Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Применение ультразвука в терапии и хирургии требует проведения исследования различного рода взаимодействий ультразвуковых волн с биотканями. Применяя технику фокусирования, удается концентрировать ультразвуковую энергию в локальной области и на любой глубине озвучиваемого объема в направлении распространения ультразвуковых волн. Этот метод лег в основу ультразвуковой хирургии и литотрипсии, позволяющих проводить лечение целого ряда болезней: от мочекаменной болезни до заболеваний опорно-двигательного аппарата. В настоящее время развиваются методы воздействия высокоинтенсивным фокусированным ультразвуком на доброкачественные опухоли, например, при лечении аденомы простаты. Однако, для успешного и эффективного применения в клинической практике новых методик ультразвукового воздействия, требуется дополнительное исследование процесса распространения ультразвука в биологической ткани, которое приведет к пониманию всего спектра возможного влияния ультразвука на организм человека, как благоприятно, так и неблагоприятного. В связи с этим, значительный исследовательский интерес представляет изучение воздействия высокоинтенсивного фокусированного ультразвука на биоткани и влияния среды распространения колебаний на область фокусировки и характеристики фокусного пятна. Геометрические и акустические параметры фокусного пятна являются важной частью хирургического воздействия и, в конечном счете, определяют успех лечебной процедуры. Поэтому важно исследовать причины возникновения изменения формы и смещения фокусного пятна, уметь учитывать влияние эффектов, возникающих при прохождении ультразвукового пучка через биоткани и использовать полученные результаты для повышения точности наведения локального воздействия ультразвука на организм человека с помощью аппаратов ультразвуковой хирургии.
Другим, не менее важным, вопросом является проблема наведения зоны высокого давления (фокуса) на планируемую область воздействия. В настоящее время нет надежных ультразвуковых способов наведения хирургического инструмента на объект операции и ультразвуковых интроскопов для определения координат объекта операции с привязкой к внешней системе координат.
Знания особенностей, эффектов и закономерностей прохождения ультразвуковых волн через биоткани расширят область применения фокусированного ультразвука в медицине, приведут к развитию точных, эффективных и безопасных процедур ультразвуковой терапии и хирургии. Цели и задачи работы
Целью диссертации является развитие физических подходов, позволяющих исследовать процессы прохождения и взаимодействия фокусированного ультразвукового пучка со слоистыми структурами биологических тканей и учет эффектов, возникающих при прохождении ультразвукового пучка через слоистую структуру биоткани для повышения точности локализации воздействия на биообъекты.
В соответствии с поставленной целью были рассмотрены следующие задачи:
1. Теоретическое и экспериментальное исследования влияния слоистой структуры биоткани на процесс распространения акустических волн.
Теоретическое и экспериментальное исследования особенностей формирования фокальной области при прохождении фокусированного ультразвукового пучка через слоистые структуры биоткани.
Разработка методики и алгоритма повышения точности наведения локального воздействия фокусированным ультразвуковым пучком на неоднородности в биотканях.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Теоретическая модель распространения акустического поля в слое биоткани с учетом коэффициентов прохождения ультразвука на основе лучевой акустики.
Выявленные особенности прохождения ультразвукового пучка через слоистую структуру биоткани, связанные со смещением траектории ультразвуковых лучей в зависимости от типа, количества, толщины слоев биоткани и угла падения ультразвуковых лучей на слой биоткани.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния слоистой структуры биоткани при прохождении через нее фокусированного ультразвукового пучка на формирование фокальной области.
Методика и алгоритм повышения точности наведения локального воздействия фокусированным ультразвуковым пучком на биоткани с учетом эффектов, возникающих при его прохождении через слоистую структуру биоткани.
Научная новизна диссертационной работы:
Теоретически показаны и экспериментально подтверждены закономерности влияния параметров слоистой структуры биоткани на прохождение ультразвукового луча.
Разработана теоретическая модель, описывающая распространение акустического поля в неоднородной биоткани.
Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено изменение формы фокальной области и места ее локализации при прохождении ультразвукового пучка через слоистую структуру биоткани.
Практическая значимость работы:
Возможность описания распространения акустических полей, создаваемых медицинскими аппаратами для хирургии и диагностики, в слоях биотканей.
Повышение точности наведения локального воздействия существующих и разрабатываемых аппаратов для литотрипсии и неинвазивной ультразвуковой хирургии за счет учета влияния процессов, возникающих при прохождении ультразвукового пучка через слоистые структуры биоткани.
Возможность управления интенсивностью, формой фокальной области и местом ее локализации с помощью разработанных методики и алгоритма для блока коррекции аппарата ультразвуковой хирургии, учитывающего смещение траектории ультразвукового луча.
Повышение безопасности и эффективности хирургического воздействия фокусированного ультразвука на патологические объекты внутри организма, что будет способствовать распространению методов неинвазивной хирургии.
Методики исследования
Теоретические исследования основывались на методах лучевой акустики, которые применялись в задачах прохождения ультразвукового луча через слоистую структуру биоткани, в расчете искажения формы фокальной области при прохождении фокусированного ультразвукового пучка через слоистую структуру
биоткани. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с правилами и методиками, использующимися в линейной акустике. Необходимые расчеты были выполнены при помощи программного комплекса Mathcad 13. Внедрение результатов работы
Результаты диссертационной работы были использованы НМФ «Нейротех», г. Таганрог и ГОУ ВПО Ростовским государственным медицинским университетом Росздрава (кафедра общей хирургии) г. Ростов - на - Дону, при выполнении научно-исследовательской работы «Разработка пьезоэлектрического генератора ударно-волновых импульсов для комплекса «Литотриптер-Медолит». Отчет о НИР № ГР 01200800986, договор № 13649, а также в учебном процессе кафедры ЭГА и МТ. Апробация работы
Основные результаты работы обсуждались на конференциях и семинарах: 14-ая международная школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века» г. Пущино, 2010; VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых «Биомедицинские технологии, мехатроника и робототехника», г. С.Петербург, 2009; V ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, г.Ростов - на -Дону, 2009; VI Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление», г. Таганрог, 2008; НТК «Нелинейные акустические системы», г.Таганрог, 2008; Всероссийская НТК « XX сессии РАО», г. Москва, 2008; Всероссийская конференция «Неделя науки», г. Ростов - на -Дону, 2008; Всероссийская НТК с международным участием «Медицинские информационные системы», г. Таганрог, 2008; Всероссийская НТК «Перспективы фундаментальной и прикладной науки в сфере медицинского приборостроения», г. Таганрог, 2009; Всероссийская НТК «Экология 2009 - море и человек», г. Таганрог, 2009; Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТТИ ЮФУ, г. Таганрог, 2008-2010 гг.
Работа была обсуждена на совместном заседании кафедр электрогидроакустической и медицинской техники (ЭГА и МТ), автоматизированных систем научных исследований и экспериментов (АСНИ и Э), технологии микро- и наноэлектронной аппаратуры (ТМ и НА), физики.
Публикации
По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, среди которых 5 работ в журналах из Перечня ВАК.
Структура и объем диссертации
