ИСТИНА

В настоящее время ультразвук активно используется в медицине как для терапии опухолей мягких тканей, так и для интроскопии. Испытывающая в последние годы бурное развитие ультразвуковая хирургия основана на использовании высокоинтенсивных фокусированных ультразвуковых пучков для дистанционного воздействия на опухоли или другие нежелательные образования внутри тела человека. Физической основой для такого воздействия является тот факт, что ультразвук мегагерцовых частот распространяется в мягких биотканях без заметного ослабления на расстояния,сравнимые с размерами тела человека. Путём использования фокусировки имеется возможность сконцентрировать ультразвуковое поле в фокальную область c размером порядка длины волны. Поскольку длина ультразвуковой волны на мегагерцовых частотах находятся в миллиметровом диапазоне, то в области близкого размера происходит усиленное поглощение ультразвука, что при достаточно высокой мощности ультразвука может привести к заметному нагреву среды. Увеличение амплитуды акустического давления в фокусе может привести к кавитации и другим механическим эффектам. Указанные критические явления могут быть использованы для селективного разрушения заданных участков биоткани. Так же как и ультразвуковая хирургия, ультразвуковая визуализация внутренних органов и структур основана на прозрачности человеческого тела по отношению к ультразвуку миллиметровых длин волн. Метод ультразвукового исследования давно вошёл в практику (общеизвестна соответствующая аббревиатура УЗИ) – без него немыслима современная медицина. Информация о структуре ткани, скорости кровотока и других параметрах обычно получается эхо-импульсным методом. Ультразвуковая диагностика обладает рядом преимуществ перед другими видами медицинской диагностики с использованием физических излучений, главным из которых является то, что он позволяет получить богатую информацию о состоянии структур и сосудов без использования ионизирующих видов излучения. Несмотря на упомянутые выше успехи по применению ультразвука в медицинской практике, при лечении и диагностике некоторых органов имеются трудности, связанные с наличием участков тела, отличающихся от мягких тканей и приводящих к заметному поглощению или отражению ультразвуковых волн. Такими акустическими препятствиями являются либо газонаполненные участки, являющиеся акустически мягкими по сравнению с окружающими тканями, либо кости, являющиеся, наоборот, акустически жёсткими. Одним из важных органов, где применение терапии с использованием фокусированного ультразвука затруднено, является мозг. Широкое применение ультразвуковой терапии для лечения заболеваний мозга ограничено сложностью передачи акустической энергии к участкам мозга. Принципиальной трудностью здесь является тот факт, что ультразвуковые волны плохо проходят сквозь черепную коробку из-за поглощения в кости и отражения на её границах. Кроме того, кости черепа неоднородны по толщине и характеризуются более высокой (по сравнению с расположенными за ними мягкими тканями) скоростью звука, что приводит к трудно предсказуемым эффектам рефракции. Недавние технологические достижения позволяют в ряде случаев преодолеть проблемы, которые ранее казались неразрешимыми. Решение проблемы ультразвукового воздействия и визуализации через толстые кости черепа возможно при использовании разработанных в последнее время методов волновой физики, связанных с компенсацией потерь и аберраций при распространении волн в неоднородной среде. В основе лежит голографический принцип, согласно которому распределение характеристик волнового поля на пересекаемой этим полем поверхности содержит информацию о всём трёхмерном поле, а также принцип обратимости недиссипативных волновых процессов во времени и связанный с этим метод обращения волнового фронта. Настоящий проект направлен на разработку новых подходов к передаче ультразвука через неоднородные поглощающие слои с использованием двумерных антенных решёток, которая позволит как фокусировать ультразвуковые пучки, так и получать детальные ультразвуковые изображения структур головного мозга через толстые кости черепа. Подход базируется на предварительных экспериментальных и теоретических исследованиях участников проекта в этом направлении, в том числе осуществлённых в рамках предыдущего проекта РНФ (2014–16 гг.). Для выполнения запланированных в настоящем проекте исследований коллектив располагает экспериментальной и вычислительной базой Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ, возглавляемой руководителем настоящего проекта.

