Разработка физико-математической модели акустоэлектронного воздействия на жидкие биологические среды

Насанович В.Н.

В настоящее время ультразвук получил широкое распространение в медицине. Постоянно ведётся разработка новых и оптимизация уже существующих методов ультразвукового (УЗ) воздействия, что требует проведения множества экспериментов. Однако в связи с высокой стоимостью материалов и оборудования, а также физиологическими особенностями исследуемого объекта при проведении медицинских экспериментов возникает множество трудностей. Это не позволяет в большинстве случаев выполнять натурные исследования в лабораторных условиях.

Данную проблему можно решить с помощью современных методов компьютерного моделирования, которые при минимальных затратах времени и материальных средств позволяют изучать и исследовать различные процессы и явления. Применение моделирования воздействия активирующими факторами на биологические среды позволяет существенно сократить трудоемкость и одновременно повысить информативность результатов исследований, а также получить визуальное представление о процессах и явлениях, увидеть и изучить которые практически невозможно даже с помощью уникальных приборов.

Целью данной работы является разработка математической модели воздействия акустическими колебаниями на биологические жидкости и ткани, разработка программного комплекса для моделирования по заданным параметрам.

На основе этих данных в среде MatLab была разработана программа «USProb» для расчета изменения интенсивности ультразвука при прохождении через многослойную структуру. Исходными данными при моделировании являются: количество анализируемых слоев, частота и интенсивность воздействующего УЗ излучения, параметры среды распространения. Для большей наглядности в диалоговом окне программы расположено графическое изображение моделируемой структуры, которое активизируется при нажатии на кнопку «Построить». При нажатии на кнопку «Рассчитать» производится расчет модели и визуализация полученных результатов.

При описании слоя структуры можно выбрать его толщину и тип. Программа предлагает на выбор следующие типы слоев: «Вода», «Печень», «Кровь», «Жир», «Кость», «Воздух», «Кожа», «Глицерин», «Масло» и др. Возможно добавление других слоев с известными или исследованными параметрами отклика на УЗ волну.

Разработанная программа позволяет уточнять построенные зависимости вспомогательными надписями и изображениями. При необходимости можно увеличить построенную зависимость и сохранить в виде картинки для дальнейшего анализа.

Таким образом, в ходе выполнения работы:

1. Разработана математическая модель прохождения ультразвука через биологические ткани объекта, учитывающая частотные и волновые свойства УЗ колебаний.

2. Модель реализована в пакете MatLab как отдельное приложение. Модель позволяет по желанию пользователя настраивать параметры биологических сред и оценивать интенсивность УЗ колебаний в любой точке любого из заданных слоев.

Разработанная модель может служить точным и удобным инструментом для анализа воздействия УЗ колебаний на биологические среды. Модель может применяться как для исследовательских целей, так и в качестве обучающего инструмента