В статье описываются физические основы двух смежных методов — фотоакустической визуализации и термоакустической визуализации, их функциональные схемы и возможные применения в медицинской диагностике.
Ключевые слова: фотоакустика, термоакустика, термоакустическая томография, неинвазивная медицинская визуализация.
Важнейшей частью медицинской практики является диагностика. После этого этапа некоторые из обратившихся людей переходят в категорию «пациент», а остальные — признаются здоровыми. В наши дни используется великое множество методов диагностики. Их можно условно разделить на инвазивные, т. е. те, которые требуют вмешательства (например, химического, механического) в организм, и неинвазивные — не оказывают никакого воздействия на естественные барьеры организма (кожа, слизистые оболочки и т. д.).
Наиболее востребованной с точки зрения развития медицины будущего является вторая группа методов. Неинвазивные методы позволяют извне «увидеть» внутренние структуры человеческого организма, проанализировать работу и функции различных органов и тканей. Одной из проблем таких методов является то, что врачу при постановке диагноза приходится опираться лишь на показания диагностического аппарата — на «картинку на экране». Поэтому для того, чтобы состояние здоровья человека было определено верно, нужна качественная и корректная визуализация.
Методами, которые соответствуют данным требованиям, являются фотоакустическая визуализация и термоакустическая визуализация. Данные методы основаны на фотоакустическом и термоакустическом эффектах соответственно.
Суть фотоакустического эффекта (ФА-эффекта) состоит в том, что при поглощении импульсного лазерного излучения происходит нагрев тела, что ведёт к возникновению термоупругих расширений. Они, в свою очередь, возбуждают ультразвуковые акустические волны в среде, окружающей область поглощения света. Эти акустические волны возникают в любом материале, в том числе — в биологических тканях. При их регистрации и изучении можно получить информацию о внутреннем строении какой-либо среды.
Термоакустический эффект (ТА-эффект) схож с фотоакустическим, но его отличие состоит в том, что возбуждение акустических волн ультразвукового диапазона происходит не под действием света, а под действием коротких импульсов электромагнитного излучения в радиочастотной или микроволновой части спектра.
Важно отметить, что фотоакустический метод обладает хорошим разрешением, но малой глубиной проникновения. Метод термоакустики подходит для исследования биологических структур на большей глубине, но разрешение при этом получается немного хуже.
Процессы, наблюдающиеся при ФА и ТА эффектах, можно кратко объяснить на примере модели ёмкости с прозрачными стенками, заполненной прозрачной жидкостью. В объёме этой жидкости содержится тёмная капля (например, чернил), которая не смешивается с окружающей средой. Эта капля выступает в роли некоего резонатора. При воздействии коротких импульсов света (порядка τ = 10 нс) или ЭМ-поля на эту каплю, её температура возрастает, а затем происходит термоупругое расширение (локальный тепловой удар). Как уже говорилось ранее, это приводит к возбуждению акустических волн, которые, при условии неоднородности среды, вполне можно обнаружить, зарегистрировать и использовать для извлечения информации и построения изображения. Это представлено на рис. 1.
Рис. 1. Принцип термоакустического метода
В любом устройстве термоакустической визуализации необходим источник электромагнитного излучения. Им может служить микроволновая антенна. В фотоакустических методах визуализации в роли источника излучения, как правило, выступает лазер. Также необходимо наличие одного или нескольких акустических детекторов, которые служат непосредственно для приёма возбуждаемых ультразвуковых волн.
Типичным акустическим детектором является ультразвуковой преобразователь, который обычно изготавливается из пьезоэлектрического материала. Работа этих устройств основана на прямом пьезоэлектрическом эффекте, их основной задачей является преобразование обнаруженного давления, возникающего из-за акустических волн, в электрический сигнал.
Функциональная схема системы термоакустической томографии представлена на рис. 2.
Рис. 2. Функциональная схема системы термоакустической томографии
В статье [1] были получены in vivo структурные изображения головного мозга мышей. Экспериментальная установка, используемая в статье, схематично показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема системы для неинвазивной ТА-визуализации мозга мыши
Сначала исследователи изучили, как различные положения головы подопытного грызуна влияют на распределение ЭМ-поля в ткани. Было проведено два эксперимента: сканирование головы мыши спереди (корональное) и сканирование головы мыши сверху (поперечное).
