Нелинейные эффекты в мощных фокусированных ультразвуковых пучках - моделирование и применение в неинвазивной хирургии (1104085), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Показано, что кипение в гелевом фантоме тканиначинается уже через 5-50 миллисекунд после начала облучения.В образце реальной биологической ткани регистрация времени началакипения происходила по изменению амплитуды рассеянного сигнала напассивном детекторе кавитации и флуктуаций мощности самого HIFUизлучателя, происходящих вследствие отражения волны от парового пузырямиллиметровых размеров.
Сравнение численных и экспериментальныхрезультатов демонстрирует, что и в реальной биологической ткани возможенсверхбыстрый нагрев и кипение (при самой высокой амплитуде на излучателекипение наблюдается уже через 5 мс). В § 5.4 представлены основные выводыГлавы 5.В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы:1. Разработана численная схема, позволяющая с высокой точностьюмоделировать сильно фокусированные пучки разрывных волн. Показано,что положение фронта волны может резко изменяться от точки к точке попоперечной координате, что приводит к появлению большихпространственных градиентов давления. При этом для корректногоописаниядифракционныхэффектоввозникаетнеобходимостьдополнительного увеличения разрешения ударного фронта в схемах типаГодунова (не менее 7 узлов численной сетки на ударный фронт), что неявляется необходимым условием при моделировании плоских волн.2.
Сформулированытребованиякширинеполосыпропусканияультразвуковых датчиков для измерения с 10%-й точностью ударныхпрофилей волны с интенсивностью в фокусе до 25 кВт/см2: 15 гармоникдля определения пикового отрицательного давления и среднейинтенсивности, более 40 гармоник для пикового положительногодавления, более 100 гармоник для мощности тепловыделения.3. Получены количественные данные для нелинейной коррекциикоэффициентов концентрации и насыщения параметров поля в фокусе,позволяющие рассчитать различные характеристики нелинейно234.5.6.7.искаженных профилей волны в широком интервале параметровпоршневых преобразователей.
Показано, что с увеличением амплитудыдавления на излучателе коэффициенты концентрации поля в фокусе дляпикового положительного давления p+ и интенсивности I изменяютсянемонотонно: сначала заметно возрастают (до 3.5 раз для p+ и 1.4 раза дляI), затем уменьшаются. Максимумы кривых усиления соответствуют такойначальной амплитуде, когда в профиле волны вблизи фокуса формируетсяударный фронт. Для пикового отрицательного давления коэффициентконцентрации монотонно убывает при увеличении исходной амплитудыволны и составляет около 50% от его линейного значения в областимаксимумов кривых усиления p+.Установлено, что существующие аналитические оценки для предельныхполей, достигаемых при фокусировке, дают заниженные значения дляпикового положительного давления и, напротив, завышенные – дляпикового отрицательного (примерно в 2 раза), но в то же время достаточноблизки к рассчитанным численно величинам интенсивности и полусуммепиковых значений давления.Предсказан и численно подтвержден эффект формирования двух ударныхфронтов на одном периоде волны при её фокусировке в режиме развитыхразрывов.Предложен и подтвержден в численном и физическом экспериментахновый метод определения параметров акустического поля в биологическойткани для мощных фокусированных ультразвуковых полей.
Показано, чтодля HIFU излучателей с большими коэффициентами линейного усиления вфокусе параметры акустического поля могут быть получены изрезультатов моделирования или измерений в воде с точностью 10%. Методдает хорошие результаты, как в режиме формирования разрывов, так и врежиме развитых разрывов.Численно подтвержден эффект сверхбыстрого нагревания ткани вфокальной области пучка до температуры 100°С в течение несколькихмиллисекунд при воздействии мощным фокусированным ультразвуком врежиме развитых ударных фронтов большой амплитуды.
Показано, чтопоскольку эффективность поглощения на разрывах существеннопревышает линейное поглощение в ткани, время вскипания в ткани можетбыть определено с помощью простых аналитических оценок на основетеории слабых ударных волн.24СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ1. Bessonova O.V., Khokhlova V.A. Spatial structure of high intensity focusedultrasound beams of various geometry // Physics of Wave Phenomena, 2009, Vol. 17,№ 1, pp. 45-49.2.
