Аносов А.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д. «Кровоток и теплопродукция в предплечье, измеренные методом акустотермографии» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 3-10 (2014)

Внутренняя температура конечностей тела человека определяется температурой притекающей крови, а также теплотой, выделяющейся при различных химических реакциях. Для физиологии важно определить (и разделить) степень влияния и кровотока, и теплопродукции на изменение температуры. Методом акустотермометрии были получены параметры кровотока и теплопродукции в предплечье человека при физической нагрузке. Для измерений теплового акустического излучения был использован датчик многоканального акустотермографа, разработанного в ИПФ РАН (полоса пропускания 1.2–2.7 МГц, пороговая чувствительность при времени интегрирования 10 с – 0.3 К). Испытуемые (в измерениях участвовали 3 человека) сжимали-разжимали кисть в течение 100 с (за это время успевали совершать 120±5 движений). При этом использовали два варианта проведения эксперимента: на плечо накладывали (чтобы снизить кровоток в предплечье) или не накладывали жгут. После работы испытуемый отдыхал, а измерения продолжались. Результаты измерений показывают, что температура предплечья сразу же начинала расти (быстрее без жгута) и достигала максимума (акустояркостная температура повышалась на приблизительно 1.5 К без жгута и на 0.5 К со жгутом) уже после окончания работы (через приблизительно 100 с без жгута и через 200 с со жгутом), после чего снижалась. Полученные данные позволили оценить удельный кровоток: 0.023 мин^–1, что согласуется с литературными оценками: 0.02–0.07 мин^–1). В процессе работы кровоток увеличивался приблизительно в 7–8 раз. Величина теплопродукции к концу работы составляла 0.0043 К/с. Отметим, что дополнительно проводились измерения в ИК диапазоне, что позволяло следить за изменением температуры поверхности кожи. При расчетах глубинной температуры использовали уравнение теплопроводности, предложенное Пеннесом для тела человека, с учетом кровотока и дополнительных источников теплопродукции. Расчеты с использованием экспериментально полученных данных показывают, что максимум глубинной температуры предплечья в покое составляет 36°С. Физическая нагрузка только за счет теплопродукции повышает эту температуру до 37°С, а добавление кровотока – до 38°С. Проведенные эксперименты позволили отработать методику акустотермографических измерений на испытуемых, что является важным этапом доведения метода до клинической практики.

Буров В.А., Логинов С.В., Дмитриев К.В. «Экспериментальная установка для корреляционного приема сфокусированных термоакустических полей» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 11-18 (2014)

Акустические методы определения внутренней температуры интересны для медицинской диагностики. Корреляционный подход позволяет определить раздельно температуру, скорость звука и коэффициент поглощения в исследуемом объекте. Проведены эксперименты по корреляционному приему предварительно сфокусированного излучения от искусственных (квазитепловых) и естественных (тепловых) источников. Зафиксирована корреляция для искусственного источника с контрастом температуры _;20 K, и для естественного теплового источника с контрастом температуры _;10 K. Первые экспериментальные результаты свидетельствуют о возможности дальнейшей работы по созданию акустического корреляционного термотомографа с предварительной фокусировкой термоакустических полей.

Ильин С.А., Гаврилов Л.Р., Хохлова В.А. «Особенности применения ультразвуковых фазированных решеток с различным количеством элементов при облучении тканей в присутствии ребер» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 19-24 (2014)

Во многих современных медицинских приложениях мощного фокусированного ультразвука необходимо принимать во внимание потери энергии на естественных преградах в виде ребер. В связи с этим в данной работе было проведено исследование целесообразности применения фазированных решеток с увеличенным количеством элементов для уменьшения перегрева костей при фокусировке через грудную клетку. Проанализировано влияние количества элементов решетки на величину потерь мощности фокусированного пучка на ребрах и уровень интенсивности в области фокуса за ребрами при использовании геометрического подхода к отключению элементов решетки, находящихся в тени ребер.

