uprinmatusИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроениеProceedings of the Southwest State University. Series: IT Management, Computer Science, Computer Engineering. Medical Equipment Engineering2223-1536Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1536-2025-15-1-131-143uprinmatus-287Research ArticleСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙSYSTEM ANALYSIS AND DECISION-MAKINGИсследование нелинейного взаимодействия акустической волны с биотканями для целей акустической эластографииResearch of the nonlinear interaction of an acoustic wave with biological tissues for the purposes of acoustic elastographyhttps://orcid.org/0000-0001-7833-6055ЛагутаМ. В.LagutaM. V.

Лагута Маргарита Владимировна, ассистент Института нанотехнологий, электроники и приборостроения

ул. Шевченко, д. 2, Ростовская область, г. Таганрог 347922

Margarita V. Laguta, Assistant of the Institute of Nanotechnology, Electronics and Instrumentation

2 Schevchenko Str., Rostov region, Taganrog 347922

laguta@sfedu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4220-3928КравчукД. А.KravchukD. A.

Кравчук Денис Александрович, доктор технических наук, профессор Института нанотехнологий, электроники и приборостроения

ул. Шевченко, д. 2, Ростовская область, г. Таганрог 347922

Denis A. Kravchuk, Doctor of Sciences (Engineering), Professor of the Institute of Nanotechnology, Electronics and Instrumentation

2 Schevchenko Str., Rostov region, Taganrog 347922

kravchukda@sfedu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0656-8919ЧерновН. Н.ChernovN. N.

Чернов Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор Института нанотехнологий, электроники и приборостроения

ул. Шевченко, д. 2, Ростовская область, г. Таганрог 347922

Nikolay N. Chernov, Doctor of Sciences (Engineering), Professor of the Institute of Nanotechnology, Electronics and Instrumentation

2 Schevchenko Str., Rostov region, Taganrog 347922

teormeh@inbox.ruЮжный федеральный университетРоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation202515052025151131143Copyright © Лагута М.В., Кравчук Д.А., Чернов Н.Н., 20252025Лагута М.В., Кравчук Д.А., Чернов Н.Н.Laguta M.V., Kravchuk D.A., Chernov N.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://uprinmatus.elpub.ru/jour/article/view/287

Цель исследования – исследование параметров нелинейного взаимодействия низкочастотного акустического излучения с биотканями для повышения точности определения структурных изменений органов и тканей методом эластографии.Методы. Повышение точности определения степени и характера структурных изменений органов и тканей человека является актуальной задачей на сегодняшний день. Использование нелинейных эффектов взаимодействия мощного низкочастотного акустического излучения с биотканями позволит получить новые информационные характеристики, а также повысить точность дифференциации различных степеней структурных изменений тканей и органов на начальных стадиях заболеваний. В рамках данной работы рассмотрена зависимость между вязкоупругими и нелинейными характеристиками биосред и процессами распространения в них упругих поперечных волн. Также рассмотрены физические основы процессов образования и распространения гармонических составляющих поперечной акустической волны, а также изменение ее соотношения N с волной основной частоты.Результаты. Получены результаты математического моделирования процессов изменения соотношения между амплитудой волны основной частоты и третьей гармоники, образовавшейся в среде за счет нелинейности взаимодействия акустического излучения с биотканями. Результатами стали графики зависимости изменения N с расстоянием для тканей печени при различных стадиях фиброза и жирового гепатоза.Заключение. Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что использование нелинейных эффектов взаимодействия низкочастотного акустического излучения с биотканями позволит повысить качество диагностики структурных изменений органов и тканей на ранних стадиях заболеваний, когда стандартные линейные методы являются менее информативными.

The purpose of the research is investigation of the parameters of nonlinear interaction of low-frequency acoustic radiation with biological tissues to improve the accuracy of determining structural changes in organs and tissues by elastography.Methods. Improving the accuracy of determining the degree and nature of structural changes in human organs and tissues is an urgent task today. The use of nonlinear effects of the interaction of powerful low-frequency acoustic radiation with biological tissues will allow obtaining new information characteristics, as well as improving the accuracy of differentiation of various degrees of structural changes in tissues and organs at the initial stages of diseases. In the framework of this work, the relationship between the viscoelastic and nonlinear characteristics of biological media and the processes of propagation of elastic transverse waves in them is considered. The physical foundations of the processes of formation and propagation of harmonic components of a transverse acoustic wave, as well as the change in its ratio N to the fundamental frequency wave, are also considered.Results. The results of mathematical modeling of the processes of changing the correlation between the amplitude of the fundamental frequency wave and the third harmonic formed in the medium due to the nonlinearity of the interaction of acoustic radiation with biological tissues are obtained. The results were the graphs of the dependence of the change in N with distance for liver tissues at various stages of fibrosis and fatty hepatosis.Conclusion. The obtained dependences allow us to conclude that the use of nonlinear effects of the interaction of low-frequency acoustic radiation with biological tissues will improve the quality of diagnostics of structural changes in organs and tissues in the early stages of diseases, when standard linear methods are less informative.

