Фокусировка мощного ультразвука через грудную клетку с использованием двумерной фазированной решетки (1105112), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

6 слева) и образцы грудной клетки свиньи in vitro (рис. 6справа). Фантом грудной клетки представлял собой 5 полос толщиной 3 мм ишириной 18 мм из поглощающего ультразвук материала Aptflex F48 (PrecisionAcoustics, Dorchester, UK). Общие потери при прохождении ультразвукачастотой 1 МГц через этот материал были равны 25 дБ, а отражение составляло-20 дБ. Расстояние между полосками было равно 14 мм. Данные размерыпримерносоответствуютпромежутковвобразцахтипичнымгруднойразмерамклеткиэксперименте.19рёберсвиней,имежреберныхиспользующихсявВ образцах in vitro (рис. 6 справа) ширина рёбер составляла ~ 16 - 20 мм, арасстояние между ними было ~ 13 –16мм.СтоитсоотношениеразмеровмежрёберныхсвинейультразвукачтореберпромежутковзначительноблагоприятноРис.

6. Фотографии фантома ребер (слева) иобразца грудной клетки in vitro с термопарами,расположенными на ребрах (2-5) и вмежреберном промежутке (1) (справа).отметить,дляпоиуменеепрохождениясравнениюссоответствующей характеристикойу человека, у которого, наоборот,ширина ребра меньше ширины межреберного промежутка.Для контроля приращения температуры на костях при воздействии на нихультразвукомиспользовалосьпятьстандартныхтермопаризмедииконстантана диаметром 0.5 мм (тип TMQSS-IM050-U-150, Omega Engineering,Manchester, UK). Термопары были установлены как между рёбрами, так и насамих костях, их места размещения обозначены на рис. 6 (справа) точками.В § 4.2 описываются измерения с фантомом ребер в воде. Исследуютсявозможности сканирования одиночного фокуса и создания многофокусныхконфигураций.

Была показана возможность перемещать одиночный фокус иконфигурации из 3-4 фокусов на расстояние 10 мм во все стороны от центракривизны поверхности решетки без образования побочных максимумовинтенсивности, обусловленных многоэлементной структурой решетки.На рис. 7 показано поле интенсивности в плоскости ребер, рассчитанноечисленно (а) и измеренное с помощью ИК-камеры (б). Штриховые линии награфиках, параллельные оси х, соответствуют краям полосок, из которыхсостоит фантом. Видно, что основной поток ультразвуковой энергиираспространяется через межреберные промежутки, а энергия, приходящаяся накости (или в данном случае полоски фантома), мала.20I/Imax(б)y, мм(а)x, ммx, ммРис. 7. Рассчитанное (а) и измеренное с помощью ИК-камеры (б) распределенияакустического поля в плоскости ребер.

Каждое распределение нормировано на своемаксимальное значение.§ 4.3 посвящен описанию экспериментов, проведенных с использованиемобразцов грудной клеткой свиньи in vitro. Исследовалась возможность созданияи сканирования одиночного фокуса. Контроль безопасности ультразвуковоговоздействия осуществлялся с помощью термопарных измерений.Нарис.8представленыизмеренныеспомощьюИК-камерыраспределения интенсивности в воде для различных локализаций одиночногофокуса: в центре кривизны решетки, т.е. без сдвига фокуса (а) и со сдвигом на10 мм вдоль оси y (б) и х (в).(б)(в)x, ммx, ммx, ммI, Вт·см2y, мм(а)Рис. 8. Распределения интенсивности в воде для различных локализаций одиночногофокуса: без сдвига фокуса (а) и со сдвигом на 10 мм вдоль оси y (б) и х (в) послепрохождения ультразвука через образцы грудной клетки свиней in vitro. Контурыпредставлены от 5 Вт/см2 с интервалом 5 Вт/см2.Во всех случаях наблюдались основной фокус и два побочных, хотя и вболее искаженном виде по сравнению с распределениями за фантомом ребер.Однако показано, что, несмотря на наличие на пути распространенияфокусированного ультразвука реальных костей грудной клетки, предложенный21метод позволяет перемещать одиночный фокус, по крайней мере, на ± 10 мм всторону от оси решетки.В § 4.4 проведены расчеты и измерения с образцом мышечной ткани invitrо,расположеннойвфокальнойплоскостизафантомомребер.Исследовались различные режимы облучения, результаты моделированиясравнивались с экспериментом.

