133. Quiroga R.Q., Kraskov A., Kreuz T. and Grassberger P. Performance of Different Synchronization Measures in Real Data: A Case Study on Electroencephalographic Signals // Phys. Rev. E. 2002. V.65. P.041903.
4. Lai Y.C., Frei M. G., Osorio I. Detecting and characterizing phase synchronization in nonstationary dynamical systems // Phys. Rev. E. 2006. V.73. P.026214.
5. Karavaev A.S., ProkhorovM.D., Ponomarenko V.I., Kiselev A.R., Gridnev V.I., Ruban E.I. and Bezruchko B.P. Synchronization of low-frequency oscillations in the human cardiovascular system // Chaos. 2009. V.19. P.033112.
ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СДВИГОВЫХ ВОЛН В МЯГКИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЯХ
Е.М. Калинкина, A.A. Лисин, И.Ю. Демин Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского E-mail: [email protected]
Аннотация: Представлена реализация графического интерфейса для решения задачи о численном моделировании сдвиговых волн в мягких биологических тканях. Приведены примеры визуализации распространения фронта сдвиговой волны при различных параметрах среды распространения, задаваемых посредством графического интерфейса
Ключевые слова: графический интерфейс, численное моделирование, сдвиговые волны, мягкие биологические ткани.
Дескрипторная графика позволяет осуществлять визуальное программирование объектов интерфейса - управляющих кнопок, текстовых панелей и т.д. Команды дескрипторной графики могут использоваться в высокоуровневой графике, например, для удаления осей, изменения цвета и т.п. в уже построенных графических объектах. Эти обширные возможности делают графику MatLab одной из лучших среди графических подсистем систем компьютерной математики [1].
В данной работе представлена реализация графического интерфейса для решения задачи о численном моделировании сдвиговых волн в мягких биологических тканях [2]. Программа реализована с использованием среды программирования MatLab и модуля «k-Wave». Численная модель набора скриптов k-wave подразумевает работу с пространством как инициализацию матрицы заданного размера, каждому элементу которой присваиваются необходимые физические параметры, необходимые для расчета поля в точке. В пространстве k-wave данная матрица имеет название kgrid.
Реализация численного решения задачи распространения сдвиговых волн в однородной упругой среде требует разбиение решения на этапы: сначала задается среда, в которой проводится моделирование (это может быть как линейная среда, так и нелинейное пространство), после этого ставится датчик (в данном случае это модель стандартного линейного
датчика для ультразвуковых исследований), и, наконец, симуляция распространения сдвиговых волн в среде.
Для работы симуляции создано пространство, в котором будет рассчитываться распространение волн. В модуле к^ауе рабочее пространство - это набор точек, образующих матрицу, называемую к-§пё, или к-пространство. Для каждой из этих точек заданы значения скорости звука, плотность среды, и другие параметры, если требуется. Граничные условия задаются с помощью специальной функции. В наиболее простом случае источником излучения является точка (точечный источник). Однако программный комплекс позволяет работать и когда задано несколько источников, или группировать несколько точек в один излучатель. В случае с линейным датчиком - излучателем является фазированная антенная решетка, состоящая из 128 элементов (точечных источников). На рис.1 представлен пример работы интерфейса программы: представлена картина распространения ультразвуковой волны в координатной плоскости, и визуализация расчетного давления фокусировки ультразвуковых излучателей.
Открыть файл
(путь к файлу)
? А
Параметры
]
Фокусировка (точечные источники)
128
Плотность, кг/м3
1030
Скорость звука, м/с
1540
Рис. 1. Пример работы интерфейса программы (картина распространения ультразвуковой волны и визуализация расчетного давления фокусировки
ультразвуковых излучателей)
Параметры работы программы для данного примера полностью соответствуют основным характеристикам линейного датчика L7-4, используемого в медицинской диагностике на традиционных УЗИ сканерах [3].
Для получения сдвиговой волны необходимо сфокусировать излучатели в точку. Это достигается с помощью квадратичного фазового набега на каждом излучателе, за ноль считаем центр датчика. Для моделирования сдвиговой волны источник расположен в области пятна фокусировки и состоит из 8 элементов, расположенных в форме ромба (рис.2). Среда в данной модели принята однородной, с такими
характерными параметрами, как плотность р = 1030 кг/м и скорость звука С = 1540 м/с. В результате работы графического интерфейса программы численного моделирования эволюции сдвиговых волн в мягких биологических тканях и её визуализации, появляется возможность рассчитать распределение акустического давления, которое позволяет оценить геометрические размеры пятна фокусировки, а также служить входными данными для расчета амплитуды и скорости поперечной волны.
Открыть файл
(путь К |i;i f .'l у )
Параметры
Фокусировка (точечные источники)
Плотность, кг/м3 1030
Скорость звука.
м/с
1540
40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Рис.2. Пример работы интерфейса программы (визуализация распространения сдвиговой волны в среде с заданными параметрами)
Интерфейс программного комплекса отображает все установленные параметры моделирования, относящиеся к среде, источнику излучения и его настройке. Стоит отметить, что данный программный пакет позволяет работать с анимацией. Это делает возможным показать не только моментное положение волнового фронта, но и его эволюцию во времени.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственное задание № 0729-2020-0040).
Библиографический список
1. Бадриев И.Б., Бандеров В.В., Задворнов О.А. Разработка графического пользовательского интерфейса в среде MATLAB: Учебное пособие / И.Б. Бадриев, В.В. Бандеров, О.А. Задворнов. // Казань: Казанский государственный университет. 2010. 113 с.
2. Лисин А.А., Спивак А.Е., Демин И.Ю., Калинкина Е.М., Петрова М.А., Останин Е.В. Численный анализ распространения сдвиговых волн в мягких биологических тканях (определение упругих характеристик) // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2019: Сборник статей Всероссийской школы-семинара / под ред. проф. А. В. Скрипаля. Саратов: Изд-во Саратовский источник. 2019. С. 106-110.
3. Демин И.Ю., Спивак А.Е., Лисин А.А. Моделирование диагностического метода эластографии сдвиговой волной в акустической системе Verasonics с открытой архитектурой // Проектирование и технология электронных средств. 2019. № 1. С. 5056.