эластографияакустический нелинейный параметрсвойства биотканиelastographyacoustic nonlinear parameterproperties of biological tissueReferencesБеляева А. В., Беляева О. А., Розинов В. М. Диагностический потенциал ультразвуковой эластографии у пациентов с хирургическими заболеваниями и травмами // Российский вестник детской хирургии, анестезиологии и реаниматологии. 2023. Т. 3, № 3. С. 373–384. https://doi.org/10.17816/psaic1523Belyaeva A.V., Belyaeva O.A., Rozinov V.M. Diagnostic potential of ultrasonic elastography in patients with surgical diseases and injuries. Rossiiskii vestnik detskoi khirurgii, anesteziologii i reanimatologii = Russian Bulletin of Pediatric Surgery, Anesthesiology and Intensive Care. 2023;3(3):373–384. (In Russ.) https://doi.org/10.17816/psaic1523Кулебина Е. А., Сурков А. Н., Усольцева О. В. Неинвазивная диагностика фиброза печени: возможности инструментальных методик на современном этапе // РМЖ. Медицинское обозрение. 2020. № 4(5). С. 297–301.Kulebina E.A., Surkov A.N., Usoltseva O.V. Noninvasive diagnosis of liver fibrosis: possibilities of instrumental techniques at the present stage. RMZh. Meditsinskoe obozrenie = Russian Medical Inquiry. Medical Review. 2020;4(5):297–301. (In Russ.)Эффективность эластографии сдвиговой волной в оценке поражения печени у пациентов с постковидным синдромом / В. Н. Диомидова, Е. А. Разбинина, О. Н. Валеева, Л. Н. Васильева // Acta Medica Eurasica. 2022. № 3. С. 99–113.Diomidova V.N., Razbinina E.A., Valeeva O.N., Vasilyeva L.N. The effectiveness of shear wave elastography in assessing liver damage in patients with postcovoid syndrome. Acta Medica Eurasica. 2022;(3):99–113. (In Russ.)Информативность транзиентной и двумерной эластографии сдвиговой волной в оценке жесткости печени при постковидном и сердечно-печеночном синдромах / В. Н. Диомидова, О. В. Валеева, Л. Н. Васильева, Е. А. Разбирина // Acta Medica Eurasica. 2023. № 4. С. 31–43.Diomidova V.N., Valeeva O.V., Vasilyeva L.N., Razbirina E.A. Informative value of transient and two-dimensional shear wave elastography.in assessing liver stiffness in post-covoid and cardiohepatic syndrome. Acta Medica Eurasica. 2023;(4):31–43. (In Russ.)Возможности транзиентной и двухмерной сдвиговолновой эластографии в диагностике фиброза при хронических диффузных заболеваниях печени невирусной этиологии / И. И. Жирков, А. В. Гордиенко, И. М. Павлович, В. В. Яковлев, Д. Ю. Сердюков // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2020. № 7. С. 86–91. https://doi.org/10.31146/1682-8658-ecg-179-7-86-91Zhirkov I.I., Gordienko A.V., Pavlovich I.M., Yakovlev V.V., Serdyukov D.Y. The possibilities of transient and two-dimensional shift-wave elastography in the diagnosis of fibrosis in chronic diffuse liver diseases of non-viral etiology. Eksperimental'naya i klinicheskaya gastroenterologiya = Experimental and Clinical Gastroenterology. 2020;(7):86–91. (In Russ.) https://doi.org/10.31146/1682-8658-ecg-179-7-86-91Single Breath-Hold 3-Dimensional Magnetic Resonance Elastography Depicts Liver Fibrosis and Inflammation in Obese Patients / Omar Isam Darwish, Ahmed M. Gharib, Sami Jeljeli, Nader S. Metwalli, Jenna Feeley, Yaron Rotman, Rebecca J. Brown, Ronald Ouwerkerk, David E. Kleiner, Daniel Stäb, Peter Speier, Ralph Sinkus, Radhouene Neji // Invest Radiol. 2023. N 58(6). P. 413–419. https://doi.org/10.1097/RLI.0000000000000952Omar Isam Darwish, Ahmed M. Gha-rib, Sami Jeljeli, Nader S. Metwalli, Jenna Feeley, Yaron Rotman, Rebecca J. Brown, Ronald Ouwerkerk, David E. Kleiner, Daniel Stäb, Peter Speier, Ralph Sinkus, Radhouene Neji. Single Breath-Hold 3-Dimensional Magnetic Resonance Elastography Depicts Liver Fibrosis and Inflammation in Obese Patients. Invest Radiol. 