Нелинейные эффекты в мощных фокусированных ультразвуковых пучках - моделирование и применение в неинвазивной хирургии (1104085)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М. В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 534.2БЕССОНОВА Ольга ВладимировнаНЕЛИНЕЙНЫЕ ЭФФЕКТЫ В МОЩНЫХ ФОКУСИРОВАННЫХУЛЬТРАЗВУКОВЫХ ПУЧКАХ: МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕВ НЕИНВАЗИВНОЙ ХИРУРГИИСпециальность: 01.04.06 – акустикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМОСКВА – 2010Работа выполнена на кафедре акустики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наук,доцент Хохлова Вера АлександровнаОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,Карабутов Александр Алексеевичкандидат физико-математических наук,Демин Игорь ЮрьевичВедущая организация:Акустический институтимени академика Н.Н.
АндрееваЗащита диссертации состоится “ 17 ” июня 2010 года в 16.00 на заседанииДиссертационного Совета Д 501.001.67 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, физическая аудиторияимени Р.В.Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “ 11 ” мая2010 года.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук,2А.Ф.
КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыИзучение проблем, связанных с распространением высокоинтенсивныхфокусированных ультразвуковых пучков, является одним из активноразвивающихся современных направлений нелинейной акустики. Возросший впоследнее время интерес к этим задачам во многом обусловлен созданиеммедицинских приборов нового поколения, в которых фокусированныйультразвук высокой интенсивности (или сокращенно HIFU от словосочетанияHigh Intensity Focused Ultrasound) используется для неинвазивного разрушенияопухолей, остановки внутренних кровотечений при травмах, ультразвуковойкоррекции фигуры, направленной доставки лекарств.При использовании любого медицинского оборудования необходимополное понимание всего спектра его возможного влияния на организмчеловека, как благоприятного, так и, в особенности, неблагоприятного.Разработка подходов для измерений и расчетов параметров волновых полей,создаваемых устройствами для ультразвуковой диагностики и терапии,является необходимым условием их использования.
В области HIFU этотвопрос остаётся до сих пор не решенным. Несмотря на то, что HIFU системыуже используются в клиниках, до сих пор не существует общепринятыхмеждународных стандартов для описания создаваемых ими полей и ихсертификации. Физические механизмы воздействия мощного ультразвука наткань и соответствующие биоэффекты также требуют дальнейшихисследований. Существует проблема выбора наиболее важных параметровакустического поля, которые определяют те или иные биологические эффектыв тканях. Одним из основных осложняющих факторов при описании полейHIFU является сильное проявление нелинейных эффектов, которые приводят кгенерации высших гармоник в спектре распространяющейся волны,асимметричному искажению профиля волны, формированию ударных фронтови дополнительному поглощению энергии волны на разрывах.На сегодняшний день режимы работы систем ультразвуковой хирургиихарактеризуются значениями усреднённой по времени и/или по областифокального пятна интенсивности, рассчитанными в приближении линейногораспространения гармонической волны.
Временной профиль волны при этомостается гармоническим, и величина интенсивности однозначно определяетпиковые значения и пространственные распределения акустического давления.По известному распределению интенсивности линейной волны можно3рассчитать ожидаемый нагрев ткани, а максимальная величина отрицательнойфазы давления позволяет оценить вероятность кавитационных эффектов.Однако ясно, что в нелинейном поле знания только интенсивностинедостаточно. В нелинейном пучке тепловые эффекты усиливаются за счётгенерации высших гармоник, а при образовании разрывов в профиле волнымощность тепловыделения может возрасти в несколько десятков раз.Максимальное отрицательное давление в асимметрично искаженномнелинейном профиле волны, напротив, всегда меньше, чем в линейном пучке.По мере усиления нелинейных эффектов пространственная структураразличных параметров поля, таких, как амплитуда высших гармоник, пиковыеположительное и отрицательное давления, полная интенсивность иэффективная мощность тепловыделения волны, будет изменяться различнымобразом.Информация о пространственной локализации параметров нелинейныхполей, создаваемых медицинскими ультразвуковыми преобразователями,необходима для планирования и предсказания результатов ожидаемоготерапевтического воздействия.
Измерение нелинейных полей ультразвуковыхпреобразователей в широком диапазоне используемых мощностей даже в водеявляется сложной дорогостоящей процедурой, требующей использованияминиатюрных широкополосных гидрофонов, и практически невозможно вбиологической ткани. Детальное измерение поля в воде обычно проводитсялишь при малых интенсивностях, а затем полученные результаты переносятсяна большие интенсивности путем линейной экстраполяции. Ясно, что при этомтеряются нелинейные эффекты, проявляющиеся различным образом приразличных уровнях интенсивности и по-разному изменяющие различныепараметры акустического поля. При характерных используемых в HIFUинтенсивностях нелинейные эффекты могут даже привести к эффектунасыщения, когда параметры поля в фокусе за счет поглощения энергии волнына разрывах перестают зависеть от мощности излучателя.Еще более сложной оказывается проблема перенесения полученных в водерезультатов на биологическую ткань, что необходимо при планированиихирургической процедуры.
