Laser Vibrometry of Shear Waves in a Layer of a Gel-Like Medium

Sh. A. Asfandiyarov; Асфандияров Ш. А.; A. A. Agafonov; Агафонов А. А.; A. I. Korobov; Коробов А. И.; V. G. Andreev; Андреев В. Г.

doi:10.31857/S0320791923600634

Лазерная виброметрия сдвиговых волн в слое гелеобразной среды

Авторы: Асфандияров Ш.А.¹, Агафонов А.А.¹, Коробов А.И.¹, Андреев В.Г.¹
Учреждения:
1. Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет
Выпуск: Том 69, № 6 (2023)
Страницы: 792-799
Раздел: АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
URL: https://ogarev-online.ru/0320-7919/article/view/233407
DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791923600634
EDN: https://elibrary.ru/CQHJXF
ID: 233407

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

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

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.