2023;(58):413–419. https://doi.org/10.1097/RLI.0000000000000952Кравчук Д. А., Чернов Н. Н., Михралиева А. И. Аналитическое моделирование эластографии молочной железы // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Управление, вычислительная техника, информатика. Медицинское приборостроение. 2024. Т. 14, № 1. С. 104–113. https://doi.org/10.21869/2223-1536-2024-14-1-104-113. EDN SHBQKLKravchuk D.A., Chernov N.N., Mikhralieva A.I. Analytical modeling of breast elastography. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Upravlenie, vychislitel'naya tekhnika, informatika. Meditsinskoe priborostroenie = Proceedings of the Southwest State University. Series: Control, Computer Engineering, Information Science. Medical Instruments Engineering. 2024;14(1):104–113. (In Russ.) EDN SHBQKL. https://doi.org/10.21869/2223-1536-2024-14-1-104-113Эластография в ультразвуковой диагностике и возможности ее использования при заболеваниях. На примере данных работы отделения ультразвуковых методов диагностики БУ «Окружная клиническая больница» / Т. В. Краева, А. С. Демина, Л. Р. Носкова, Г. Х. Шакирова // Здравоохранение Югры: опыт и инновации. 2023. № 1(34). С. 9–18.Kraeva T.V., Demina A.S., Noskova L.R., Shakirova G.H. Elastography in ultrasound diagnostics and the possibilities of its use in diseases. Using the example of data from the department of ultrasound diagnostics of the BU «District Clinical Hospital». Zdravookhranenie Yugry: opyt i innovatsii = Healthcare of Ugra: Experience and Innovations. 2023;(1):9–18. (In Russ.)Park S. Y., Kang B. J. Combination of shear-wave elastography with ultrasonography for detection of breast cancer and reduction of unnecessary biopsies: a systematic review and meta-analysis // Ultrasonography. 2021. N 40(3). Р. 318–332.Park S.Y., Kang B.J. Combination of shear-wave elastography with ultrasonography for detection of breast cancer and reduction of unnecessary biopsies: a systematic review and meta-analysis. Ultrasonography. 2021;(40):318–332.Возмущающие факторы при ультразвуковой эластографии печени. Часть 1. Общие положения и методические ошибки / С. И. Пиманов, В. С. Капорцева, Н. А. Михайлова, Е. В. Вергасова // Вестник Витебского государственного медицинского университета. 2023. Т. 22, № 1. С. 9–18.Pimanov S.I., Kaportseva V.S., Mikhailova N.A., Vergasova E.V. Disturbing factors in ultrasound elastography of the liver. Part 1. General provisions and methodological errors. Vestnik Vitebskogo gosudarstvennogo meditsinskogo universiteta = Bulletin of Vitebsk State Medical University. 2023;22(1):9–18. (In Russ.)Диагностика фиброза печени: акцент на эластографию / И. И. Жирков, А. В. Гордиенко, И. М. Павлович, Б. А. Чумак, В. В. Яковлев // Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2021. № 194 (10). С. 72–82.Zhirkov I.I., Gordienko A.V., Pavlovich I.M., Chumak B.A., Yakovlev V.V. Diagnosis of liver fibrosis: emphasis on elastography. Eksperimental'naya i klinicheskaya gastroenterologiya = Experimental and Clinical Gastroenterology. 2021;(194):72–82. (In Russ.)Экспериментальные исследования акустического поля поперечных волн в модели биологической ткани / Д. А. Кравчук, Н. Н. Чернов, С. А. Переселков, А. И. Михралиева // Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. 2024. Т. 16, № 3. С. 381–386. EDN HJAPTZ. https://doi.org/10.17725/rensit.2024.16.381Kravchuk D.A., Chernov N.N., Perestelkov S.A., Mikhralieva A.I. Experimental studies of the acoustic field of transverse waves in the model of biological tissue. Radioelektronika. Nanosistemy. Informatsionnye tekhnologii = Radioelectronics. Nanosystems. Information Technology. 2024;16(3):381–386. (In Russ.) EDN HJAPTZ. https://doi.org/10.17725/rensit.2024.16.381Шкуратник В. Л., Николенко П. В., Ануфренкова П. С. Об особенностях ультразвуковых измерений в образцах угля с использованием поперечных упругих волн // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 4. С. 117–126.Shkuratnik V.L., Nikolenko P.V., Anufrenkova P.S. On the features of ultrasonic measurements in coal samples using transverse elastic waves. Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten' (nauchno-tekhnicheskii zhurnal) = Mining Information and Analytical Bulletin (Scientific and Technical Journal). 2020;(4):117–126. (In Russ.)Брацун Д. А., Красняков И. В., Брацун А. Д. Биомеханические модели живой ткани // Российский журнал биомеханики. 2023. № 4. С. 50–71. https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.4.04Bratsun D.A., Krasnyakov I.V., Bratsun A.D. Biomechanical models of living tissue. Rossiiskii zhurnal biomekhaniki = Russian Journal of Biomechanics. 2023;(4):50–71. (In Russ.) https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2023.4.04Зависимости между напряжениями и деформациями в нелинейно деформируемом теле. Часть 1. Основные принципы и соотношения механики деформируемого твердого тела / В. М. Круглов, С. В. Бакушев, А. И. Шеин, В. Т. Ерофеев, Аль Дулайми Салман Давуд Салман, А. А. Томилов // Эксперт: теория и практика. 2023. № 4(23). С. 154–163.Kruglov V.M., Bakushev S.V., Shein A.I., Erofeev V. T., Al Dulaimi Salman Dawud Salman, Tomilov A.A. Dependencies between stresses and deformations in a nonlinearly deformable body. Part 1. Basic principles and relations of mechanics of a deformable solid. Ekspert: teoriya i praktika = Expert: Theory and Practice. 2023;(4):154–163. (In Russ.)Шамаев А. С., Шумилова В. В. Усреднение уравнений движения среды, состоящей из упругого материала и несжимаемой жидкости кельвина-фойгта // Уфимский математический журнал. 2024. № 1. С. 99–110.Shamaev A.S., Shumilova V.V. Averaging the equations of motion of a medium consisting of an elastic material and an incompressible Kelvin-voigt fluid. Ufimskii matematicheskii zhurnal = Ufa Mathematical Journal. 2024;(1):99–110. (In Russ.)Concretization of nonlinear constitutive relations by results of uniaxial compression and indentation experiments / Y. Astapov, A. Markin, M. Sokolova, D. Khristich // Journal of Physics: Conference Series. 2021. N 1902(1). P. 012002.Astapov Y., Markin A., Sokolova M., Khristich D. Concretization of nonlinear constitutional relations by results of uniaxial compression and indentation experiments. Journal of Physics: Conference Series. 2021;(1902):012002.Чернов Н. Н., Вареникова А. Ю., Лагута М. В. Использование относительного нелинейного параметра для создания систем ультразвуковой визуализации биотканей // Моделирование, оптимизация и информационные технологии. 2022. Т. 10, № 1(36). С. 1–12.Chernov N.N., Varenikova A.Yu., Laguta M.V. Using a relatively nonlinear parameter to create ultrasound imaging systems for biological systems. Modelirovanie, optimizatsiya i informatsionnye tekhnologii = Modeling, Optimization, and Information Technology. 2022;10(1):1–12. (In Russ.)Staddon M. F., Murrell M. P., Banerjee S. Interplay between substrate rigidity and tissue fluidity regulates cell monolayer spreading // Soft Matter. 2022. Vol. 18. P. 7877–7886. https://doi.org/10.1039/D2SM00757FStaddon M.F., Murrell M.P., Banerjee S. Interplay between substrate rigidity and tissue fluidity regulates cell monolayer spreading. Soft Matter. 2022;18:7877–7886. https://doi.org/10.1039/D2SM00757FНефедов Н. Н., Руденко О. В. О движении, усилении и разрушении фронтов в уравнениях типа бюргерса с квадратичной и модульной нелинейностью // Доклады российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления. 2020. Т. 493. С. 26–31.Nefedov N.N., Rudenko O.V. On the motion, strengthening and destruction of fronts in Burgers type equations with quadratic and modular nonlinearity. Doklady rossiiskoi akademii nauk. Matematika, informatika, protsessy upravleniya = Reports of the Russian Academy of Sciences. Mathematics, Computer Science, Management Processes. 2020;493:26–31. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.