ИСТИНА

Настоящий проект связан с интенсивно развивающимся в последние два десятилетия направлением медицинской акустики – неинвазивной акустической хирургией биологических тканей, получившим название HIFU (от английского High Intensity Focused Ultrasound). Суть этой медицинской технологии заключается в использовании мощного фокусированного ультразвука для локального разрушения опухолевой ткани внутри тела пациента без повреждения окружающих здоровых тканей. Основным механизмом разрушения при этом является перегрев ткани, хотя в последнее время все большее внимание привлекает к себе гистотрипсия – механическое разрушение ткани при образовании в ней под действием ультразвука кавитационного облака. Несмотря на то, что HIFU уже используется в клинической практике для лечения некоторых видов опухолей, существуют ограничения, сдерживающие более широкое внедрение этой технологии. Одними из наиболее важных проблем, решение которых позволило бы существенно повысить эффективность и безопасность HIFU, являются возможность ультразвуковой визуализации области воздействия в режиме реального времени и ускорение процесса разрушения. В данном проекте предлагается подход, который является физической основой для решения указанных проблем. Недавние результаты участников проекта показали, что при воздействии на ткань ультразвуковой волной с высокоамплитудными ударными фронтами возможен быстрый нагрев ткани до температур кипения, сопровождающийся как механическим, так и тепловым разрушением ткани. При этом происходит образование паровых пузырьков, позволяющих визуализировать область воздействия. Хотя принципиальная возможность осуществления такой процедуры была показана, многие особенности происходящих в ткани физических процессов всё ещё остаются неясными. Основными целями настоящего проекта являются следующие. (1) Разработка методов измерений и теоретических моделей для определения параметров нелинейных ударно-волновых пучков, создаваемых в ткани HIFU-источниками различной геометрии. (2) Исследование физических механизмов взаимодействия ударно-волновых пучков с тканью и образующимися в ней паро-газовыми полостями. (3) Выбор и обоснование импульсно-периодических режимов облучения для управления эффектами тепловой абляции и механической эмульсификации ткани. (4) Разработка методов ультразвуковой визуализации создаваемых разрушений. (5) Выявление перспективных направлений практического использования разработанных методов в неинвазивной хирургии. Планируется также взаимодействие с клиническими специалистами с целью проведения биохимических анализов образцов и обсуждения перспективных приложений. Предлагаемая работа, помимо результатов фундаментального характера, позволит продвинуться в разработке новых подходов для повышения безопасности и эффективности воздействия мощного ультразвука на биологические ткани и, таким образом, будет способствовать дальнейшему расширению возможностей HIFU-хирургии.

В соответствии с заявленными целями проекта, на первом году проекта были получены следующие результаты. Развит новый комплексный метод, включающий в себя использование как физических измерений, так и и численного эксперимента, и позволяющих количественно точно характеризовать нелинейные ультразвуковые поля с высокоамплитудными разрывами, создаваемые клиническими источниками. Разработан программный комплекс с удобным графическим интерфейсом для расчёта и визуализации ультразвуковых пучков, создаваемых многоэлементными фазированными решетками, интерпретация особенностей структуры которых обычно достаточно сложна. Разработан новый экспериментальный метод для быстрой количественной оценки абсолютных значений и распределений интенсивности полей HIFU–излучателей. Метод основан на измерении с помощью ИК-камеры приращения температуры в тонком поглотителе при действии низко-амплитудных коротких УЗ-импульсов. Эффективность и точность метода продемонстрирована на примерах нескольких излучателей в совместных экспериментах с метрологической лабораторией Великобритании (NPL). В численном эксперименте показана возможность достижения режимов формирования высокоамплитудных ударных фронтов в фокусе, необходимых для механического разрушения (гистотрипсии) ткани, при облучении через ребра. Исследованы механизмы акустического фонтана и атомизации биологической ткани. Экспериментально показано, что свободная поверхность ткани может быть атомизирована (распылена), что подтверждает действие данного механизма при гистотрипсии, когда ударно-волновое поле фокусируется на свободную поверхность кипящего парового пузырька либо кавитационного облака. В совместном с университетом шт. Вашингтон эксперименте показано, что использование ультразвуковых импульсов миллисекундной длительности с высокоамплитудными ударными фронтами приводит к механической эмульсификация биологической ткани, как на ex vivo образцах, так и на моделях животных. Проведены гистологические и биохимические исследования механических разрушений в ткани, получаемых при импульсном ударно-волновом воздействии, на модели печени свиньи. Впервые совместно с факультетом фундаментальной медицины МГУ удалось провести полное гистологическое исследование разрушений, полученных с помощью метода HIFU гистотрипсии с кипением в аутопсийной почке человека. Показано, что в выбранных режимах воздействия происходит полное разрушение ткани на субклеточные фрагменты.