Пассивная акустическая термотомография биологических объектов

Важной характеристикой тела человека и животных является пространственное распределение глубинной температуры, которое зависит от уровня метаболизма клеток и кровотока в организме. Измерения глубинной температуры необходимы в медицине, для чего желательно использовать неинвазивные методы. Особое место среди них принадлежит пассивным методам, основанным на регистрации собственных тепловых излучений организма человека [55].

Информация о температуре исследуемого органа облегчает раннюю диагностику при различных патологиях. Примером может служить глюкозный тест. Тепловое излучение регистрируется в разных частях поверхности тела пациента. После приема глюкозы значительный нагрев фиксируется только там, где глюкоза потребляется анаэробно, что может свидетельствовать о наличии в данном месте под поверхностью тела патологических изменений [98].

Контролировать глубинную температуру также важно в онкологии при гипертермии, когда необходимо нагреть опухоль до определенной оптимальной температуры. В настоящее время температуру в области нагрева измеряют, вводя в тело пациента специальные катетеры — иглы длиной несколько сантиметров. В катетеры вмонтированы датчики температуры. Конечно, такие измерения являются для пациента болезненной процедурой. Желателен безболезненный неинвазивный контроль, если с его помощью можно обеспечить достаточную глубинность и точность измерений [112]. Известные неинвазивные методы, такие, как пассивная микроволновая радиометрия [113], ядерный магнитный резонанс [141,146] и температурный мониторинг с помощью активных ультразвуковых методов [127] не отвечают выдвигаемым требованиям по ряду причин. Ограничением первого метода является слабое пространственное разрешение. Второй и третий методы требуют калибровки по температуре, которую необходимо производить на каждом конкретном пациенте.

Если сравнивать между собой различные пассивные методы регистрации теплового излучения, то необходимо выделить измерения электромагнитного излучения в инфракрасном и СВЧ-диапазонах и измерения акустического излучения в мегагерцевом диапазоне. Источником теплового излучения — как электромагнитного, так и акустического — является тепловое хаотическое движение атомов и молекул вещества. Инфракрасное излучение из-за большого поглощения в организме человека дает информацию только о температуре поверхности кожи. Регистрация теплового излучения в СВЧ-диапазоне дает интегральную информацию о внутренней температуре в столбе ткани (т.е. в области, размеры которой определяются аппаратной функцией антенны радиометра). При этом пространственное разрешение метода из-за значительной длины волны (несколько сантиметров в теле человека) не позволяет получить пространственное распределение глубинной температуры [55]. В отличие от измерений электромагнитных волн указанных ограничений не имеет метод регистрации теплового акустического излучения (акустотермография) в мегагерцевом диапазоне [60]. На таких частотах в теле человека длины акустических волн (около одного миллиметра и менее) существенно меньше длин электромагнитных волн в СВЧ-диапазоне, таким образом, потенциально пространственное разрешение акустотермографии выше. Также и поглощение ультразвука в тканях организма в целом меньше, чем поглощение волн СВЧ-диапазона, что показывает большую глубинность акустотермографии.

Таким образом, использование теплового акустического излучения потенциально позволяет измерять температуру в глубине биологических объектов с высоким пространственным разрешением. Пассивная акустическая термотомография является новым методом измерения пространственного распределения глубинной температуры биологических объектов.

Тепловое акустическое излучение — шумовое излучение малой мощности, измерение которого требует использования методов накопления сигнала.

Актуальным при этом является вопрос повышения точности измерений, т. е.

АТ вопрос повышения пороговой чувствительности акустотермометра — регистратора тепловой акустической эмиссии. Тепловое акустическое излучение можно фокусировать, при этом важно измерить аппаратную функцию акустотермо-мометра, которая определяет пространственное разрешение метода акустотермографии.

Для восстановления глубинной температуры объекта можно использовать различные способы его сканирования: мультиспектральное зондирование, измерение интенсивности излучения с разных точек на поверхности объекта, корреляционный прием. Целесообразно сравнить возможности методов, для чего важно провести их экспериментальное опробование.

По результатам измерений интенсивности теплового акустического излучения с разных точек на поверхности биологического объекта можно восстановить распределение его глубинной температуры. Возможность решения этой задачи (обратной задачи акустотермографии) определяет потенциал пассивной акустической термотомографии. Представляют значительный интерес анализ возможных вариантов пассивного акустического термотомографа и экспериментальные доказательства возможности восстановления распределения глубинной температуры в различных биологических объектах.

Отметим, что наряду с пассивной акустической термотомографией возможны и другие приложения теплового акустического излучения.

