Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Automated bimodal ultrasound device for preclinical testing of HIFU technique in treatment of solid tumors implanted into small animals

Kujawska T., Dera W., Dziekoński C.

Hydroacoustics

|

2017

|

Vol. 20

93--98

EN

In Poland cancer is the second cause of death overall, and the first before 65. Demand for new anticancer therapies is increasing every year. The main objective of studies on medical and technical aspects of new anticancer methods is to reduce unwanted side effects and costs associated with conventional methods of treatment. Percutaneous (noninvasive) HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) technique gives the chance to radically reduce both of these factors. The main goal of this work is automation of HIFU technology for producing thermal damage to the entire volume of a solid breast tumor implanted into a rat mammary gland using the proposed bi-modal ultrasound equipment, enabling the ultrasonic heating of a small volume within the tumor under the ultrasonic imaging control, as well as 3D scanning of the heating beam focus throughout the entire tumor volume. Design of the proposed equipment includes the heating probe of low frequency (about 1MHz), allowing penetration of pulsed focused waves into tissues, and the linear phased array probe of high frequency (from 4 MHz to 10 MHz), allowing visualization of the locally heated area inside the tumor in real time. Automatic 3D scanning of the heating beam focus provides the thermal damage to its entire volume.

2

Application of ultrasound to noninvasive imaging of temperature distribution induced in tissue

Karwat P., Kujawska T., Secomski W., Gambin B., Litniewski J.

Hydroacoustics

|

2016

|

Vol. 19

219--228

EN

Therapeutic and surgical applications of High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) require monitoring of local temperature rises induced inside tissues. It is needed to appropriately target the focal plane, and hence the whole focal volume inside the tumor tissue, prior to thermo-ablative treatment, and the beginning of tissue necrosis. In this study we present an ultrasound method, which calculates the variations of the speed of sound in the locally heated tissue. Changes in velocity correspond to temperature change. The method calculates a 2D distribution of changes in the sound velocity, by estimation of the local phase shifts of RF echo-signals backscattered from the heated tissue volume (the focal volume of the HIFU beam), and received by an ultrasound scanner (23). The technique enabled temperature imaging of the heated tissue volume from the very inception of heating. The results indicated that the contrast sensitivity for imaging of relative changes in the sound speed was on the order of 0.06%; corresponding to an increase in the tissue temperature by about 2 °C.

3

Rat cancer cells necrosis induced by ultrasound

Secomski W., Bilmin K., Kujawska T., Nowicki A., Grieb P.

Hydroacoustics

|

2014

|

Vol. 17

179--186

EN

Sonodynamic therapy is the ultrasound dependent enhancement of the cytotoxic activities of certain drugs called sonosensitizers. The study of therapeutic efficacy of ultrasound is always preceded by in-vitro tests. In this work, two in-vitro sonication procedures were compared. One with the transducer positioned bellow the cell colony, radiating upward, with standing wave reflected from the water-air surface, the second, in the free field conditions. Efficiency of the cancer cells necrosis caused by ultrasound was compared with acoustical field intensity ISPTA measured by a hydrophone. The standing wave conditions effectively increased the intensity of the ultrasonic wave at the level of cells. To achieve 50% of cell viability, the intensity ISATA, decreased from 5.8 W/cm2 to 0.3 W/cm2. In summary, sonication in the standing wave conditions can effectively and reproducibly destroy cells by ensuring the sterility and without the risk of overheating.

4

Noninvasive Imaging of Thermal Fields Induced in Soft Tissues In Vitro by Pulsed Focused Ultrasound Using Analysis of Echoes Displacement

Karwat P., Litniewski J., Kujawska T., Secomski W., Krawczyk K.

Archives of Acoustics

|

2014

|

Vol. 39, No. 1

139--144

EN

Therapeutic and surgical applications of focused ultrasound require monitoring of local temperature rises induced inside tissues. From an economic and practical point of view ultrasonic imaging techniques seem to be the most suitable for the temperature control. This paper presents an implementation of the ultrasonic echoes displacement estimation technique for monitoring of local temperature rise in tissue during its heating by focused ultrasound The results of the estimation were compared to the temperature measured with thermocouple. The obtained results enable to evaluate the temperature fields induced in tissues by pulsed focused ultrasonic beams using non-invasive imaging ultrasound technique.

5

Pulsed Focused Nonlinear Acoustic Fields from Clinically Relevant Therapeutic Sources in Layered Media: Experimental Data and Numerical Prediction Results

Kujawska T.