Бессонова О.В., Хохлова В.А., Бэйли М.Р., Кэнни М.С., Крам Л.А.Фокусировка мощных ультразвуковых пучков и предельные значенияпараметров разрывных волн // Акуст. журн., 2009, т. 55, № 4-5, с. 445-456.3. Бессонова О.В., Хохлова В.А., Бэйли М.Р., Кэнни М.С., Крам Л.А. Методопределения параметров акустического поля в биологической ткани длятерапевтических применений мощного фокусированного ультразвука // Акуст.журн., 2010, т. 56, № 3, с.
380-390.4. Canney M.S., Khokhlova V.A., Bessonova O.V., Bailey M.R., and Crum L.A.Shock-induced heating and millisecond boiling in gels and tissue due to highintensity focused ultrasound // Ultrasound in Med. & Biol., 2010, Vol. 36, № 2,pp. 250-267.5. Khokhlova V.A., Basova M.S., Bessonova O.V., Bailey M.R., and Crum L.A.Nonlinear enhancement and saturation phenomena in focused ultrasound beams ofvarious geometry // In: Proc. Int. Symp.
“Topical Problems of Nonlinear WavePhysics” (2005, Nizhniy Novgorod), pp. 44-45.6. Бессонова О.В., Хохлова В.А. Влияние начальной аподизацииультразвукового поля на нелинейно-дифракционные эффекты в мощныхсфокусированных пучках // Сборник трудов X всероссийской школы-семинара“Волновые явления в неоднородных средах” (2006, Звенигород).7. Бессонова О.В., Хохлова В.А. Пространственные распределения различныхпараметров акустического поля в мощных сфокусированных пучках // Сборниктрудов XVIII сессии РАО (2006, Таганрог), Москва, ГЕОС, т. 3, с. 94-97.8. Khokhlova V.A., Bailey M.R., Canney M.S., Bessonova O.V.
and Crum L.A.Therapeutic high intensity focused ultrasound fields (HIFU): acousticcharacterization and nonlinear mechanisms of heating // In: Proc. 14th InternationalCongress on Sound and Vibration (2007, Cairns, Australia), pp.1-8 (on CD).9. Bessonova O.V., Khokhlova V.A. Nonlinear and diffraction effects in highintensity focused ultrasound beams of various geometry // In: Proc. 19th InternationalCongress on Acoustics (2009, Madrid, Spain), Revista de Acustica, Vol.
38, №3/4,pp. 1-5 (on CD).10. Бессонова О.В., Хохлова В.А. Мощный фокусированный ультразвук внеинвазивной хирургии: нелинейные эффекты при калибровке излучателей вводе и перенесении результатов на ткань // Сборник трудов XIX сессии РАО(2007, Нижний Новгород), Москва, ГЕОС, т. 3, с. 100-104.11. Бессонова О.В., Хохлова В.А.
Пространственная структура мощныхфокусированных ультразвуковых пучков различной геометрии // Сборниктрудов XI всероссийской школы-семинара “Волновые явления в неоднородныхсредах”, (2008, Звенигород), с. 21-23 (на CD диске).2512. Bessonova O.V., Khokhlova V.A. Spatial distributions of acoustic parameters innonlinear focused beams of various geometry // In: Proc.18th InternationalSymposium on Nonlinear Acoustics (2008, Stockholm, Sweden), p.
34-37.13. Bessonova O.V., Khokhlova V.A., Canney M.S., Bailey M.R., Crum L.A.Nonlinear derating method for high intensity focused ultrasound (HIFU) fields // In:Proc. IEEE International Ultrasonics Symposium (2009, Rome, Italy), pp.216-219.14. Khokhlova V.A., Bessonova O.V., Canney M.S., Bailey M.R., Soneson J.E.,Crum L.A. Bandwidth limitations in the characterization of high intensity focusedultrasound fields in the presence of shocks // In: Proc. 9th International Symposiumon Therapeutic Ultrasound (2009, Aix-En-Provence, France), pp.1-4 (in press).15.
Khokhlova V.A., Bessonova O.V., Canney M.S., Bailey M.R. and Crum L.A.Spatial distributions of acoustic parameters in high-intensity focused ultrasoundfields // J. Acoust. Soc. Am., 2006, Vol. 120, № 5, p. 3194 (4th Joint Meeting ofAcoustical Societies of America and Japan, 2006, Honolulu, USA).16. Khokhlova V.A., Bessonova O.V., Canney M.S., Bailey M.R., Sapozhnikov O.A.and Crum L.A. Modeling and measurements of nonlinear focused beams for HIFUcalibration in water and derating to tissue // In: Proc.7th International Symposium onTherapeutic Ultrasound (2007, Seoul, Korea), Book of Abstracts, p.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
