Гаврилов Л.Р., Сапожников О.А., Хохлова В.А. «Уважаемые читатели!» с. 435

Вниманию читателей предлагается специальный выпуск "Акустического журнала", посвященный современной медицинской акустике. В нем собраны работы как российских, так и зарубежных ученых, а также статьи, содержащие результаты международного сотрудничества.

Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. «Динамическая акустотермография» с. 436-444

В модельных экспериментах осуществлена двумерная и трехмерная динамическая акустотермография. Для определения температуры модельных пластилиновых объектов в процессе нагрева-охлаждения проводили измерения их теплового акустического излучения. Для этого использовали плоскую решетку из 14 акустотермометров и две плоских решетки перпендикулярных друг другу из 7 акустотермометров каждая. По результатам измерений получали динамическую карту акустояркостной температуры и восстанавливали динамику изменения параметров температурного распределения: пространственных координат области нагрева, ее характерного размера, а также ее максимальную температуру. Время одного измерения составляло 10 с, погрешность в определении положения центра и размера области не превышала 1 мм, точность расчета температуры составляла приблизительно 1 градус. Полученные результаты могут оказаться полезными для контроля температуры при проведении медицинских процедур, связанных с нагревом внутренних тканей организма человека. Библ. 16.

Бессонова О.В., Хохлова В.А., Бэйли М.Р., Кэнни М.С., Крам Л.А. «Фокусировка мощных ультразвуковых пучков и предельные значения параметров разрывных волн» с. 445-456

Исследовано влияние нелинейно-дифракционных эффектов на величину коэффициентов концентрации фокусирующих систем, а также на величину предельно достижимых параметров полей, создаваемых при фокусировке мощного ультразвука. Для численного моделирования использовалось уравнение Хохлова–Заболотской–Кузнецова. Получены решения для нелинейного акустического поля в слабо поглощающей среде в режиме формирования разрывов и в режиме развитых разрывов в фокальной области пучка. Проведено сравнение полученных решений с экспериментальными данными и известными аналитическими оценками. Библ. 19.

Бобкова С.М., Цысарь С.А., Хохлова В.А., Андреев В.Г. «Дифракционные эффекты при распространении фокусированного ультразвукового импульса в среде с тепловой неоднородностью» с. 457-465

Рассматривается распространение зондирующего импульса через тепловую неоднородность, созданную в результате нагрева среды сфокусированным ультразвуковым пучком. На основе волнового уравнения численно рассчитывается форма импульса, регистрируемая приемником, установленным конфокально с излучателем. Расчеты проводятся при фокусировке импульса в центр неоднородности и пересечении ее в поперечном направлении. Результаты численного моделирования сравниваются с экспериментом. Формулируются условия, при которых учет дифракционных эффектов имеет принципиальное значение для расчета времени задержки прихода импульса. Библ. 12.

Буров В.А., Шмелев А.А. «Численное и физическое моделирование процесса томографии на основе акустических нелинейных эффектов третьего порядка» с. 466-480

Анализируется возможность использования нелинейного эффекта генерации комбинационных волн третьего порядка в целях медицинской диагностики. Данный эффект позволяет реализовать томографию пространственного распределения акустических нелинейных параметров на основе волнового подхода. Оценивается вклад от собственно нелинейного рассеяния третьего порядка и двукратного нелинейного рассеяния второго порядка. Эти два параллельно развивающиеся конкурирующие процесса дают схожие наблюдаемые эффекты, которые, тем не менее, можно разделить. Предлагается экспериментальная двумерная схема, содержащая всего три излучателя и один приемник при широкополосной модуляции двух первичных волн и введении третьей монохроматической волны. Приводятся результаты модельных численных и физических экспериментов. Библ. 20.

Голанд В.И., Кушкулей Л.М. «Сильно фокусирующие многоэлементные терапевтические излучатели для неинвазивной ультразвуковой абляции жировой ткани» с. 481-495

Для ультразвуковой абляции жировой ткани необходимо динамически фокусировать звуковую энергию высокой интенсивности в интервале глубин 5–40 мм от поверхности кожи. Одним из методов достижения этой цели является использование мощных сферических излучателей, имеющих большой апертурный угол и представляющих собой многоэлементную фазированную решетку. Для описания акустических полей, излучаемых такими преобразователями, разработана нелинейная модель, имеющая более широкую область применения по углу раскрыва в сравнении с известными подходами. Предложен метод изготовления фазированной решетки с использованием одного цельного сферического пьезоэлемента, изготовленного из специальной некомпозитной пьезокерамики, разработанной в компании UltraShape Ltd. Метод заключается в сегментации одного из электродов пьезоэлемента на N случайно расположенных круглых элементов. Изготовлен прототип решетки, исследовано взаимовлияние ее соседних элементов. Библ. 24.