Archives of Acoustics

|

2012

|

Vol. 37, No. 3

269-278

EN

In many therapeutic applications of a pulsed focused ultrasound with various intensities the finite- amplitude acoustic waves propagate in water before penetrating into tissues and their local heating. Water is used as the matching, cooling and harmonics generating medium. In order to design ultrasonic probes for various therapeutic applications based on the local tissue heating induced in selected organs as well as to plan ultrasonic regimes of treatment a knowledge of pressure variations in pulsed focused nonlinear acoustic beams produced in layered media is necessary. The main objective of this work was to verify experimentally the applicability of the recently developed numerical model based on the Time- Averaged Wave Envelope (TAWE) approach (Wójcik et al., 2006) as an effective research tool for predicting the pulsed focused nonlinear fields produced in two-layer media comprising of water and tested materials (with attenuation arbitrarily dependent on frequency) by clinically relevant axially-symmetric therapeutic sources. First, the model was verified in water as a reference medium with known linear and nonlinear acoustic properties. The measurements in water were carried out at a 25.C temperature using a 2.25 MHz circular focused (f/3.0) transducer with an effective diameter of 29 mm. The measurement results obtained for 8-cycle tone bursts with three different initial pressure amplitudes varied between 37 kPa and 113 kPa were compared with the numerical predictions obtained for the source boundary condition parameters determined experimentally. The comparison of the experimental results with those simulated numerically has shown that the model based on the TAWE approach predicts well both the spatial-peak and spatial-spectral pressure variations in the pulsed focused nonlinear beams produced by the transducer used in water for all excitation levels complying with the condition corresponding to weak or moderate source-pressure levels. Quantitative analysis of the simulated nonlinear beams from circular transducers with ka ť 1 allowed to show that the axial distance at which sudden accretion of the 2nd or higher harmonics amplitude appears is specific for this transducer regardless of the excitation level providing weak to moderate nonlinear fields. For the transducer used, the axial distance at which the 2nd harmonics amplitude suddenly begins to grow was found to be equal to 60 mm. Then, the model was verified experimentally for two-layer parallel media comprising of a 60-mm water layer and a 60-mm layer of 1.3-butanediol (99%, Sigma-Aldrich Chemie GmbH, Steinheim, Germany). This medium was selected because of its tissue-mimicking acoustic properties and known nonlinearity parameter B/A. The measurements of both, the peak- and harmonic-pressure variations in the pulsed nonlinear acoustic beams produced in two-layer media (water/1.3-butanediol) were performed for the same source boundary conditions as in water. The measurement results were compared with those simulated numerically. The good agreement between the measured data and numerical calculations has shown that the model based on the TAWE approach is well suited to predict both the peak and harmonic pressure variations in the pulsed focused nonlinear sound beams produced in layered media by clinically relevant therapeutic sources. Finally, the pulsed focused nonlinear fields from the transducer used in two-layer media: water/castor oil, water/silicone oil (Dow Corning Ltd., Coventry, UK), water/human brain and water/pig liver were predicted for various values of the nonlinearity parameter of tested media.

6

Thermal Effects Induced in Liver Tissues by Pulsed Focused Ultrasonic Beams from Annular Array Transducer

Kujawska T., Secomski W., Krawczyk K., Nowicki A.

Archives of Acoustics

|

2011

|

Vol. 36, No. 4

937-944

EN

Many therapeutic applications of pulsed focused ultrasound are based on heating of detected lesions which may be localized in tissues at different depths under the skin. In order to concentrate the acoustic energy inside tissues at desired depths a new approach using a planar multi-element annular array transducer with an electronically adjusted time-delay of excitation of its elements, was proposed. The 7-elements annular array transducer with 2.4 MHz center operating frequency and 20 mm outer diameter was produced. All its elements (central disc and 6 rings) had the same radiating area. The main purpose of this study was to investigate thermal fields induced in bovine liver in vitro by pulsed focused ultrasonic beams with various acoustic properties and electronically steered focal plane generated from the annular array transducer used. The measurements were performed for the radiating beams with the 20 mm focal depth. In order to maximize nonlinear effects introducing the important local temperature rise, the measurements have been performed in two-layer media comprising of a water layer, whose thickness was specific for the transducer used and equal to 13 mm, and the second layer of a bovine liver with a thickness of 20 mm. The thickness of the water layer was determined numerically as the axial distance where the amplitude of the second harmonics started to increase rapidly. The measurements of the temperature rise versus time were performed using a thermocouple placed inside the liver at the focus of the beam. The temperature rise induced in the bovine liver in vitro by beams with the average acoustic power of 1W, 2Wand 3Wand duty cycle of 1/5, 1/15 and 1/30, respectively, have been measured. For each beam used the exposure time needed for the local tissue heating to the temperature of 43.C (used in therapies based on ultrasonic enhancement of drug delivery or in therapies involving stimulation of immune system by enhancement of the heat shock proteins expression) and to the temperature of 56.C (used in HIFU therapies) was determined. Two sets of measurements were done for each beam considered. First, the thermocouple measurement of the temperature rise was done and next, the real-time monitoring of dynamics of growth of the necrosis area by using ultrasonic imaging technique, while the sample was exposed to the same acoustic beam. It was found that the necrosis area becomes visible in the ultrasonic image only for beams with the average acoustic power of 3 W, although after cutting the sample the thermo ablated area was visible with the naked eye even for the beams with lower acoustic power. The quantitative analysis of the obtained results allowed to determine the exposure time needed to get the necrosis area visible in the ultrasonic image.

7

Temperature fields induced in rat liver in vitro by pulsed low intensity focused ultrasound

Kujawska T., Wójcik J., Nowicki A.

Hydroacoustics

|

2010

|

Vol. 13

153-162

EN

Beneficial biological effects in soft tissues can be induced by focused ultrasound of low intensity (LIFU). For example, increasing of cells immunity to stress can be accomplished through the enhanced heat shock proteins (Hsp) expression induced by the low intensity focused ultrasound. The possibility to control the Hsp expression enhancement in soft tissues in vivo can be the potential new therapeutic approach to neurodegenerative diseases that utilizes the known feature of cells to increase their immunity to stresses through the Hsp expression enhancement. The controlling of the Hsp expression enhancement by adjusting the level of exposure to ultrasound energy would allow evaluating of ultrasound-mediated treatment efficiency. Our objective was to develop the numerical model capable of predicting in space and time temperature fields induced in multilayer nonlinear attenuating media by a circular focused transducer generating pulsed acoustic waves and to compare the results calculated for two-layer configuration of media: water - fresh rat liver with the experimental data. The measurements of temperature variations versus time at 5 points on the acoustic beam axis within the tissue sample were performed using 0.2-mm diameter thermocouples. Temperature fields were induced by the transducer with 15-mm diameter, 25-mm focal length and 2-MHz centre frequency generating tone bursts with the intensity ISPTA varied between 0.45 W/cm2 and 1.7 W/cm2 and duration varied between 20 and 500 cycles at the same 20-% duty cycle and 20-min exposure time. Quantitative analysis of the obtained results allowed to show that, for example, for the acoustic beam with intensity ISPTA = 1.13 W/cm2 exposure time to ultrasound should not be longer than 10 min to avoid cells necrosis following the 43-oC temperature threshold exceeding.