Андреев В.Г., Шанин А.В., Демин И.Ю. «Визуализация смещений твердых микрочастиц в вязкоупругой среде под действием ультразвукового давления» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 25-30 (2014)

Задача визуализации твердых микрочастиц в вязкоупругой среде тесно связана с задачей обнаружения микрокальцификатов в мягких биологических тканях. Наличие микрокальцификатов является важным признаком для диагностики заболеваний, например, молочной железы, и создание метода обнаружения микрокальцификатов в рамках ультразвукового обследования позволило бы в ряде случаев отказаться от рентгеновской маммографии с очевидными преимуществами такого решения. К сожалению, микрокальцификаты не визуализируются при обычном ультразвуковом сканировании. Альтернативная возможность заключается в обнаружении их по косвенным признакам, а именно по картине смещений среды, возникающих под действием радиационной силы. Показано, что при наличии контрастных включений картина смещений заметно искажается. Характерные искажения могут служить диагностическим признаком при поиске микрокальцификатов.

Анненкова Е.А., Сапожников О.А., Цысарь С.А. «Модель пузырька газа миллиметрового размера в биоткани и особенности построения ультразвукового изображения» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 31-37 (2014)

Долгое время неинвазивная хирургия, использующая высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (HIFU: High Intensity Focused Ultrasound), основывалась на тепловом эффекте – нагревании и разрушении ткани, вызванными поглощением ультразвука. Если тепловое разрушение преобладает при умеренных уровнях интенсивности в фокусе, то более высокие интенсивности могут привести к другим биологическим эффектам. Если температура поднимается до 100°С в процессе действия ультразвука, в ткани возникают пузырьки из-за кипения, вносящие дополнительное механическое разрушение. Так как выяснилось, что образование пузырьков пара при кипении кардинальным образом меняет процесс воздействия ультразвука на биологическую ткань, то встал вопрос важности диагностирования данных пузырьков в организме пациента при проведении терапии мощным фокусированным ультразвуком. Исследование именно таких, непростых как в теоретическом, так и в экспериментальном изучении объектов с размерами порядка или даже меньше разрешающей способности ультразвукового диагностического сканера проводится в данной работе. Важно отметить, что пузырьки газа миллиметровых размеров, возникающие при кипении ткани, являются сильными рассеивателями, в то время как при рассмотрении человеческих органов рассеяние достаточно мало, и построение ультразвукового изображения базируется на слабых рассеянных сигналах. В современных сканерах сигналы от сильных рассеивателей ограничиваются, что приводит к тому, что разные по силе рассеиватели выглядят на изображении идентично, в виде ярких пятен одинакового размера. Соответственно, по таким изображениям пузырьков нет возможности определить их истинный размер. В связи с данной проблемой было проведено несколько этапов исследования. Была предложена и исследована модель неподвижного пузырька в виде пенопластового сферического образца. Разработана программа, выполняющая два режима работы ультразвукового сканера: с падающей плоской волной и с падающей сфокусированной волной. Результаты расчетов данной программы подтвердили, что объекты меньше разрешающей способности прибора имеют ультразвуковые изображения, превышающие истинные размеры рассматриваемого объекта. Проведены эксперименты с реальным ультразвуковым сканером и моделями из пенопласта, подтверждающие данные особенности. А также проделаны теоретические расчеты для абсолютно мягкой сферы, которые показали, что возможен способ определения истинного размера рассеивателя на ультразвуковом изображении не по размеру изображения, а по его яркости.

Хохлова В.А., Wang Y.-N., Буравков С.В., Maxwell A.D., Khokhlova T.D., Lin D.W., Сапожников О.А., Bailey M.R., Schade G.R. «Гистологичесий анализ механических разрушений в ex-vivo почках человека и свиньи под действием высокоинтенсивного фокусированного ультразвука» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 38-45 (2014)

