Фокусировка мощного ультразвука через грудную клетку с использованием двумерной фазированной решетки (1105112)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиУДК 534.2Бобкова Светлана МихайловнаФОКУСИРОВКА МОЩНОГО УЛЬТРАЗВУКАЧЕРЕЗ ГРУДНУЮ КЛЕТКУ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМДВУМЕРНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ РЕШЕТКИСпециальность: 01.04.06 – акустикаАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2011Работа выполнена на кафедре акустики физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В.
Ломоносова.Научные руководители:Кандидат физико-математических наук, доцентВера Александровна ХохловаДоктор технических наукЛеонид Рафаилович ГавриловОфициальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,Виктор Дарьевич СветДоктор физико-математических наук, профессорКарабутов Александр АлексеевичВедущая организация:Научный центр волновых исследованийИнститута общей физики имени А.М. Прохорова РАНЗащита диссертации состоится 9 июня 2011 года в 16:00 часов назаседании Диссертационного Совета Д 501.001.67 в МГУ имениМ.В. Ломоносова по адресу: 119992, г.
Москва, ГСП-2, Ленинские Горы, МГУ,физический факультет, физическая аудитория имени Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» апреля 2011 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.67кандидат физико-математических наук2А.Ф. КоролевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Рост числа онкологических заболеваний впоследнее время требует разработки новых эффективных способов их лечения.Одним из них является метод неинвазивной (т.е. без операционноговмешательства) ультразвуковой хирургии.
Суть метода состоит в локальномнагревании ткани мощным сфокусированным ультразвуковым пучком доформирования области теплового некроза. Однако данный метод оказываетсяне всегда применимым из-за наличия в среде распространения ультразвукасильно отражающих и сильно поглощающих акустических препятствий,например, костей грудной клетки, затрудняющих проведение неинвазивныхопераций на печени или сердце.
Так, до недавнего времени при проведении вКитае операций на печени с помощью ультразвука, кости грудной клетки,находящиеся на пути прохождения ультразвука, предварительно удалялись, азатем, после облучения, устанавливались на прежнее место с помощьюдополнительной хирургической процедуры.В связи с этим весьма актуальным является создание технологии,позволяющей осуществлять эффективное локальное воздействие ультразвука назаданные участки тканей, расположенных за акустическими препятствиямитипа грудной клетки, при сохранении безопасных уровней температуры напрепятствиях. Такая возможность стала реальной с появлением современныхмногоэлементныхакустическихрешеток,которыепозволяютсоздатьпрактически любую конфигурацию поля в заданном объеме ткани.
Даннаядиссертационнаяработапосвященаразработкеультразвуковогометоданеинвазивного разрушения биологических тканей при наличии в средеакустическихпрепятствий,чтосущественнорасширяетвозможностиприменения в медицине фокусированного ультразвука высокой интенсивности.Сущность предлагаемого подхода в самом кратком виде сводится ксовместному использованию многоэлементной рандомизированной решетки,3метода обращения волнового фронта и разработанных методов оптимизацииамплитудно-фазовых распределений на элементах решетки.С помощью решетки создавалось акустическое поле, которое имелополосатую структуру в плоскости ребер, причем максимальная энергия пучкапроходилачерезмежреберныепромежутки,аминимальнаяэнергияприходилась на ребра, не вызывая их перегрева. Измерения температуры наповерхностиреберспомощьютермопарподтвердилибезопасностьпредложенной методики.
Также были получены разрушения биологическойткани в области фокуса, что продемонстрировало возможность примененияданного метода для разрушения опухолевой ткани при воздействии на неёфокусированным ультразвуком через ребра.В плане широты использования результатов работы следует отметить, чтодаже столь важная для практики область, как проведение неинвазивныхопераций на печени без повреждения грудной клетки, является далеко неединственной областью возможных практических приложений.
Возможностьразрушениятканей,расположенныхзаакустическимипрепятствиями,представляет безусловный интерес при проведении операций фокусированнымультразвуком на сердце, на глазном дне без повреждения хрусталика, а такжепри наличии в организме разнообразных скоплений воздуха или твердыхвключений, в частности, металлических протезов, кардиостимуляторов и т.п.Другой актуальной задачей, рассмотренной в данной работе, являетсяразработка нового экспрессного метода измерения акустических полей спомощью ИК-камеры. В последнее время одной из основных тенденций втехнологии ультразвуковой хирургии является использование двумерныхфазированныхантенныхрешеток,которыепредлагаютвозможностьпроведения операции путем электронного сканирования одиночного фокуса иформирования нескольких фокусов одновременно.
На этапе тестированиявозможностей решетки возникает потребность в проведении многочисленныхизмерений конфигураций поля: создание одиночного фокуса, многофокусныхконфигураций, их электронное сканирование. Традиционное измерение поля с4помощьюгидрофонавданномслучаеоказываетсячрезвычайнопродолжительным во времени. Новый экспрессный метод, основанный наиспользовании ИК-камеры, позволяет измерять двумерные распределенияультразвукового поля за время порядка секунды и осуществлять трехмерноесканирование за минуты.Донедавнеговремениданныйметодпозволялполучитьлишькачественную оценку пространственной структуры поля.