8

Numerical modeling of ultrasound-induced temperature fields in multilayer nonlinear attenuating media

Kujawska T., Wójcik J., Nowicki A.

Hydroacoustics

|

2009

|

Vol. 12

91-97

EN

Ultrasound is a safe, convenient and inexpensive modality which may be useful for soft tissues treatment. A range of beneficial biological effects induced by ultrasound depends on the exposure levels used during treatment. At high intensities instantaneous tissue necrosis is desired, whereas at lower intensities remedial reversible cellular effects may be produced. For example, increasing of cells immunity against stress can be obtained through the heat shock proteins (Hsp) expression enhancement. The possibility of the Hsp expression enhancement in soft tissues in vivo by means of controlled exposure to ultrasound would allow to evaluate the treatment efficiency. Ultrasonic regimes can be controlled by adjusting the ultrasound intensity, frequency, pulse duration, duty cycle and exposure time. The goal of this work was to develop the numerical model capable of predicting in space and time the temperature fields induced by circular focused transducer generating tone bursts in multilayer nonlinear attenuating media, which is intended for the Hsp expression enhancement therapeutic application. The acoustic pulsed pressure field generated from the transducer was calculated using our original 3D numerical solver [1]. For prediction of the temperature distributions in multilayer biological media the Pennes bio-heat transfer equation was numerically solved. The 3D temperature fields induced in a rat liver in vitro by a 2 MHz transducer with 15 mm diameter and 25 mm focal length during ultrasonic Hsp expression enhancement treatment using various acoustic beam intensities and exposure time was predicted.

9

Temperature Fields Induced by Low Power Focused Ultrasound in Soft Tissues During Gene Therapy. Numerical Predictions and Experimental Results

Gambin B., Kujawska T., Kruglenko E., Mizera A., Nowicki A.

Archives of Acoustics

|

2009

|

Vol. 34, No. 4

445-459

EN

The aim of this work is twofold. Firstly, to verify a theoretical model which is capable of predicting temperature fields appearing in soft tissues during their ultrasound treatment. Secondly, to analyze some aspects of the dynamics of Heat Shock Response induced by the heating process in the context of therapeutic treatment. The theoretical investigations and quantitive analysis of temperature increments at any field point versus time of heating process, depending on the heat source power, spatial distribution and duration as well as on the tissue thermal properties, has been carried out by Finite Element Method (FEM). The validation of the numerical model has been performed by comparison of the calculation results with the experimental data obtained by measuring in vitro of the 3D temperature increments induced in samples of the turkey and veal liver by the circular focused transducer with the diameter of 15 mm, focal length of 25 mm and resonance frequency of 2 MHz. Various ultrasonic regimes were considered. They were controlled by adjusting ultrasound power and exposure time. The heat shock proteins (HSP) and misfolded proteins (MFP) levels during the proposed cyclic sonification are presented.

10

Nonlinearly coded signals for harmonic imaging

Nowicki A., Wójcik J., Kujawska T.

Archives of Acoustics

|

2009

|

Vol. 34, No. 1

63-74

EN

In this paper a new method utilizing nonlinear properties of tissues to improve contrast-to-noise ratio is presented. In our novel method the focused circular transducer is excited with two-tone bursts (including the 2.2MHz fundamental and 4.4MHz second harmonic frequencies) with specially coded polarization of each tone. This new approach was named Multitone Nonlinear Coding (MNC) because the choice of both tones polarization and amplitude law, allowing optimization of the probe receiving properties, depends on nonlinear properties of tissue. The numerical simulations of nonlinear fields in water and in tissue-like medium with absorption coefficient of 7Np/(m MHz) are performed. The comparison between the proposed method and the Pulse Inverse (PI) method is presented. The concept of the virtual fields was introduced to explain properties of both the Pulse Inversion and MNC methods and to compare their abilities. It was shown that for the same on-source pressure an application of the MNC method allows to decrease the mechanical index about 40%, to improve lateral resolution from 10 to 30% and to gain the signal-to-noise ratio up to 8 times with respect to the PI method.

11

Determination of the B/A of biological media by measuring and modeling nonlinear distortion of pulsed acousticwave in two-layermedia

Kujawska T.

Hydroacoustics

|

2008

|

Vol. 11

149-158

EN

The acoustic nonlinearity parameter, B/A, is a fundamental material constant characterizing nonlinear properties of biological media. Knowledge of the B/A of biological fluids or soft tissues through which pulsed acoustic waves generated from clinically relevant probes are propagating is necessary whenever high intensity pressure fields are produced. The numerical model recently developed in our lab, capable of predicting the pulsed sound fields generated from axisymmetric sources in nonlinear attenuating media, was a powerful instrument for investigating nonlinear acoustic fields produced from circular plane or focused sources in attenuating media in dependence on boundary condition parameters. Quantitative analysis of the obtained results enabled developing the alternative method for determination of the B/A parameter of biological media. First, the method involves measuring in the near field of a piezoelectric transducer the nonlinear waveform distortion of the pulsed acoustic wave propagating through the two-layer system of media: water-tested material. Then, the method involves numerical modeling, in frequency domain and under experimental boundary conditions, the nonlinear waveform distortion of the propagating wave by using the Time-Averaged Wave Envelope (TAWE) approach [1]. The obtained numerical simulation results were fitted to the experimental data by adjusting the B/A parameter of the tested material. The determined values of the B/A for standard media considered (corn oil, glycerol, pig blood, homogenized pig liver), whose density, sound velocity and attenuation law have been preliminary determined experimentally, are in a good agreement with those published. The proposed method ensure the decimal degree of accuracy, is relatively simple to use and requires small volume of tested materials that is important because of difficulty of their availability.

