Исследование нелинейного взаимодействия акустической волны с биотканями для целей акустической эластографии

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.

1. Беляева 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/psaic1523

2. Кулебина 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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-179-7-86-91

6. Single 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.0000000000000952

7. Кравчук 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 SHBQKL

8. Эластография 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.2024.16.381

13. Шкуратник 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.

14. 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/2023.4.04

15. Зависимости 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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/D2SM00757F

20. Нефедов 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.