ч
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................................5
ГЛАВА 1. Применение мощных ультразвуковых фазированных решеток в
неинвазивной терапии и хирургии. Обзор литературы................................17
§ 1.1 Преимущества использования многоэлсмснтных фазированных решеток в
терапевтических приложениях мощного фокусированного ультразвука............17
§ 1.2 Особенности моделирования нелинейных акустических полей, создаваемых
ультразвуковыми фазированными решетками....................................21
§ 1.3 Особенности измерения ультразвуковых полей, создаваемых
фазированными терапевтическими решетками...................................22
§ 1.4 Проведение НШи операции при наличии акустических препятствий (кости черепа и 1рудной клетки). Проблема минимизации воздействия ультразвука на акустические препятствия и сохранения высоких значений интенсивности в
фокусе.....................................................................24
§ 1.5 Выводы...............................................................32
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование возможности фокусировки ультразвука при наличии акустических препятствий.............................................33
§ 2.1 Модель «идеального» излучателя для исследования возможности
фокусировки ультразвука сквозь грудную клетку..............................34
2.1.1 Геометрический и дифракционный подходы для расчета
амгъч итудно-фазоаого распределения на поверхности идеального излучателя..........................................................35
2.1.2 Сравнение результатов для двух предложенных подходов..........37
§ 2.2 Теоретическая модель для описания по;ш фазированной решетки при
наличии ребер..............................................................40
§ 2.3 Метод частичного отключения элементов решетки для минимизации
воздействия ультразвука на ребра...........................................45
§ 2.4 Эффект расщепления фокуса при прохождении фокусированного
ультразвука сквозь грудную клетку..........................................47
2.4.1 Объяснение эффекта расщепления с помощью аналитического решения на основе параболического приближения теории дифракции 48
2
2.4.2 Анализ аналитического решения для различных параметров излучателя, грудной клетки и их взаимного расположения...............51
2.4.3 Анализ эффекта расщепления фокуса для «идеального» излучателя, фазированной решетки, сравнение с приближенным аналитическим решением.............................................................55
§2.5 Обсуждение результатов теоретических исследований....................59
§2.6 Выводы...............................................................62
ГЛАВА 3. Новый экспрессный метод измерении распределений интенсивности
акустического ноля с использованием инфракрасной камеры...........................63
§3.1 Измерение пространственных распределений интенсивности в воде при
создании одиночного фокуса и нескольких фокусов............................63
§ 3.2 Два способа калибровки поглотителя для измерения абсолютных значений
интенсивности акустического поля...........................................64
§ 3.3 Сравнение результатов измерений с теоретическими расчетами...........67
§ 3.4 Дополнительная экспериментальная проверка и обоснование методики
измерения акустических полей с помощью ИК-камеры...........................69
3.4.1. Описание экспериментальной установки..........................70
3.4.2. Результаты измерений..........................................72
§ 3.5 Выводы...............................................................74
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование возможности прохождения мощного
фокусированного ультразвука через грудную клетку с использованием фазированной решетки..............................................................75
§ 4.1 Экспериментальная установка........................................ 75
4.1.1 Фазированная решетка со случайным расположением элементов на поверхности..........................................................77
4.1.2 Фантомы ребер и образцы грудной клетки in vitro................78
4.1.3 Установка для измерения акустической мощности решетки..........79
§ 4.2 Измерения с фантомом ребер в воде....................................80
4.2.1 Исследование возможности сканирования одиночного фокуса........83
4.2.2 Исследование возможности создания многофокусных конфигураций.........................................................85
§ 4.3 Измерения с грудной клеткой свиньи in vitro..........................87
З
4.3.1 Исследование возможности создания и сканирования одиночного
фокуса............................................................87
4.3.2 Контактные измерения с помощью термопар для контроля
безопасности ультразвукового воздействия..........................88
§ 4.4 Измерения в фокальной плоскости фазированной решетки с образцом мышечной ткани in vitro.................................................89
4.4.1 Исследование различных режимов облучения....................90
4.4.2 Теоретическое моделирование формы разрушения мышечной ткани in vitro на основе решения уравнения теплопроводности и расчета тепловой дозы..............................................................91
4.4.3 Сравнение результатов моделирования с экспериментом.........92
§ 4.5 Выводы............................................................95
ГЛАВА 5. Оценка влияния нелинейных эффектов в поле двумерной
фазированной решетки..........................................................96
§ 5.1 Нелинейное ноле фазированной решетки в воде в отсутствие ребер....98
§ 5.2 Влияние грудной клетки на нелинейное поле решетки................102
§ 5.3 Нагревание мягкой ткани in vitro в линейном и нелинейном режимах фокусировки ультразвука при наличии ребер. Моделирование условий
эксперимента...........................................................105
§ 5.4 Выводы...........................................................109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................ПО
БЛАГОДАРНОСТЬ................................................................111
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................112
4
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, ультразвук нашел широкое применение в диагностике для визуализации внутренних, органов,- поскольку результаты УЗИ; (ультразвукового исследования)- часто становятся решающим аргументом при. постановке - диагноза и» выборе тактики лечения многих заболеваний [1]. Вес большую известность приобретает и; ультразвуковая-хирургия, особенно та се разновидность, которая связана с разрушением тканей с. помощью фокусированного ультразвука высокой, интенсивности [2]. В-англоязычной-литературе для обозначения этого-словосочетания часто используется сокращение IIIFU от слов High Intensity Focused Ultrasound.
