Введение к работе
Актуальность темы. Ультразвуковые методы и приборы находят широкое применение в биологии и медицине. Превалирующее применение ультразвукового контроля в этой области относится к направлению клинической диагностики путем визуализации внутренних органов, установления их структурных (эхография) и кинетических (допплеро-графия) характеристик. Здесь следует констатировать проблему неясности, во-первых, детальных биофизических механизмов формирования эхографических и допплерографических изображений, а, во-вторых, фундаментальных биологических причин, изменяющих акустические характеристики тканей и органов при конкретной патологии. Приоритетную роль в выяснении этих причин и механизмов должны сыграть исследования акустического импеданса биологических тканей и органов - ультразвукового параметра среды, продуцирующего основную часть эхографической информации.
Визуализация внутренних структур тела - важнейшее, но далеко не единственное направление использования ультразвукового контроля в биологии и медицине. Большие перспективы открываются с внедрением в практику методов ультразвукового лабораторного (препаратного) исследования. Разработанные здесь методики позволяют решать не только прикладные вопросы медицинской диагностики, но и фундаментальные задачи. Такие, например, как исследование механизмов биохимических реакций с участием макромолекул, физиологических механизмов мышечной активности, механизмов защитных реакций на клеточном и субклеточном уровнях. Для этих областей применения ультразвука актуальными проблемами являются изучение взаимосвязи акустических параметров исследуемых объектов с их биологическими особенностями и физиологическим состоянием, а также - в техническом плане - разработка методик экспрессного контроля (в том числе - в реальном масштабе времени), методик, применимых непосредственно на живом организме, требующих малого количества исследуемой ткани (микроанализ), характеризующихся высокой чувствительностью и точностью измерений, методик высокого технологического уровня, которые можно применять не только в лабораторных, но и в полевых условиях.
В рамках рассмотренной проблематики применения ультразвука в медико-биологических исследованиях ключевым моментом является
разработка корректных акустических моделей биологических сред. Ибо существующие методики их ультразвукового контроля являются, как правило, модификациями соответствующих методик технических измерений, в первую очередь - гидролокации и неразрушающего промыш-леного контроля. Очевидно, что биологические среды отличаются от объектов технического контроля своими более сложными химическим составом, микроструктурой и, в целом, состоянием и поведением, которыми управляют еще более сложные механизмы регуляции.
Поэтому заложенные в методики технического контроля акустические модели оказывются большей частью неадекватными биообъектам и, соответственно, нерезультативными. Для таких сложных биологических систем, какими являются, например, мягкие биологические ткани, важнейшими в биоакустическом плане являются следующие характерные свойства: слоистость, гетерогенность, анизотропность, неровность поверхности в нативном состоянии. Учет перечисленных характеристик тканей в акустических моделях - необходимое условие совершенствования ультразвуковой диагностики в биологии.
Тема данной диссертационной работы, которая выполнялась на протяжении более 20 лет, тесно связана с решением вышеперечисленных задач. Избранный из известных и развитый в ней методический подход, который мы назвали акустической рефлектоимпедансометрией, оказался перспективным в рамках общего развития методологии акустического контроля. А именно: опубликованные нами в 1969-1973 г.г. первые теоретико-экспериментальные результаты по применению такого подхода в биологии актуализируются с интенсивным развитием акустической импедансометрии с середины 70-х г.г. Последнее происходило , в основном, трудами зарубежных исследователей и касается не только чисто экспериментальных работ (Mason W.P., Thurston R.N., 1979; Perdrix М. et al.,1981; Clark A.Jv.,Jr.,Hart S.D., 1982; Schick A. et al.,1987 и др.), но, в гораздо большей степени, основополагающих теоретических работ. К ним относится, в первую очередь, предложение-обоснование нового метода медицинской и технической диагностики - импедиографии (автор метода Jones J.Р.,1972), наряду с которой в 80-х г.г. были разработаны другие подобные методы, кепстрального анализа, характеристическиих линий, последовательности дельта-пиков, интегральных уравнений Марченко, Гельфанда-Левитана и Годината-Сонди, преобразований Гильберта и
Гупилло и др. Все они используют сложные математические подходы и численные методы решения на ЭВМ. Важно, однако, то обстоятельство что во всех этих методах вычисляется акустический импеданс среды, который рассматривается как основная ее характеристика и, следовательно, имеет самостоятельное значение при контроле. Все указанные методы в настоящее время рассматриваются как способы решения задач в рамках новой теории обратного рассения волн, методы которой общепризнаны в настоящее время как весьма перспективные для решения задач в области геофизики, сейсмологии, океанографии, медицинской диагностики, неразрушающего, промышленного контроля.
Цели и задачи работы. Основная цель диссертации состояла в разработке физического подхода, обеспечивающего изучение тонких структурных и химических изменений в тканях и органах человека и животных в условиях нормы и патологии. Такой подход должен был воплощать все преимущества современных ультразвуковых исследований: допускать применение как на препаратах, так и на живом организме, как на больших образцах материала, так и на микрообъемах, сочетать экспрессность с высокой чувствительностью, процедурную простоту - с точностью результатов.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ известных технических методов ультразвукового контроля и выбрать из них такой, который обладает потенциальными возможностями для достижения указанной биофизической цели.
