Нелинейные эффекты в мощных фокусированных ультразвуковых пучках - моделирование и применение в неинвазивной хирургии (1104085), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В рамках указанной цели решались следующиеконкретные задачи:1. Разработка численного алгоритма, позволяющего моделировать задачираспространения мощных фокусированных нелинейных акустических волнв воде и биологической ткани с учетом образования узких ударныхфронтов большой амплитуды и сильной пространственной локализацииполя в области фокуса.62. Численное исследование влияния нелинейно-дифракционных эффектов иаподизации поля на источнике на изменение пиковых значений ипространственной структуры различных характеристик нелинейныхфокусированных полей, создаваемых источниками ультразвуковойхирургии в воде в широком диапазоне параметров таких источников иизлучаемой мощности.3.

Исследование возможности перенесения результатов численногомоделирования или измерений нелинейных волновых полей в воде напоглощающие среды. Разработка метода определения параметровнелинейных фокусированных ультразвуковых пучков в биологическойткани, основанного на измерениях или моделировании поля в воде.4. Количественное исследование явления усиления теплового воздействияультразвука на ткань за счет нелинейных эффектов в режимах,характерных для приборов, применяемых в неинвазивной хирургии.Исследование эффекта сверхбыстрого нагрева и возникновения локальногокипения в биологической ткани в фокусе излучателя при воздействииразрывной волны.Научная новизна работы1. Впервые задача фокусировки мощных ультразвуковых пучков разрывныхволн исследована в широком диапазоне параметров, характерных дляустройств ультразвуковой хирургии.

Построены калибровочные кривые,позволяющие рассчитать значения пиковых давлений и интенсивности вфокусе для различных режимов работы поршневых преобразователей вводе и поглощающей биологической ткани.2. Показаны особенности изменения пространственной структуры различныххарактеристик ультразвуковых полей, связанные с образованием разрывов.Обнаружен эффект формирования двух разрывов на одном периоде волныв фокальной области пучка за счет интерференции прямой и краевой волн.3.

Предложен, обоснован и подтвержден в численном и физическомэкспериментах новый метод определения параметров нелинейной сильнофокусированной акустической волны в биологической ткани на основеполученных в воде результатов моделирования или измерений.4. Показано, что в условиях, характерных для современной клиническойпрактики, образование разрывов и поглощение энергии волны на ударныхфронтах могут приводить к локальному нагреву биологической ткани до7температур выше 100°С и возникновению кипения в течение несколькихмиллисекунд.Достоверность полученных в работе результатов подтверждаетсяданными экспериментов, проведенных при совместных исследованиях сЦентром промышленного и медицинского ультразвука лабораторииприкладной физики университета шт.

Вашингтон (Сиэтл, США), а такжесоответствием результатов теоретическим оценкам и данным численныхрасчетов, полученным в работах других авторов.Практическая ценность1. Предлагаемая работа, помимо результатов фундаментального характера,представляет собой основу для разработки новых стандартов описанияполей, создаваемых устройствами неинвазивной хирургии, методовповышения безопасности и эффективности воздействия ультразвука наткань, и, таким образом, будет способствовать дальнейшему внедрениюэтого метода для лечения больных.2. Полученные калибровочные кривые по изменению коэффициентовконцентрации поля в нелинейном пучке позволяют рассчитать величиныпиковых давлений и интенсивности в фокусе произвольного поршневогоультразвукового преобразователя при любом уровне его возбуждения.Данные результаты представляют несомненную практическую важность имогут использоваться для определения величин акустических параметровнелинейного поля в фокусе и выбора оптимальных уровней облучения.3.

Представленный новый метод определения параметров нелинейного поляв фокусе ультразвукового преобразователя в ткани на основе данных,полученных в воде, чрезвычайно важен для планирования хирургическойпроцедуры. Результаты моделирования могут быть использованы какальтернатива физическим измерениям и совместно с предложеннымметодом могут применяться для определения значений параметров поля вфокусе с высокой точностью даже при наличии ударных фронтов впрофиле волны.4. Предсказанный в численном моделировании и получивший подтверждениев эксперименте эффект сверхбыстрого нагревания ткани до температурвыше 100°С и возникновения кипения за несколько миллисекунд посленачала воздействия ультразвуком позволяет использовать возможностидиагностического ультразвука для визуализации области воздействия8HIFU при разработке клинических протоколов облучения, прицеливании,мониторинге воздействия в режиме реального времени.Положения, выносимые на защиту:1.

Полученные количественные данные для коррекции коэффициентовконцентрации и насыщения ультразвукового поля в фокусе нелинейногопучка позволяют рассчитать различные характеристики нелинейноискаженных профилей волны в широком интервале параметров имощностейфокусированныхпоршневыхпреобразователей,использующихся в устройствах ультразвуковой хирургии.2. Интерференция прямой и краевой волн в фокусированных пучках,можетприводитьксоздаваемыхпоршневымиисточниками,формированию двух ударных фронтов на одном периоде волны при еёраспространении в режиме развитых разрывов.3. Разработанный новый алгоритм перенесения результатов измеренийакустического поля в воде на поглощающие среды, основанный намасштабировании амплитуды волны на излучателе, позволяет определятьзначения различных параметров акустического поля, таких как пиковыедавления, интенсивность и мощность тепловыделения, в фокальнойобласти излучателей для ультразвуковой хирургии.4.

