Российский фонд
фундаментальных
исследований

Физический факультет
МГУ им. М.В.Ломоносова
 

15.02 Ультразвук в хирургии и терапии

 

Сапожников О.А. «Физическая акустика почечных камней диагностика, манипуляция, фрагментация» II Всероссийская акустическая конференция, совмещенная с XXX сессией Российского акустического общества. Нижний Новгород, 6–9 июня 2017 г. Программа и аннотации докладов, с. 28 (2017)

Акустические волны, прежде всего ультразвуковые, находят широкое применение в современной медицине. Наряду с биомедицинскими исследованиями, принципиальную роль в разработке новых диагностических и терапевтических методов играет изучение различных физических явлений, происходящих в человеческом теле под действием ультразвука. Одним из интересных объектов исследования, с которым ассоциируется особенно широкое разнообразие физических эффектов, являются почечные камни. Они имеют более высокий акустический импеданс по сравнению с окружающими мягкими тканями и поэтому эффективно рассеивают падающие на них акустические волны, например, в процессе эхо-импульсной ультразвуковой визуализации. При этом внутри почечного камня происходит возбуждение не только продольных, но и сдвиговых волн, а на поверхности камня под действием коротких зондирующих импульсов могут образовываться и испытывать нестационарные осцилляции микроскопические газовые пузырьки. Благодаря этому имеется возможность разработки чувствительных методов диагностики мочекаменной болезни. При направлении на камень интенсивного ультразвукового пучка возникает заметная радиационная сила. Тем самым появляется возможность дистанционного перемещения камней в почке (манипуляция), причём при специальном подборе структуры акустического поля возможно осуществить и вращение камней. Наконец, если использовать акустические волны большой амплитуды, можно добиться фрагментации камней. Примером является уже давно используемый метод разрушения с помощью ударных волн – экстракорпоральная ударноволновая литотрипсия. Основные закономерности возникновения разрушающих напряжений удаётся объяснить в рамках традиционных для акустики моделей. Достигнутое понимание механизмов разрушения позволяет разработать новые способы ультразвукового разрушения камней, в частности, с использованием коротких квазисинусоидальных импульсов. В докладе рассматриваются последние результаты по диагностике, манипуляции и фрагментации почечных камней и обсуждаются соответствующие перспективы использования ультразвуковых волн.

II Всероссийская акустическая конференция, совмещенная с XXX сессией Российского акустического общества. Нижний Новгород, 6–9 июня 2017 г. Программа и аннотации докладов, с. 28 (2017) | Рубрики: 13.01 15.01 15.02

 

Сабельников В.В., Сабельникова Т.М., Горячева В.Н. «Влияние внешнего статического давления на бактерицидную способность низкочастотного ультразвука» Наукоемкие технологии, 18, № 5, с. 48-53 (2017)

Представлены результаты совместных исследований, выполненных в МГТУ им. Н.Э. Баумана и ГВКГ им. Н.Н. Бурденко, по усилению бактерицидного действия низкочастотного ультразвука за счет наложения внешнего статического давления на озвучиваемые бактериальные взвеси.

Наукоемкие технологии, 18, № 5, с. 48-53 (2017) | Рубрики: 13.01 15.02

 

Юлдашев П.В., Бобина А.С., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Моделирование нелинейных сфокусированных ультразвуковых пучков в теле человека с учетом плавных неоднородностей мягких тканей» II Всероссийская акустическая конференция, совмещенная с XXX сессией Российского акустического общества. Нижний Новгород, 6–9 июня 2017 г. Программа и аннотации докладов, с. 55-56 (2017)

В настоящее время методы численного моделирования становятся необходимым инструментом при решении практических задач неинвазивной ультразвуковой хирургии. Для планирования протокола облучения, обеспечения эффективности и безопасности воздействия высокоинтенсивного сфокусированного ультразвукового пучка на ткань необходимы точные количественные данные о параметрах поля в месте воздействия. Прямыми экспериментальными методами получить такие данные практически невозможно, поэтому важную роль играет численный эксперимент, имитирующий клинические условия и максимальным образом включающий в себя данные измерений. Одной из основных моделей при описании ультразвуковых пучков большой интенсивности является уравнение Вестервельта, решения которого достаточно широко исследованы для случаев фокусировки в однородной среде. При распространении ультразвука в теле человека необходимо также учитывать пространственные неоднородности акустических параметров среды, такие как скорость звука, плотность, коэффициент нелинейности, а также частотно-зависимый закон поглощения различных мягких тканей. В данной работе уравнение Вестервельта было обобщено на случай описания нелинейных волн в среде с плавными неоднородностями. Был развит алгоритм численного моделирования полученного уравнения в предположении малости эффектов обратного рассеяния. Трехмерные пространственные распределения скорости звука и плотности в области торса человека восстанавливались на основе данных компьютерной томографии (КТ) и учитывались на каждом пространственном шаге сетки вдоль оси пучка с помощью единого комплексного множителя. Коэффициенты поглощения и нелинейности задавались путем сегментации КТ-изображений, выделении областей, занимаемых различными органами или тканями, и присвоения соответствующих этим типам органов либо тканей значений. С использованием полученных пространственных распределений акустических парамегров было проведено моделирование фокусировки ультразвукового пучка в область почки. В качестве примера рассматривалось поле одиночного излучателя в виде сферического сегмента с частотой f=1 МГц, радиусом а=5 см и фокусным расстоянием F=9 см. Показано, что наличие неоднородностей приводит к ухудшению качества фокусировки, заключающемся в смещении положения фокуса, уменьшении уровней давления и степени проявления нелинейных эффектов в фокусе, а также появлении дополнительных боковых лепестков. Рассмотренные эффекты могут затруднять реализацию терапевтического воздействия на ткань, особенно на большой глубине.