Вероятно, следует пояснить, почему фокусированный ультразвук, так и не нашедший пока сколько-нибудь существенного применения в ультразвуковой технологии, стал столь полезным и востребованным для медицинских приложений. В медицине часто возникает необходимость локально воздействовать на заданные участки глубоко расположенных тканей< организма (например; с целью* нсинвазивной, "безножевой" хирургии), причем таким образом, чтобы окружающие ткани- оставались неповрежденными. Этого можно-добиться, сфокусировав ту или иную энергию в намеченном участке ткани. Однако хорошо известно, что размер области концентрации энергии не может быть меньше длины волны. Для ультразвука в мсгагерцовом диапазоне частот длина волны в тканях имеет порядок долей или единиц- миллиметров. Для электромагнитной энергии тон же частоты длина волны значительно (на.пять порядков) больше, т. е. для получения области концентрации энергии с приемлемыми для практики размерами необходимо использовать чрезвычайно высокие частоты. Электромагнитные колебания столь высоких частот быстро затухают в поверхностных тканях, и-сфокусировать энергию на глубине порядка нескольких сантиметров не удается. Итак, для достижения нужного результата, необходимо, чтобы затухание энергии в тканях было не слишком велико, чтобы колебания могли дойти до требуемого участка, а поглощение в них не слишком мало, поскольку одним из основных механизмов действия фокусированного ультразвука на ткани является тепловой [1, 2]. Фокусированный ультразвук с частотой порядка единиц мегагерц является именно тем самым уникальным средством, в котором удивительно удачным образом сочетаются нужная для практики длина волны (порядка миллиметра), не слишком большое затухание (порядка 1 дБ/см на частоте I МГц) и не слишком малое поглощение (чуть меньше указанной цифры).
Найти альтернативу данному способу локального воздействия на небольшие по размеру участки глубоких тканей организма непросто. Например, с помощью лазерного облучения, нашедшего столь широкое и полезное практическое применение в медицине, можно воздействовать на глубоко расположенные участки организма лишь доставив энергию лазерного пучка непосредственно к облучаемому участку через оптически прозрачное оптоволокно либо воздействуя на прозрачные ткани, как в офтальмологических операциях [3]. Причиной этому является сильное рассеяние света, присущее большинству биологических тканей и делающее невозможным управление параметрами лазерного пучка на глубинах более 2 мм [4]. Электромагнитная энергия обычно используется лишь для воздействия на относительно большие по объему участки тканей. Разумеется, сказанное не означает, что существует какая-то конкуренция между разными физическими методами воздействия на ткани организма, поскольку каждый из них (электромагнитное воздействие, лазер, криовоздействие, ультразвук и т. д.) по-своему уникален и оказывается незаменимым в той или иной конкретной ситуации.
За последнее десятилетие применение фокусированного ультразвука в медицине для локального неинвазивного разрушения глубоко расположенных тканей организма стало распространенной и с успехом используемой в клинической практике технологией [5, 6]. Так, только в Китае до конца 2009 года было проведено свыше 40000 экстракорпоральных (т.с. выполняемых при положении фокусирующего излучателя вис организма) операций, связанных с лечением рака печени, молочной железы, костей, почек, поджелудочной железы, мягких тканей и матки [http://www.haifu.com.cn]. В других странах также было проведено более 1000 подобных операций. Фокусированный ультразвук с успехом применяется также для внутриполостного лечения доброкачественных и злокачественных опухолей простаты [7, 8]. Наряду с этими направлениями активные научные исследования »1 разработки ведутся и в других перспективных областях применения ЮТи, таких как неинвазивная липосакция (удаление излишнего жира), остановка внутренних кровотечений, кардиология (в частности, лечение аритмий), разрушение глубоких структур мозга при облучении через череп, направленная доставка лекарств в заданный участок организма и т.н. [1,2].
