Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Все планируемые в отчетный период работы выполнены полностью: 1. Разработаны конечно-элементные и конечно-разностные модели ультразвуковых преобразователей и процессов распространения ультразвуковых волн в биологических тканях. Выполнены теоретические расчеты и численное моделирование различных комбинаций ультразвуковых и тепловых полей плоских ультразвуковых преобразователей с охлаждаемой поверхностью и кольцевых преобразователей ультразвуковых цилиндрических стоячих волн. 2. Разработаны конструкции и изготовлены макетные образцы плоских ультразвуковых преобразователей с регулируемой температурой излучающей поверхности и кольцевых преобразователей ультразвуковых стоячих волн. 3. Проведено физическое моделирование ультразвукового воздействия на биологические ткани, разработаны методики измерений, изготовлены ультразвуковые и терапевтические фантомы (ткане- или органо-замещающие объекты для визуализации и измерения ультразвукового воздействия) и испытательные стенды. 4. Выполнены измерения параметров ультразвуковых преобразователей и ультразвуковых полей в 3D акустической ванне. 5. Проведена экспериментальная апробация разработанных методов пространственной и временной локализации ультразвукового воздействия с использованием суперпозиции тепловых полей плоских ультразвуковых преобразователей с охлаждаемой поверхностью и кольцевых преобразователей ультразвуковых цилиндрических стоячих волн на терапевтических фантомах и образцах биологических тканей ex vivo. Эксперименты выполнялись на разработанных и изготовленных термо-акустических фантомах и биологических тканях ex-vivo с использованием испытательных стендов и описанных выше методик. 6. Разработан новый метод и универсальная конструкция биоимпедансного диагностического модуля для неинвазивной диагностики состояния и физиологических процессов в поверхностных тканях (кожа, подкожная жировая ткань) пациента на произвольном участке тела с использованием метода биоимпедансной спектроскопии. Проведена экспериментальная проверка разработанного метода биоимпедансной спектроскопии на эталонных растворах и ткане-замещающих объектах (фантомах). Новизна предложенного метода заключается в оригинальной кольцевой конструкции радиочастотных электродов диагностического модуля и способе вакуумной фиксации исследуемой биологической ткани, обеспечивающими возможность биоимпедансного исследования и контроля физиологических процессов, в том числе, при терапевтической обработке поверхностных тканей пациента (вакуумный массаж, подтяжка кожи, лечение целлюлита и лизис подкожной жировой ткани). 7. Разработан новый метод и универсальная конструкция ультразвукового диагностического модуля для комплексной неинвазивной диагностики состояния и физиологических процессов в поверхностных тканях (кожа, подкожная жировая ткань) на произвольном участке тела пациента. Прецизионные измерения скорости распространения и затухания цилиндрических ультразвуковых волн в эталонных растворах и поверхностных тканях проводились с использованием трансмиссионного и эхо-импульсного ультразвуковых методов посредством измерения времени распространения зондирующего ультразвукового импульса через исследуемую среду. Цилиндрический ультразвуковой преобразователь использовался как для излучения цилиндрической ультразвуковой волны, так и для ее приема. Проведена экспериментальная проверка разработанного ультразвукового метода на эталонных растворах и ткане-замещающих объектах (фантомах). Новизна предложенного метода заключается в использовании цилиндрических стоячих волн и способе вакуумной фиксации исследуемой биологической ткани внутри кольцевого ультразвукового преобразователя, обеспечивающими возможность ультразвуковой диагностики и контроля физиологических процессов, в том числе, при терапевтической обработке поверхностных тканей пациента (вакуумный массаж, подтяжка кожи, лечение целлюлита и лизис подкожной жировой ткани). В результате выполнения проекта получены следующие конкретные научные результаты: - математические, конечно-элементные, конечно-разностные и волновые модели кольцевых и плоских ультразвуковых преобразователей с охлаждаемой поверхностью, акустических полей плоских и цилиндрических стоячих волн, а также процессов распространения ультразвуковых волн в биологических тканях; - результаты моделирования процессов распространения плоских и формирования цилиндрических стоячих волн и локализации ультразвукового нагрева биологических тканей (профили колебаний пьезоэлементов, 2D и 3D распределения акустического давления и тепловых источников в объектах исследования); - методики измерений, ультразвуковые и терапевтические фантомы (ткане- или органо-замещающие объекты для визуализации и измерения ультразвукового воздействия) и испытательные стенды; - новый метод пространственной и временной локализации ультразвукового воздействия с использованием конструктивной суперпозиции тепловых полей ультразвукового нагрева и внешнего охлаждения поверхности преобразователя; - конструкции и макетные образцы плоских ультразвуковых преобразователей с регулируемой температурой излучающей поверхности; - результаты испытания макетных образцов плоских ультразвуковых преобразователей с охлаждаемой поверхностью на термо-акустических фантомах и образцах биологических тканей ex vivo (1D и 2D распределения температуры в терапевтических фантомах и биологических тканях ex-vivo, микрофотографии областей термоабляции объектов исследования); - новый метод формирования ультразвуковых полей и локализации ультразвукового воздействия с использованием ультразвуковых цилиндрических стоячих волн; - конструкции и макетные образцы кольцевых ультразвуковых преобразователей цилиндрических стоячих волн; - результаты испытания макетных образцов кольцевых ультразвуковых преобразователей цилиндрических стоячих волн на терапевтических фантомах и образцах биологических тканей ex vivo (1D и 2D распределения температуры в терапевтических фантомах и биологических тканях ex-vivo, микрофотографии областей термоабляции объектов исследования); - результаты измерения параметров ультразвуковых преобразователей и ультразвуковых полей в 3D акустической ванне (2D распределения акустического давления источников в различных сечениях акустического поля ультразвуковых преобразователей); - новый метод неинвазивной диагностики состояния и физиологических процессов в поверхностных тканях пациента (кожа, подкожная жировая ткань) на произвольном участке тела с использованием метода биоимпедансной спектроскопии; - конструкция и макетные образцы биоимпедансного диагностического модуля для неинвазивной диагностики состояния и физиологических процессов в поверхностных тканях пациента; - результаты испытания макетных образцов биоимпедансного диагностического модуля на терапевтических фантомах и образцах биологических тканей ex vivo (частотные и временные зависимости электрического импеданса эталонных растворов и биологических тканей); - новый метод ультразвуковой диагностики состояния и физиологических процессов в поверхностных тканях (кожа, подкожная жировая ткань) на произвольном участке тела пациента; - конструкция ультразвукового диагностического модуля для комплексной неинвазивной диагностики состояния и физиологических процессов в поверхностных тканях пациента; - результаты испытания макетных образцов ультразвукового диагностического модуля на терапевтических фантомах и образцах биологических тканей ex vivo (температурные и временные зависимости скорости распространения и затухания цилиндрических волн в эталонных растворах и биологических тканях); - результаты предварительных испытаний и апробации разработанных методов ультразвукового воздействия и конструкций ультразвуковых преобразователей; - промежуточный отчет, 5 статей в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science) или «Скопус» (Scopus), участие в 3 научных мероприятиях.