В диссертационнойработе разрабатывается экспрессный способ получения количественной оценкиабсолютных значений интенсивности ультразвукового поля по даннымизмерений с помощью ИК-камеры.Целью работы было показать, что фокусирование ультразвука высокойинтенсивности можно эффективно осуществлять, несмотря на наличие в средеакустических препятствий типа костей грудной клетки.
Тем самым работа быланаправлена на теоретическое и экспериментальное обоснование и разработкуновых неинвазивных методов фокусирования, существенно расширяющихвозможности применения ультразвука высокой интенсивности в медицине. Врамках указанной цели решались следующие конкретные задачи:1.Разработка численного алгоритма, позволяющего моделировать мощныефокусированныеультразвуковыепучки,создаваемыефазированнымирешетками и одноэлементными преобразователями, в воде и биологическойткани при наличии грудной клетки.2.Теоретическое исследование дифракционных эффектов, возникающихпри распространении фокусированного ультразвука через ребра, на модели«идеального» одноэлементного преобразователя и фазированной решетки.Анализ различных способов расчета колебательной скорости на поверхностипреобразователейсцельюминимизациивоздействиянаребрасиспользованием метода обращения волнового фронта.3.Получение и анализ аналитического решения задачи по распространениюфокусированного ультразвука через ребра с помощью параболического5приближенияпараметровтеориидифракции.акустическогополяПолучениевколичественныхфокальнойплоскости.оценокСравнениеаналитического решения с результатами численного моделирования полей,создаваемых одноэлементным преобразователем и решеткой.4.Разработка нового экспрессного метода измерения интенсивностиакустических полей в воде, основанного на использовании ИК-камеры икалиброванного материала, поглощающего ультразвук.5.Экспериментальная проверка разработанных теоретических подходов.Исследование прохождения мощного фокусированного ультразвука черезгрудную клетку с использованием фазированной решетки, фантома ребер иребер in vitro.
Проверка безопасности предложенного метода с помощьютермопарных измерений на ребрах in vitro.6.Оценка нелинейных эффектов, возникающих при распространениимощного фокусированного ультразвукового пучка, создаваемого фазированнойрешеткой, через ребра.Научная новизна работы:1.вРазработана методика фокусировки ультразвука высокой интенсивностирежименепрерывногоиспользованиемизлученияфазированнойприрешетки,наличиигруднойпозволяющаяклеткисминимизироватьвоздействие ультразвука на ребра при сохранении высоких значенийинтенсивности поля в фокусе.2.В прямом эксперименте продемонстрирована возможность абляциибиологической ткани за грудной клеткой при сохранении безопасных уровнейтемператур на ребрах.3.Получено аналитическое решение, позволяющее количественно оценитьосновные параметры акустического поля в фокальной плоскости за груднойклеткой для одноэлементного преобразователя и фазированной решетки.64.Разработан новый экспрессный метод измерения абсолютных значенийинтенсивности акустических полей в воде.
Метод основан на использованииИК-камеры и калиброванного материала, поглощающего ультразвук.5.Получены оценки нелинейных эффектов в поле терапевтической решеткипри фокусировке ультразвукового пучка в присутствии ребер.Практическая значимость работы:1.Использование рандомизированной антенной решетки и разработанногометода выключения элементов позволяет получать тепловые разрушения вткани после прохождения мощного ультразвука через фантом грудной клетки иобеспечивать приемлемое качество фокусировки за реальными костямигрудной клетки.
Полученные данные свидетельствуют о принципиальнойвозможности применения предложенного метода в клинической практике длятепловой абляции тканей, расположенных за костями грудной клетки, безперегрева костей и вышележащих тканей.2.Полученные аналитические оценки параметров акустического поля вфокальной плоскости за ребрами могут использоваться на начальном этапепланирования операции, поскольку позволяют оценить оптимальные размерыпреобразователя и его положение по отношению к грудной клетке взависимости от размеров ребер и локализации опухоли.3.Предложенный метод измерения пространственных распределений иабсолютных значений интенсивности акустического поля с помощью ИКкамерыпозволяетпроводитьэкспрессныйанализполей,создаваемыхультразвуковыми медицинскими преобразователями.
Если наиболее принятое вакустике сканирование поля на плоскости с помощью гидрофона занимаетнесколько часов, то измерение с помощью ИК-камеры – доли секунд. Данныйметод особенно полезен, когда возникает потребность в большом числеизмеренийконфигурацийполя,например,фазированных решеток.7вслучаеиспользованияДостоверность полученных в работе результатов подтверждаетсяданными экспериментов, проведенных при совместных исследованиях сАкустическиминститутом,ИмперскимКолледжемиНациональнойфизической лабораторией, а также соответствием результатов теоретическимоценкам и экспериментальным данным, полученным в работах других авторов.Положения, выносимые на защиту:1.При облучении мягких тканей мощным фокусированным ультразвукомчерез ребра использование специальных амплитудно-фазовых распределенийна элементах терапевтической решетки позволяет минимизировать перегревребер при сохранении уровней интенсивности в фокусе, достаточных дляразрушения ткани.
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}