Существенным ограничением доя еще более широкого клинического использования ЮТи является наличие в тканях организма сильно отражающих или сильно поглощающих акустических препятствий. Под ними, прежде всего, понимаются кости, в частности, косги грудной клетки, которые затрудняют проведение ультразвуковых хирургических операций, например, на печени или сердце. Кроме того,
6
такими препятствиями являются разнообразные скопления воздуха, наличие в тканях твердых включении, металлических протезов, кардиостимуляторов и т.п.
Рассмотрим физическую суть проблемы распространения НІБи через акустические препятствия на примере наглядной1 для обсуждения задачи воздействия ультразвуком на ткани печени (или сердца) через ребра. Как известно, акустические свойства костей грудной клетки резко отличаются от свойств мягких тканей. Вследствие чрезвычайно высокого поглощения ультразвука в кости и отражения ультразвуковой энергии от неё происходит персірев кости и вышележащих тканей, включая кожу [9]. Другая сложность состоит в том, что по тем же причинам интенсивность в фокусе резко снижается и может оказаться недостаточной для разрушения тканей, находящихся за грудной клеткой. Поэтому при проведении в Китае описанных выше ультразвуковых операций по разрушению тканей печени авторы были вынуждены удалять кости грудной клетки, находящиеся на пути распространения фокусированного ультразвука, и производить воздействие НІРи через образовавшееся акустическое окно [10]. Позднее кости возвращались хирургическим путем на прежнее место. Несомненно, такие операции трудно считать мало повреждающими (неинвазивными).
Несколько исследовательских групп пытались решить проблему фокусирования-ультразвука в тканях печени, несмотря на наличие костей грудной клетки на пути распространения НІГи. Была предложена конструкция одиночного фокусирующего преобразователя, состоявшего из нескольких одинаковых по площади сегментов в виде полос, включенных электрически параллельно [11]. Предполагалось, что, если опухоль в печени расположена за нижним краем грудной клетки, то сегменты, находящиеся непосредственно над костями, могут быть выключены, что предотвратит перегрев костей. Понятно, что подобная конструкция едва ли пригодна при произвольных локализациях опухоли в печени.
Рядом авторов рассматривалась проблема минимизации воздействия на ребра. Так, было предложено использовать метод обращения времени [12, 13], чтобы преодолеть искажения, вносимые расположенными на пути распространения фокусированного ультразвука костями грудной клетки. Было показано, что использование антенных решеток, в которых были включены только элементы, расположенные напротив межреберных промежутков, позволяет добиться существенного уменьшения нагрева костей грудной клетки. Однако ультразвуковое облучение при этом осуществляется в импульсном режиме, в связи с чем энергии в фокусе может оказаться недостаточно для создания разрушения ткани. Задача фокусировки мощного ультразвука сквозь ребра при непрерывном режиме облучения рассматривалась только теоретически с использованием
фазированной решетки [14]. Для минимизации воздействия на ребра у данной виртуальной решетки отключались те элементы, для которых векторы, нормальные к поверхности элемента, пересекали ребро.
Во многих работах, связанных с фокусировкой ультразвука сквозь грудную клетку, наблюдался интересный эффект: в фокальной-плоскости.за ребрами, наряду с основным фокусом, появлялись два вторичных максимума, уровень интенсивности в которых составлял около половины интенсивности в основном фокусе. Однако обсуждения-данного эффекта, важного для практического применения, и его количественного объяснения в литературе найти не удалось.
В данной диссертационной работе была предложена новая методика фокусировки мощного ультразвука сквозь грудную клетку с использованием рандомизированной фазированной решетки в режиме непрерывного облучения. В прямом эксперименте, выполненном при совместном участии МГУ, Акустического института, а также двух известных научно-исследовательских институтов Великобритании, была продемонстрирована возможность локального разрушения тканей, расположенных за костями грудной клетки животных. Были получены новые данные о механизмах эффектов, происходящих при прохождении Н1Ги через акустические препятствия типа ребер. Эффект расщепления фокуса в фокальной плоскости за грудной клеткой был предсказан теоретически и подтвержден экспериментально. На основе параболического приближения теории дифракции было получено аналитическое решение, позволяющее получить основные количественные оценки параметров расщепления.
Для экспериментального измерения акустических полей, создаваемых решеткой, был предложен новый метод, позволяющий быстрым образом оценить абсолютные значения интенсивности. Метод был основан на использовании ИК-камеры и калибровке материала, поглощающего ультразвук. Были получены оценки влияния нелинейных эффектов в режиме образовании разрывных волн при распространении сфокусированного ультразвукового пучка высокой интенсивности сквозь грудную клетку.