Моделирование разрушений ткани in vitroпроводилось на основе решения уравнения теплопроводности (6). Порогразрушения определялся в соответствии с величиной тепловой дозы:t нагреваt 56.0 R( 56.0 T ( t ))0dt ,(8)0где R0 = 0.5, t56.0 - временной эквивалент тепловой дозы, значение t56.0 ≥1 ссоответствовало разрушению ткани.На рис. 9 можно видеть теоретически рассчитанные формы разрушений,хорошо согласующиеся с экспериментом.12345Рис. 9. Сравнение результатов эксперимента и численного моделирования тепловыхразрушений в ткани, полученных при прохождении мощного фокусированного ультразвукасквозь ребра.

Распределения 1-4 соответствуют экспозиции 5, 10, 15 и 20 с и мощности120 Вт. Распределение 5 соответствует мощности решетки 140 Вт при экспозиции 20 с.Представленные в гл. 1-4 результаты теоретических исследований имоделирования эксперимента основывались на приближении линейногораспространения ультразвуковой волны. В пятой главе проводится оценкавлияния нелинейных эффектов в условиях проведенного эксперимента.Моделирование нелинейного поля решетки осуществлялось, используя 3Dуравнение Вестервельта: 2 p22 p2 c0 p . 0 c02 t 2t 222(9)Здесь ε – коэффициент нелинейности, равный 3.5 в воде и 4.7 в ткани.Распределения поля, создаваемые решеткой, рассчитывались с учетом и безучета нелинейных эффектов при интенсивности на элементах решетки, равнойI0 = 2.5 Вт·см-2, что соответствовало максимальному значению интенсивности,используемому в эксперименте, а также при I0 = 20 и 40 Вт·см-2, что являетсямаксимальными значениями интенсивности, допустимыми для современныхрешеток в непрерывном и импульсном режимах облучения.Показано (рис.

10), что в условиях проведенного эксперимента нелинейныеэффектывводепрактическинепроявлялись.Поглощениеэнергииультразвуковой волны на костях грудной клетки, а также расщеплении фокусаприводит к сильному снижению интенсивности в фокальной области и,соответственно,ослаблениюнелинейныхэффектов.Такимобразом,использование линейного приближения при моделировании акустического поляв условиях проведенных экспериментов является оправданным.p/ρcV(а)100(б)0080800606004040p+20-4080p+p-0100020120z, мм14040160 -10I0=20 Вт·см-200-20I0=40 Вт·см-20200(в)0p-500y, мм5010 0I0=2.5 Вт·см-20.20.40.60.81.0t, мксРис. 10.

Распределения пикового положительного и отрицательного давления в воде вдольоси решетки - (а), в фокальной плоскости – (б). Профили волны в фокусе – (в).▪▪▪ I0 = 40 Вт·см-2; - - - I0 = 20 Вт·см-2 ; ─ I0 = 2.5 Вт·см-2 ; ▬ линейное приближение.В то же время было показано, что при достижимых уровнях мощностейсовременных решеток проявление нелинейных эффектов и формированиеразрывов в профиле волны возможно, что наблюдается при I0 = 40 Вт·см-2(рис. 10).23ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.Разработан метод динамического фокусирования ультразвука высокойинтенсивностиприоблучениичерезгруднуюклетку,позволяющийсущественно понизить потери мощности на ребрах при сохранении высокихинтенсивностей в фокусе.2.С использованием метода получены разрушения ткани in vitro зафантомом ребер.