-
Разработать теорию выбранного метода и его методические варианты применительно к исследуемым биологическим объектам и условиям конкретного использования.
3. Сконструировать необходимые средства измерений, обеспечивающие корректность условий опытов как в акустических, так и в биологических аспектах.
-
Экспериментально апробировать разработанные методики на физических моделях биологических тканей и органов.
-
Выполнить эксперименты на биологических объектах и проанализировать полученные результаты для обоснования перспектив применения разработанного методического подхода.
- 4 -Научно-методическая ценность работы.
-
Впервые предложено применять метод акустической рефлекто-импедансометрии как самостоятельный способ акустического контроля среды для решения широкого класса диагностических и исследовательских задач. Определены акусгико-геометрические условия контролируемых объектов, для которых применение указанного метода предпочтительно либо не имеет альтернатив. К ним, в первую очередь, отнесены условия живого организма.
-
Разработаны теория и методические варианты акустической рефлектоимпедансометрии, повышающие ее чувствительность и точность, с одной стороны, упрощающие реализацию и расширяющие сферу применения - с другой. Разработана метрология указанного мето- . да для различных аппаратурных вариантов его использования.
3. Разработаны конструкции ультразвуковых преобразователей
(датчиков приборов), позволяющие применять метод акустической реф-
лектоимпедансометрии на биологических и технических объектах в
различных акустических условиях. Сконструированы и изготовлены
новые физические приборы - акустические рефлектоимпедансометры
ряда моделей (МАРИ-1,2,4,5).
-
Разработаны новые способы биоакустических исследований и медицинской диагностики: рефлектометрия мышечных препаратов и органов, импедансометрия биологических жидкостей и биомолекулярных систем, экспресс-тестирование бактерий на коагулазоактивность.
-
Разработаны новые способы акустического контроля механических и физико-химических свойств технических материалов: прочности композиционных изделий, влажности пластичных сред, поверхностной коррозии металлов, приработки трущихся поверхностей. Также разработаны способы определения коэффициента затухания звука и дефектоскопии у двухслойных материалов.
Научная новизна результатов.
1. Предложена теоретическая модель отражения ультразвука от акустически неоднородной плоской границы. Практическая реализация этой модели позволила разработать новые способы исследования неоднородности акустических свойств материалов, контроля акустического поля ультразвуковых преобразователей и измерения акустического импеданса макрокомпозиционных сред.
-
Разработана теоретическая модель отражения ультразвука от неровной границы двух сред. Ее практическая реализация позволила впервые измерить акустический импеданс материалов с неровной поверхностью без нарушения ее целостности, предложить новые способы определения параметров неровностей поверхности и акустического согласования сред.
-
Расширена известная теоретическая модель трехслойной среды на случаи границ с разным адгезионным состоянием. Это позволило разработать высокочувствительные способы исследования акустического импеданса материала промежуточного слоя и его толщины, а также адгезии слоя к нагрузке. Дополнительно выведены теоретические условия невлияния слоя на отражение от нагрузки и невлияния нагрузки на отражение от слоя. Это, в свою очередь, позволило получить корректное условие перехода от трехслойной к двухслойной модели и новое условие акустической бесконечности среды.
-
Впервые измерен акустический импеданс гладкомышечных препаратов из стенок кровеносных сосудов и матки теплокровных животных в условиях физиологического переживания, зарегистрированы и классифицированы его изменения (акустические реакции) под действием механических нагрузок, температуры и спонтанной сократительной активности. Доказана возможность использования величины акустического импеданса в качестве характеристики физиологического состояния (тонуса) гладкомышечных органов и обоснованы ее преимущества в сравнении с принятыми показателями.
-
Впервые обнаружены и исследованы изменения акустического импеданса миокарда "in vivo" в динамике сердечного и дыхательного циклов в норме и при экспериментальных инотропных воздействиях. Проведено сравнение ультразвуковой рефлектограммы миокарда с известными типами кардиограмм, регистрируемых другими ультразвуковыми, а также неультразвуковыми методами. Установлены параметры ультразвуковой рефлектограммы миокарда и их общность и различия с общепринятыми показателями сократимости сердца.
-
Впервые методом акустической рефлектоимпедансометрии исследованы модельные белковые растворы, сыворотка и цельная кровь человека. Установлены различия акустического импеданса как сыворотки, так и цельной крови в норме и при злокачественных новообразованиях в организме. Это позволило разработать новый способ онко-
логического скрининга.
-
Впервые найдены прижизненные значения акустического параметра мягких тканей ряда внутренних органов человека во время хирургических операций непосредственно в операционной ране. Обоснована возможность экстраполяции измеренных на удаленных тканях величин акустического импеданса к условиям живого организма.
-
Впервые теоретически предсказано и экспериментально подтверждено влияние на отражение эхографических сигналов межтканевых слоев с толщиной, находящейся за пределами разрешающей способности эховизоров. С учетом этого критически рассмотрены общепринятые способы оценки коэффициентов отражения ультразвука в эхографии. Также пересмотрено биофизическое обоснование известного двухчастотного способа эхографической диагностики, что позволило разработать уточненныый способ для тех же задач.