Гурбатов С.Н., Демин И.Ю., Клемина А.В., Клемин В.А. «Акустический анализ состава сыворотки крови человека» с. 496-505

Представлены новые акустические методы определения общего белка, белковых фракций и липидных компонентов сыворотки крови человека. Акустические методы базируются на высокоточных измерениях температурных зависимостей скорости и частотных и температурных зависимостях поглощения ультразвука. Измерения акустических характеристик сыворотки крови выполнялись методом интерферометра постоянной длины в акустических ячейках объемом около 80 мкл в температурном диапазоне 15–40°С, в частотном интервале 4–9 МГц на отечественном акустическом анализаторе, разработанным фирмой "БИОМ". Погрешность измерения скорости ультразвука в сыворотке крови составила 3·10^–5, поглощения – 2·10^–2. Разработанные акустические методы клинически апробированы и рекомендованы к использованию в клинико-диагностических лабораториях лечебно-профилактических учреждений России. Библ. 16.

Клочков Б.Н., Елисеева Ю.Ю., Шилягин П.А. «Распространение низкочастотных волн в биологических тканях и сосудах» с. 506-515

Рассмотрены поверхностные упругие волны в биоткани с учетом ее структуры, представлены дисперсионные зависимости. Изучены эффекты контактного виброакустического воздействия на мягкую ткань руки человека, причем активность биоткани проявлялась в виде виброреакции с различными характерными временами. Описан термодинамический подход к построению реологических соотношений активных механохимических сред. Представлены дисперсионные характеристики акустических процессов в пассивных и активных кровеносных сосудах. Библ. 35.

Коренбаум В.И., Рассказова М.А., Почекутова И.А., Фершалов Ю.Я. «Механизмы шумообразования свистящих звуков, наблюдаемых при форсированном выдохе здорового человека» с. 516-525

Свисты форсированного выдоха (СФВ) важны для диагностики бронхиальной обструкции, однако механизмы шумообразования СФВ однозначно не идентифицированы. Цель исследования – статистическое моделирование механизмов шумообразования СФВ на выборке здоровых волонтеров. СФВ распознавались экспертом на спектрограмме. Частоты СФВ с максимальными амплитудами определялись на 4 временных участках. В предположении несжимаемости воздуха, для вайбелевской морфометрии бронхиального дерева, с учетом уменьшения сечения дыхательных путей при форсированном выдохе, вычислены средние значения коэффициентов пропорциональности между отношениями линейной скорости потока воздуха к средним диаметрам дыхательных путей и максимальными частотами СФВ. Полученные значения коэффициентов сравнены с предсказываемыми эмпирическими моделями динамического флаттера и срыва вихрей. Библ. 20.

Кульберг Н.С., Яковлева Т.В., Камалов Ю.Р., Сандриков В.А., Осипов Л.В., Белов П.А. «Разработка и испытания нового метода улучшения качества изображений в ультразвуковой медицинской диагностике» с. 526-535

Предмет работы – проблема разделения шумовых и информативных текстурных элементов с учетом специфических особенностей ультразвукового изображения. Разработана математическая модель, описывающая статистические и спектральные свойства различных элементов текстуры изображения. На основании разработанной математической модели реализована процедура шумоподавления. Разработанный метод прошел клинические испытания, подтвердившие его эффективность. Библ. 9.

Маков Ю.Н. «Оболочечные микропузырьки: развитие эхо-контрастных систем в медицинской акустике, динамические модели с нелинейно-упругими оболочками» с. 536-545

Представлен как обзорный материал о кавитации в биотканях и развитии акустически контрастных сред, так и оригинальные результаты по динамическому описанию оболочечных микропузырьков в ультразвуковых полях с учетом нелинейной теории упругости оболочек. В обзорную часть также включены новые результаты, связанные с аналитическим исследованием управляемой диффузией временной эволюции и времени существования пузырьков в зависимости от параметров основных конструктивных элементов (оболочка, газовый наполнитель). Приведены подробные данные относительно промышленно изготовляемых и используемых в медицинской акустике оболочечных микропузырьков.

Мансфельд А.Д. «Акустотермометрия. Состояние и перспективы» с. 546-556

Обсуждаются принципы построения и свойства акустотермометров различного типа, предназначенных для измерения внутренней температуры биологических объектов. Рассмотрены схемы модуляционных, компенсационных, корреляционных, а также сканирующих многоканальных акустотермометров. Обсуждаются возможности применимости акустотермометров для различных, в том числе медицинских приложений. Библ. 34.

Миронов М.А., Пятаков П.А., Конопацкая И.И., Клемент Г.Т., Выходцева Н.И. «Параметрическое возбуждение сдвиговых волн в мягких упругих средах» с. 557-564

Обсуждается один из возможных механизмов разрушения мягких упругих сред ультразвуком. В рамках модели трехволнового взаимодействия в твердом теле рассмотрена генерация сдвиговых волн продольной звуковой волной в твердом теле с малым модулем сдвига. Даны численные оценки порога возбуждения сдвиговых волн в биологических тканях. Поскольку длина генерируемых сдвиговых волн мала, сдвиговые напряжения могут оказаться достаточными для разрушения структуры биологической ткани. Приведены результаты модельных экспериментов. Библ. 23.