В рассматриваемой в статье системе специально разработанный импульсный микроволновый генератор имел следующие характеристики: частота — 3 ГГц, пиковая мощность — 70 кВт, длительность импульса — 750 нс. Этот генератор использовался для создания микроволновых импульсов через антенну пирамидальной формы (размер её апертуры — 114x144 мм 2 ) для облучения головы мыши.
Цилиндрический ультразвуковой преобразователь (диаметр — 10 мм; фокусное расстояние — 53 мм) поворачивается вокруг подопытного животного шаговым двигателем с заданным шагом сканирования в 2°. Иными словами, за один полный оборот (360°) пьезопреобразователь осуществлял сканирование в 180 положениях.
Общее время сбора данных в данной системе заняло 3 минуты. Фактическая усредненная плотность мощности микроволнового излучения на поверхности мозга составила менее 0,32 мВт/см 2 , что намного ниже стандарта безопасности — 10 мВт/см 2 при 3 ГГц [1].
Были получены следующие значения плотности потери мощности: 3,72 мВт и 5,02 мВт для поперечного и коронального сканирования соответственно. Это указывает на то, что при корональном сканировании в мозг поступает на 35 % больше энергии, чем при поперечном сканировании. Пространственное разрешение этой системы оценивается примерно в 1,6 мм.
Метод термоакустической визуализации отлично себя показывает в области диагностики онкологических заболеваний. Дело в том, диэлектрические свойства раковых тканей отличаются от свойств окружающих их нормальных тканей. Такие различия приводят к увеличению поглощения энергии ультравысокой частоты (УВЧ) раковой тканью в диапазоне 100–1000 МГц. Некоторые исследователи связывают это усиленное поглощение с увеличенным содержанием воды в раковых тканях.
В статье [2] авторами было выполнено исследование пяти пациентов с зарегистрированным ранее раком молочной железы. Возрастной диапазон женщин-пациентов составил от 39 до 69 лет, средний возраст — 49 лет. Три из пяти женщин прошли визуализацию до начала химиотерапии, а две — после первичной химиотерапии. Термоакустический компьютерный томограф, использованный в этой статье, показан на рис. 4.
Рис. 4. Схема системы термоакустической компьютерной томографии для визуализации молочных желез
Система состояла из специальной полусферической чаши, вокруг неё по спирали располагались 64 пьезопреобразователя. Чаша-полусфера была установлена на специальном валу, который с помощью шагового двигателя вращался на 360° вокруг своей оси. Заполненный водой цилиндрический волновод, использованный в качестве излучателя ЭМ-волн, был настроен для работы на частоте 434 МГц. Во время исследования пациентка лежала на столе на животе.
Вся система работала следующим образом: УВЧ-генератор мощностью 25 кВт подавал импульсы радиочастотной энергии длительностью 1,0 мс со средней частотой повторения 500 Гц, обеспечивая среднюю мощность 12,5 Вт во время сканирования.
Трёхмерные изображения были реконструированы с использованием алгоритма, аналогичного тому, который используется для реконструкции КТ-изображений. Время реконструкции изображения составило приблизительно 40 секунд на одно положение из 256. Получается, на весь объем данных время восстановления изображения составило около трёх часов.
У исследователей получилось добиться следующих результатов:
– глубина сканирования составила 45 мм.
– качество визуализации кожи груди и подкожного жира было отличным в 21 из 27 сканирований.
В заключение нужно сказать, что термоакустическая томография является современным методом, который может найти уникальное применение в медицинской визуализации, поскольку обладает всеми характеристиками для диагностики почти всех биологических структур человеческого организма. Микроволновое излучение, составляющее одну из основ этого метода, обладает достаточно большой глубиной проникновения в биологические ткани при сохранении малых доз воздействия, что, в свою очередь, обеспечивает безопасность для пациентов. Несмотря на то, что ТА-визуализация является новым методом в медицинской диагностике, с каждым годом это направление продолжает развиваться и совершенствоваться.
Литература:
- Zhao Y., Chi Z., Huang L. et al. Thermoacoustic tomography of in vivo rat brain // Journal of Innovative Optical Health Sciences. — 2017. — V. 10(4). — P.110–117
- Kruger R. A., Miller K. D., Reynolds H. E. et al. Breast Cancer in Vivo: Contrast Enhancement with Thermoacoustic CT at 434 MHz — Feasibility Study // Radiology. — 2000. — V. 216. — P.279–283
