Акустическая диагностика биологических сред

Работы по применению радиофизических методов в медицине были начаты в конце 60-х годов XX века под руководством В. А. Зверева и М. Т. Греховой. Основное их направление заключалось изначально в развитии акустических методов биомедицинских исследований, что привело со временем к созданию целого ряда методик и аппаратных средств. В их числе ультразвуковые локаторы для диагностики сердечно-сосудистой системы, обнаружения газовых пузырьков в кровеносном русле человека, который подвергается воздействию изменяющегося внешнего давления (А. Д. Мансфельд, А. М. Рейман), а также устройства для диагностики состояния биотканей на основе вибрационных методов (Е. М. Тиманин, В. А. Антонец, В. В. Казаков).

На протяжении ряда лет в ИПФ РАН успешно развиваются вибрационные методы исследования опорно-двигательной системы человека: методы акселерометрической диагностики и методы вибрационной вискоэластометрии, основанные на регистрации вынужденных вибрационных движений в поверхностных тканях, задаваемых внешним источником (Е. М. Тиманин). На базе этих методов разрабатываются медицинские методы диагностики и контроля лечения в хирургии, в травматологии, в неврологии, в спортивной и космической медицине и т. д. На основе их объединения в аппаратно-программном комплексе для вибрационной диагностики неврологических заболеваний создан приборный комплекс «Механонейромиограф».

Комплекс позволяет регистрировать вибрационные сигналы, связанные с непроизвольными движениями конечностей, головы и центра масс тела человека (методы треморографии), с тестовыми колебательными движениями конечностей (методы темпографии), а также с вынужденными вибрационными движениями в поверхностных тканях, задаваемыми внешним источником (методы вискоэластометрии). Комплекс обеспечивает регистрацию сигналов, определение их количественных параметров и сопоставление их с нормой, а также формирование в электронном виде протоколов обследования пациентов.

Ультразвуковая диагностика, основанная на активной ультразвуковой локации, к настоящему времени стала рутинным методом обследования. Она позволяет исследовать структуру органов и тканей, течение крови в сосудах и сердце. Однако существует проблема, которую этим методом не решить, – измерение внутренней температуры тела. Известно, что изменение температуры внутренних участков тела предшествует изменению структуры тканей, которое может быть обнаружено с помощью рентгена или УЗИ на более поздних стадиях развития патологий. Существует также проблема контроля внутренней температуры при осуществлении некоторых терапевтических процедур, и прежде всего гипертермии.

Одним из возможных методов измерения может стать акустотермометрия – метод, основанный на приеме и измерении интенсивности собственного акустического излучения среды, порождаемого тепловым движением ее атомов и молекул. Достоинством ультразвуковой термометрии в проекции на биологические ткани является возможность применения миллиметровых и субмиллиметровых ультразвуковых волн, которые хорошо распространяются в биотканях. Следовательно, можно выполнять направленный прием ультразвукового излучения, что позволяет локализовать нагретое образование и даже построить пространственное распределение температуры. Конечно, это акустическое излучение очень слабо, а принимаемый шумовой сигнал не отличается от шума самого приемника ни по спектру, ни по функции распределения. Тем не менее этот сигнал может быть зарегистрирован и измерен радиометрическими способами, основанными на его накоплении. Достигнутая к настоящему времени чувствительность акустотермографов близка к предельно возможной и составляет десятые доли градуса при времени измерения порядка 5–10 с (А. Д. Мансфельд, Р. В. Беляев, В. А. Вилков, П. В. Субочев, А. Г. Санин, Е. В. Кротов).

В последние годы с помощью разработанных приборов совместно с медиками проведен ряд экспериментальных клинических исследований в этом направлении, продемонстрирована возможность контроля внутренней температуры щитовидной и молочной желез при лазерной гипертермии. Эти результаты получены совместно сотрудниками ИПФ РАН (А. Д. Мансфельд), ИРЭ РАН (А. А. Аносов) в Центральной клинической больнице РАН.

В экспериментах на подопытных животных, проведенных совместно с Нижегородской государственной медицинской академией, была продемонстрирована возможность контроля внутренней температуры при лазерной гипертермии опухолей путем введения в опухоль золотых наночастиц (П. В. Субочев). В этом случае эффективность лазерного нагрева ткани повышается, следовательно, есть возможность сокращения продолжительности процедуры.

В настоящее время в ИПФ РАН для разных задач медицинской диагностики разрабатывается несколько типов акустотермографов, в том числе корреляционный, позволяющий выделить сигнал с определенной глубины, многоканальный сканирующий акустотермограф с возможностью картирования поля внутренних температур.