The application of the relative acoustic nonlinear parameter for the development of biological tissue imaging systems
Authors: Чернов Н.Н. , Лагута М.В. , Вареникова А.Ю. 
Published: July 2024

В работе рассматриваются вопросы разработки метода визуализации внутренних структур организма на основе восстановления распределения акустического нелинейного параметра. Рассмотрен процесс возникновения и распространения волны второй гармоники в тканях с высокой нелинейностью и затуханием. Предлагается использование относительного акустического нелинейного параметра во взаимосвязи с абсолютным нелинейным параметром среды. Для решения задачи восстановления распределения относительного нелинейного параметра в биосредах получено уравнение, позволяющее исключить необходимость измерения изменений абсолютных значений давления как для волны основной частоты, так и для ее второй гармоники. Получены математические выражения, позволяющие учитывать процессы затухания для основной частоты и для ее второй гармоники с учетом влияния среды, в которую помещен исследуемый объект. Получены выражения для определения относительного акустического нелинейного параметра. На основе полученных выражений предложено построение системы визуализации, использующей алгоритмы восстановления распределения акустического нелинейного параметра в сечении биообъекта. Главным преимуществом полученных уравнений является отсутствие необходимости определения изменения абсолютных амплитуд волны основной частоты и второй гармоники. Предлагаемые методы расчета нелинейных характеристик биотканей позволяют упростить техническую реализацию систем ультразвуковой визуализации.

The paper discusses the issues of developing a method for visualizing the internal structures of the body, based on the restoration of the acoustic nonlinear parameter distribution. The process of occurrence and propagation of the second harmonic wave in tissues with high nonlinearity and attenuation is considered. The use of the relative acoustic nonlinear parameter in relation to the absolute nonlinear parameter of the medium is proposed. To solve the problem of restoring the distribution of the relative acoustic nonlinear parameter in biological media, an equation is obtained that eliminates the necessity to measure changes in absolute pressure values for both the fundamental frequency wave and its second harmonic. Mathematical expressions are derived that enable accounting for the attenuation processes for the fundamental frequency and for its second harmonic, taking into consideration the influence of the medium in which the object under study is placed. Expressions for determining the relative acoustic nonlinear parameter are acquired. Drawing on these expressions, the construction of a visualization system, utilizing algorithms for restoring the distribution of the acoustic nonlinear parameter in the cross section of a biological object, is presented. The main advantage of these equations is that there is no need to identify changes in the absolute amplitudes of the fundamental frequency and second harmonic waves. The outlined methods for calculating the nonlinear characteristics of biological tissues make it possible to simplify the technical implementation of ultrasound imaging systems.