12

Pulsed nonlinear acoustic fields from clinically relevant sources: numerical calculations and experiments results

Wójcik J., Kujawska T., Nowicki A.

Archives of Acoustics

|

2008

|

Vol. 33, No. 4

565-571

EN

The goal of this work was to verify experimentally the applicability of the recently developed Time-Averaged Wave Envelope (TAWE) method [1] as a tool for fast prediction of pulsed nonlinear pressure fields from focused nonaxisymmetric acoustic sources in attenuating media. The experiments were performed in water at the fundamental frequency of 2.8 MHz for spherically focused (focal length F = 80 mm) square (20x20 mm) and rectangular (10x25 mm) sources similar to those used in the design of 1D linear arrays operating with ultrasonic imaging systems. The experimental results obtained with 10-cycle tone bursts at three different excitation levels corresponding to linear, moderately nonlinear and highly nonlinear propagation conditions (0.045, 0.225 and 0.45 MPa on-source pressure amplitude, respectively) were compared with those yielded using the TAWE approach. Comparison of the experimental and numerical calculations results has shown that the TAWE approach is well suited to predict (to within ±1 dB) both the spatial-temporal and spatial-spectral pressure variations in the pulsed nonlinear acoustic beams.

13

Badania nieliniowych własności ośrodków biologicznych za pomocą fal ultradźwiękowych

Kujawska T.