Образование ударного фронта в профиле волны в фокальной областипучка в биологической ткани может приводить к локальномусверхбыстрому нагреванию ткани до температуры кипения иформированию паровых пузырьков в течение нескольких миллисекунд.Аналитические оценки тепловыделения, основанные на теории слабыхударных волн, позволяют предсказать время возникновения кипения вткани с точностью 10%.5.

При измерении (с 10% точностью) в воде параметров разрывных профилейволн с интенсивностью до 25 кВт/см2 необходимы следующие требованияк ширине полосы пропускания ультразвуковых приемников: 15 гармоникосновной частоты для определения пикового отрицательного давления исредней интенсивности, более 40 гармоник – для пиковогоположительного давления, более 100 гармоник – для мощноститепловыделения.9Апробация работыВошедшие в диссертацию результаты докладывались на основныхпрофильных российских и международных конференциях последних лет:международной конференции “Актуальные проблемы нелинейной волновойфизики” (Нижний Новгород, 2005), 4-й совместной конференции акустическогообщества Америки и акустического общества Японии (Гавайи, Гонолулу, 2006),на X и XI Всероссийских школах - семинарах “Волновые явления внеоднородных средах” (Звенигород, 2006 и 2008), на XVIII, XIX и XX сессияхРоссийского акустического общества (Таганрог, 2006, Нижний Новгород, 2007,и Москва, 2008), на научной школе Therapeutic ultrasound (Франция, Каржез,2007), на 14-ом «Международном конгрессе по звуку и колебаниям»(Австралия, Кернс, 2007), на 7-ом Международном симпозиуме потерапевтическому ультразвуку – ISTU7 (Корея, Сеул, 2007), на 19-омМеждународном конгрессе по акустике – ICA2007 (Испания, Мадрид, 2007), насовместной конференции Американского акустического общества иЕвропейской ассоциации акустиков «Акустика-08» (Франция, Париж, 2008), на18-ом Международном симпозиуме по нелинейной акустике - ISNA18 (Швеция,Стокгольм, 2008), на 156й, 157й и 158й сессиях Американского акустическогообщества (Майами, октябрь 2008; Портленд, апрель 2009, и Сан-Антонио,октябрь 2009), на конкурсе студенческих и аспирантских работ при содействиицентра энергосберегающих технологий (Москва, 2009), на Международномсимпозиуме по акустике IEEE IUS (Италия, Рим, 2009), 9-ом Международномсимпозиуме по терапевтическому ультразвуку – ISTU9 (Франция, Экс-анПрованс, 2009), на конференции «Фундаментальные и прикладные аспектыинновационных проектов физического факультета МГУ», а также обсуждалисьна научных семинарах Акустического института им.

Н.Н. Андреева, кафедрыакустики и лаборатории лазерной оптоакустики кафедры общей физики иволновых процессов физического факультета МГУ.ПубликацииПо результатам исследований, представленных в диссертации,опубликовано 23 научные работы, список которых приведен в концеавтореферата, в том числе 4 статьи в реферируемых журналах.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, в первой из которыхпредставлен обзор терапевтических применений мощного фокусированного10ультразвука, а следующие четыре являются оригинальными, заключения исписка литературы. Общий объем работы 142 страницы текста, включающего56 рисунков и список цитируемой литературы из 160 наименований.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы,сформулированы цели работы, описано краткое содержание работы по главам.В первой главе представлен обзор литературы по применениям мощногофокусированного ультразвука в терапевтических медицинских приложениях.Отмечены важные этапы развития, основные экспериментальные результаты итеоретические идеи, сформировавшие фундамент данной области.Вторая глава посвящена построению численной модели для расчетаакустических полей фокусированных поршневых преобразователей с учетомобразования разрывов большой амплитуды и сильной пространственнойлокализации поля при фокусировке.

Проводится сравнение эффективности иточности численных схем, применяющихся при моделировании нелинейныхакустических волн с узким ударным фронтом, с целью определения наиболееоптимальной. Также проводится исследование влияния полосы пропусканиягидрофона и количества гармоник, полученных в численном эксперименте, наопределение с высокой точностью акустических параметров поля прифокусировке в режиме развитых разрывов.В § 2.1 описываются существующие спектральные и временные подходы крешению задачи, а также проблемы, связанные с моделированием иизмерением дифрагирующих разрывных волн высокой амплитуды.В § 2.2 рассматриваются основные особенности распространенияразрывных волн на примере плоской волны.

Численно моделируется уравнениетипа Бюргерса в среде, поглощение в которой представляет суммуквадратичного и линейного по частоте законов поглощения:Здесь P = p/p0амплитуду p0PP2P Aв Aт L( P)  0.P(1)z 2– акустическое давление, нормированное на исходнуюна источнике; z = x/xр – координата распространения,11нормированнаянадлинуобразованияразрывавплоскойволнеxр  с03  0 p0 0 ,   0 – безразмерное время; L(P) – оператор поглощения;параметрA  xр xпучитываетотносительныйвкладнелинейныхи3диссипативных эффектов: Aв  b 0 p 0 (в воде), Aт  с0  0 т p 0 0 (в ткани).Вкачествеграничногоусловиязадаетсягармоническаяволна:P ( z  0,  )   sin  .

Характеристики

Список файлов диссертации