<< Научные направления


Мощный фокусированный ультразвук для неинвазивной хирургии

Группа нелинейной и медицинской акустики
(Сапожников О.А., Хохлова В.А., Андреев В.Г., к. 3-66)
Хохлова В.А. - к.ф.-м.н., доцент, руководитель темы
Бессонова О.В.- аспирантка
Бобкова С.М. - аспирантка

Ультразвук используется сегодня во многих медицинских приложениях [1]. При помощи диагностического ультразвука (УЗИ) можно получить изображение внутренних органов человека. В физиотерапии облучение тканей и суставов ультразвуком успешно применяется как прогревающее лечение.
Рис. 1. Схема применения мощного фокусированного ультразвука в неинвазивной хирургии (HIFU).
Одно из наиболее интересных новых направлений медицинского ультразвука связано с возможностью дистанционного разрушения биологической ткани за счет поглощения в ней мощной фокусированной акустической волны. Поскольку ультразвук можно фокусировать так же, как свет, то можно добиться локального нагрева ткани внутри тела человека до температуры, достаточной для свертывания крови или некроза мягких тканей, без перегрева тканей на пути к фокусу. Вблизи преобразователя интенсивность акустической волны достаточно низкая, так что ткани не повреждаются. В фокальной же области интенсивность возрастает на несколько порядков и нагрев за счет поглощения волны достаточен для быстрого теплового разрушения белков ткани. Это дает возможность использовать мощный ультразвук, к примеру, для разрушения опухолей или остановки внутренних кровотечений неинвазивно, т.е. без обычного хирургического вмешательства (Рис. 1). Уже привычным стало использование аббревиатуры HIFU для названия этого медицинского направления (от английского High Intensity Focused Ultrasound). В 2001 году было создано Международное Общество Терапевтического Ультразвука (ISTU – International Society for Therapeutic Ultrasound), которое объединило физиков, биологов, медиков, инженеров, активно занимающихся HIFU. Ежегодно стали проводяться сессии общества поочередно в различных странах: Китае, Японии, Франции, США, Великобритании, Южной Корее.

В мире сейчас разработано несколько установок ультразвуковой хирургии для лечения опухолей различных органов ( 1, 2, 3), сердечных заболеваний и даже неинвазивной коррекции фигуры, которые уже используются в клиниках. С каждым годом HIFU вызывает все больший и больший интерес со стороны ученых и врачей. С точки зрения физики, проблема воздействия мощного ультразвука на биологическую ткань включает в себя исследование нелинейной фокусировки ультразвука в воде (где обычно проводятся калибровка излучателей) и в ткани, тепловых, кавитационных и других, более тонких механизмов взаимодействия ультразвука с тканью, определения порога ее разрушения [2]. Эффекты акустической нелинейности при распространении ультразвука к фокусу приводят к искажению первоначально гармонической формы волны и образованию ударных фронтов (Рис. 2), на которых акустическая энергия поглощается гораздо более эффективно, чем для линейной гармонической волны [3]. Присутствие ударного фронта в профиле волны приводит к нелинейному повышению эффективности теплового воздействия, а также может вызывать механические повреждения ткани и другие биоэффекты [4].

Рис. 2. Два периода акустической волны в фокусе HIFU преобразователя для случаев, когда а) на излучатель подаётся маленькая мощность, поэтому в фокусе волна остаётся гармонической и б) на излучателе большая мощность, поэтому в фокусе пучка форма волны становится разрывной.

На кафедре акустики занимаются исследованиями в области медицинских приложений ультразвука уже более 10 лет в тесном сотрудничестве с ведущими центрами ультразвуковой хирургии в США (университет шт. Вашингтон в Сиэтле, Бостонский университет, университет шт. Индиана в Индианаполисе), Франции (Лионский университет, Национальный Центр Научных Исследований Франции, Высшая Школа Физики и Промышленной Химии в Париже), Великобритании (Оксфордский университет, институт по исследованию рака в Саттоне) при поддержке грантов Fogarty, CRDF, РФФИ, ИНТАС, МНТЦ. Разработанные у нас в лаборатории численные модели и экспериментальные методики позволяют проводить калибровку полей реальных излучателей, использующихся в клинических установках, а также предсказывать получаемые разрушения в ткани (Рис. 3). Показанные на рисунках результаты – образование одиночных областей некроза в ткани печени - были получены аспиранткой кафедры Е. Филоненко на установке госпиталя в Саттоне, в Англии. Результаты прекрасно согласуются с предсказаниями нашей модели, в которой учитываются эффекты нелинейной фокусировки ультразвукового пучка. Результаты же линейной волновой теории, которой в большинстве случаев сейчас пользуются исследователи при планировании эксперимента, часто не дают объяснения наблюдаемым результатам.

Рис. 3. Области теплового некроза, полученные в образце ткани печени при воздействии мощного фокусированного ультразвука. Рис. 4. Визуализация воздействия HIFU на ткань в режиме реального времени по регистрации рассеянного на возникающих пузырьках кипения диагностических импульсов УЗИ.

Хотя тепловой механизм является доминирующим в воздействии ультразвка на ткань, важный вклад часто вносят и другие физические механизмы, характерные для взаимодействия УЗ с тканью: кавитация (образование пузырьков и их колебания в поле волны), кипение (Рис.4), сдвиговые напряжения, течения. Эти механизмы, их вклад в разрушение ткани, возможность их использования для контроля за процедурой HIFU в режиме реального времени до конца не поняты и представляют собой интересный объект физических исследования, как в теории, так и экспериментально.

Литература:

  1. Хилл К..,Дж. Бэмбер, Г. тер Хаар. Ультразвук в медицине. Физические основы применения// М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.
  2. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань (обзор) // Акуст. журн., 2003, Т. 49, № 4, стр.437-464.
  3. Филоненко Е.А., Хохлова В.А. Эффекты акустической нелинейности при терапевтическом воздействии мощного фокусированного ультразвука на биологическую ткань // Акуст. журн., 2000, Т. 46, № 2, стр.211-219.
  4. Буров В.А., Дмитриева Н.П., Руденко О.В.. Нелинейный ультразвук: разрушение микроскопических биокомплексов и нетепловое воздействие на злокачественную опухоль // Доклады Академии Наук. Биохимия, биофизика, молекулярная биология, 2002, Т.383, №3, стр.401-404.