Акустический журнал, 2023, T. 69, № 6, стр. 792-799

Лазерная виброметрия сдвиговых волн в слое гелеобразной среды

Ш. А. Асфандияров^a, А. А. Агафонов^a, А. И. Коробов^a, В. Г. Андреев^a, *

^a Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет
119991 Москва, Ленинские горы, Россия

^* E-mail: andreev@acs366.phys.msu.ru

Поступила в редакцию 22.02.2023
После доработки 03.08.2023
Принята к публикации 19.09.2023

EDN: CQHJXF
DOI: 10.31857/S0320791923600634

Полные тексты статей выпуска доступны в ознакомительном режиме только авторизованным пользователям.

Аннотация

С помощью лазерного сканирующего виброметра измерены амплитуды и фазы колебательной скорости сдвиговых волн, возбуждаемых одномерным источником в виде узкого прямоугольного бруска в гелеобразной среде. Измерялись колебания 26 пластинок, отражающих лазерный луч и расположенных внутри оптически прозрачного фантома вдоль отрезка длиной 84.5 мм на расстоянии 20 мм от источника. В непрерывном режиме измерены угловые распределения амплитуды и фазы сдвиговых волн на дискретных частотах от 59 до 500 Гц. В импульсном режиме вибратор возбуждал в среде импульс длительностью 1.5 периода частоты 300 Гц. Амплитуды и фазы сдвиговых волн вычислялись путем быстрого преобразования Фурье временного профиля скорости колебаний пластинок длительностью 50 мс. Угловые распределения амплитуды, измеренные в импульсном и непрерывном режимах, качественно совпадают. На всех частотах распределения симметричны по отношению к вертикальной оси. Максимум амплитуды колебаний наблюдается при углах, близких к ±45°. Скорость сдвиговых волн, рассчитанная по измеренным фазовым распределениям, возрастает от 2 до 2.5 м/с при изменении частоты от 50 до 500 Гц. Показано, что такое поведение скорости хорошо описывается релаксационной моделью среды с одним временем релаксации, равным 0.3 мс. Затухание сдвиговой волны зависит от частоты и превышает 1 см^–1 для волн с частотами более 250 Гц. Максимум затухания на длину волны наблюдается вблизи частоты релаксации среды в диапазоне 300–400 Гц. Полученные результаты могут быть использованы при оптимизации устройств для измерения упругости мягких тканей.

Ключевые слова: лазерная виброметрия, сдвиговые волны, вязкоупругая среда, одномерный вибратор, релаксационная модель среды

Полные тексты статей выпуска доступны в ознакомительном режиме только авторизованным пользователям.

Список литературы

Carstensen E.L., Parker K.J., Lerner R.M. Elastography in the Management of Liver Disease // Ultrasound Med Biol. 2008. V. 34. № 10. P. 1535–1546. https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2008.03.002
Tanter M., Bercoff J., Athanasiou A., Deffieux T., Gennisson J.L., Montaldo G., Muller M., Tardivon A., Fink M. Quantitative assessment of breast lesion viscoelasticity: Initial clinical results using supersonic shear imaging // Ultrasound Med. Biol. 2008. V. 34. № 9. P. 1373–1386. https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2008.02.002
Андреев В.Г., Демин И.Ю., Корольков З.А., Шанин А.В. Движение сферических микрочастиц в вязкоупругой среде под действием акустической радиационной силы // Изв. РАН. Сер. Физ. 2016. Т. 80. № 10. С. 1321–1326. https://doi.org/10.7868/S0367676516100045
Catheline S., Gennisson J.-L., Delon G., Fink M., Sinkus R., Abouelkaram S., Culioli J. Measurement of viscoelastic properties of homogeneous soft solid using transient elastography: An inverse problem approach // J. Acoust. Soc. Am. 2004. V. 116. P. 3734–3741. https://doi.org/10.1121/1.1815075
Тиманин Е.М., Еремин Е.В., Беляев Р.В., Мансфельд А.Д. Ультразвуковой допплеровский способ дистанционной эластометрии // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 2. С. 274–280.
Асфандияров Ш.А., Крит Т.Б., Андреев В.Г. Ультразвуковой доплеровский метод для измерения упругости скелетных мышц // Изв. Росс. Акад. наук. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 6. С. 823–828. https://doi.org/10.31857/S036767652106003X
Zvietcovich F., Larin K.V. Wave-based optical coherence elastography: the 10-year perspective // Prog. Biomed. Eng. 2022. V. 4. P. 012007. https://doi.org/10.1088/2516-1091/ac4512
Schwarz S., Hartmann B., Sauer J., Burgkart R., Sudhop S., Rixen D.J., Clausen-Schaumann H. Contactless Vibrational Analysis of Transparent Hydrogel Structures Using Laser-Doppler Vibrometry // Exp. Mech. 2020. V. 60. № 8. P. 1067–1078. https://doi.org/10.1007/s11340-020-00626-0
Gasenko V.G., Gorelik R.S., Nakoryakov V.E., Timkin L.S. Measurement of acoustic wave phase velocity by Fourier method in gas-liquid medium // J. Eng. Thermophys. 2015. V. 24. № 4. P. 330–334. https://doi.org/10.1134/S1810232815040049
Михайлов И.Г., Соловьев В.А., Сырников Ю.П. Основы молекулярной акустики. М.: Наука, 1964. 516 с.
Miller G., Pursey H. The field and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface of a semi-infinite isotropic solid // Proc. R. Soc. London. 1954. V. 223. P. 521–541.
Catheline S., Benech N. Longitudinal shear wave and transverse dilatational wave in solids // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 137. № 2. https://doi.org/10.1121/1.4907742
Sandrin L., Cassereau D., Fink M. The role of the coupling term in transient elastography // J. Acoust. Soc. Am. 2004. V. 115 № 1. P. 73–83. https://doi.org/10.1121/1.1635412
Esdaille C.J., Washington K.S., Laurencin C.T. Regenerative engineering: a review of recent advances and future directions // Regen Med. 2021. V. 16. № 5. P. 495–512. https://doi.org/10.2217/rme-2021-0016
Lu A., Zhu J., Zhang G., Sun G. Gelatin nanofibers fabricated by extruding immiscible polymer solution blend and their application in tissue engineering // J. Mater. Chem. 2011. V. 21. № 46. P. 18674–18680. https://doi.org/10.1039/C1JM13059E
Chang A.C., Liao J.-D., Liu B.H. Practical assessment of nanoscale indentation techniques for the biomechanical properties of biological materials // Mech. Mater. 2016. V. 98. P. 11–21. https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2016.03.005
Алексеев В.Н., Рыбак С.А. Об уравнениях состояния вязкоупругих биологических сред // Акуст. журн. 2002. Т. 48. № 5. С. 581–588.
Руденко О.В., Цюрюпа С.Н., Сарвазян А.П. Скорость и затухание сдвиговых волн в фантоме мышцы – мягкой полимерной матрице с вмороженными натянутыми волокнами // Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 5. С. 609–615. https://doi.org/10.7868/S0320791916050154
Андреев В.Г., Крит Т.Б., Сапожников О.А. Сдвиговые волны в резонаторе с кубичной нелинейностью // Акуст. журн. 2011. Т. 57. № 6. С. 763–770.