ОСНОВНОЙ ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАНИОННОЙ РАБОТЫ было показать, что фокусирование ультразвука высокой интенсивности можно эффективно осуществлять, несмотря на наличие в среде акустических препятствий типа костей грудной клетки. Тем самым работа была направлена на теоретическое и экспериментальное обоснование и разработку новых неинвазивных методов фокусирования, существенно расширяющих возможности применения в медицине ультразвука высокой интенсивности. В рамках указанной цели решались следующие конкретные задачи:
8
1. Разработка численного алгоритма, позволяющего моделировать распространение мощных фокусированных акустических пучков, создаваемых фазированными решетками и одноэлементными преобразователями, в воде и биологической ткани при наличии грудной клетки.
2. Теоретическое исследование дифракционных эффектов, возникающих при распространении фокусированного ультразвука через ребра, на модели «идеального» одноэлементного преобразователя. Анализ различных способов расчета колебательной скорости на поверхности преобразователя с целью минимизации воздействия на ребра с использованием метода обращения волнового фронта.
3. Получение аналитического решения задачи о распространении фокусированного ультразвука через ребра на основе параболического приближения теории дифракции. Количественная оценка основных параметров расщепления фокуса в фокальной плоскости.
4. Разработка нового экспрессного метода измерения интенсивности акустических полей в воде, основанного на использовании ИК-камеры и калиброванного материала, поглощающего ультразвук.
5. Экспериментальная проверка разработанных теоретических подходов. Исследование прохождения мощного фокусированного ультразвука сквозь грудную клетку с использованием фазированной решетки, фантома ребер и ребер in vitro. Проверка безопасности предложенного метода путем локального измерения температуры на ребрах in vitro с помощью термопар.
6. Оценка нелинейных эффектов, проявляющихся при распространении мощного фокусированного ультразвукового пучка, создаваемого фазированной решеткой, через
ребра.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ
1. Разработана новая методика фокусировки ультразвука высокой интенсивности в режиме непрерывного излучения при наличии грудной клетки с использованием фазированной решетки со случайным расположением элементов.
2. В прямом эксперименте продемонстрирована возможность абляции биологической ткани за грудной клеткой при сохранении безопасных уровней температур на ребрах.
3. Получено аналитическое решение, позволяющее количественно оценить основные параметры акустического поля в фокальной плоскости за грудной клеткой.
9
4. Разработан новый сверхбыстрый, метод измерения абсолютных значений интенсивности акустических полей в воде. Метод основан на использовании ИК-камеры и калиброванного материала, поглощающего ультразвук.
5. Получены оценки нелинейных эффектов, возникающих в фокальной плоскости-ультразвуковой терапевтической. решетки, при распространении ультразвукового пучка* сквозь ребра.
Достоверность полученных в работе результатов подтверждаете я данными-экспериментов, проведенных при совместных исследованиях с Акустическим институтом, Имперским Колледжем (Лондон, Великобритания) и Национальной физической лабораторией (Теддиигтон, Великобритания), а также соответствием результатов теоретическим оценкам и экспериментальным данным, полученным в работах других авторов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
Полученные в диссертационной работе результаты демонстрируют, что при использовании двумерной рандомизированной антенной решетки и разработанного метода включения ее элементов удаётся разрушать ткани после прохождения ШЕН через фантом грудной клетки и обеспечивать приемлемое качество фокусировки за реальными костями грудной клетки. Полученные данные свидетельствуют о принципиальной возможности применения предложенного метода в клинической.практике для разрушения тканей, расположенных за костями грудной клетки, без перегрева костей и вышележащих тканей.
В работе обсуждается предсказанный в теории и наблюдаемый в эксперименте эффект расщепления, основного фокуса (или нескольких фокусов) после прохождения Н1Еи через периодическую структуру ребер. Механизм этого эффекта объясняется интерференцией волн от двух и болсс пространственно разделенных источников, которыми являются межреберные промежутки. Приводятся аналитические оценки параметров расщепления, то есть числа фокусов, их диаметра и интервала между ними, которые могут быть оценены с учетом размеров грудной клетки и положения ребер относительно излучателя, а также параметров преобразователя. Данные оценки будут играть значительную роль на начальном этапе планирования ШЕи операции, так как позволят оценить оптимальные размеры преобразователя и его положение по отношению к грудной клетке в каждом конкретном случае.
Эффект расщепления фокуса и сопутствующее этому явлению уменьшение интенсивности и энергии в основном фокусе необходимо учитывать при планировании
10
- Київ+380960830922