Развитие методов пассивной акустической термотомографии и акустояркостного мониторинга

• Автор: Субочев, Павел Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 176 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. РЕШЕНИЕ ПРЯМОЙ ЗАДАЧИ АКУСТОТЕРМОМЕТРИИ С УЧЕТОМ АНТЕННЫХ ЭФФЕКТОВ
§1.1. Антенные эффекты в теории акустической термотомографии гидроподобных сред
§ 1.2. Синтез акустической линзы Френеля для трехточечного мониторинга Глава 2. МНОГОЧАСТОТНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ ТЕРМОТОМОГРАФИЯ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ГИПЕРТЕРМИИ: ЧИСЛЕННОЕ И ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
§2.1. Учет частотной зависимости коэффициента акустического поглощения при решении прямой задачи §2.2. Восстановление трехмерных профилей температуры, монотонных вдоль направления зондирования. Результаты численного моделирования.
§2.3. Решение обратной задачи для монотонного глубинного профиля температуры, изменяющегося во времени. Лабораторное моделирование.
Глава 3. АКУСТОЯРКОСТНЫЙ МОНИТОРИНГ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ГИПЕРТЕРМИИ
§3.1. Измерения акустояркостной температуры при лазерной гипертермии злокачественных новообразований лабораторных животных.
§3.2. Исследование применимости акустотермометрии при обнаружении неоднородностей оптического поглощения в биологической ткани.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ВВЕДЕНИЕ

Внутренняя термодинамическая температура организма является важным параметром для мониторинга и контроля [1-5]. Основываясь на информации о распределении внутренней температуры можно делать выводы о состоянии и функционировании органов [6-9], о реакции человеческого организма на различные воздействия [10]. В частности, на основе измерений внутренней температуры можно также выполнять диагностику некоторых заболеваний внутренних органов (в том числе онкологических [2]), осуществлять мониторинг воспалительных процессов [5], измерения внутренней температуры также весьма важны при локальной гипертермии [6] (способ лечения онкологических заболеваний, заключающийся в нагреве опухолевой ткани до определенной температуры).
Контроль внутренней температуры человеческого организма может быть выполнен различными способами, однако наибольший интерес для медицины представляют неинвазивные методы [11], позволяющие выполнять диагностику внутренней температуры без хирургического вмешательства в тело человека. К существующим неинвазивным методам можно отнести ИК-тепловидение [12], СВЧ-радиометрию [13-18], ЯМР-диагностику [19], а также активную [20-27], пассивную [28-32] и активно-пассивную [33,34] акустотермометрию.
Среди перечисленных методов наилучшим пространственным разрешением обладает метод Я М Р-термометрии [19]. Однако, вследствие высокой стоимости ЯМР оборудования и существенных затрат на его обслуживание метод ЯМР-термотомографии не нашел широкого применения в медицинских учреждениях.
Пассивные ИК-тепловизоры [12], отличаясь сравнительно низкой себестоимостью, также обладают весьма высоким пространственным разрешением (порядка 10 мкм), однако малая толщина скин-слоя для электромагнитных волн ИК диапазона позволяет производить
исключительно поверхностные измерения температуры биологической ткани. Для увеличения толщины скин-слоя до глубины хотя бы 5 см (достаточная глубина диагностики для большинства медицинских
приложений) можно использовать радиометры СВЧ-диапазона [11],
уменьшая при этом пространственное разрешение (до 1-2 см). Для решения задач локализации нагретых объектов с повышенным пространственным разрешением по глубине используют методики [17,18], которые однако не способны повысить разрешающую способность по поперечной координате (вследствие широких диаграмм направленности используемых
электромагнитных антенн СВЧ-диапазона).
Альтернативой методу СВЧ-радиометрии является метод акустояркостной термометрии [28], основанный на пассивном приеме равновесного акустического теплового излучения. По сравнению с СВЧ-радиометрией, использование акустических волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазона позволяет реализовать лучшее пространственное разрешение при тех же глубинах диагностики (~5 см) и чувствительности (-0.3К).
Методы активной акустотермометрии [20-27], потенциально имеют схожие с пассивной акустотермометрией параметры по пространственному разрешению (~2 мм) и чувствительности (-0.3 К), однако активные ультразвуковые методы не работают с движущимися и деформируемыми объектами [24,25], слоистыми средами [26,27], а также предполагают расположение приемника и источника по разные стороны от исследуемого объекта (диагностика «на просвет»). Между тем, деформаций и перемещений диагностируемых биологических объектов в медицинской практике не избежать (например, вследствие непроизвольных движений пациента). «Слоистость» также являет собой неизменный атрибут реальных биологических сред (например, отражающие ультразвук костные ткани, практически не позволяют диагностировать «на просвет» органы грудной клетки, а также головной мозг). Перечисленные существенные ограничения

Наконец, формулы (1.11) учитывают эффекты, связанные с ненулевой шириной диаграммы направленности (ДН) приемной антенны, которой в данном случае служит поверхность пьезопреобразователя. Эти эффекты проявляются при R < X и не описываются соотношением (1.1). Однако следует отметить, что учет диаграммных эффектов можно выполнить и в рамках лучевой теории. Из уравнения переноса и граничных условий на поверхности z'=0 может быть получена интенсивность теплового акустического излучения полупространства, как функция угла наблюдения. Интегрируя это выражение вместе с ДН по угловым переменным, получим искомое обобщение формулы (1.1). Подобные процедуры неоднократно проделывались в работах по радиометрии (см., например, [1.25]). Для акустотермометрии соответствующее выражение будет получено ниже из формул (1.11).
Приведенные рассуждения позволяют заключить, что общие формулы (1.11) должны переходить в более частный результат лучевой теории при е°«° 1 и R » X, либо е « 1 и z » X. Остановимся более подробно на данном вопросе. Для этого перейдем в уравнении (1.11а) к акустояркостной температуре, определяемой как термодинамическая температура равномерно нагретого абсолютно черного тела, обеспечивающего прием такой же мощности, что и от исследуемого объекта:
Ta{z)=)vn(z',z,R)T(z')dz (1.13)

J|G(k,z',z)|2 |р, (кй)|2 кйк
1Vn{zz,R) =
Jdz' J|G(k,z',z)|" | Ps (кР)|2к(1к

а G(K,z',z)f дается выражением (1.116). В случае, когда R» X или z » X, можно ограничить предел интегрирования по к в (1.11а), (1.14) величиной ко, поскольку при этих условиях вклад КТП, который определяется областью