Prace Instytutu Podstawowych Problemów Techniki PAN

|

2006

|

nr 9

5-148

PL

Celem naukowym niniejszej rozprawy jest przeprowadzenie badań zależności przestrzenno-widmowej struktury nieliniowego pola, wytwarzanego przez płaskie okrągłe źródło akustyczne w ośrodkach biologicznych, od liniowych i nieliniowych własności tych ośrodków oraz właściwości generowanego impulsowego pola, a następnie, na podstawie ilościowej analizy wyników tych badań, opracowanie pomiarowej metody do wyznaczania wartości parametru nieliniowości BI A biologicznych cieczy lub tkanek, która nie będzie obarczona błędami, wynikającymi z dotychczas stosowanego uproszczonego modelu matematycznego, a w związku z tym zapewni lepszą dokładność. Autorka podejmuje się rozwiązania powyższego zadania w oparciu o model matematyczny ściśle opisujący zjawiska nieliniowe z uwzględnieniem wpływu na zniekształcenie fali ultradźwiękowej takich zjawisk jak dyfrakcja, absorpcja oraz nieliniowe wzajemne oddziaływania harmonicznych. Jedną z podstawowych przyczyn, nie pozwalających do niedawna na zbadanie wrażliwości przestrzenno-widmowej struktury nieliniowej wiązki, wytwarzanej przez źródło akustyczne w biologicznych ośrodkach, na zmiany ich nieliniowych własności i na zmiany parametrów geometrycznych oraz parametrów pracy źródła, był brak dostępu do numerycznych technik obliczeniowych umożliwiających numeryczne rozwiązanie równania falowego akustyki nieliniowej (gdyż ścisłe rozwiązania analityczne nie istnieją). W ostatnich latach w Zakładzie Ultradźwięków I PPT PAN na podstawie klasycznych równań akustyki nieliniowej opracowano oryginalny model matematyczny, opisujący 4D (trójwymiarowa przestrzeń + czas) propagację impulsu ciśnienia fali akustycznej o skończonej amplitudzie w nieliniowym ośrodku stałym o absorpcji dowolnie zależnej od częstotliwości [Wójcik J. 1998]. Równania tego modelu rozwiązywane są numerycznie przy zastosowaniu techniki propagacji naprzód małymi przyrostowymi krokami oraz techniki rozdzielenia operatorów drugiego rzędu, za pomocą których uwzględniany jest wpływ na zniekształcenie fali akustycznej takich zjawisk jak dyfrakcja, absorpcja oraz nieliniowość ośrodka. Rozwiązanie numeryczne [Wójcik J. 2000] powyższego modelu matematycznego w postaci 3D (dwuwymiarowa przestrzeń + czas) kodu numerycznego dla źródeł osiowosymetrycznych, a także jego implementacja komputerowa w postaci 3D solvera numerycznego, umożliwiły autorce przewidywanie metodą symulacji numerycznych przestrzenno-czasowych oraz przestrzenno-widmowych rozkładów ciśnienia w nieliniowych wiązkach, wytwarzanych w ośrodkach rzeczywistych przez płaskie okrągłe źródła akustyczne. Posiadanie 3D solvera numerycznego, umiejętność jego obsługi i modyfikacji w zależności od rozpatrywanych warunków brzegowych, stworzyły przesłanki skłaniające autorkę do podjęcia badań przestrzenno-widmowej struktury nieliniowego pola, wytwarzanego przez płaskie okrągłe źródło akustyczne w ośrodkach biologicznych, w zależności od liniowych i nieliniowych własności tych ośrodków oraz od właściwości generowanego impulsowego pola, a następnie, na podstawie ilościowej analizy wyników przeprowadzonych badań, do opracowania nowej pomiarowej metody wyznaczania wartości parametru nieliniowości BIA biologicznych cieczy lub tkanek w oparciu o model numeryczny ściśle opisujący propagację impulsowej fali akustycznej o skończonej amplitudzie w ośrodku rzeczywistym z uwzględnieniem wpływu dyfrakcji, absorpcji oraz nieliniowych wzajemnych oddziaływań składowych harmonicznych na zniekształcenie tej fali podczas jej propagacji. Możliwość wykorzystania wartości parametru nieliniowości BI A badanej tkanki do wykrywania jej stanu patologicznego uzasadnia potrzebę podjęcia rozwiązania tego problemu. Znajomość wartości parametru nieliniowości ośrodka jest również niezbędna do modelowania nieliniowego pola metodą symulacji numerycznych w warstwowych strukturach biologicznych przy zakładaniu różnych parametrów warunków brzegowych w celu optymalizacji poprzecznych rozmiarów wiązek harmonicznych wykorzystywanych w technice TH1. Dlatego również potrzeba racjonalizacji procesu projektowania głowic ultradźwiękowych za pomocą przewidywania zachowania się nieliniowej wiązki penetrującej warstwowe struktury tkankowe wymaga znajomości dokładnej wartości parametru BI A, co uzasadnia niezbędność podjęcia tematu udoskonalenia metody wyznaczania wartości parametru nieliniowości BI A biologicznych cieczy lub tkanek. Rozwiązanie postawionego problemu pozwoli zweryfikować istniejący stan wiedzy w zakresie metod wyznaczania wartości parametru nieliniowości BI A biologicznych cieczy lub tkanek oraz wniesie oryginalny wkład do dorobku akustyki nieliniowej w świecie oraz w Polsce. W Polsce systematyczne prace poświęcone zagadnieniom rozchodzenia sie fal sprężystych o dużym natężeniu w wodzie morskiej oraz wykorzystaniu efektów nieliniowych dla celów hydroakustyki są prowadzone tylko w Akademii Marynarki Wojennej w Gdyni [Kozaczka E. et al. 1993; Kozaczka E. 2000; Grelowska G. 2001]. Metodyka badań, potrzebnych do rozwiązania postawionego zadania, opiera się na porównywaniu przestrzenno-widmowej struktury nieliniowego pola, generowanego przez płaskie okrągłe źródło akustyczne do dwuwarstwowego układu ośrodków: woda - badana ciecz lub tkanka, przewidywanej metodą symulacji numerycznych dla różnych zakładanych wartości parametru nieliniowości BIA badanego ośrodka, z osiowymi rozkładami ciśnienia odpowiednich harmonicznych wyznaczonymi doświadczalnie dla takich samych parametrów warunków brzegowych. Podstawę naukowego warsztatu autorki, potrzebnego do realizacji postawionego zadania, stanowi, między innymi, umiejętność obsługi oraz modyfikacji 3D solvera numerycznego w postaci użytkowego programu komputerowego, napisanego w języku maszynowym FORTRAN. Program ten przeznaczony jest do obliczania przestrzenno-czasowych oraz przestrzenno-widmowych rozkładów ciśnienia w nieliniowej wiązce generowanej do warstwowych ośrodków biologicznych przez osiowosymetryczne źródło akustyczne dla różnych parametrów warunków brzegowych. Parametry warunków brzegowych, będące wejściowymi parametrami 3D solvera numerycznego, występują w postaci kształtu, rozmiarów geometrycznych oraz częstotliwości drgań źródła, początkowej amplitudy ciśnienia oraz funkcji apodyzacji na jego powierzchni promieniującej, obwiedni oraz częstotliwości powtarzania sinusoidalnego impulsu fali akustycznej, generowanego do warstwowego układu ośrodków, a także liniowych i nieliniowych akustycznych parametrów charakteryzujących każdą warstwę, takich jak gęstość, prędkość propagacji, słabo-sygnałowy współczynnik absorpcji, wykładnik określający jego zależność od częstotliwości, a także parametr nieliniowości BIA . Przeprowadzenie przez autorkę ilościowej analizy symulowanych numerycznie przestrzenno-czasowych oraz przestrzenno-widmowych rozkładów ciśnienia w nieliniowych wiązkach dla różnych parametrów warunków brzegowych możliwe jest dzięki umiejętności obsługi oraz modyfikacji pakietu graficznego uruchamiającego wizualizację wyników obliczeń oraz wyników pomiarów w postaci wykresów rozkładów ciśnienia w wybranych punktach, osiach lub płaszczyznach badanego nieliniowego pola. Pakiet graficzny jest uruchamiany za pomocą użytkowego programu komputerowego Mathcad. Następną umiejętnością, niezbędną do rozwiązania postawionego zadania, jest opanowana przez autorkę technika eksperymentalnych badań nieliniowych pól, wytwarzanych przez piezoelektryczne przetworniki nadawcze w wodzie za pomocą opracowanego specjalnie do tego celu i zbudowanego w Zakładzie Ultradźwięków IPPT PAN przy współudziale autorki oryginalnego stanowiska laboratoryjnego wyposażonego w nowoczesną aparaturę pomiarową, którego pracą steruje komputer. Oprócz tego realizacja postawionego zadania wykonalna jest dzięki opanowaniu przez autorkę techniki automatycznego wyodrębniania oraz graficznej wizualizacji impulsów, rejestrowanych w punktach pomiarowych wybranej osi, z bazy danych zgromadzonych w pamięci komputera, występujących w postaci spróbkowanych czasowych przebiegów ciśnienia impulsów fali akustycznej rejestrowanych hydrofo-nem w węzłach przestrzennej siatki obejmującej badany obszar nieliniowego pola za pomocą oryginalnego programu komputerowego SPLITWAF, napisanego przez Lewandowskiego