Как известно, акустические измерения, проводимые в ультразвуковом диапазоне, позволяют измерять параметры сильно разбавленных биологических растворов, что дает информацию об их свойствах. В настоящее время для этого используют активные резонаторные методы [142,143]. Например, акустические измерения, проводимые при изучении модельных липидных мембран, позволяют определять их характеристики в состоянии фазового перехода жидкий кристалл — гель [104,124]. Исследования модельных мембран при фазовом переходе, в том числе и с привлечением данных электрических измерений [107], являются важными для понимания физиологической роли мембранных фазовых переходов в температурной адаптации организма.

По сравнению с известными активными методами предлагается новый, пассивный акустический резонаторный метод, основанный на регистрации теплового акустического излучения. Отметим, что использование пассивного метода снимает вопрос, который часто возникает при исследовании образцов биологического происхождения, а именно, не оказывает ли используемое ультразвуковое излучение модифицирующее действие на изучаемый объект.

Рассмотренные примеры показывают, что измерения теплового акустического излучения могут быть использованы для получения информации о пространственном распределении глубинной температуры в различных биологических объектах. Цель данной работы — исследование физических основ и возможностей пассивной термотомографии тела человека и животных на основе регистрации собственного теплового акустического излучения.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН и на кафедре медицинской и биологической физики в Московской Медицинской Академии им. И. М. Сеченова.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Предложен, теоретически обоснован и экспериментально опробован новый пассивный метод измерения пространственного распределения глубинной температуры биологических объектов посредством измерения интенсивности их собственного теплового акустического излучения — пассивная акустическая термотомография. Метод позволяет восстанавливать внутреннюю температуру биологического объекта в области размером ~ 1 см³ на глубине до 5 см со среднеквадратичной погрешностью не хуже 0,5 К.

2. При исследовании теплового акустического излучения биологических объектов выявлены новые перспективные возможности: а) впервые экспериментально показана возможность пространственных корреляционных измерений теплового акустического излучения, испускаемого телом в разных направлениях, что позволит улучшить пространственное разрешение пассивной акустической термотомографии биологических объектовб) теоретически обоснован новый резонаторный способ измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука в биологических жидкостях, использующий регистрацию собственного теплового акустического излучения.

Материал диссертации изложен в восьми главах и заключении. Диссертация содержит 296 страниц 60 рисунков и 5 таблиц, список литературы содержит 167 наименований.

В первой главе проведен обзор литературных источников по рассматриваемой теме и на основании этого поставлены задачи исследования.

Во второй главе приведены теоретические и экспериментальные оценки параметров приемного датчика пассивного акустического термотомографа: пороговая чувствительность АТ и поперечный размер его аппаратной функции.

В третьей главе экспериментально рассмотрен один из способов сканирования объекта при пассивной термоакустической томографии, а именно мультиспектральное зондирование. Исследованы характеристики биологических объектов: спектр излучения кисти руки человека и многомодовый спектр жидкостей в акустическом резонаторе.

В четвертой главе исследована возможность измерения методом аку-стотермографии нетеплового акустического шума, возникающего при появлении сквозных пор в модельных биологических мембранах. Для этого изучены низкочастотные флуктуации трансмембранного тока в бислойных липидных мембранах при фазовом переходе жидкий кристалл — гель.

В пятой главе представлены результаты экспериментального опробования корреляционного приема теплового акустического излучения — одного из возможных способов сканирования объекта в пассивной акустической термотомографии.

В шестой главе поставлена обратная математическая задача восстановления пространственного распределения глубинной температуры биологического объекта по его собственному тепловому акустическому излучению. Показаны возможные способы решения одномерной и двумерной обратной задачи акустотермографии.

В седьмой главе проведен анализ потенциальных параметров пассивного акустического термотомографа.

В восьмой главе представлены результаты экспериментального опробования метода пассивной термоакустической томографии — показана возможность восстановления распределения внутренней температуры биологических объектов. Определено двумерное распределение глубинной температуры в модельном объекте и восстановлен профиль внутренней температуры в кисти руки человека.

В заключении суммированы основные результаты, полученные в работе, и выводы, сделанные на основании этих результатов.

