СПОСОБ НЕИНВАЗИВНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛАСТИЧНОЙ ТКАНИ
NONINVASIVE MEASURING TECHNIQUE FOR ACOUSTIC VIBRATION VELOCITY IN ELASTIC TISSUE

Область применения
Изобретение относится к области определения механических свойств, преимущественно параметров, характеризующих упругость эластичных биологических тканей, в частности кожи человека. Свойства тканей определяются посредством измерения скорости распространения акустических колебаний в биоткани с последующим вычислением требуемых механических свойств по известным зависимостям (Alonso M.Finn E.Fundamental University Physics, Vol.11. Filds and IMA.: Addision-Wesley, 1983, pp. 287-340), Шорохов B.B., Воронков В.Н., Клишко А.Н., Пашовкин Т.Н. Распространение поверхностных сдвиговых возмущений продольной поляризации в моделях мягких биологических тканей. Механика композитных материалов, 5, 1992, с.669), что позволяет проводить диагностику в различных направлениях медицины, в том числе в косметологии, дерматологии и смежных с нею областях медицины, оценивать и прогнозировать эффективность выбранного метода лечения или косметологического воздействия и т.д.
Уровень техники
Известны многочисленные способы акустического тестирования упругости и определения механических свойств мягких биотканей. Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому является описанный в патенте США №5115808 от 22 мая 1990 года способ неинвазивного испытания анизотропной эластичной ткани, в соответствии с которым:
- прижимают к поверхности испытуемой биоткани контактные элементы излучающего преобразователя и возбуждают на поверхности испытуемой ткани тангенциальные механические колебания акустического диапазона волн;
- прижимают к поверхности испытуемой ткани на заранее известном расстоянии от контактных элементов излучающего преобразователя и с таким же усилием контактные элементы приемного преобразователя механических колебаний в электрический сигнал;
- располагают контактные элементы приемного преобразователя вдоль линии, которая совпадает с направлением возбуждения колебаний
- измеряют время распространения колебаний в направлении возбуждения колебаний на участке испытуемой биоткани, имеющем заранее заданную длину в направлении распространения колебаний;
- по результатам измерений определяют скорость распространения колебаний, модуль Юнга и другие параметры испытуемой ткани в вышеуказанном направлении и анизотропные характеристики эластичности ткани.
Недостатком известного способа является низкая достоверность результатов измерения, обусловленная погрешностями, связанными с отсутствием контроля глубины распространения возбуждаемых колебаний внутри испытуемой ткани, невозможностью исключить из числа измеряемых результаты. Получаемые в том числе и на частотах собственного резонанса системы испытуемая ткань - акустический преобразователь, отсутствие калибровок, исключающих влияние наведенных и шумовых сигналов в каждых конкретных условиях проведения измерений.
Сущность изобретения
Техническим эффектом при использовании предлагаемого способа является повышение достоверности измерений. Указанный технический эффект достигается за счет того, что в способе неинвазивного измерения скорости распространения акустических колебаний в эластичной ткани, в соответствии с которым:
- прижимают к поверхности испытуемой ткани контактные элементы излучающего преобразователя электрического сигнала в механические колебания и с его помощью возбуждают в испытуемой ткани механические колебания преимущественно акустического диапазона волн;
- прижимают к поверхности испытуемой ткани на заранее известном расстоянии от контактных элементов излучающего преобразователя и с таким же усилием контактные элементы приемного преобразователя механических колебаний в электрический сигнал;
- располагают контактные элементы излучающего и приемного преобразователей вдоль линии, которая совпадает с направлением возбуждения колебаний, измеряют время распространения колебаний на участке испытуемой ткани между излучающим и приемным преобразователями, по результатам измерений определяют скорость распространения колебаний в вышеуказанном направлении;
дополнительно
- возбуждение механических колебаний осуществляют путем подачи на излучающий преобразователь непрерывного в течение всего времени каждого конкретного измерения гармонического сигнала постоянной частоты и амплитуды;
- расстояние между контактными элементами излучающего и приемного преобразователей выбирают не превышающим длину волны возбуждаемого механического колебания, соответствующего наивысшей из частот используемого диапазона акустических волн для данного измерения;
- непосредственно перед проведением измерений на испытуемой ткани проводят калибровку измерителя в тех же условиях, в которых будут производиться измерения, при этом в состоянии не прижатых ни к какой поверхности контактных элементов излучающего и приемного преобразователей подают на излучающий преобразователь гармонические колебания, частоты которых изменяют с выбранной дискретностью во всем диапазоне используемых частот, на каждой частоте контролируют величину сигнала на выходе приемного преобразователя, фиксируют частоты, при которых сигнал имеет экстремальные значения, и исключают их из дальнейшего использования для измерений, на одной из оставшихся полезных частот выбирают значение комплексного коэффициента передачи приемного тракта, соответствующее минимуму выходной амплитуды, и фиксируют его на все время последующих измерений,
- затем прижимают контактные элементы преобразователей к образцу эталонной ткани, преимущественно резиновому, с заранее известными параметрами, изменяют усилие прижатия контактных элементов, подают на излучающий преобразователь гармонический сигнал одной из выбранных частот при каждом значении усилия прижатия, запоминают усилие прижатия, при котором погрешность измерения значения времени запаздывания сигнала в эталонной ткани по сравнению с известным эталонным значением является минимальной, и используют это значение прижатия как рабочее при проведении дальнейших измерений;
- затем прижимают контактные элементы преобразователей к испытуемой ткани с определенным при калибровке рабочим усилием, подают на излучающий преобразователь гармонические колебания, частоты которых изменяют с выбранной дискретностью во всем диапазоне выбранных при калибровке частот, на каждой частоте контролируют величину сигнала на выходе приемного преобразователя, фиксируют частоты, при которых амплитуда сигнала имеет экстремальные значения, и проводят измерения времени запаздывания на этих частотах.
