Введение к работе
Актуальность работы. Важной характеристикой тела человека и животных является пространственное распределение глубинной температуры, которое зависит от уровня метаболизма клеток и кровотока в организме. Контроль глубинной температуры необходим в медицине, например, в онкологии при гипертермии. Для определения глубинной температуры желательно использовать неинвазивные методы. Особое место среди них принадлежит пассивным методам, основанным на регистрации собственных тепловых излучений организма человека. Известен метод измерения глубинной температуры по интенсивности теплового электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне. Однако из-за невысокого пространственного разрешения он не позволяет получить распределение глубинной температуры. Поставленную задачу можно решить, регистрируя тепловое акустическое излучение. Его источником является тепловое хаотическое движение атомов и молекул вещества. В мегагерцевом диапазоне из-за малой длины волны и небольшого поглощения ультразвука в мягких тканях организма человека такой метод - акустотермография - обладает большей глубинностью и лучшим пространственным разрешением.
Предлагаемая в работе пассивная акустическая термотомография позволяет восстановить пространственное распределение глубинной температуры тела по результатам набора акустических измерений на его поверхности. Для этого необходимо определить основные характеристики датчиков теплового акустического сигнала, выбрать оптимальный способ измерения, разработать методы решения обратной математической задачи и подтвердить экспериментально возможность пассивной акустической термотомографии биологических объектов.
Цель работы - исследование физических основ и возможностей пассивной термотомографии тела человека и животных на основе регистрации собственного теплового акустического излучения.
Научная новизна. Впервые теоретически и экспериментально изучены физические принципы пассивной акустической термотомографии, сформулирована и решена обратная математическая задача и получены оценки основных параметров акустического термотомографа. Впервые методом пассивной акустической термотомографии экспериментально подтверждена возможность определить распределения глубинной температуры в модельных и биологических объектах. На основании изучения свойств теплового акустического излучения сформулирован и теоретиче-
ски обоснован новый, пассивный способ измерения скорости звука и коэффициента поглощения в биологических средах, точность которого сравнима с точностью известных активных методов.
Практическая значимость работы. Полученные результаты вносят существенный вклад в решение проблемы получения информации о пространственном распределении глубинной температуры организма человека посредством измерений его собственного теплового акустического излучения. Разработанные методы найдут применение при изучении температурных физиологических реакций в отдельных органах тела человека. Пассивные акустические термотомографы смогут быть использованы в медицине для измерений глубинной температуры, например, при гипертермии в онкологии, в ультразвуковой хирургии и т.п. Предлагаемый в результате исследования свойств теплового акустического излучения пассивный акустический резонаторныи метод измерения скорости и поглощения звука может быть полезен при решении задач молекулярной биофизики.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Предложен, теоретически обоснован и экспериментально опробован новый пассивный метод измерения пространственного распределения глубинной температуры биологических объектов посредством измерения интенсивности их собственного теплового акустического излучения - пассивная акустическая термотомография. Метод позволяет восстанавливать внутреннюю температуру биологического объекта в области размером ~ 1 см3 на глубине до 5 см со среднеквадратичной погрешностью не хуже 0,5 К.
-
При исследовании теплового акустического излучения биологических объектов выявлены новые перспективные возможности:
а) впервые экспериментально показана возможность пространственных кор
реляционных измерений теплового акустического излучения, испускаемого телом в
разных направлениях, что позволит улучшить пространственное разрешение пас
сивной акустической термотомографии биологических объектов;
б) теоретически обоснован новый резонаторныи способ измерения скорости
и коэффициента поглощения ультразвука в биологических жидкостях, использую
щий регистрацию собственного теплового акустического излучения.
Публикации. Список публикаций по теме диссертации содержит 41 наименование.
Основные результаты опубликованы в журналах "Биофизика", "Медицинская тех-
ника", "Медицинская физика", "Биомедицинская электроника", "Радиотехника", в Акустическом журнале, International Journal of Hyperthermia, Ultrasonics, Journal of the Acoustical Society of America.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на XTV Международном симпозиуме по клинической гипертермии (Дубна, 1991 г.); XI Всесоюзной акустической конференция (Москва, 1991 г.); Ш сессии Российского акустического общества (Москва, 1994 г.); IV сессии Российского акустического общества (Москва, 1995 г.); конференции "Ultrasonics International'95" (Эдинбург, 1995 г.); международной конференции "Радиоэлектроника в медицинской диагностике" (Москва, 1995 г.); международной конференции "Медицинская физика - 95" (Москва, 1995 г.); VI сессии Российского акустического общества (Москва, 1997 г.); акустическом конгрессе "Forum Acusticum" (Берлин, 1999 г.); 3-ей международной конференции "Радиоэлектроника в медицинской диагностике" (Москва, 1999 г.); П съезде Биофизиков России (Москва, 1999 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, восемь глав и заключение. В диссертации содержится 293 страницы, 60 рисунков и 5 таблиц, список литературы содержит 167 наименований.