В настоящее время это делается путем уменьшенияполученного значения интенсивности в воде с учётом поглощения в ткани0.05÷0.15 Нп см-1 МГц-1. Такой упрощенный метод расчета приводит сразу кнескольким ошибкам, связанным с игнорированием или с неправильнымучетом нелинейных эффектов, и потому, в любом случае, может дать сильноотличающийся от реальности результат. Дело в том, что даже если нелинейные4поля достаточно точно измерены в воде, эти данные невозможно прямымобразом перенести на ткань, в которой поглощение гораздо больше.Соответственно,инакапливающиесянелинейныеэффектыприраспространении волны в воде либо ткани будут проявляться различнымобразом. Чем ближе режим фокусировки в воде к разрывному и, тем более, кнасыщению, тем больше будет ошибка при оценке параметров поля в ткани.Проведение количественных расчётов уровней давления и интенсивностинелинейного фокусированного ультразвука в средах с различнымпоглощением, подтвержденных данными измерений, является поэтому,несомненно, важным как для определения эффективности воздействия, так идля оценки его безопасности.
Исследование влияния нелинейных эффектов наизменение коэффициентов концентрации фокусирующих систем и достижениепредельных значений акустических полей при фокусировке в средах сразличным поглощением представляет интерес и с фундаментальнойфизической точки зрения. Количественное определение значений параметровнелинейных фокусированных полей стало возможным с использованиемметодов численного моделирования, которое может служить мощнымдополняющим, а часто и заменяющим реальный эксперимент инструментомдля калибровки полей преобразователей, использующихся в ультразвуковойхирургии, перенесения полученных в воде данных на ткань, предсказаниявозможных биологических эффектов в ткани и разработки стандартовиспользования HIFU.Донастоящеговремениподробноеисследованиемощныхфокусированных ультразвуковых пучков в широком диапазоне мощностейизлучателей, применяемых в HIFU-хирургии, провести не удавалось.
Большоеколичествоработпосвященоисследованиямакустическогополянефокусирующих или слабо фокусирующих излучателей диагностическогоультразвука; часто использовались идеализированные модели гауссовскихизлучателей, поле которых имеет гладкую структуру, удобную длямоделирования, но далекую от реальности; либо исследовались режимы слабойнелинейности в фокусированных пучках.
Расчеты и измерения нелинейныхсильно фокусированных HIFU полей с учетом образования разрывовпроведены лишь для нескольких преобразователей и выбранных конкретныхрежимов их работы.В современных приборах, применяемых в ультразвуковой хирургии,уровень интенсивности в фокальной области достигает 25 кВт/см2, чтоприводит к образованию разрывов большой амплитуды (до 80 МПа). При этом5возможен локальный сверхбыстрый, за несколько миллисекунд, нагрев тканидо температур выше 100°С и возникновение кипения.
До последнего времениэти эффекты сверхбыстрого нагрева до температур кипения в ткани, связанныес образованием разрывов, не исследовались. Однако они являются чрезвычайноважными с точки зрения решения практических медицинских задач, посколькуобразование пузырьков пара при кипении в ткани кардинальным образомменяет процесс воздействия ультразвука на ткань.В данной диссертационной работе численно исследованы нелинейныеэффекты при фокусировке мощных ультразвуковых пучков в воде и вбиологической ткани в широком диапазоне характерных для HIFU параметровизлучателей различной геометрии и излучаемой мощности.
Предложен иобоснован новый метод определения параметров нелинейного акустическогополя в ткани, основанный на полученных в воде результатах. Последняя частьработы посвящена исследованию нагрева биологической ткани за счетпоглощения на разрывах, что необходимо для разработки эффективных ибезопасныхпротоколовнеинвазивногохирургическоговоздействияультразвука на ткань. Исследованы температурные поля в гелевом фантометкани и в реальной биологической ткани, рассчитаны и измерены временанагрева среды до 100°С для различных амплитуд разрывов в фокусе.Исследовано влияние диффузии тепла; показано, для каких интенсивностей онаначинает играть существенную роль при расчете времени достижениятемпературы кипения.Цели и задачи диссертационной работыОсновной целью настоящей работы стало развитие физических подходов,позволяющих исследовать структуру акустического поля и определить уровнидавления в мощных фокусированных пучках, использующихся в современныхустройствах для ультразвуковой хирургии, а также получить новые сведения освязи между волновым полем и физическими механизмами возникающих приэтом биологических эффектов.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
