Временная и пространственная оптимизация теплового воздействия мощного фокусированного ультразвука на биологическую ткань

• Автор: Филоненко, Елена Анатольевна
• Шифр специальности: 01.04.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Современные приложения мощных ультразвуковых пучков в

медицине (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

§1.1 Роль акустической нелинейности в режиме фокусировки мощного

ультразвука
§ 1.2 Слаборазреженные двумерные фазированные решетки для фокусировки мощного ультразвука

§ 1.3 Акустические и температурные поля УЗ излучателей

§ 1.4 Выводы

ГЛАВА 2 Нелинейное повышение эффективности нагрева биологической

ткани мощным фокусированным ультразвуковым пучком

* §2.1 Постановка задачи
§ 2.2 Акустическое поле
2.2.1 Теоретическая модель
2.2.2 Численный алгоритм
§2.3 Температурное поле
2.3.1 Теоретическая модель
2.3.2 Численный алгоритм
§2.4 Результаты
2.4.1 Влияние параметров ультразвука на процесс нагрева ткани
2.4.2 Эффекты акустической нелинейности при воздействии фокусированного ультразвука на ткань
2.4.3 Влияние преломления на границе вода-ткань
§2.5 Выводы

ГЛАВА 3 Временная оптимизация режимов ультразвукового облучения ткани для повышения эффективности нагрева за счет акустической нелинейности
§3.1 Описание эксперимента
3.1.1 Экспериментальная установка
3.1.2 Процедура калибровки излучателя
3.1.3 Подготовка установки и образцов печени
3.1.4 Исследуемые в эксперименте режимы
§ 3.2 Численное моделирование
3.2.1 Акустическое поле
3.2.2 Трехмерное температурное поле
§ 3.3 Результаты
§3.4 Выводы
ГЛАВА 4 Двумерные фазированные решетки для пространственной
оптимизации фокусировки мощного ультразвука в ткани
§ 4.1 Постановка задачи
§ 4.2 Теоретическая модель и численный алгоритм
§ 4.3 Результаты
4.3.1 Влияние нерегулярного расположения элементов решетки на процесс нагрева ткани
4.3.2 Эффективность теплового воздействия на ткань при различной пространственной оптимизации ультразвукового облучения
§4.4 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ II
БЛАГОДАРНОСТЬ
ВВЕДЕНИЕ
Явления, возникающие при взаимодействии фокусированного мощного ультразвука с биологической тканью, находят все более широкое применение в медицинских приложениях, таких, как разрушение почечных камней ударными импульсами (литотрипсия) [1,2], диагностика и визуализация [3,4], остановка внутренних кровотечений (ультразвуковой гемостазис) [5] и наиболее интенсивно развивающиеся в последнее время направление - неинвазивное разрушение опухолей мощным фокусированным ультразвуком (высокотемпературная гипертермия или акустическая хирургия) [1-6].
Уже в начале 50-х годов в СССР развивается направление, в котором лечение злокачественных опухолей проводится путем воздействия мощного нефокусированного ультразвука на ткань с целью повышения иммунного отклика организма [7-8]. Одновременно ведутся активные исследования по использованию мощного фокусированного ультразвука для получения локального разрушения опухолевой ткани [9]. К настоящему времени развиты и уже начали внедряться в клиническую практику разнообразные методы использования фокусированного ультразвука для лечебного воздействия на опухолевую ткань [3, 6,10-11]. Однако по-прежнему для успешного применения в клинической практике развиваемых новых методик требуется детальное исследование особенностей распространения ультразвука в биологической ткани и физических механизмов его взаимодействия с тканью.
Известно, что основным механизмом разрушения ткани ультразвуком является ее быстрый нагрев за счет поглощения акустической энергии [12]. Интенсивности ультразвука в фокальной области в таких системах достигают 103- 104 Вт/см2. При таких интенсивностях большую роль играют эффекты акустической нелинейности, приводящие к каскадной генерации гармоник исходной частоты [13-14] и существенному увеличению эффективности нагрева [15,16], поскольку коэффициент поглощения в ткани увеличивается с частотой. Исследование роли акустической нелинейности при тепловом воздействии фокусированного ультразвука на ткань в режимах акустической хирургии является поэтому несомненно важным.
фронта в третьей степени и отношением характерных масштабов поглощения и нелинейности в ткани:
Приведем некоторые теоретические оценки для случая, когда
ультразвуковой пучок распространяется только в ткани. Учитывая, что
амплитуда разрыва в фокусе может достигать величины Ърл за счет более эффективной фокусировки в нелинейном режиме [119], и рассчитывая
получим: г„ = 1.2см, од = 8.42x10'2см, ■ Таким образом, можно
ожидать, что в режиме развитых ударных фронтов эффективность нагрева в фокусе должна увеличиться почти на порядок. Продольный размер фокальной области рассматриваемого излучателя, определяемый по половинному от максимального уровню интенсивности (7), приближенно можно оценить как бТ2^ = 2 см. Поскольку размер фокальной области больше, чем длина образования разрыва гп для волны с интенсивностью 7/г= 1500 Вт/см2, то можно ожидать, что в фокусе будет реализован режим развитых разрывов и эффективность нагрева ткани существенно возрастет.
2.2.2 ЧИСЛЕННЫЙ АЛГОРИТМ
В настоящее время существует несколько наиболее развитых подходов к численному решению задачи фокусировки мощных акустических пучков. Используются либо временные схемы прямого интегрирования уравнений типа (1) [29-30], либо спектральные схемы, когда решается система связанных нелинейных уравнений для гармоник исходной волны [34,113,119,120,121, 122,123]. Временной поход более удобен для исследования фокусировки импульсов [28], спектральный - для описания периодических волн [119,120]. Применение спектрального подхода также более оправдано в случаях, когда частотный закон поглощения в среде отличается от квадратичного и оператор 7-лам в уравнении (1) имеет интегральный вид. В этом случае рассматривается связанная система уравнений для бесконечного числа гармоник, для каждой из которых учитывается соответствующее поглощение и дисперсия. В то время как во временном подходе интегральный характер уравнения приводит к
= (А,/РаУ

127Г а.
нелинейный масштаб, соответствующий интенсивности 1500 Вт/см2 в ткани,