M. Ponadto umiejętność obsługi oryginalnego programu komputerowego HARMONICS (napisanego przez tego samego autora), dzięki któremu możliwa jest automatyczna obróbka spektralna metodą FFT impulsów, zarejestrowanych w każdym punkcie pomiarowym wybranej osi, jak również ogromne przyspieszenie wizualizacji graficznej rozkładów ciśnienia harmonicznych wzdłuż tej osi, pozwala zapewnić wykonalność tak czasochłonnej procedury w stosunkowo krótkim czasie. Dzięki umiejętnościom, stanowiącym podstawę naukowego warsztatu autorki, powstała możliwość zbadania wrażliwości przestrzenno-widmowej struktury nieliniowego pola na zmiany zakładanych w symulacjach numerycznych parametrów warunków brzegowych, a także możliwość weryfikacji wyników obliczeń z wynikami eksperymentalnymi. Wszystkie powyższe zagadnienia stały się przedmiotem badań niniejszej rozprawy. Wśród prac poświęconych propagacji fal akustycznych o dużym natężeniu w rzeczywistych cieczach lub tkankach biologicznych, zarówno w piśmiennictwie krajowym jak i zagranicznym, nie ma publikacji, która w sposób systematyczny przedstawiałaby ilościową analizę wpływu parametrów geometrycznych źródła, parametrów jego pracy, a także liniowych i nieliniowych własności badanego ośrodka na formowanie nieliniowego pola. Przedstawione w niniejszej pracy rozwiązania oparte są przede wszystkim na wynikach własnych badań autorki, zarówno obliczeniowych jak i doświadczalnych. Wyniki pomiarów w wodzie zostały wykorzystane do sprawdzenia poprawności i dokładności przewidywania przestrzenno-widmowej struktury nieliniowego pola za pomocą 3D solvera numerycznego, a jednocześnie stanowiły weryfikację poprawności procedury kalibracji układu pomiarowego. W teoretycznej części pracy (Rozdział 2) na początku autorka przedstawiła definicje oraz interpretację fizyczną parametru nieliniowości BI A cieczy oraz jego związek z nieliniowym współczynnikiem /?, będącym wspólną miarą nieliniowości gazów, cieczy oraz izotropowych ciał stałych. Następnie autorka dokonała przeglądu istniejącego stanu wiedzy w zakresie akustycznych metod pomiarowych do wyznaczania wartości parametru nieliniowości BI A biologicznych cieczy lub tkanek na podstawie stosowanych dotychczas do tego celu modeli matematycznych. W Rozdziale 3 przedstawiono różne podejścia stosowane dotychczas do rozwiązania zagadnienia sprowadzenia układu 4-ch równań dynamiki lepkiej, przewodzącej ciepło cieczy w przybliżeniu drugiego rzędu do jednego nieliniowego równania falowego dla potencjału skalarnego. Oprócz tego omówiono sposób upraszczania tego równania, prowadzące do modelowych równań falowych akustyki nieliniowej stosowanych dotychczas do opisu propagacji fal akustycznych o skończonej amplitudzie w nieliniowych ośrodkach stratnych, takich jak równanie Westervelta, równanie Burgersa, czy równanie KZK. W Rozdziale 4 przedstawiono metodę numerycznego rozwiązania równań przyjętego modelu matematycznego przy zastosowaniu metody posuwania fali akustycznej naprzód małymi przyrostowymi krokami oraz techniki rozdzielenia operatorów drugiego rzędu, za pomocą których wpływ dyfrakcji wraz z absorpcją na zniekształcenie zaburzenia akustycznego w obrębie każdego przyrostowego kroku jest uwzględniany osobno od wpływu nieliniowych wzajemnych oddziaływań składowych harmonicznych. Następnie omówiono sposób wprowadzania parametrów warunków brzegowych, jako wejściowych parametrów 3D solvera numerycznego, niezbędnych do przeprowadzenia symulacji numerycznych przestrzenno-czasowych oraz przestrzenno-widmowych rozkładów ciśnienia w nieliniowej wiązce oraz wizualizacji graficznej obliczonych wyników. Rozpatrzono płaskie okrągłe źródła o różnej średnicy, częstotliwości oraz początkowej amplitudzie ciśnienia akustycznego na ich powierzchni. Posiadając tak efektywne czasowo narzędzie badawcze do szybkiego przewidywania widmowej struktury nieliniowego pola przeprowadzono szereg symulacji numerycznych przestrzenno-widmowych rozkładów ciśnienia w nieliniowych wiązkach wytwarzanych przez te źródła w wodzie (jako ośrodku odniesienia, którego liniowe i nieliniowe właściwości akustyczne są dobrze zbadane i opisane w literaturze) w celu weryfikacji wyników symulacji numerycznych z wynikami pomiarów. Dokonano również ilościowej analizy wpływu parametrów geometrycznych oraz parametrów pracy rozpatrywanych źródeł akustycznych na przestrzenno-widmową strukturę nieliniowego pola wytwarzanego w wodzie. W Rozdziale 5 przedstawiono wyniki wykonanych pomiarów przestrzenno-czasowych oraz przestrzenno-widmowych rozkładów ciśnienia w wodzie dla takich samych jak w symulacjach numerycznych warunków brzegowych. Na podstawie porównania wyników eksperymentalnych w wodzie z wynikami obliczeniowymi, autorka wykazała poprawność stosowanego 3D kodu numerycznego oraz dużą dokładność przewidywania przestrzenno-widmowej struktury nieliniowej wiązki dla rozpatrywanych przypadków warunków brzegowych. Ilościowa analiza wpływu rozmiarów i częstotliwości źródła akustycznego, a także amplitudy ciśnienia pierwotnego sinusoidalnego impulsu fali akustycznej na przestrzenno-widmową strukturę nieliniowej wiązki wytwarzanej w wodzie stanowi oryginalny wkład do istniejącego stanu wiedzy. Modyfikacja kodu numerycznego (Rozdział 6), polegająca na rozszerzeniu opisu nieliniowej propagacji impulsu fali akustycznej na ośrodki warstwowe, umożliwiła autorce przeprowadzenie metodą symulacji numerycznych badań nieliniowych pól akustycznych wytwarzanych w dwuwarstwowym układzie ośrodków: woda - badana biologiczna ciecz lub tkanka oraz badań wpływu parametrów warunków brzegowych na ilościową zawartość w tych polach wiązek harmonicznych. Ilościowa analiza otrzymanych wyników obliczeniowych pozwoliła na zbadanie wrażliwości przestrzenno-widmowej struktury nieliniowego pola na zmianę liniowych oraz nieliniowych parametrów warunków brzegowych, a także pozwoliła na opracowanie nowej metody pomiarowej do wyznaczania wartości parametru nieliniowości BIA badanej biologicznej cieczy lub tkanki z lepszą dokładnością. W zaproponowanej metodzie sinusoidalny impuls fali akustycznej o skończonej amplitudzie generowany jest do dwuwarstwowego układu ośrodków, składającego się z warstwy wody (jako ośrodka odniesienia o znanej wartości jego parametru nieliniowości {BIA)w) oraz z warstwy badanej biologicznej cieczy lub tkanki o poszukiwanej wartości parametru {BIA)x. Dotychczasowe metody skończonej amplitudy, obarczone błędami wynikającymi ze stosowania uproszczonych modeli matematycznych, są oparte na dyskretnym pomiarze ciśnienia 2-giej harmonicznej impulsu fali akustycznej po jego przejściu przez badany ośrodek o dowolnej grubości. W odróżnieniu od dotychczas stosowanych metod opracowana nowa metoda opiera się na doświadczalnym wyznaczeniu osiowych rozkładów stosunku ciśnienia 1-szej oraz 2-giej harmonicznej impulsu fali akustycznej rozchodzącego się w samej wodzie oraz w dwuwarstwowym układzie ośrodków o takiej samej grubości (komponowanym w specjalny sposób), zawierającym warstwę wody o stałej grubości, wyznaczanej metodą symulacji numerycznej, oraz warstwę badanego materiału o dowolnej grubości, a następnie na porównywaniu wyników pomiarów z osiowymi rozkładami stosunku ciśnienia odpowiednich harmonicznych, wyznaczonymi metodą symulacji numerycznych dla różnych zakładanych wartości parametru nieliniowości badanego materiału, pozostawiając pozostałe parametry warunków brzegowych takimi samymi jak w eksperymencie. W ten sposób uwzględniany jest wpływ wzajemnego oddziaływania składowych harmonicznych na zniekształcenie rozchodzącego się impulsu fali akustycznej. W Rozdziale 7 przedstawiono wyniki pomiarów w dwuwarstwowym układzie jednorodnych ośrodków: woda - badana standardowa ciecz (olej kukurydziany, glikol etylenowy, gliceryna) lub tkanka miękka (homogenizowana wątroba wieprzowa oraz homogenizowana masa sojowa tofu, imitująca tkankę miękką), których porównanie z wynikami symulacji numerycznych dla takich samych warunków brzegowych pozwoliło zweryfikować poprawność oraz dokładność przewidywania przestrzenno-widmowe struktury nieliniowego pola za pomocą 3D solvera numerycznego. W Rozdziale 8 przedstawiono osiągnięcia, uzyskane dzięki przeprowadzonym badaniom, znaczenie otrzymanych wyników badań dla rozwoju ultrasonografii medycznej i diagnostyki patologicznego stanu tkanek, a także wnioski.