Большинство современных клинических приложений высокоинтенсивного фокусированного ультразвука в неинвазивной хирургии (HIFU) основано на быстром нагревании среды за счет поглощения энергии ультразвуковой волны, ведущем к тепловой денатурации ткани в области фокуса. Недавно, учеными университета штата Вашингтон и МГУ был разработан новый метод, позволяющий механически разрушать ткани при импульсно-периодическом воздействии сфокусированными волнами с высокоамплитудными ударными фронтами. Используются импульсы миллисекундной длительности, вызывающие сверхбыстрый нагрев ткани в фокусе и ее взрывное вскипание в течение каждого из импульсов. Взаимодействие ударных фронтов с образующейся паро-газовой полостью миллиметрового размера приводит к механической дезинтеграции ткани на субклеточные фрагменты. Работоспособность метода уже была показана на еx-vivo тканях говяжьей печени и сердца, а также свиной почке in-vivo. В работе механические разрушения были получены в еx-vivo тканях человеческой и свиной почки. Приводится описание проведенных экспериментов, обсуждаются результаты сравнительного анализа и гистологических исследований полученных разрушений.

Николаев А.Л., Гопин А.В., Андронова Н.В., Трещалина Е.М., Дежкунов Н.В. «Сонодинамическая терапия онкологических заболеваний» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 46-53 (2014)

Обобщен опыт работы Российского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина и химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова по ультразвуковой терапии онкологических заболеваний. Разработаны подходы к выбору и синтезу оптимальных соносенсибилизаторов, создана аппаратура для проведения доклинических и клинических исследований, разработаны схемы терапии для клинического применения. Проводится вторая фаза клинических исследований. Предложен оригинальный способ синтеза наночастиц и их агрегатов (твердофазных соносенсибилизаторов) непосредственно в опухоли. Создан теоретический задел, относящийся к комплексу сопутствующих синтетических, биофизических и физико-химических задач.

Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Мощные двумерные терапевтические решётки с плотной "упаковкой" элементов» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 54-61 (2014)

В последние годы активно ведутся разработки мощных двумерных терапевтических решёток для применения в ультразвуковой хирургии. В нескольких зарубежных лабораториях изготовлены опытные образцы подобных устройств, проведены исследования на тканях ex vivo, показана возможность их клинического использования. Общим для этих фокусирующих систем является квазислучайное расположение элементов на поверхности решётки, что позволяет минимизировать уровень лепестков решётки и других вторичных максимумов интенсивности в излученном ею поле. Однако появление новых методов применения мощного ультразвука в медицине, основанных на использовании нелинейных полей и ударно-волновых режимов воздействия, требует существенного повышения мощности таких решёток. Предложено обоснование целесообразности создания нового поколения подобных решёток, основанных на применении плотно «упакованных» элементов решётки с сохранением рандомизации их расположения на поверхности. Приведены примеры возможных конструкций подобных решёток.

Цысарь С.А., Сапожников О.А., Крейдер У. «Нелинейная акустическая голография для исследования терапевтических источников мощного ультразвука» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 62-66 (2014)

Ультразвуковые методы широко используются в медицинской диагностике и терапии. Мощный ультразвук (УЗ) в ряде случаев может служить альтернативой традиционным хирургическим методам лечения. Тем не менее, серьезным препятствием для широкого клинического использования УЗ в терапевтических целях является то, что до сих пор не существует разработанных метрологических методов для калибровки мощных акустических источников. Современные методы характеризации ультразвуковых полей не позволяют проводить прямые измерения в мощных УЗ системах в рабочем диапазоне мощностей и не могут дать полную информацию о пространственном распределении параметров интенсивных полей. Акустическая голография является методом, который способен предоставить подробную информацию о распределении колебательной скорости на поверхности источника и найти пространственно-временную структуру излучаемого акустического поля. На сегодняшний день голография использовалась только для линейного поля, т.е. в случае низкой интенсивности излучения, что характерно в основном для диагностических устройств. Однако в ультразвуковой терапии используются источники, работающие при высокой интенсивности, и характер распространения излучаемых ими волн является нелинейным. Нелинейная акустическая голография основана на измерении двумерных распределений амплитуды и фазы акустического давления для всех гармоник, присутствующих в спектре сигнала. На основе полученных данных с использованием интеграла Рэлея или других алгоритмов имеется возможность провести расчет распространения акустического поля для математической реконструкции распределения колебательной скорости на поверхности источника. Нелинейные расчеты распространения поля основаны на численном решении волнового уравнения Вестервельта. Разработанный метод нелинейной акустической голографии является эффективным инструментом для характеризации терапевтических источников ультразвука при работе на высоких мощностях, когда характеристики колебания поверхности источника могут значительно отличаться от вибрационных характеристик на низких уровнях мощности. В работе развиты численные алгоритмы нелинейного распространения акустического поля в условиях обращения времени, а также представлены результаты физических экспериментов по нелинейной голографии реальных терапевтических источников.