II Всероссийская акустическая конференция, совмещенная с XXX сессией Российского акустического общества. Нижний Новгород, 6–9 июня 2017 г. Программа и аннотации докладов, с. 55-56 (2017) | Рубрики: 13.03 15.02

 

Воропай Е.С., Самцов М.П., Каплевский К.Н., Мельников Д.Г., Ляшенко Л.С. «Фотодинамическая лазерная терапия и диагностика областей локализации на основе новых типов фотосенсибилизаторов» Труды школы-семинара “Волны-2006”. Секция 7. “Спектроскопия, диагностика и томография неоднородных сред”, с. 22-24 (2006)

Работа посвящена изучению возможностей и перспектив применения в качестве фотосенсибилизаторов трикарбоцианиновых красителей, которые относятся к классу полиметиновых (цианиновых) красителей. В работе исследовались синтезированные нами соединения, представляющие собой красители с тремя вениленовыми группами в полиметиновой цепочке и различными заместителями Ri. Проведены исследования спектрально-люминесцентных характеристик молекул в различных растворителях, отличающихся физическими свойствами (полярностью, вязкостью и др.). В работе проанализированы свойства ПК при изменении вида анионов (Br, I и BF4). В качестве модельных биоструктур в работе использованы клетки штамма HeLa.

Труды школы-семинара “Волны-2006”. Секция 7. “Спектроскопия, диагностика и томография неоднородных сред”, с. 22-24 (2006) | Рубрика: 15.02

 

Росницкий П.Б., Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Высоканов Б.А., Хохлова В.А. «Возможности динамической фокусировки многоэлементных решеток для неинвазивной ультразвуковой хирургии с плотным заполнением поверхности элементами» II Всероссийская акустическая конференция, совмещенная с XXX сессией Российского акустического общества. Нижний Новгород, 6–9 июня 2017 г. Программа и аннотации докладов, с. 135-136 (2017)

В современной медицине широко используются многоэлементные фазированные решетки для проведения неинвазивных, то есть без прямого хирургического вмешательства, операций по разрушению опухолей внутри тела человека [1]. Решетки состоят из большого количества независимых излучателей: элементов решетки, которые обычно располагаются на сферической оболочке. Варьирование амплитуд и фаз на элементах дает возможность электронного перемещения фокуса в сторону от центра кривизны. Кроме того, при облучении органов, закрытых ребрами, можно отключать некоторые элементы, чтобы избежать перегрева костей во время лечения. Однако отключение элементов ведет к значительной потере общей мощности, излучаемой решеткой, что является недопустимым для реализации метода механического разрушения опухолей (гистотрипсии с кипением), основанного на генерации высокоамплитудных ударных фронтов в фокусе [2]. Общая мощность решетки определяется в основном плотностью заполнения решетки элементами, которая обычно составляет около 60% [3]. Таким образом, основным механизмом увеличения мощности является увеличение поверхностной плотности заполнения Φ≪em>Sизлуч/Sобщ. Здесь Sизлуч – суммарная площадь всех элементов, Sобщ – площадь сферической чаши решетки. При этом элементы должны быть расположены по некоторому апериодическому закону во избежание побочных дифракционных эффектов, связанных с образованием решеточных максимумов при динамической фокусировке [4]. В работе предлагается метод апериодического заполнения решетки элементами с плотностью заполнения близкой к 100%. Метод базируется на использовании алгоритма, основанного на мозаике Вороного, который позволяет построить разбиение сферической поверхности решетки на многоугольные ячейки близкой площади [5]. При этом расположение ячеек не периодично и каждая ячейка мозаики (пятиугольник, шестиугольник или семиугольник) является элементом решетки. Несмотря на плотное и апериодическое заполнение, возникает вопрос о размерах области динамической фокусировки предложенной решетки по сравнению с распространенными на практике решетками, состоящими из круглых элементов. Для ответа на этот вопрос, в работе проведены расчеты полей при различных положениях фокуса для двух решеток с одинаковыми геометрическими размерами, площадями элементов и общими площадями излучающей поверхности. Первая из них – 512-элементная решетка со 100% заполнением поверхности элементами в форме ячеек Вороного, а вторая – существующая 256-элементная решетка ультразвуковой хирургии с 50% заполнением поверхности круглыми элементами, расположенными по виткам спирали [6] Численный расчет поля многоэлементных решеток в случае различных положений фокуса занимает значительное время. В связи с этим в работе развит аналитический подход для расчета дальнего поля плоского элемента в формепроизвольного выпуклого многоугольника. При этом поле решетки рассчитывалось как сумма полей всех ее элементов. Проведено сравнение пространственных областей электронного смещения фокуса для двух представленных решеток с учетом побочных эффектов уменьшения амплитуды давления в фокусе и образования решеточных максимумов. 1. Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М.: Фазис. 2013. 2. Khokhlova T.D., Canney M.S., Khokhlova V.A., Sapozhnikov O.A., Crum L.A., Bailey M.R. Controlled tissue emulsification produced by high intensity focused ultrasound shock waves and millisecond boiling // Journal of the Acoustical Society of America, 2011. V. 130. №. 5. P. 3498-3510. 3. Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Хохлова В.А. Спиральное расположение элементов двумерных ультразвуковых терапевтических решёток как метод улучшения качества динамической фокусировки и повышения интенсивности в фокусе // Известия РАН. Сер. физическая. 2015. Т. 79, № 10. С. 1386-1392. 4. Ильин С.А., Юлдашев П.В., Хохлова В.А., Гаврилов Л.Р., Росницкий П.Б., Сапожников О.А. Применение аналитического метода для оценки качества акустических полей при электронном перемещении фокуса многоэлементных терапевтических решеток // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 1. С. 57-64. 5. Ries M., de Greef M., Ramaekers P., Moonen C.T. A phased array transducer based on fermat’s spiral // The 15th International Symposium on Therapeutic Ultrasound. 2015. 6. Khokhlova V.A., Yuldashev P.V., Rosnitskiy P.B., Maxwell A.D., Kreider W., Bailey M.R., and Sapozhnikov O.A. Design of HIFU transducers to generate specific nonlinear ultrasound fields // Physics procedia. 2016. V. 87. P. 132-138.

