Введение к работе
з Актуальность работы.
Разработка приборов, измеряющих, физические характеристики тканей в 'бине тела человека, является актуальной задачей для экспериментальной зики. Трудность этой задачи усугубляется тем, что для биомедицинских из-рений желательно использовать неинвачивные и пассивные методы, т.е. ио-шяющие производить исследования с поверхности тела пациента, без меха-ческого внедрения в его организм и без использования каких-либо подавае-[х на него излучений.
В полной мере это относится к измерению пространственного распределяя глубинной температуры. Это важная характеристика состояния организ-человека и животных, так как температура зависит от уровня метаболизма ггок и кровотока в организме. Контроль глубинной температуры необходим медицине, например, для ранней диагностики различных болезней, а также і контроля за внутренней температурой при гипертермии в онкологии, при ютермии и ультразвуковой хирургии.
Пассивные методы измерения температуры основаны на регистрации зственных тепловых излучений организма человека, т. е. измеряют предель-слабые сигналы. Известен метод измерения теплового электромагнитного іучения в СВЧ-диапазоне. Однако из-за невысокого пространственного раз-нения по данным таких измерений трудно получить распределение глубип-й температуры.
Новым перспективным пассивным и неинвазивным методом измерения ,'бшшой температуры объектов является пассивная акустическая термотомо-іфия. Она основана на регистрации теплового акустического излучения - его гочником является тепловое хаотическое движение атомов и молекул веще-іа. Для восстановления пространственного распределения глубинной темпе-гуры в термотомографе необходимо провести набор измерений интенсивно-
4 ста теплового излучения в разных точках и под разными углами на поверхности тела человека и по ним решить обратную задачу, используя априорнук информацию о погрешностях измерений и физических свойствах среды.
В силу малой длины волны и небольшого поглощения ультразвука в мягких тканях организма человека в мегагерцовом диапазоне частот пассивны! акустический термотомограф потенциально обладает большей глубинностью і лучшим пространственным разрешением по сравнению с методом, использую щим СВЧ-излучение. Оценка потенциальных параметров такого томографа -актуальная задача физики приборов.
Целью диссертационной работы является теоретическое исследованиі потенциальных характеристик пассивного акустического термотомографа предназначенного для биомедицинских приложений.
В связи с этим основные задачи работы состояли в следующем:
1) Разработать методику компьютерного моделирования работы пассивноп
акустического термотомографа для биомедицинских задач, предназначенно
го для восстановления 2-D и 3-D распределений глубинной температурь:
Для этого исследовать методы восстановления гладких распределений внуї
реннсй температуры, обеспечивающие высокое пространственное разреше
ние и учитывающие теплофизические параметры тканей тела человека,
также наличие кровотока.
-
Оценить потенциальные параметры пассивного акустического термотомс графа: точность восстановления внутренней температуры для различны возможных расположений и интенсивностей источников тепла, а такж пространственную разрешающую способность пассивного акустическог термотомографа.
-
Исследовать возможность восстановления трехмерного (3-D) температурне го распределения.
5 ) Экспериментально сопоставить возможности создания" пассивного акустического термотомографа, основанного на мультиспектральном зондировании и на многолучевом сканировании биообъектов. Положения, выносимые на защиту: ) Оценка путем численного моделирования основных характеристик пассив-юго акустического термотомографа для биомедицинских приложений: установление 2-D температурного распределения с погрешностью 0,2-0,45 К і с пространственным разрешением 1,2-3,5 см; восстановление 3-D темпера-урного распределения.
:) Экспериментальное подтверждение эффективности восстановления распре-іеления глубинной температуры в биологическом объекте - в кисти руки человека - при использовании многолучевого сканирования.
Научная новизна работы. Впервые с использованием численного моде-ирования выполнено исследование работы пассивного акустического термоомографа, ориентированного на решение биомедицинских задач, и оценены го потенциальные характеристики. Оценена точность 2-D восстановления емпературы и просіранствешюе разрешение термотомографа в зависимости г числа датчиков и пороговой чувствительности каждого из них, количества канов.
Впервые в рамках непрерывной модели среды оценено, как характери-тики прибора зависят от алгоритмов решения обратной задачи восстановления емпературного распределения. Продемонстрирована в численных расчетах ффективность учега априорной информации о тсплофизических свойствах каней тела человека.
Экспериментально доказана эффективность многолучевого сканирования ак основного метода сбора информации пассивной акустической термотомо-рафии, для чего были опробованы разные методы сбора данных на примере змерения распределения глубинной температуры в кисти руки человека.
6 Впервые продемонстрирована возможность восстановления трехмерного (3-D температурного распределения.
Практическая ценность работы. Результаты исследования параметрої пассивных акустических термотомографов показали, что эти томографы мс гут быть использованы в биомедицинских исследованиях для изучения распре деления температуры в теле человека в норме, патологии и при функциональ ных пробах, а также в медицине для контроля глубипной температуры в тел человека при гипертермии в онкологии и гипотермии, в ультразвуковой хирур гии и т.п. Полученные оценки параметров и выявленные пути улучшения хе рактеристик томографа найдут применение при создании экспериментальног пассивного акустического термотомографа. Разработанные методы моделирс вания могут быть использованы при исследовании пассивных томографов, о< нованных на измерениях других физических величин.
Апробация диссертации. Результаты работы докладывались на:
6 сессии Российского акустического общества, "Акустика на пороге XXI ві ка", 1997, Москва;
2 съезде биофизиков России, 1999 г., Москва;
3 Международной конференции "Радиоэлектроника в медицинской диагн стике", 1999, Москва;
- Международном научном форуме "Онкология на рубеже 21 века", 199
Москва;
- совместном семинаре университетов Нидерландов по гипертермии, ма;
1999, Университет в Утрехте, Нидерланды;
акустическом форуме, Joint meeting 'Berlin 99', Берлин, март 1999 ;
X сессии Российского акустического общества, Москва, 2000;
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опублик ваны в 17 печатных работах, приведенных в списке литературы.
7 —Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти лав, заключения, выводов и списка литературы.