-
Впервые проведено комплексное микроскопическое, морфомет-рическое и импедансно-акустическое исследование ряда органов и тканей человека с целью биофизического обоснования критериев злокачественного процесса в эхографии. Доказана несостоятельность существующей системы критериев, что подтверждено ретроспективным анализом дифференциальной эхографической диагностики в онкологии.
-
Впервые неповреждающим ткань методом исследована акустическая импедансная топография ряда внутренних органов человека в норме и при различных формах патологии. Установлены характерные для нормы и определенной патологии значения акустического импеданса, что позволило предложить новые способы клинической диагностики, а также уточнения судебно-медицинской экспертизы и тактики хирургических операций.
-
Впервые обнаружены явления акустической реактивности межтканевых слоев в организме в ответ на патологический процесс в подлежащей ткани, а также волнообразных топических изменений биофизического параметра мягких тканей и органов при патологических процессах. Предложен возможный механизм первого из указанных феноменов.
12. Впервые исследована акустическая топография поперечного
разреза длиннейшей мышцы спины сельскохозяйственных животных. Про
ведено сравнение топографических характеристик мышцы до и после
стандартной холодовой выдержки, что позволило связать динамику
- 7 -акустического импеданса мышцы с качеством получаемого мяса. Впервые методом акустической рефлектоимпедансометрии исследована взаимосвязь акустического параметра ткани с ее химическим составом и структурной организацией, что позволило предложить к разработке акустический импедансный анализатор мяса.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации новые методики и способы измерений, полученные результаты и сконструированные технические устройства (ультразвуковые преобразователи, модификации серийных ультразвуковых приборов и новые приборы - акустические рефлектоимпедансометры) могут найти применение как в научно-экспериментальных исследованиях в области биофизики, биохимии, физиологии, гематологии, общей патологии, зоотехнии, химической технологии, механо- и электрохимии, так и в практической и производственной деятельности врачей, животноводов, специалистов по неразрушающему промышленному контролю, разработчиков новой техники, в том числе - медицинской.
Личный вклад автора. Содержание диссертации отражает личный вклад автора в проведенные исследования и опубликованные работы. Автором выполнена постановка задачи исследования, выбор и обоснование метода исследования, проведены все теоретические разработки. Им также выполнена основная часть экспериментальных и конструкторских работ.
Результаты, описанные в первой главе, частично получены совместно с Петиным Г.П., Игумновым А.Н. и Белецким В.И. (конструирование электронных блоков рефлектоимпедансометров МАРИ-1,2,4,5), результаты третьей главы - при частичном участии (Панкова А.К.| (работа в операционной ране) и |Огородниковой Л.С.| (клинико-гистологические анализы), результаты четвертой главы - при частичном участии Коленкиной И.В. (клиническое обоснование одного из новых методов диагностики).
Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы докладывалиись на П Традиционном Всесоюзном семинаре "Развитие физиологического приборостроения для научных исследований в би', ігии и медицине" (Москва, 1968), Всесоюзном "Совещании по ультразвуковым преобразователям и согласованию их с акустической нагрузкой" (Ростов-на-Дону,1969), Всесоюзном семинаре-совещании "Физические методы и вопросы метрологии биомедицинских измерений"
- 8 -(Москва,1970), Всесоюзном Совещании по неразрушающему контролю (Кишинев,1970), 1 Областной научной конференции "Ультразвук в биологии и медицине" (Ростов-на-Дону,1983), Всесоюзной школе "Ультразвуковая диагностическая аппаратура и ее применение в медицине" (Москва,1983), Всесоюзной конференции "Взаимодействие ультразвука с биологической средой" (Ереван,1983), Всесоюзном симпозиуме с международным участием "Акустические свойства биологических объектов" (Пущино;1984), Областной научно-технической конференции, посвященной Дню Радио (Ростов-на-Дону,1985), Заседании Областного общества онкологов (Ростов-на-Дону,1985), Зональной научно-технической конференции "Математическое обеспечение и автоматизация управления высокопроизводительными процессами механической и физико-химической обработки изделий машиностроения" (Андропов,1988) .
Некоторые разработанные при выполнении диссертации устройства демонстрировались на ВДНХ СССР: в 1987 г. (проспект "Ультразвуковые преобразователи для исследования биологических сред"), в 1938 г. (натурный образец "Ультразвуковой датчик"), в 1991 г. (экспериментальный .образец "Универсальный ультразвуковой диагностический прибор"). Последний из перечисленных экспонатов удостоен Серебряной медали ВДНХ СССР (удостоверение N 12279).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 работ, из них 20 представлены в центральной научной печати, 29 - в патентной литературе, 6 представляют Решения о выдаче Патента РФ на изобретение, 3 - информационные материалы ВДНХ СССР, 2 - публикации в местной научной печати.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложена на 172 страницах машинописного текста, включает 13 рисунков и 16 таблиц. Список использованной литературы включает 245 наименований.