С.П. Скворцов –  к.т.н., доцент, кафедра «Биомедицинские технические системы», МГТУ им. Н.Э. Баумана

П.Д. Юркевич –  бакалавр, кафедра «Биомедицинские технические системы», МГТУ им. Н.Э. Баумана

Д.А. Соловьёв – зав. лабораторий, кафедра «Медико-технический менеджмент», МГТУ им. Н.Э. Баумана

Постановка проблемы. Методы лечебного воздействия на биологические ткани при помощи низкочастотного ультразвука в хирургии и терапии основан на сочетанном действии лекарственных веществ и энергии низкочастотных ультразвуковых колебаний. Основным явлением, определяющим эффективность сочетанного действия ультразвука и лекарственного вещества, является кавитация. Одним из путей повышения эффективности методов ультразвуковой обработки является введение в биотехническую систему обратной связи, построенной на определении параметров кавитационной области в процессе воздействия. Большинство методов контроля параметров кавитации трудно реализуемы в условиях медицинского применения ультразвука, поэтому необходима разработка метода, позволяющего определять параметры пульсаций кавитационных пузырьков в реальном масштабе времени и использовать их для поддержания режима максимальной эффективности кавитации.

Цель – исследование возможности использования метода оптического зондирования кавитационной области для поддержания максимальной эффективности кавитации.

Результаты. Выполнено численное моделирование коэффициента светопропускания кавитационной области на основе приближения Тверского теории многократного светорассеяния. При расчетах использована типовая ширина диаграммы направленности фотоприемника 10 град. Спектр сигнала фотоприемника содержит основную частоту, определяемую временем жизни пузырьков, которое, в свою очередь, определяет амплитуду ударной волны и степень выраженности эффектов кавитации. 

Экспериментальные исследования проводились для нахождения максимума эффективности кавитации в зависимости от амплитуды колебаний ультразвукового излучателя. Эффективность кавитации оценивалась по эрозии алюминиевой фольги. Полученные данные сопоставлялись с рассчитанными зависимостями субгармоник оптического сигнала от амплитуды ультразвукового инструмента.

Показано, что максимуму скорости разрушения фольги соответствует спадающий участок зависимости амплитуды субгармоники сигнала фотоприемника на частоте 1/2 от частоты ультразвука и нарастающий участок на зависимости амплитуды субгармоники на частоте 1/3 от частоты ультразвука, где обе зависимости минимальны.

Практическая значимость. В результате проведенных исследований определен критерий нахождения максимальной эффективности кавитации на основе регистрации и анализа рассеянного оптического сигнала, позволяющий реализовать автоматическую подстройку амплитуды колебаний излучателя.

Полученный критерий может применяться в ультразвуковых аппаратах для хирургии и терапии.

1. Саврасов Г.В., Альков С.В., Ершов Ю.А. Развитие ультразвуковых технологий в медицине // Медицинская техника. 2019. № 3. С. 44–48.
2. Соловьев Д.А., Щукин С.И., Скворцов С.П., Николаев А.П., Лужнов П.В. Ультразвуковая обработка инфицированных ран: состояние и перспективы //Медицинская техника. 2018. № 6. С. 24–27.
3. Горшкова В.М., Двуличанская Н.Н., Альков С.В. Экспериментальное исследование воздействия низкочастотного ультразвука на гепарин // Биомедицинская радиоэлектроника. 2019. № 10. С. 57–59.
4. Forbes М. et al. The role of ultrasound contrast agents in producing sonoporation // University of Illinois at Urbana-Champaign. 2009. 166 с.
5. Хмелев В.Н., Барсуков Р.В., Шалунов А.В. Управление работой электронного генератора при ультразвуковом воздействии на кавитирующие технологические среды // Изв. Тульского государственного университета. 2004. № 2. С. 32–40.
6. Ланин В.Л., Дежкунов И.В., Томаль В.С. Приборное обеспечение измерения параметров ультразвуковых воздействий в технологических процессах // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2008. № 2. С. 51–55.
7. Змиевской Г.Н., Крылов Ю.В., Скворцов С.П. Исследование возможностей оптического зондирования кавитирующей жидкости при ультразвуковом воздействии // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2006. № 10. С. 32–36.
8. Скворцов С.П. Модель светорассеяния в ультразвуковойкавитационной области // Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. № 3. С. 102–119.
9. Мощные ультразвуковые поля / Под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука. 1963. 268 с.
10. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир. 1983. 287 с.
11. Научная литература [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://booksshare.net/. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. (Дата обращения: 04.03.2019).