Основные результаты работы опубликованы в отечественных и зарубежных журналах: в Акустическом журнале (1991 — 2000 гг.), журналах «Медицинская техника» (1992 г.), «Медицинская физика» (1995 г.), «Радиотехника» (1995 г.), «Биофизика» (1999,2000 г. г.), «Биомедицинская электроника» (1999 г.), Ultrasonics (1995,1999 гг.), International Journal of Hyperthermia (1999 г.), Journal of the Acoustical Society of America (1999 г.) — обсуждались на конференциях: XT Всесоюзная акустическая конференция, Моек9 ва (1991 г.) — XTV Международный симпозиум по клинической гипертермии, Дубна (1991 г.) — Ш сессия Российского акустического общества, Москва (1994 г.) — IV сессия Российского акустического общества, Москва (1995 г.) — Конференция «Ultrasonics International^», Эдинбург (1995 г.) — Международная конференция «Радиоэлектроника в медицинской диагностике», Москва (1995 г.) — Международная конференция «Медицинская физика — 95», Москва (1995 г.) — VI сессия Российского акустического общества, Москва (1997 г.) — Акустический конгресс «Forum Acusticum», Берлин (1999 г.) — П съезд Биофизиков России, Москва (1999 г.) — 3-я Международная конференция «Радиоэлектроника в медицинской диагностике» Москва (1999 г.).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1.Получены теоретические оценки и экспериментально определены характеристики датчика пассивного акустического термотомографа: пороговая чувствительность составляет около 0,1 К при времени интегрирования ~ 100 с, что позволяет измерять температурные физиологические реакции в теле человекапри использовании фокусированного приема ширина аппаратной функции датчика в фокальной области достигает 5 мм, что дает возможность регистрировать излучение от достаточно малых участков тела человека.

2. Экспериментально опробованы три способа сканирования исследуемого объекта при пассивной акустической термотомографии: мультиспектральное зондирование в достаточно узком частотном диапазоне не дает возможности определить распределение глубинной температуры биологического объектаболее эффективен способ сканирования с разных точек на поверхности объекта под разными угламивпервые экспериментально показана возможность корреляционных измерений теплового акустического излучения, что позволит улучшить пространственную разрешающую способность пассивного термотомографа.

3. Сформулирована обратная математическая пространственная задача пассивной акустической термотомографии биологических объектов, учитывающая их неоднородность по температуре, а также и по другим физическим характеристикам: скорости распространения и коэффициенту поглощения УЗ волн. Предложены способы ее решения с учетом возможного отражения и преломления волн от границ неоднородностей при сканировании исследуемой среды с разных точек на ее поверхности под разными углами.

4. Впервые получены теоретические оценки потенциальных параметров пассивного акустического термотомографа. При погрешности измерения аку-стояркостной температуры 0,1 К в зависимости от частоты приема (от 2 до 0,5 МГц) глубинность термотомографа достигает от 2,5 до 10 см, а пространствен.

281 ное разрешение от 0,5 до 2 см, соответственно. Среднеквадратическая погрешность восстановления внутренней температуры не превышает величины 0,5 К.

5. Впервые экспериментально опробован метод пассивной акустической термотомографии. Восстановлено пространственное распределение глубинной температуры как в модельном объекте (погрешность восстановления — 0,4 К), так и в кисти руки человека (погрешность восстановления — 0,6 К).

6. На основе исследования многомодового спектра теплового акустического излучения в резонаторе обоснован пассивный способ определения скорости и коэффициента поглощения ультразвука в биологических жидкостях. Расчетные погрешности измерения составляют для скорости УЗ ~ 10″ 3% и для коэффициента поглощения УЗ ~ 10″ 31/см, что позволяет решать ряд задач молекулярной биофизики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе исследованы физические основы и возможности пассивной термотомографии тела человека и животных на основе регистрации их собственного теплового акустического излучения. Пассивная акустическая термотомография является новым направлением в измерении глубинной температуры биологических объектов пассивными методами. Предлагаемый метод найдет применение в медицине, в частности, в онкологии при диагностике и для контроля глубинной температуры при гипертермии.

При анализе физических основ метода определены основные параметры акустотермометров — датчиков пассивного акустического термотомографа: шумовая температура, пороговая чувствительность, аппаратная функция, в том числе для фокусированного приемника. Экспериментально опробованы различные способы сканирования биологических объектов: мультиспектральное зондирование, измерение интенсивности теплового излучения с разных точек на поверхности объекта, корреляционный прием.

При исследовании возможностей метода получены оценки потенциальных параметров пассивного акустического термотомографа. Распределение глубинной температуры биологического объекта можно восстановить на глубине до ~ 5 см в области размером ~ 1 см³ с погрешностью не хуже 0,5 К. Возможности метода пассивной акустической термотомографии подтверждены в экспериментах.

Дальнейшее совершенствование метода может быть связано с исследованием возможностей корреляционного, прием теплового акустического излучения, а также с разработкой математических алгоритмов восстановления трехмерных распределений глубинной температуры.