Currently, ultrasound is widely used in medicine for the treatment of soft tissue tumors and for imaging. Ultrasound surgery, which has experienced rapid development in recent years, is based on the use of high-intensity focused ultrasound beams for remote treatment of tumors or other undesirable structures inside the human body. The physical basis for such an impact is the fact that ultrasound of megahertz frequencies is propagated in soft biological tissues without noticeable attenuation at distances comparable to the size of the human body. By using focusing, it is possible to concentrate the ultrasound field in the focal area with a size of the order of the wavelength. Since the ultrasonic wavelength at megahertz frequencies is in the millimeter range, an enhanced absorption of ultrasound occurs in a region of similar size, which at a sufficiently high power of ultrasound can lead to a noticeable heating of the medium. Increasing the amplitude of the acoustic pressure at the focus can lead to cavitation and other mechanical effects. These critical phenomena can be used for the selective destruction of specified areas of biological tissue. As well as ultrasound surgery, ultrasound imaging of internal organs and structures is based on the transparency of the human body with respect to millimeter-wave ultrasound. The method of ultrasound imaging has long been introduced into practice – modern medicine is inconceivable without it. Information about the structure of the tissue, blood flow velocity and other parameters is usually obtained by the echo-pulse method. Ultrasound diagnostics has several advantages over other types of medical diagnostics using physical radiation, the main of which is that it allows you to get rich information about the state of structures and vessels without using ionizing types of radiation. Despite the above-mentioned advances in the use of ultrasound in medical practice, in the treatment and diagnosis of certain organs, there are difficulties associated with the presence of body areas that differ from soft tissues and lead to a noticeable absorption or reflection of ultrasonic waves. Such acoustic obstacles are either gas-filled areas that are acoustically soft compared with the surrounding tissues, or bones, which are, on the contrary, acoustically rigid. One of the important organs, where the application of therapy using focused ultrasound is difficult, is the brain. The widespread use of ultrasound therapy for the treatment of diseases of the brain is limited by the difficulty in transmitting acoustic energy to the brain structures. The principal difficulty here is the fact that ultrasound waves pass through the skull poorly due to absorption into the bone and reflection at its boundaries. In addition, the skull bones are heterogeneous in thickness and have higher (compared to the soft tissues behind them) speed of sound, which leads to difficult-to-predict refraction effects. Recent technological advances make it possible in a number of cases to overcome problems that previously seemed intractable. Solving the problem of ultrasound therapy and imaging through the thick skull bones is possible with the use of recently developed methods of wave physics related to the compensation of losses and aberrations during wave propagation in a heterogeneous medium. It is based on the holographic principle, according to which the distribution of the characteristics of the wave field on the surface intersected by this field contains information about the entire three-dimensional field, as well as the principle of time-reversibility of non-dissipative wave processes and the associated method of wavefront reversal. This project aims to develop new approaches to the transmission of ultrasound through heterogeneous absorbing layers using two-dimensional antenna arrays, which will allow both focusing ultrasonic beams and obtaining detailed ultrasound images of brain structures through the thick bones of the skull. The approach is based on preliminary experimental and theoretical studies of project participants in this direction, including those carried out in the framework of the previous project of the RSF (2014–16). To carry out the research planned in this project, the team has an experimental and computational base of the Laboratory of Medical and Industrial Ultrasound at Moscow State University, headed by the PI of this project.

В результате выполнения проекта будут разработаны фокусирующие терапевтические многоэлементные антенные решётки с плотным заполнением элементами, которые позволят достичь ударноволновых режимов в фокусе при транскраниальной фокусировке ультразвука. Будут разработаны принципы компенсации аберраций при транскраниальной ультразвуковой терапии и диагностике с использованием двумерных решёток. Будет разработан численный алгоритм и на его основе создан программный комплекс для расчёта прохождения ультразвуковой пучка через толстые кости черепа как в линейном режиме, так и в режиме сильно-нелинейных искажений, вплоть до образования ударных участков в профиле волны. Результаты будут соответствовать мировому уровню и будут являться физико-технической основой для создания терапевтических и диагностических устройств нового поколения.

- Предложен, разработан и экспериментально проверен метод акустической голографии для определения колебаний поверхности источников и вычисления их полей. Метод основан на использовании интеграла Рэлея для расчёта обратного распространения к источнику исходя из измеренного распределения акустического давления в точках некоторой поверхности перед источником. Метод применён для нахождения характеристик терапевтических источников. - Предложен, теоретически промоделирован и экспериментально реализован метод импульсной акустической голографии, основанный на нестационарном интеграле Рэлея и свойстве инвариантности волны относительно операции изменения знака времени. Предложен нелинейный вариант голографии, проведены первые эксперименты по его реализации. Нестационарный вариант голографии особенно близок к синтезу диагностических систем. - Проведены исследования, касающиеся ультразвуковой визуализации, а также метрологических аспектов при использовании медицинского ультразвука: развиты новые методы численного моделирования интенсивных полей, изучено рассеяние ультразвука на газовых пузырях и слоистых структурах, развиты новые методы калибровки гидрофонов, изучены особенности силового воздействия акустических пучков на протяжённые поглотители, исследованы физические механизмы артефактов ультразвуковой визуализации твердотельных рассеивателей. - Развит аналитический подход для расчета и анализа качества трехмерных акустических полей многоэлементных фазированных решеток, использующихся в устройствах неинвазивной ультразвуковой хирургии. При вычислении поля решетки использовалось аналитическое решение для дальнего поля каждого из её элементов. Указанный метод позволяет рассчитывать поля многоэлементных фазированных решеток намного быстрее, чем традиционный метод прямого численного интегрирования, при сохранении высокой точности результатов. На основе развитого подхода рассчитано излучение типичных фазированных решеток и проанализировано качество их динамической фокусировки.