pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTUpimi-168Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsМОДЕЛИРОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛНОВОДОВ КОЛЬЦЕВОГО ТИПА ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ТКАНИMODELLING OF RING-SHAPED ULTRASONIC WAVEGUIDES FOR TESTING OF MECHANICAL PROPERTIES AND THERAPEUTIC TREATMENT OF BIOLOGICAL TISSUESМинченяВ. Т.MinchenyaV. T.pimi@bntu.byСтепаненкоД. А.StepanenkoD. A.pimi@bntu.byБобровскаяА. И.BobrovskayaA. I.pimi@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201129042015017784Copyright © Минченя В.Т., Степаненко Д.А., Бобровская А.И., 20152015Минченя В.Т., Степаненко Д.А., Бобровская А.И.Minchenya V.T., Stepanenko D.A., Bobrovskaya A.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/168

В статье представлены результаты моделирования кольцевого волновода-инструмента для ультразвукового воздействия на биологические материалы, в частности, злокачественные опухоли, и контроля их механических свойств. С целью определения геометрических параметров волновода, обеспечивающих его резонанс на заданной частоте возбуждения, выполнен гармонический анализ вынужденных изгибных колебаний волновода с использованием программы ANSYS и языка программирования APDL. Разработанная конечно-элементная модель учитывает взаимодействие между волноводом и тканью опухоли, а также предварительное напряженное состояние ткани, сжатой волноводом в радиальном направлении. Рассчитаны и представлены резонансные кривые волновода в зависимости от его толщины и диаметра. Описан принцип применения разработанной методики моделирования для получения диагностической информации о механических свойствах биологических тканей.

The article presents results of modelling of ring-shaped waveguide tool for ultrasonic treatment of biological materials, particularly malignant tumours, and testing of their mechanical properties. Harmonic analysis of forced flexural vibration of the waveguide using ANSYS software and APDL programming language was implemented for determination of waveguide geometric parameters providing its resonance for the given excitation frequency. The developed finite element model accounts for interaction between the waveguide and tumour tissue as well as initial prestressing of tissue radially compressed by the waveguide. Resonant curves of the waveguide in terms of its thickness and diameter are calculated and presented. Principle of application of the developed modeling technique for extraction of diagnostic data on mechanical properties of biological tissues is described.

ReferencesJernberg, A. Ultrasound, ions and combined modalities for increased local tumour cell death in radiation therapy: PhD thesis / A. Jernberg. Karolinska Institutet, Stockholm, – 2007 – 35 p.Jernberg, A. Ultrasound, ions and combined modalities for increased local tumour cell death in radiation therapy: PhD thesis / A. Jernberg. Karolinska Institutet, Stockholm, – 2007 – 35 p.Luo, L. Ultrasound absorption and entropy production in biological tissue: a novel approach to anticancer therapy / L. Luo [et al] // Diagnostic Pathology. – 2006. – Vol. 1.– Article 35.Luo, L. Ultrasound absorption and entropy production in biological tissue: a novel approach to anticancer therapy / L. Luo [et al] // Diagnostic Pathology. – 2006. – Vol. 1.– Article 35.Lejbkowicz, F. Distinct sensitivity of normal and malignant cells to ultrasound in vitro / F. Lejbkowicz, S. Salzberg. // Environmental Health Perspective. – 1997. – Vol. 105, Suppl. 