ИСТИНА

Проект направлен на продолжение комплексного исследования обратных волновых задач томографического типа. Целью решения этих задач является восстановление пространственного распределения основных акустических и температурных характеристик исследуемых биологических сред и океанических акваторий. Проект основывается на теоретических и экспериментальных исследованиях, а также разработках, проводившихся в предыдущие годы при выполнении работ по грантам РФФИ N94-02-04180 (1994-1996г.г.), N98-02-16617 (1998-2000г.г.), N01-02-16282 (2001-2003г.г.), N04-02-16043 (2004-2006г.г.) и N07-02-00239 (2007-2009г.г.). К настоящему времени рассмотрены различные аспекты обратных волновых задач акустики и открывающиеся при этом практические возможности: учтены процессы многократного рассеяния, что необходимо в большинстве прикладных задач для правильного количественного восстановления значений скорости звука, поглощения и плотности среды; теоретически и экспериментально исследованы возможности использования в томографических целях нелинейных эффектов на комбинационных частотах, а также процессов неравновесного теплового акустического излучения в биологической ткани, неоднородной по коэффициенту поглощения, фазовой скорости звука и температуре. С помощью детального теоретического анализа и численного моделирования выявлены и адаптированы для практического использования наиболее перспективные функциональные подходы для восстановления двумерных и трехмерных объектов в монохроматическом и импульсном режимах. Начато исследование свойств акустических “дважды отрицательных” сред; методы решения прямых и обратных волновых задач для них имеют ряд принципиальных и пока не вполне ясных особенностей. В рамках настоящего проекта предполагается использование и дальнейшее развитие накопленных результатов для решения задач медицинской диагностики. Так, предполагается закончить изготовление исследовательских прототипов нескольких медицинских томографов, принципиально отличающихся друг от друга. Разработанный и изготовленный акустический маммограф, т.е. многоканальный томограф для обследования молочной железы, должен пройти лабораторные испытания на фантомах и быть предложен для апробирования в медицинские учреждения. Возможно введение в него режима восстановления карты кровотока. Разрабатываемый прототип акустического термотомографа предназначается для оценки температурного распределения в биологической ткани при параллельной оценке ее вязких и упругих свойств. Этот макет малоканальных систем, использующих рефлекторную фокусировку и учитывающих аберрации, требует осуществления процесса оценки поглощения термоакустических сигналов и сигналов активной подсветки в биоткани, что является самостоятельной обратной задачей. Для обеспечения приемлемого качества фокусировки необходимо разработать способ одновременной оценки, наряду с температурным распределением, скорости звука и поглощения исследуемой биоткани. Изготавливаемый макет нелинейного томографа, использующий всего несколько преобразователей и широкополосные кодированные сигналы, предназначается для экспериментальных исследований возможности томографирования распределения нелинейных параметров второго и третьего порядков в биологических тканях. Здесь также требуется решение проблемы нелинейной томографии через неоднородную среду. Кроме того, возникает проблема разделения вкладов в получаемое изображение от эффектов нелинейного взаимодействия чисто третьего порядка и от двукратного взаимодействия второго порядка, что существенно повысило бы диагностическую информативность предлагаемого метода. Развитие методов акустической томографии океана связано с активно развивающимся в мировой литературе подходом, использующим при томографировании непосредственного корреляционное измерение шумов океана вместо дорогостоящих активных систем излучения. Этот подход, в сочетании с накопленным коллективом опытом и разработанными им в последние годы методами восстановления рефракционных неоднородностей и картины линейных течений и вихрей (с одновременным определением характера искажения формы протяженных антенн и уточнения их географического положения) представляет интерес для практического внедрения томографии океана. Здесь нужно еще решить задачу учета неадиабатичности процесса распространения волн и задачу томографии мелководных акваторий с учетом влияния донной поверхности с неизвестным рельефом и распределением акустических характеристик донного слоя.