При этом усилие прижатия преобразователей определяют путем измерения соотношения величин сигналов на входе передающего и выходе приемного преобразователей и при проведении измерений на испытуемой ткани обеспечивают усилие прижатия такое, при котором устанавливается измеренное на эталонной ткани соотношение, соответствующее рабочему усилию.
Способ осуществляется следующим образом. Как и в выбранном прототипе прижимают к поверхности исследуемой ткани контактные элементы преобразователей, как правило, скомпонованные в одном конструктивном элементе, возбуждают в биоткани сдвиговые поверхностные колебания, измеряют время распространения волн между излучающим и приемным контактными элементами. Основными техническими отличиями являются:
- использование при измерении набора частот возбуждаемых гармонических колебаний, что исключает погрешности, связанные с возникновением переходных процессов при импульсном воздействии, и позволяет получить ряд результатов измерений во всем диапазоне частот и определить целый комплекс времен релаксации для отдельных составляющих компонентов биоткани;
- в связи с тем, что время запаздывания сигнала при использовании гармонических колебаний определяется по сдвигу фаз между излученным и принятым сигналами, для исключения неоднозначности и погрешности измерений, связанных с возможностью использования для измерения принятых сигналов, фазовое запаздывание которых превышает истинное, более чем на 360°, расстояние между контактными элементами излучающего и приемного преобразователей выбирают не превышающим длину волны возбуждаемого механического колебания, соответствующего наивысшей из частот используемого диапазона акустических волн для данного измерения. При определении величины длины волны используют имеющиеся априорные или накопленные знания, в частности в способе-прототипе указаны скорости распространения, равные 200 м/сек для сдвиговых волн и 1500 м/сек для упругих волн сжатия-растяжения;
- для каждых конкретных условий измерения, в частности после смены насадок-преобразователей, что требуется проводить для каждого конкретного пациента, перед проведением измерений на испытуемой ткани проводят калибровку измерителя, при этом в состоянии не прижатых ни к какой поверхности контактных элементов излучающего и приемного преобразователей подают на излучающий преобразователь гармонические колебания, частоты которых изменяют с выбранной дискретностью во всем диапазоне используемых частот, на каждой частоте контролируют величину сигнала на выходе приемного преобразователя, фиксируют частоты, при которых сигнал имеет экстремальные значения, и исключают их из дальнейшего использования для измерений, т.к. эти частоты являются частотами собственного резонанса элементов измерителя и измерение на них приведет к повышению погрешности. На одной из оставшихся полезных частот выбирают значение комплексного коэффициента передачи (величину коэффициента усиления и фазовый сдвиг) приемного тракта, соответствующее минимуму выходной амплитуды, и фиксируют его на все время последующих измерений, что позволяет минимизировать влияние сигналов наведенных помех; затем прижимают контактные элементы преобразователей к образцу эталонной ткани, преимущественно резиновому, с заранее известными параметрами, например стандартные силиконовые резины Института медицинских полимеров, являющиеся изотропными и поэтому легко позволяющие измерить в них скорость распространения, которая всегда постоянна, вне зависимости от силы прижатия, частоты колебаний и точек приложения преобразователей. Затем изменяют усилие прижатия контактных элементов, подают на излучающий преобразователь гармонический сигнал одной из выбранных частот при каждом значении усилия прижатия, запоминают усилие прижатия, при котором погрешность измерения значения времени запаздывания сигнала в эталонной ткани по сравнению с известным эталонным значением является минимальной, и используют это значение прижатия как рабочее при проведении дальнейших измерений, что позволяет правильно выбрать глубину распространения возбуждаемых колебаний в эталонной, а затем и в испытуемой тканях. При этом определение усилия прижатия преобразователей может быть произведено путем измерения соотношения величин сигналов на входе передающего и выходе приемного преобразователей, и при проведении измерений на испытуемой ткани обеспечивают усилие прижатия, такое, при котором устанавливается измеренное на эталонной ткани соотношение, соответствующее рабочему усилию;
- затем проводят измерения на частотах, отличных от частот собственного резонанса и исключенных при первом этапе калибровки, при этом прижимают контактные элементы преобразователей к испытуемой ткани с определенным при калибровке рабочим усилием, подают на излучающий преобразователь гармонические колебания, частоты которых изменяют с выбранной дискретностью во всем диапазоне выбранных при калибровке частот, на каждой частоте контролируют величину сигнала на выходе приемного преобразователя, фиксируют частоты, при которых сигнал имеет экстремальные значения, и проводят измерения времени запаздывания на этих частотах. В связи с тем, что данные частоты являются частотами собственного резонанса отдельных компонентов испытуемой биоткани, результаты измерений, полученные на этих частотах, обеспечивают максимальную достоверность и информативность как самих измерений, так и последующей диагностики и оценки эффективности используемых методов дерматологического или косметологического воздействия.