6.– P. 1575–1578.Lejbkowicz, F. Distinct sensitivity of normal and malignant cells to ultrasound in vitro / F. Lejbkowicz, S. Salzberg. // Environmental Health Perspective. – 1997. – Vol. 105, Suppl. 6.– P. 1575–1578.Николаев, Г.А. Ультразвуковая технология в хирургии / Г.А. Николаев, В.И. Лощилов. М., 1980. 272 с.Николаев, Г.А. Ультразвуковая технология в хирургии / Г.А. Николаев, В.И. Лощилов. М., 1980. 272 с.Пономаренко, Н.В. Возможности применения низкоинтенсивного ультразвука в качестве модификатора лучевой терапии экспериментальных опухолей штаммов саркомы M-1 и альвеолярного рака печени PC-1 / Н. В. Пономаренко, Н.И. Крутилина, Е.Н. Александрова. // Онкологический журнал. – 2008. – Т. 2, № 4 (8).– С. 41–48.Пономаренко, Н.В. Возможности применения низкоинтенсивного ультразвука в качестве модификатора лучевой терапии экспериментальных опухолей штаммов саркомы M-1 и альвеолярного рака печени PC-1 / Н. В. Пономаренко, Н.И. Крутилина, Е.Н. Александрова. // Онкологический журнал. – 2008. – Т. 2, № 4 (8).– С. 41–48.Чиж, Д.В. Сочетанное влияние переменного магнитного поля, низкочастотного ультразвука и ионизирующего излучения на перевиваемые опухоли (M-1, PC-1) в эксперименте / Д.В. Чиж, Н.И. Крутилина, Л.Б. Пархоменко. // Ars Medica. – 2010. – № 1 (21).– С. 84–88.Чиж, Д.В. Сочетанное влияние переменного магнитного поля, низкочастотного ультразвука и ионизирующего излучения на перевиваемые опухоли (M-1, PC-1) в эксперименте / Д.В. Чиж, Н.И. Крутилина, Л.Б. Пархоменко. // Ars Medica. – 2010. – № 1 (21).– С. 84–88.Способ комбинированной терапии саркомы у крысы : пат. Республики Беларусь на изобретение № 13765, МПК A61N 5/06, 7/00. / Н.В. Пономаренко [и др.] – Заявл. 31.07.2008; опубл. 30.10.2010; приоритет 31.07.2008.Способ комбинированной терапии саркомы у крысы : пат. Республики Беларусь на изобретение № 13765, МПК A61N 5/06, 7/00. / Н.В. Пономаренко [и др.] – Заявл. 31.07.2008; опубл. 30.10.2010; приоритет 31.07.2008.Устройство для ультразвукового воздействия на опухоль : пат. Республики Беларусь на изобретение № 13801, МПК A61N 7/00. / Н.В. Пономаренко [и др. ] – Заявл. 31.07.2008; опубл. 30.12.2010; приоритет 31.07.2008.Устройство для ультразвукового воздействия на опухоль : пат. Республики Беларусь на изобретение № 13801, МПК A61N 7/00. / Н.В. Пономаренко [и др. ] – Заявл. 31.07.2008; опубл. 30.12.2010; приоритет 31.07.2008.Frank, S. Portable hardness testing – principles and applications / S. Frank // NDT.net – The eJournal of Nondestructive Testing. – 2002. – Vol. 7, №. 10. Online:http://www.ndt.net/article/ecndt02/109/109.htmFrank, S. Portable hardness testing – principles and applications / S. Frank // NDT.net – The eJournal of Nondestructive Testing. – 2002. – Vol. 7, №. 10. Online:http://www.ndt.net/article/ecndt02/109/109.htmHemsel, T. Resonant vibrating sensors for tactile tissue differentiation / T. Hemsel [et. al.] // Journal of Sound and Vibration. –2007. – Vol. 308. – P. 441–446.Hemsel, T. Resonant vibrating sensors for tactile tissue differentiation / T. Hemsel [et. al.] // Journal of Sound and Vibration. –2007. – Vol. 308. – P. 441–446.Lang, T.E. Vibration of thin circular rings. Part I. Solution for modal characteristics and forced excitation. / T.E. Lang –Jet Propulsion Laboratory Technical Report №. 32–261. – Pasadena, 1962. – 21 p.Lang, T.E. Vibration of thin circular rings. Part I. Solution for modal characteristics and forced excitation. / T.E. Lang –Jet Propulsion Laboratory Technical Report №. 