14

Nonlinear ultrasound propagation in water from square focused transducer

Kujawska T., Wójcik J., Nowicki A.

Hydroacoustics

|

2005

|

Vol. 8

89-98

EN

The nonlinear pulsed acoustic pressure field from a focused square aperture is considered. Experimental measurements in water of a 4D sound field radiated from a 2.8 MHz focused square transducer of a 20 mm side and a 80 mm focal distance for excitation level producing an average acoustic pressure P0 = 0.14 MPa at its surface are presented. The obtained results are compared with the numerical calculation results for the same boundary conditions. The novel, free from paraxial approximation and computationally efficient numerical algorithm was used to simulate the 4D nonlinear pulsed pressure field from the nonaxisymmetric acoustic source. Our theoretical model was based on the Time-Averaged Pressure Envelope (TAPE) method recently developed that enable to represent the propagated pulsed disturbance as a superposition of sinusoidal wavelets with carrier frequencies being the harmonics of the initial tone burst and with envelopes determined by the TAPE method. The novel approach to the solution of the nonlinear wave equation enabled to simulate full 4D nonlinear field for given boundary conditions in a dozen or so minutes utilizing the computational power of the standard PC.

15

Harmonic ultrasound beams forming by means of radiating source parameters

Kujawska T., Wójcik J.

Hydroacoustics

|

2004

|

Vol. 7

135-142

EN

In the paper the investigation results of the influence of such parameters as shape and size of the radiating source, as well as waveform, frequency and amplitude of the propagating pulse on the non-linear ultrasonic beam forming are presented. The analysis was carried out on the basis of numerical simulations of the amplitude and harmonic field distributions, in space and time, of two-dimensional beams propagating in water. The applied software (numerical solver), describing the nonlinear propagation of the ultrasonographic pulse wave radiated by the axially symmetrical source in the layered lossy medium for given boundary conditions, was used as the tool to predict the behavior of the ultrasound beam. The algorithm of the above numerical solver, proposed by the second author, is based on the frequency-domain numerical solution of the non-linear wave equation for finite amplitude sound beams. It takes into account the influence of the effects of diffraction, non-linearity and thermoviscous absorption on the propagation of the finite amplitude acoustic beam in attenuating media.