Показана возможность электронного смещения фокуса впределах 10 см во всех направлениях от центра кривизны поверхности решетки,а также возможность создания многофокусных конфигураций за фантомомребер и ребрами in vitro. Подтверждено отсутствие перегрева костей в процессеполучения абляции ткани в области фокуса.3.Предсказан теоретически и подтвержден экспериментально эффектрасщепления фокуса, обусловленный интерференцией волн от двух и болеепространственно разделенных источников, которыми являются межреберныепромежутки. Эффект приводит к существенному уменьшению энергии пучка,доставляемой в область основного максимума, составляющей всего 25% посравнению со случаем фокусировки в свободном поле.4.Получено аналитическое решение, позволяющее определить параметрырасщепления, то есть число фокусов, их диаметр и расстояние между ними сучетом размеров грудной клетки, положения ребер относительно излучателя ипараметров преобразователя.5.Получены оценки нелинейных эффектов, возникающих при фокусировкемощного ультразвука за ребрами.

Показано, что в условиях проведенногоэксперимента нелинейные эффекты незначительны, однако при более высокихинтенсивностях, достижимых в полях современных терапевтических решеток,возможно сильное проявление нелинейных эффектов и формирование разрывовв профиле волны в фокусе.6.Предложенновыйэкспрессныйметодизмеренияинтенсивностиакустического поля, основанный на регистрации с помощью ИК-камерыприроста температуры в слое тонкого поглотителя. Метод позволяет24определять как пространственные распределения акустического поля, так иабсолютные значения интенсивности.СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1.Бобкова С. М., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Андреев В.Г.

Дифракционныеэффекты при распространении фокусированного ультразвукового импульса всреде с тепловой неоднородностью // Акуст. журн., 2009, Т.55, №4-5, с. 457-465.2.Bobkova S, Shaw A, Gavrilov L, Khokhlova V, Hand J. Focusing of highintensity ultrasound through the rib cage using therapeutic random phased array //Ultrasound in Medicine and Biology, 2010,V. 36, N 6, p. 888-906.3.Хохлова В.А., Бобкова С.М., Гаврилов Л.Р. Расщепление фокуса припрохождении фокусированного ультразвука сквозь грудную клетку // Акуст.журн., 2010, Т.

56, № 5, с. 622-632.4.Гаврилов Л.Р., Хохлова В.А., Бобкова С.М., Шоу А., Хэнд Дж. Возможна линеинвазивная ультразвуковая хирургия за грудной клеткой? // Медицинскаяфизика, 2010, Т. 3, № 47, с. 53–64.5.Ilyin S. A., Bobkova S.M., Khokhlova V. A., Gavrilov L.R. Simulation of thermallesions in biological tissues irradiated by high-intensity focused ultrasound through therib cage // Physics of Wave Phenomena, 2011, Vol. 19, No. 1, p. 1–6.6.Бобкова С.М., Хохлова В.А. Расчет пространственного распределениятемпературы в фокальной области ультразвукового излучателя длядистанционного контроля теплового воздействия на биологические ткани //Тезисы докладов X всероссийской школы-семинара «Волновые явления внеоднородных средах» 22-27 мая 2006, Звенигород, секция 7, с.

78.7.Бобкова С. М., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Андреев В.Г. Дистанционныйконтроль теплового воздействия ультразвука на биологические ткани поизмерению задержки зондирующего импульса//Тезисы докладовМеждународной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых пофундаментальным наукам «Ломоносов-2007» 11-14 апреля 2007, Москва, Секция«Физика», с. 146-148.8.Бобкова С.М., Цысарь C.А., Андреев В.Г., Хохлова В.А. Моделированиераспространениядиагностическогоимпульсавсредестепловойнеоднородностью для дистанционного контроля терапевтического воздействияультразвука на биологические ткани // Сборник трудов XIX сессии Российскогоакустического общества.

Характеристики

Список файлов диссертации