Юлдашев П.В., Максвелл А., Крайдер В., Сапожников О.А., Бэйли М., Крам Л., Хохлова В.А. «Моделирование и измерение поля мощного многоэлементного терапевтического излучателя в широком диапазоне интенсивностей вплоть до проявления эффекта насыщения в фокусе» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 67-70 (2014)

Во многих современных приложениях мощного фокусированного ультразвука (HIFU) в неинвазивной хирургии, например, при гистотрипсии, возникает необходимость генерации мощных ультразвуковых полей с амплитудой ударного фронта в фокусе до 120 МПа на значительной глубине в ткани. Для экспериментального исследования возможности создания таких полей и генерации механических разрушений в ткани был создан прототип системы, состоящий из усилителя и излучателя с рабочей частотой 1 МГц. Излучатель состоит из семи отдельных элементов круглой формы, расположенных на сферической чашке диаметром 14.7 см и радиусом кривизны (фокусным расстоянием) 14 см. Цель настоящей работы состояла в характеризации поля указанного излучателя в воде с помощью гидрофонных измерений и численного моделирования. Моделирование поля было выполнено на основе трехмерного уравнения Вестервельта с начальными условиями, полученными экспериментально методом акустической голографии. В эксперименте профили волны в фокусе были измерены оптоволоконным гидрофоном. Измерения проводились при различной амплитуде акустического давления на поверхности источника, вплоть до уровня, соответствующего 30% от максимально достижимой амплитуды. Было показано, что результаты измерений и расчетов хорошо согласуются между собой. Проведение измерений при амплитуде волны на источнике выше указанного уровня было невозможным из-за возникновения кавитации на поверхности гидрофона. Однако в расчетах такой проблемы не возникает, и поэтому профили в фокусе были получены вплоть до максимальной амплитуды волны на источнике в рабочем диапазоне мощностей усилителя. Было показано, что при больших амплитудах проявляются эффекты нелинейного насыщения поля в фокусе. Найдены максимально достижимые значения для пиковых давлений и амплитуды ударного фронта. Таким образом, в работе было показано, что численное моделирование на основе трехмерного уравнения Вестервельта является важным инструментом для прогнозирования характеристик ультразвуковых полей, создаваемых мощными терапевтическими HIFU излучателями.

Соловьев А.В., Талипов Д.В., Бородин А.С., Тужилкин Д.А., Баклыкова Е.С. «Оценка изменения вариабельности сердечного ритма человека при воздействии слабыми акустическими полями» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 71-73 (2014)

Исследования влияния инфразвуковых полей на живые системы актуальны в первую очередь в контексте экологических проблем, связанных с модификацией естественных уровней инфразвукового фона за счет техногенных источников. В настоящее время существует множество исследований, посвященных влиянию инфразвуковых шумов на организм человека в целом. Сам факт воздействия инфразвука высокой интенсивности на человека является общепризнанным. Однако на сегодняшний день фактически отсутствует системное описание закономерностей и механизмов подобного воздействия фоновыми или сопоставимыми с ними уровнями. В частности мало изучена степень отклика сердечнососудистой системы на фоновые инфразвуковые поля. По результатам проведенных экспериментальных исследований получено, что при воздействии слабыми инфразвуковыми полями на частоте 10 Гц у волонтеров наблюдается уменьшение частоты сердечных сокращений. Для контрольной выборки данного уменьшения не наблюдается. Аналогичные результаты наблюдаются и при воздействии слабыми акустическими полями с частотой 100 Гц.