16

Foundation of the new method of numerical calculations of the nonlinear acoustics fields

Wójcik J., Filipczyński L., Kujawska T., Nowicki A.

Hydroacoustics

|

2004

|

Vol. 7

227-234

EN

We explain, motivation behind this work and briefly describe foundation of new method which we have developed for efficient solution in PC environment of the nonlinear propagation equation with the boundary conditions applied for both circular and not circular transducers (like array). Comparison between new and old method will be presented for strongly nonlinear disturbance. At the end we will demonstrate the results of the numerical calculations of the nonlinear field propagating from the array.

17

Nonlinear equations of acoustics - numerical solutions and their visualization

Wójcik J., Lewin P. A., Nowicki A., Filipczyński L., Kujawska T., Radulescu E.

Hydroacoustics

|

2003

|

Vol. 6

137--142

EN

The novel effective numeric solver of the nonlinear scalar wave equation describing the acoustic wave propagation in the attenuating media was derived. The solver was developed for the PC environment. The standard computation data include al! stationary and dynamic characteristics of the radiated ultrasonic pressure field, especially its 4D (space/time) visualization. The results obtained with the solver can be used as the supporting tools (tool) in designing and developments of the multielement linear and phase array transducers applied in ultrasonography.

18

Nonlinear and linear pressure determination in a two-layer structure: solid crystal - water at GHz frequencies

Filipczyński L., Wójcik J., Kujawska T.

Hydroacoustics

|

2003

|

Vol. 6

143--150

EN

Determination of acoustic pressures at the frequency of 1 GHz by means of PVDF hydrophones is not possible due to their limited frequency response. Moreover, the size of their active electrodes is by about 3 orders of magnitude greater than the resolution in the acoustic microscopes at such a high frequency. Therefore the authors solved this problem at first in a microscope with the working frequency of 34 MHz using both the numerical and experimental methods. A numerical procedure of nonlinear propagation and transducer power measurements were applied giving in effect the same quantitative results. Therefore the identical numerical procedure was used for the l GHz microscope working in the reflection mode. Many pressure field quantities of the microscope were shown, e.g. the pressure values, distributions of the first, second, third and fourth pressure harmonics in and outside of the focus, pulse distortions and their spectra, the resolutions achieved etc. The obtained information on nonlinear propagation effects in microscopy was previously lacking.

19

Nonlinear effects and possible temperature increases in ultrasonic microscopy

Wójcik J., Litniewski J., Filipczyński L., Kujawska T.

Archives of Acoustics

|

2002

|

Vol. 27, no. 3

191-201

EN

Visualisation of living tissues or cells at a microscopic resolution provides a foundation for many new medical and biological applications. Propagation of waves in ultrasonic microscopy is a complex problem due to finite amplitude distortions. Therefore, to describe it quantitatively, a numerical model developed by the first author was applied. The scanning acoustic microscope operating at 34 MHz was used with strongly focused ultrasonic pulses of 4 periods. For measurements of signals, a 100 MHz PVDF probe was constructed. Its frequency characteristic was found experimentally. The numerical calculation procedure for nonlinear propagation was based on previous papers of the authors. Computations have shown that in the case under consideration, only the spectrum with an input lens pressure amplitude of 1 MPa was in agreement with the experimental one. Based on transducer power measurements, a slightly smaller pressure value was obtained thus confirming, to a good approximation, the correctness of the applied methods. A significant parameter is the ratio of the amplitudes of the second to the first calculated harmonics, which shows the extent of the nonlinearity. In our case it was equal to 0.5. After averaging over the surface of the finite electrode size used in measurements, this ratio was reduced to 0.2. Pressure distributions in the lens cavity and the following region in water were computed for the first 4 harmonics making it possible to determine many features of the nonlinear propagation effects in the microscope. Using the thermal conductivity equation and the rate of heat generation per unit volume, determined for nonlinear propagation in water, a focal temperature increase of 3.3o C was obtained. It was computed for a repetition frequency of 100 kHz. The computed temperature increases can be significant and also harmful, especially when imaging small superficial structures and testing living cell cultures. However, they can be easily decreased by reducing the repetition frequency of the microscope. The developed numerical procedure can be applied for much higher frequencies when living cells in culture are being investigated.

20

Fale krawędziowe przetworników piezoelektrycznych w świetle problematyki pomiarowej

Filipczyński L., Kujawska T.

Prace Naukowe Instytutu Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej. Konferencje

|

2001

|

Vol. 83, nr 27

393-398

EN

Measurements in the very near field of piezoelectric transducers are fundamental for many ultrasonic problems. In such cases also the transducer vibrations should be known to perform mathematical models of the radiated beams. Acoustical pressure measurements near to the transducer surface can give the necessary information. The pressure of the radiated wave at the transducer surface corresponds to its normal vibration velocity multiplied by the pc value of the medium. However, this is valid only for the central wave, when the edge wave of the transducer can be ignored. On the other hand the pressure measurements on and very near to the transducer surface are not possible because of the voltage leakage between the electronic transmitter and the PVDF hydrophone used in measurements. By means of the numerical model the central and edge waves were found for a plane PZT transducer 7.5 mm in radius, supplied with a 3 MHz voltage pulse composed of 3.5 cycles. Hence practical conditions were elaborated which make it possible to carry out pressure measurements corresponding to vibration velocities of the piezoelectric transducer under consideration.