II Всероссийская акустическая конференция, совмещенная с XXX сессией Российского акустического общества. Нижний Новгород, 6–9 июня 2017 г. Программа и аннотации докладов, с. 135-136 (2017) | Рубрика: 15.02

 

Коренбаум В.И., Почекутова И.А., Малаева В.В., Сафронова М.А., Костив А.Е. «Трахеальные шумы форсированного выдоха человека: происхождение и диагностические приложения» Ученые записки физического факультета МГУ, № 5, http://uzmu.phys.msu.ru/toc/2017/5 (2017)

Форсированный выдох человека сопровождается характерными дыхательными шумами, содержащими широкополосные и узкополосные составляющие. Освещены акустические представления о происхождении и характеристиках шумов форсированного выдоха, полученные в последнее десятилетие. Анализируются акустико-биомеханические взаимосвязи форсированного выдоха, преимущественные механизмы и зоны формирования шумов. Разработанные акустические модели и эмпирически установленные феномены позволили предложить набор акустических параметров, оказавшихся перспективным для функциональной диагностики вентиляционной функции легких как в общемедицинских целях, так и при контроле состояния лиц, находящихся в экстремальных условиях.

Ученые записки физического факультета МГУ, № 5, http://uzmu.phys.msu.ru/toc/2017/5 (2017) | Рубрика: 15.02

 

Росницкий П.Б., Высоканов Б.А., Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Возможности динамической фокусировки с помощью многоэлементных решеток с плотным заполнением поверхности элементами для использования в неинвазивной ультразвуковой хирургии» Ученые записки физического факультета МГУ, № 5, http://uzmu.phys.msu.ru/toc/2017/5 (2017)

Новые технологии неинвазивной ультразвуковой хирургии, основанные на использовании фазированных решеток и высокоамплитудных нелинейных режимов облучения, требуют обеспечения максимально достижимых интенсивностей ультразвука в фокусе. При заданной апертуре решетки и технических ограничениях на величину интенсивности на ее элементах едва ли не единственной возможностью повышения интенсивности в области фокуса становится максимально плотное расположение элементов на поверхности решетки. В данной работе разработан прототип такой решетки с элементами в виде многоугольников равной площади, со случайным расположением элементов и плотностью заполнения 100% без учета технологического зазора между элементами.

Ученые записки физического факультета МГУ, № 5, http://uzmu.phys.msu.ru/toc/2017/5 (2017) | Рубрика: 15.02

 

Имангулова Э.С. «Синхронизация периодических колебаний в задаче о бифуркации Андронова–Хопфа» Вестник Башкирского университета, 22, № 2, с. 292-296 (2017)

Получены новые формулы для задачи о вынужденной синхронизации автоколебаний при действии внешней периодической силы. Обсуждается вопрос о связи свойств периодических решений в задаче о бифуркации Андронова–Хопфа автономной системы и свойств вынужденных колебаний в системе при внешнем гармоническом воздействии, определены соотношения между параметрами систем. В качестве приложения рассмотрена задача о бифуркации периодических решений в уравнении Ван-дер-Поля.

Вестник Башкирского университета, 22, № 2, с. 292-296 (2017) | Рубрика: 15.02