|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ПсковГУ |
||
Нелинейные режимы воздействия мощных фокусированных ультразвуковых полей на биологические ткани с использованием многоэлементных фазированных решетокНИР
- Руководитель НИР: Юлдашев П.В.
- Участники НИР: Ильин С.А., Крыжановский М.А., Росницкий П.Б., Филин А.А.
- Подразделение: Физический факультет
- Срок исполнения: 18 февраля 2014 г. - 25 декабря 2015 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 14-02-31878
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Живые системы
- ПН России: Науки о жизни
-
Рубрики ГРНТИ:
- 29.37.15 Физическая акустика газов, жидкостей и твердых тел
- 29.37.17 Воздействие звука и ультразвука на вещество
- 29.37.19 Излучение и прием звука
-
Ключевые слова:
акустическая нелинейность, ультразвуковая хирургия, фокусированный ультразвук, hifu, фазированные решетки
-
Описание:
Многие современные устройства неинвазивной ультразвуковой хирургии, основанные на применении мощного фокусированного ультразвука, включают в себя излучатели в виде многоэлементной фазированной решетки. Параметры решетки выбираются исходя из их конкретного клинического применения, а качество создаваемого решеткой поля при электронном перемещении фокуса или создании многофокусных конфигураций, оценивается исходя из сохранения приемлемого уровня интенсивности в основных фокусах и не превышения некоторого допустимого уровня в возникающих побочных, решеточных максимумах. До последнего времени разработка решеток и анализ создаваемых ими полей проводились в приближении линейной фокусировки. Автором предлагаемого проекта разработаны численные модели, которые могут служить основой для разработки новых нелинейных режимов облучения ткани при использовании фазированных решеток. В проекте предлагается исследование следующих взаимосвязанных задач. Это (а) оптимизация параметров решеток для достижения наиболее эффективного нелинейного режима воздействия на ткани, когда в фокусе формируются ударные фронты; (б) оценка качества создаваемых решетками нелинейных полей при электронном смешении фокуса и многофокусных конфигурациях; (в) исследование нелинейных режимов воздействия при хирургии тканей организма человека, расположенных на большой глубине, путем расчета полей тепловых источников и температуры, определения формы областей коагулированной ткани и времени достижения кипения. Суть предлагаемого подхода состоит в оптимизации размеров, количества, расположения и плотности упаковки излучающих элементов на поверхности решетки для достижения максимального проявления нелинейных эффектов в фокальной области с учетом технических ограничений на минимальное расстояние между элементами, их общее число, максимальную мощность отдельного элемента и общую мощность решетки. Быстрая оценка качества линейных полей многоэлементных фазированных решеток будет проводиться на основе аналитического решения для каждого из ее элементов. Далее исследование нелинейно-дифракционных явлений при фокусировке ультразвука от многоэлементных фазированных решеток в воде и ткани будет проводиться с использованием разработанного авторами программного комплекса, основанного на численном решении уравнении Вестервельта. Указанное уравнение будет дополнено уравнением теплопроводности для биологической среды для расчета температурных распределений и тепловых доз. Планируется сравнение акустических полей, полученных в результате расчета, с доступными экспериментальными данными для решеток, разрабатываемых для применения в неинвазивной хирургии.
-
Основные результаты:
Настоящий проект направлен на исследование особенностей нелинейных акустических полей, создаваемых мощными ультразвуковыми решетками в системах неинвазивной хирургии, и использования преимуществ нелинейных режимов для повышения эффективности воздействия на ткани организма. В соответствии с заявленными целями проекта, в первом году проекта были получены следующие результаты. Было проведено развитие программного комплекса для расчета нелинейных акустических полей в трехмерной геометрии на основе уравнения Вестервельта. Необходимая доработка заключалась во введении адаптивного искусственного поглощения с целью обеспечения устойчивости численной схемы при расчетах полей в режиме образования ударных фронтов в профиле волны. В этом случае, вблизи ударных фронтов волн, распространяющихся под углом к оси фокусированного пучка, появляются сильные поперечные пространственные градиенты и при расчете дифракционного оператора в численном решении возникают паразитные осцилляции. Адаптивное искусственное поглощение зависит от амплитуды ударного фронта в каждой точке и позволяет автоматически удерживать ширину ударного фронта на заданном значении. Таким образом, достигается сглаживание численного решения до требуемого уровня при минимальном дополнительном затухании энергии поля. Кроме того, в программный комплекс добавлен модуль для моделирования температурных полей и тепловых доз на основе уравнения теплопроводности. Используя модернизированный программный комплекс, были проведены расчеты поля для прототипа мощного излучателя систем ультразвуковой хирургии. Излучатель состоит из 7 конфокальных элементов расположенных на сегменте сферической поверхности и предназначен для создания акустических полей с ударными фронтами на глубине в несколько сантиметров в ткани. Излучатель оптимизирован для работы с усилителем с максимальной мощностью до 30 кВт при импульсах длительностью менее 10 мс. Показана возможность создания таким излучателем ударных профилей с амплитудой 90-100 МПа. Путем сравнения экспериментальных результатов и численных расчетов для акустических полей нескольких различных терапевтических решеток проведена оценка точности метода характеризации поля излучателя с использованием уравнения Вествервельта и экспериментальных граничных условий, полученных методом акустической голографии. Показано, что для пиковых значений давления в фокусе ошибка не превосходит 15 %. Проведена оптимизация числа элементов фазированной антенной решетки решеток при облучении ткани через непрозрачные препятствия типа грудной клетки. Показано, что в некоторых клинически значимых ситуациях при меньшем числе элементов большего размера качество поля в фокальной плоскости оказывается лучше, чем при использовании квази-случайной решетки, состоящей из несколько раз большего числа элементов, даже с размером порядка длины волны.
