Фокусировка мощного ультразвука через грудную клетку с использованием двумерной фазированной решетки (1105112), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

Разработанный ультразвуковой метод позволяет разрушатьзаданные участки тканей после прохождения мощного ультразвука черезфантом грудной клетки и обеспечивать приемлемое качество фокусировки зареальными костями грудной клетки. Полученные данные свидетельствуют опринципиальной возможности его применения в клинической практике дляразрушения тканей, расположенных за костями грудной клетки, без перегревакостей и вышележащих тканей.2.Облучение через ребра приводит к эффекту расщепления фокуса дажепри наличии лишь одного ребра на апертуре пучка.

Число побочных фокусов,их диаметр, уровни интенсивности и расстояние между ними могут бытьрассчитаны с помощью аналитического решения в зависимости от размеровгрудной клетки, положения ребер относительно излучателя и параметровпреобразователя.3.При облучении через акустические препятствия в виде ребер возможноосуществление электронного смещения фокуса в пределах 10 см во всехнаправленияхотцентракривизныповерхностирешеткиисозданиемногофокусных конфигураций.4.При достижимых уровнях мощностей современных терапевтическихрешеток возможно сильное проявление нелинейных эффектов и формирование8разрывов в профиле волны в фокусе даже при фокусировке сквозь груднуюклетку.5.Метод измерения интенсивности акустического поля с помощью ИК-камеры позволяет определять как пространственные распределения поля, так иоценивать абсолютные значения интенсивности.Апробация работыВошедшие в диссертацию результаты докладывались на основных профильныхроссийских и международных конференциях последних лет: на XIX сессииРоссийскогоакустическогообщества(НижнийНовгород,2007),9-омМеждународном симпозиуме по терапевтическому ультразвуку (Франция, Эксан-Прованс, 2009), на научной школе Therapeutic ultrasound (Каржез, Франция,2009), на научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладныеаспекты инновационных проектов физического факультета МГУ» (Москва,2009), на Международных конференциях студентов, аспирантов и молодыхучёных «Ломоносов 2007» и «Ломоносов 2010» (Москва, 2007, 2010), на VIII, Xи XII Всероссийской школе - семинаре «Волновые явления в неоднородныхсредах» (Звенигород, Моск.

обл., 2006, 2008, 2010), на симпозиуме по методамизмерения ультразвуковых полей «Advanced Metrology for Ultrasound inMedicine» (Теддингтон, Великобритания, 2010), на XXII сессии Российскогоакустического общества (Москва, 2010), а также обсуждались на научныхсеминарах кафедры акустики физического факультета МГУ, Научного центраволновых исследований Института общей физики имени А.М. Прохорова РАНи Акустического института имени академика Н.Н. Андреева.Работа выполнена в рамках исследований, проводимых по грантам РФФИ(№ 09-02-00066-а, 09-02-01530-а, 09-02-09584-моб_з, 10-02-91062-НЦНИ_а),гранту УМНИК, стипендии Американского акустического общества, именнойстипендии Правительства Москвы. Расчеты проводились при использованиисуперкомпьютера СКИФ-МГУ Чебышев.9ПубликацииОсновные результаты диссертации изложены в 19 опубликованныхпечатных работах, список которых приводится в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и спискацитируемой литературы из 117 наименований.Общий объем работысоставляет 120 страниц, включающих 57 рисунков.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результатыполучены автором лично, либо при его непосредственном участии.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертационнойработы, излагается современное состояние проблемы, формулируется общаяпостановка задачи, описывается краткое содержание работы по главам.В первой главе представлен обзор литературы по перспективнымнаправлениям применения многоэлементных терапевтических фазированныхрешеток в медицинских приложениях мощного фокусированного ультразвука.В § 1.1 излагаются преимущества использования фазированных решеток посравнениюспреобразователями,обычнымиприводятсяодноэлементнымиосновныенаправленияультразвуковымивразработкемногоэлементных фазированных ультразвуковых решеток.

В § 1.2 приведенобзор работ, посвященных основным методам измерения акустических полей,создаваемых фазированными решетками. Обсуждаются преимущества инедостатки традиционного метода сканирования поля с помощью гидрофона иболее новых и экспрессных методов, основанных на использовании ИК-камеры,термопленок, акустической голографии и др. § 1.3 посвящен описаниюособенностей проведения хирургических неинвазивных операций с помощью10мощногофокусированногоультразвукаприналичиигруднойклетки.Обсуждается проблема минимизации воздействия ультразвука на ребра исохранения высоких значений интенсивности в фокусе, обсуждаются путирешения данной проблемы с помощью использования многоэлементныхфазированных решеток.Втораяглавапосвященамоделированиюполяодноэлементногофокусированного излучателя и многоэлементной фазированной решетки приналичии грудной клетки. Дается описание развитых в работе алгоритмов,позволяющихмоделироватьпроцессраспространенияфокусированногоультразвука через ребра.

