Акустическая термотомография

В современной клинической практике все большее внимание уделяется диагностическим процедурам, не причиняющим вреда организму обследуемого. Это особенно важно для диагностики групп пациентов с большим уровнем риска лучевого поражения (дети, беременные женщины, пациенты с превышенной дозой поглощенного излучения). В этих условиях применение традиционных методов визуализации внутренних органов (рентгеновская, ЯМР-томография, ультразвуковые) нежелательно, поэтому представляют интерес пассивные методы, использующие собственное излучение тела. К таким методам можно отнести тепловизионные и радиотепловизионные методы. К ним относятся и разрабатываемый в отделе радиофизических методов в медицине ИПФ РАН метод акустотермографии и развитый на его основе метод акустотермотомографии, который направлен на исследование распределения внутренней температуры биологического объекта.

Акустическая термотомография (АТТ) основана на тех же принципах, что и хорошо известные методы инфракрасной и радиотермометрии - приеме излучения, порожденного нагретым телом. Интенсивность излучения пропорциональна температуре и коэффициенту поглощения среды (яркостной температуре). Особенность АТТ заключается в том, что регистрируется акустическая эмиссия нагретых объектов в диапазоне частот 1-10 МГц (традиционном диапазоне для ультразвуковой диагностической техники), при этом длины волн находятся в диапазоне (1,5-0,15) мм, обеспечивая высокую направленность антенны (в радиотермометрии использование субмиллиметровых волн ограничено сильным поглощением). Впервые эксперименты по регистрации акустического излучения нагретых тел были проведены в ИРЭ АН СССР в 1987 г.

В ИПФ РАН впервые были проведены эксперименты по локализации нагретых тел и построен первый сканирующий акустотермотомограф. Прибор представляет собой аппаратно-программный комплекс, состоящий из многоэлементной сканирующей акустической антенны, блока обработки сигнала и компьютера с соответствующим программным обеспечением, которое обеспечивает регистрацию сигнала, управление сканированием антенны и производит его обработку с помощью томографического алгоритма для построения изображений нагретого объекта. К настоящему времени достигнута чувствительность порядка 0,2^o при времени усреднения 5 с. Время регистрации одного сечения составляет 5 мин.

Научным коллективом проекта был разработан лабораторный макет многоканального акустотермотомографа, с помощью которого были проведены эксперименты по локализации нагретых объектов, помещенных в различные биоподобные среды с целью изучения различных факторов, влияющих на точность локализации, чувствительность прибора и т.д. Блок-схема экспериментальной установки представлена на рис. 1а. Результаты экспериментов показывают, что на существующей аппаратуре можно производить локализацию объектов с температурным контрастом относительно фона 1-2 К. При этом точность восстановления координаты, т.е. разница между истинным положением объектов в среде и реконструированным положением объектов, составляет 2-4 мм. Характерное томографическое изображение объектов, полученное в экспериментах, представлено на рис. 1б.

Возможности акустояркостной термометрии позволяют решать две независимые задачи медицинской диагностики. Одной из основных задач является выявление относительно небольших участков биологических тканей, имеющих повышенную температуру относительно окружающих тканей. Как правило, в экспериментах по акустояркостной термометрии используются приемные антенны в виде пьезоэлектрических пластин с плоской поверхностью, работающие в зоне геометрической акустики. Поперечное пространственное разрешение, с которым можно выделить температурную неоднородность, примерно равно апертуре антенны.

Другая задача состоит в мониторинге изменения температуры известной области пространства. В этом случае локализация нагретого источника возможна с помощью фокусированных антенн.

В ИПФ РАН впервые был разработан и создан сканирующий акустотермотомограф с фокусируемой антенной, с помощью которого были проведены эксперименты по локализации нагретых источников, помещенных в различные биоподобные среды. На рис. 2 представлена характерная двумерная томограмма, получаемая в результате сканирования исследуемой среды фокусом антенны.

Проведенные экспериментальные исследования показали возможность применения АТТ для исследований внутренней температуры различных биологических объектов. АТТ при выработке соответствующей методики может применяться как для массовых обследований населения (например, для выявления опухолей на ранней стадии), так и для контроля эффективности лечения (гипертермии опухолей, фармакологических процедур).