32–261. – Pasadena, 1962. – 21 p.Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле. / С.П. Тимошенко. – М., 1967. – 444 с.Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле. / С.П. Тимошенко. – М., 1967. – 444 с.Zadler, B.J. Resonant ultrasound spectroscopy: theory and application / B.J. Zadler [et. al.] // International Journal of Geophysics. – 2004.– Vol. 156. – P. 154–169.Zadler, B.J. Resonant ultrasound spectroscopy: theory and application / B.J. Zadler [et. al.] // International Journal of Geophysics. – 2004.– Vol. 156. – P. 154–169.Ebina, K. Investigation of frequency characteristics in cutting of soft tissue using prototype ultrasonic knives / K. Ebina, H. Hasegawa, H. Kanai // Japanese Journal of Applied Physics. – 2007. – Vol. 46, №. 7B.– P. 4793–4800.Ebina, K. Investigation of frequency characteristics in cutting of soft tissue using prototype ultrasonic knives / K. Ebina, H. Hasegawa, H. Kanai // Japanese Journal of Applied Physics. – 2007. – Vol. 46, №. 7B.– P. 4793–4800.Yang, S.Q. Simulation of heating process in ultrasonic welding of plastics / S.Q. Yang [et al.]// Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2000. – Vol. 13.– P. 80–83.Yang, S.Q. Simulation of heating process in ultrasonic welding of plastics / S.Q. Yang [et al.]// Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2000. – Vol. 13.– P. 80–83.Lim, Y.-J. In situ measurement and modeling of biomechanical response of human cadaveric soft tissues for physics-based surgical simulation / Y.-J. Lim [et. al.] // Surgical Endoscopy. – 2009. – Vol. 23. – P. 1298–1307.Lim, Y.-J. In situ measurement and modeling of biomechanical response of human cadaveric soft tissues for physics-based surgical simulation / Y.-J. Lim [et. al.] // Surgical Endoscopy. – 2009. – Vol. 23. – P. 1298–1307.Samani, A. Elastic moduli of normal and pathological human breast tissues: an inversiontechnique-based investigation of 169 samples / A. Samani, J. Zubowits, D. Plewes // Physics in Medicine and Biology. – 2007. – Vol. 52.– P. 1565–1576.Samani, A. Elastic moduli of normal and pathological human breast tissues: an inversiontechnique-based investigation of 169 samples / A. Samani, J. Zubowits, D. Plewes // Physics in Medicine and Biology. – 2007. – Vol. 52.– P. 1565–1576.O’Hagan, J.J. Measurement of the hyperelastic properties of 44 pathological ex vivo breast tissue samples / J.J. O’Hagan, A. Samani // Physics in Medicine and Biology. – 2009. – Vol. 54. – P. 2557–2569.O’Hagan, J.J. Measurement of the hyperelastic properties of 44 pathological ex vivo breast tissue samples / J.J. O’Hagan, A. Samani // Physics in Medicine and Biology. – 2009. – Vol. 54. – P. 2557–2569.Soedel, W. Vibrations of shells and plates. 3rd Edition. / . W. Soedel. – N.Y.: Marcel Dekker, Inc. – 2004. – 553 p.Soedel, W. Vibrations of shells and plates. 3rd Edition. / . W. Soedel. – N.Y.: Marcel Dekker, Inc. – 2004. – 553 p.Hill, M.J. Effects of surface tension and intraluminal fluid on mechanics of small airways / M.J. Hill, T.A. Wilson, R.K. Lambert // Journal of Applied Physiology. – 1997. – Vol. 82.– P. 233–239.Hill, M.J. Effects of surface tension and intraluminal fluid on mechanics of small airways / M.J. Hill, T.A. Wilson, R.K. Lambert // Journal of Applied Physiology. – 1997. – Vol. 82.– P. 233–239.Тимошенко, С.П. Теория упругости / С.П.Тимошенко, Дж. Гудьер. – М., 1975. – 576 с.Тимошенко, С.П. Теория упругости / С.П.Тимошенко, Дж. Гудьер. – М., 1975. – 576 с.

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