Предлагаются методы минимизации воздействияультразвука на ребра.В § 2.1 на модели «идеального» излучателя исследовалась возможностьфокусировки ультразвука при наличии ребер. На рис. 1 показана схемачисленного эксперимента. «Идеальным» считался излучатель, в каждой точкеповерхностиyкоторогоможнобылонепрерывным образом варьировать амплитудуR0bа hи фазу.

Параметры «идеального» излучателяzxбыливыбраныF-z1Рис. 1. Схема прохожденияфокусированного ультразвукачерез ребра.кпараметрамфазированной решетки, для которой такжепроводилосьz1близкимичисленноемоделирование.Радиус излучателя был равен R0 = 85 мм,фокусное расстояние составляло F = 130 мм,рабочая частота – 1 МГц.В качестве модели, имитирующей ребра,рассматривались бесконечно тонкие абсолютно поглощающие параллельныеполосы шириной b = 18 мм и расстоянием a = 14 мм между ними; h = a + b –период пространственной структуры ребер. Размер ребер и межреберныхпромежутков соответствовал характерному размеру грудной клетки свиней.

На11рисунке также обозначено расстояние от центра источника ультразвука доплоскости ребер (z1 = 45 мм).С целью минимизации воздействия ультразвука на ребра в работепредложено два подхода: геометрический и дифракционный. Соответствующиеамплитудно-фазовые распределения колебательной скорости на поверхностиизлучателярасходящаясярассчитывалисьсферическаяследующимволна,образом.излученнаяРассматриваласьточечнымисточником,расположенным в фокусе (рис. 1). Волна проходила через межреберныепромежутки и создавала некоторое амплитудно-фазовое распределение наповерхности «идеального» излучателя. Далее проводилось комплексноесопряжение фазы, поле переизлучалось обратно и распространялось сквозьмежреберные промежутки к фокусу.В первом, геометрическом подходе, амплитудно-фазовое распределениена поверхности «идеального» излучателя рассчитывалось в приближениигеометрической акустики, т.е. поле точечного источника представлялось в виделучей.

Если луч пересекал ребро, соответствующее значение колебательнойскорости на поверхности считалось равным нулю. Если луч проходил междуребрами, значение колебательной скорости задавалось равным некоторомупостоянному значению.Во втором, дифракционном подходе, в расчете амплитудно-фазовогораспределениянаповерхности«идеального»излучателяучитывалисьдифракционные эффекты, возникающие при распространении расходящейсясферической волны от точечного источника сквозь ребра. Поле от точечногоисточника сначала рассчитывалось в промежутках между ребрами, а затемиспользовалось как граничное условие для расчета амплитуды колебательнойскорости на поверхности излучателя с помощью интеграла Рэлея:Vn ( x, y, z )  expikR   1dS  ,V'(x,y,z)nn  2 SR12(1)где V n ( x, y , z ) компонента скорости, нормальная к поверхности излучателя, R –радиус-вектор, проведенный от точки, расположенной в плоскости ребер, вточку на поверхности излучателя.

После получения распределения амплитудыколебательной скорости на поверхности излучателя, фаза волны обращалась, иполе переизлучалось обратно к фокусу.И в геометрическом, и дифракционном подходе поле в фокальнойплоскости рассчитывалось в два этапа. Сначала, используя граничное условиена поверхности излучателя, рассчитывалось поле между ребрами поформуле (1). Затем рассчитывалось распределение давления в фокальнойплоскости, используя другую форму интеграла Рэлея:p ( x, y, z )  if 0  V ' n ( x , y , z )SexpikR dS ,R(2)где ρ0 – плотность среды, f – частота излучения. Распределение интенсивности Iв фокальной плоскости рассчитывалось в приближении квазиплоскогораспространения волны:I ( x, y , z )  p220c0 .(3)где с0 – скорость звука в среде. Результаты численного моделированияпоказали, что для геометрического подхода на ребрах поглощалось 7.5%полной мощности излучателя, а для дифракционного - только 1%, т.е.

в 7.5 разменьше. При этом пиковые значения интенсивности в фокальной плоскости,полученные при использовании двух подходов, отличались несильно, лишь на13%.В § 2.2-2.3 исследуется возможность фокусировки ультразвука приналичии ребер с использованием многоэлементной решетки. На основерезультатов, полученных для идеального излучателя, предлагается алгоритмотключения элементов решетки с целью минимизации воздействия ультразвукана ребра. Поскольку реализация дифракционного подхода в проводимом далеев работе эксперименте являлась технически более сложной, а эффективность13фокусировки не была существенно больше, для отключения элементов решеткииспользовался геометрический подход.Рассматривалась решетка со следующими основными параметрами:частота 1 МГц, 254 элемента диаметром 7 мм, расположенные случайнымобразом по поверхности сферического сегмента диаметром D = 170 мм ирадиусом кривизны F = 130 мм (рис.

Характеристики

Список файлов диссертации