- Добавил в систему: Юлдашев Петр Викторович
Источник финансирования НИР
| грант РФФИ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 18 февраля 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Нелинейные режимы воздействия мощных фокусированных ультразвуковых полей на биологические ткани с использованием многоэлементных фазированных решеток |
| Результаты этапа: Проведена модернизация комплекса программ для расчета мощных акустических полей. Для управления сглаживанием акустического поля при наличии ударных фронтов реализован метод адаптивного искусственного поглощения. Согласно квазистационарному решению нелинейных волновых уравнений для ударных волн, ширина ударного фронта обратно пропорциональна его амплитуде и прямо пропорциональна коэффициенту термовязкого поглощения. Поэтому, чем больше амплитуда ударного фронта, который требуется промоделировать, тем большее искусственное поглощение необходимо взять для сглаживания решения до требуемого уровня. Метод введения искусственного поглощения при моделировании мощных ультразвуковых полей на основе уравнений ХЗК и Вестервельта использовался ранее многими авторами. Однако подбор величины и пространственного распределения такого дополнительного поглощения обычно осуществлялся эмпирически. При этом существует риск выбора слишком большого поглощения, в результате чего решение получится сильно сглаженным. Кроме того, амплитуда ударного фронта в нелинейном фокусированном пучке меняется в пространстве и зависит от степени проявления нелинейных эффектов, геометрии излучателя и других факторов. Поэтому подобрать оптимальное эмпирическое распределение искусственного поглощения на каждый случай не представляется возможным. В нашей работе предложен оригинальный подход, заключающийся в том, что величина искусственного поглощения в каждой точке пространственной схемы регулируется амплитудой ударного фронта в данной точке таким образом, что ширина ударного фронта остается постоянной. Таким образом, автоматически достигается необходимое сглаживание акустического поля при минимальном дополнительном поглощении акустической мощности. Предложенный метод значительно облегчает расчет излучателей различной конфигурации, в том числе многоэлементых решеток, при различном положении фокуса и при любых достижимых на практике уровнях акустической мощности. Для моделирования температурных полей и расчета тепловых доз в ткани при нагревании ультразвуком в программный комплекс добавлен модуль для решения трехмерного уравнения теплопроводности на основе спектрального подхода. Данный подход позволяет рассчитать температурное распределение на любом временном интервале без ограничения на временной шаг сетки. Кроме этого, достигается ускорение вычислений за счет использования параллельных версий библиотек расчета быстрого дискретного преобразования Фурье. Проведена оценка точности метода характеризации поля излучателя с использованием уравнения Вествервельта и экспериментальных граничных условий, полученных методом акустической голографии. Важным аспектом для терапевтический применений мощного ультразвука является количественная характеризация акустический полей, создаваемых преобразователями. Обычный подход состоит в проведении прямых гидрофонных измерений поля в воде. Однако при очень больших интенсивностях поля, и особенно, при возникновении ударных фронтов, использование такого подхода оказывается проблематичным ввиду ограничений, накладываемых на характеристики гидрофона - полосу частот, надежность и размеры. Для преодоления этих ограничений недавно был предложен метод характеризации полей ультразвуковых источников, основанный на сочетании метода акустической голографии и численного моделирования поля на основе трехмерного уравнения Вестервельта. Данный подход применялся для нескольких терапевтических излучателей, в том числе, многоэлементных терапевтических решеток. Оценка точности метода может быть проведена как для части, связанной с голографическими граничными условиями, так и для нелинейного усиления поля при больших интенсивностях. Если не принимать во внимание ошибки в калибровке гидрофона, то ошибка, связанная с голографическим методом составляет менее 10%. Для проверки точности расчетов нелинейного акустического поля используются прямые измерения фокальных профилей при помощи оптоволоконного гидрофона. Как правило, различие между расчетами и измерениями составляет менее 15% для пиковых значений поля в фокусе. Рассмотрена проблема оптимизации числа элементов фазированной антенной решетки при облучении ткани через непрозрачные препятствия типа грудной клетки. Многоэлементные решетки позволяют управлять геометрией излучаемого поля, изменяя амплитудно-фазовые соотношения на отдельных элементах. Чем больше число элементов, тем более плавно можно менять эти характеристики и точнее управлять полем. Однако, не во всех случаях увеличение числа элементов приносит пользу. При уменьшении размера элемента, его диаграмма направленности расширяется. Это расширяет область сканирования, но одновременно ухудшает возможности для создания таких конфигураций поля, при которых достигается огибание полем препятствий, например ребер грудной клетки. Это происходит когда характерная ширина пучка от отдельного элемента становится больше межреберного расстояния. Такая ситуация продемонстрирована на примере многоэлементной решетки, число элементов которой было увеличено в 2 и в 4 раза при соответствующем уменьшении диаметров элементов. Показано, что при меньшем числе элементов большего размера качество поля в фокальной плоскости оказывается даже лучше, чем при облучении решеткой, состоящей из большего числа элементов с размером порядка длины волны. | ||
| 2 | 18 февраля 2015 г.-15 декабря 2015 г. | Нелинейные режимы воздействия мощных фокусированных ультразвуковых полей на биологические ткани с использованием многоэлементных фазированных решеток |
| Результаты этапа: | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".