- Получены первые изображения исследуемых объектов, сигналы от которых сняты в реальных экспериментах на основе разработанного прототипа ультразвукового медицинского томографа. - Проанализирована взаимосвязь между различными функциональными алгоритмами решения обратной задачи рассеяния. Представлены результаты численного моделирования алгоритма Новикова-Гриневича-Манакова, эффективного для восстановления двумерных акустических рефракционно-поглощающих рассеивателей практически произвольной формы и силы. Алгоритм перспективен для прикладных задач томографического типа и обладает достаточно высокой помехоустойчивостью. - Численно промоделирован двумерный вариант функционально-аналитического алгоритма, предназначенный для решения обратной задачи рассеяния. В качестве экспериментальных данных используются акустические поля, излученные и принятые квазиточечными преобразователями, что удобно для различных приложений акустической томографии. - Рассмотрены акустические дважды отрицательные среды, являющиеся аналогом левых сред в электродинамике. Показано, что отсутствие дисперсии приводит к нарушению принципа причинности. В то же время, сильного поглощения и нарушения принципа причинности не происходит в диспергирующей среде с резонансным откликом. - Теоретически рассмотрена акустическая неоднородность, слабо рассеивающая падающее поле и содержащая внутри себя область акустической тени, где поле сильно ослаблено. Помещенный в эту область предмет становится “невидимым”. Для создания системы нужны “дважды отрицательные” акустические материалы или метасреда. Моделирование волновых процессов осуществлено на основе лучевого и волнового подходов. - Предложен и численно промоделирован метод восстановления картины распределения полного вектора скорости кровотока в составе ультразвукового нелинейного томографа. Экспериментальные данные измеряются с помощью схемы томографирования нелинейного параметра второго порядка, использующей широкополосные кодированные сигналы при малом количестве преобразователей. Для обработки данных предлагается использовать селективную согласованную фильтрацию в сочетании с пространственной корреляцией фрагментов спекл-структуры, возникающей при восстановлении пространственного распределения нелинейного параметра. - Рассмотрены акустические процессы генерации третьей гармоники волны за счет нелинейного коллинеарного взаимодействия чисто третьего порядка и двукратного взаимодействия второго порядка. Показано, что присутствие мешающего сигнала от двукратного взаимодействия второго порядка приводит к тому, что использование нелинейных эффектов третьего порядка в диагностических целях оказывается возможным только в схемах томографии, построенных на неколлинеарном взаимодействии волн. - Рассмотрено влияние возмущений энтропии на акустическое давление, возникающее за счет нелинейного акустического взаимодействия третьего порядка. Показано, что при учете всех возможных факторов, ответственных за изменение энтропии, вклад в акустическое давление третьего порядка, обусловленный возмущениями плотности в первичных волнах, значительно превосходит вклад, вызванный возмущениями энтропии. - Разработан и изготовлен прототип нелинейного акустического томографа с фокусирующими акустическими отражателями в виде усеченных конических зеркал. Данный тип томографа предназначается для реконструкции распределений акустических нелинейных параметров второго и третьего порядков. - Проведены эксперименты по измерению затухания и эффективного акустического нелинейного параметра второго порядка для взвеси какао-порошка в воде при различных концентрациях взвеси. Показана возможность использования данной взвеси в качестве технического заменителя ультразвуковых контрастных агентов при техническом тестировании систем нелинейной томографии кровотока, но не в медицинских исследованиях. - Разработана схема акустического термотомографирования с фокусирующими элементами, осуществляющая термотомографирование в режиме разностных задержек с активной подсветкой. - Разработана схема томографического восстановления скалярно-векторных неоднородностей в океане (содержащих и течение, и возмущение скорости звука), основанная на измерении горизонтальной рефракции мод. В качестве исходных данных используются возмущения времен распространения мод и разности углов проходов модовых импульсов от двух излучающих антенн на одну противолежащую приемную антенну. Подход слабо чувствителен к неизвестному смещению антенн в горизонтальной плоскости на расстояния вплоть до нескольких сотен метров, а также к искривлению антенн. Представлены результаты численного моделирования восстановления комбинированной скалярно-векторной неоднородности по предлагаемой схеме. - Предложен метод восстановления характеристик дна мелкого моря: его импедансных параметров и рельефа. Показано, что при использовании модовых сигналов в качестве источника зондирования можно разделить влияние этих параметров на распространяющееся поле благодаря различному характеру их влияния на дисперсионные характеристики мод. Это может быть использовано в томографических схемах. - Рассмотрена прямая задача рассеяния для двумерных и трехмерных рефракционно-поглощающих рассеивателей различной формы и силы. Строгое решение получено на основе уравнений типа уравнения Липпмана-Швингера в координатном пространстве и в фурье-сопряженном к нему пространстве пространственных частот. Обращено внимание на выбор параметров дискретизации задачи, принципиально важных для обеспечения адекватности численного моделирования. Использованы приемы ограничения носителя функции Грина и введения полосы отчуждения. Проиллюстрированы основные закономерности, связанные с эффектами перерассеяния звуковых волн.