ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД НАХОЖДЕНИЯ УПРУГИХ МОДУЛЕЙ РЕЗИНОПОДОБНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА БАЗЕ АКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ VERASONICS

И.Ю. Демин Demin; А.А. Лисин Lisin; А.Е. Спивак Spivak; С.Н. Гурбатов Gurbatov; Н.В. Прончатов-Рубцов Pronchatov-Rubtsov

doi:10.32326/1814-9146-2020-82-4-458-470

И.Ю. Демин Demin Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
А.А. Лисин Lisin Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
А.Е. Спивак Spivak Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
С.Н. Гурбатов Gurbatov Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация
Н.В. Прончатов-Рубцов Pronchatov-Rubtsov Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Российская Федерация

DOI: https://doi.org/10.32326/1814-9146-2020-82-4-458-470

Ключевые слова: резиноподобные среды, модуль Юнга, модуль сдвига, скорость сдвиговых волн, акустическая система Verasonics, численное моделирование

Аннотация

Представлен экспериментально-теоретический метод определения упругих характеристик резиноподобных материалов. Метод основан на технологии SWEI – Shear Wave Elasticity Imaging – с применением акустической системы Verasonics с открытой архитектурой, в которой реализован способ генерации и измерения скорости сдвиговых волн в резиноподобных средах. Технология SWEI позволяет проводить измерения скорости сдвиговой волны и, соответственно, упругих характеристик (модули Юнга и сдвига) в мягких биологических тканях и находит применение в медицинской диагностике (эластография сдвиговой волной). Представлены результаты по измерению упругих характеристик резиноподобных сред. Для физического моделирования в качестве сред измерения были использованы полимерные фантомы CIRS (Model 049 Elasticity QA Phantom Spherical). Приведено сравнение измеренных на акустической системе Verasonics значений модулей Юнга различных типов полимерного калиброванного фантома с табличными значениями. Проведено численное моделирование эволюции сдвиговых волн в резиноподобных средах. Численный анализ выполнен с привлечением пакета программирования k-Wave. Пакет программирования основан на переходе в k-пространство, где пространственные градиенты вычисляются с использованием схемы быстрого преобразования Фурье, а временные градиенты вычисляются с использованием скорректированной k-пространственной разностной схемы. Пакет программирования k-Wave сочетает в себе оптимизацию программирования матричных операций пакетом MATLAB и набор инструментов, который позволяет моделировать идеальную среду (без диссипации) распространения волн с помощью таких параметров, как плотность и скорость звука для заданного резиноподобного материала. Сочетание этих факторов позволяет моделировать 2D- и 3D-пространства, сохраняя высокую скорость вычислений. Для полимерных фантомов CIRS полученные значения упругих характеристик резиноподобных сред хорошо согласуются по результатам физического и численного моделирования.