы малоракурсной компьютерной томографии. Киев: Наукова Думка, 1997. - 328 с.

154. Xu М., Wang L. Analytic explanation of spatial resolution related to bandwidth and detector aperture size in thermoacoustic or photoacoustic reconstruction // Phys. Rev. E,2003, vol. 67, pp. 056605-1-15.

155. Morse P.M., Ingard, K.U. Theoretical Acoustics. -New York: Princeton University Press, McGraw-Hill, 1968. 927 p.

156. Andreev Y.G., Karabutov A.A., Solomatin S.V., Savateeva E.V., Aleynikov V.L., Zhylina Y.V., Fleming R.D., Oraevsky A.A. Opto-acoustic tomography of breast cancer with arc-array transducer// Proc. of SPIE, 2003, vol. 3916, pp. 36-47.