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). |
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.