Шмелева С.М., Лыткин А.П., Карабутов А.А., Симонова В.А., Ларичев А.В. «Разработка метода оптоакустического контроля лазерного воздействия при фотокоагуляции сетчатой оболочки глаза» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 74-79 (2014)

В настоящее время фотокоагуляция является наиболее широко используемой технологией для лечения ряда заболеваний сетчатки. В работе разработан акустический датчик для контроля лазерного воздействия при фотокоагуляции. Одновременно с облучением сетчатки фотокоагулирующим лазером осуществляется ее зондирование импульсным лазером. Зондирующие импульсы при поглощении в пигментном эпителии сетчатки создают акустистическую волну вследствие оптоакустического эффекта. Амплитуда акустической волны регистрируется специально разработанным датчиком, помещенным на склеру глаза. Проведена калибровка акустического датчика для определения температуры сетчатки по амплитуде акустического импульса.

Коренбаум В.И. «Проблемы респираторной акустики» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 80-88 (2014)

Респираторная акустика (акустика дыхания) активно развивается в интересах создания новых методов оценки функционального состояния дыхательной системы и акустической визуализации легких. Однако на пути достижения этих целей лежит ряд нерешенных проблем. Респираторная акустика затрагивает две основные области исследований – физические и физиологические механизмы формирования дыхательных звуков, распространение звука в легких, а также ряд вспомогательных – методы обработки сигналов, специальные акустические датчики, излучатели. Среди нерешенных проблем респираторной акустики человека выделяются: неясность механизмов формирования основных дыхательных шумов (везикулярных звуков); разногласия по поводу происхождения механизмов формирования свистящих звуков, в особенности при форсированном выдохе; отсутствие надежных моделей распространения звука в легких, в том числе объясняющих множественное (многолучевое) проведение голоса, искусственных и эмиссионных сигналов на поверхность грудной клетки. Все еще далеки от совершенства используемые датчики и методы обработки сигналов. В докладе с акустических позиций анализируются подходы к решению указанных проблем. Их преодоление, по мнению автора, позволит добиться существенного прогресса в создании медицинской технологии акустической томографии легких, новых методов функциональной диагностики.

Клемин В.А., Гурбатов С.Н., Руденко О.В., Клемина А.В., Демин И.Ю., Горшкова Т.Н. «Акустический метод определения апо А1 и апо B в сыворотке крови» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 85-88 (2014)

Представлены результаты исследований аполипопротеина (апо) А1 и аполипопротеина В сыворотки крови человека методом интерферометра постоянной длины. Акустический метод реализован на Акустическом анализаторе АКБа-01 БИОМ. На основании проведенных исследований разработан безреагентный акустический метод определения апо А1 и апо В сыворотки крови. Проведены сопоставительные исследования определения апо А1 и апо В традиционным и акустическим методами на сыворотках 140 пациентов с различными сердечно-сосудистыми заболеваниями. Коэффициент корреляции составил 91%.

Клопотов Р.В., Крутянский Л.М., Брысев А.П. «Нагрев поглощающей среды ультразвуковым пучком с параметрически обращенным волновым фронтом» Сборник трудов 1-й Всероссийской Акустической конференции (Москва, РАН, 6–10 октября 2014 г.), секция "Биомедицинские приложения", с. 89-96 (2014)

Приведены результаты экспериментов по нагреву поглощающей среды ультразвуковым пучком с параметрически обращенным волновым фронтом. В качестве нагреваемой среды использовался пластисол – силиконовый полимер, близкий по акустическим свойствам к биоткани. С помощью термопарных измерений продемонстрированы преимущества реализованного метода нагрева, возникающие за счет использования обращения волнового фронта: самонаведение ультразвукового пучка на нагреваемую область, и низкая зависимость параметров нагрева от положения или движения образца в определенной области. При этом, величина нагрева в обсуждаемых экспериментах составила до 8°С за время порядка 100 с. Обсуждаются перспективы применения полученных результатов в медицине и других областях.