Николаев А.Л., Гопин А.В., Божевольнов В.Е., Трещалина Е.М., Андронова Н.В., Мелихов И.В. «Применение твердофазных неоднородностей для повышения эффективности ультразвуковой терапии онкологических заболеваний» с. 565-574

Развиваются представления авторов об использовании твердофазных нановключений-соносенсибилизаторов в биологических структурах в качестве концентраторов ультразвуковой энергии в терапии онкологических заболеваний. Обсуждаются возможности направленного синтеза наночастиц и их агрегатов в опухолевой ткани в зависимости от особенностей ее роста. Установлено, что акустические эффекты в полимерных структурах, содержащих твердофазные включения, зависят от природы этих включений и характера их связи с полимерной матрицей. На модельных гелевых системах показано, что твердофазные соносенсибилизаторы увеличивают локальные тепловые эффекты и амплитудно-зависимое рассеяние ультразвука при распространении в геле. В результате проведения экспериментальных исследований на животных установлено, что действие ультразвука на злокачественные опухоли, содержащие наночастицы золота и некоторых комплексных соединений, приводит к существенному терапевтическому эффекту. Библ. 34.

Пашовкин Т.Н., Садикова Д.Г. «Расслаивание, разделение и концентрирование клеток в поле стоячих ультразвуковых волн» с. 575-585

Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований сил, действующих на клетки в суспензиях в поле стоячей ультразвуковой волны (на примере эритроцитов крыс и морских свинок, дрожжей и хлореллы) и приводящих к расслаиванию клеток и жидкой фазы, разделению клеток на фракции, концентрированию клеток в узлах переменного давления. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графиков, координатными осями которых являются средняя плотность энергии ультразвукового поля и линейная скорость протока суспензий клеток. Прямые линии на графиках разделяют зоны концентрирования, разделения и вымывания клеток. Тангенс угла наклона этих прямых является характеристикой определенного вида клеток. Показано совпадение экспериментальных и теоретически предсказанных данных. Библ. 33.

Рапопорт Н.Я., Нам К.Х., Гао Д., Кэннеди Э. «Применение ультразвука для направленной нанотерапии злокачественных опухолей» с. 586-593

Исследовано направленное химиотерапевтическое воздействие на твердые опухоли с помощью ультразвука и нагруженных доксорубицином или паклитекселем эмульсий перфторпентана. Нанокапли эмульсий накапливались в опухоли путем направленного транспорта химиотерапевтических средств в опухоль или так называемого пассивного таргетинга. Под действием направленного на опухоль терапевтического ультразвука нанокапли превращались в паровые микропузырьки. Нанокапли прочно удерживали нагруженные лекарства in vivo, но выбрасывали их в ткань опухоли при вскипании под действием ультразвука, осуществляя тем самым эффективную направленную доставку в опухоль. Подвергнутые такому лечению опухоли эффективно регрессировали, однако затем наблюдался их рецидив. Вторичные опухоли были более резистентны к повторному лечению, чем первичные. Причины возникновения резистентности и пути ее преодоления в настоящее время неясны и находятся в процессе исследования. Библ. 9.

Розанов В.В., Руденко В.О., Сысоев Н.Н. «Гемодинамика и нелинейная акустика: общие подходы и решения» с. 594-605

Обсуждаются смежные задачи нелинейной акустики и гемодинамики. Получены уравнения, описывающие распространение пульсовых волн в эластичных трубках, учитывающие зависимость сечения, а также линейной и нелинейной упругости от расстояния вдоль оси. Показано, что в сужающихся трубках, упругость которых растет с координатой, наряду с формированием ударных фронтов возможен рост пикового давления и уменьшение пиковой скорости. Аналогичное поведение наблюдалось в экспериментах. Получено выражение коэффициента нелинейности в виде суммы "геометрической" и "физической" нелинейностей, имеющих разные знаки. Предполагается, что в нормально функционирующей системе эти нелинейности компенсируют друг друга, а формирование ударных волн свидетельствует о сосудистой патологии. Показана возможность восстановления локальной неоднородности сосуда (изменения сечения или жесткости) по измерениям отраженной или прошедшей волн. Описан принцип действия акустического насоса, не содержащего механически движущихся частей. Библ. 33.

Румянцева О.Д., Буров В.А., Конюшкин А.Л., Шарапов Н.А. «Повышение разрешения двумерного томографирования по поперечной координате и раздельное восстановление упругих и вязких характеристик рассеивателя» с. 606-622

Рассматриваются пути повышения информативности практических методов акустической томографии. Предложен простой метод повышения разрешающей способности двумерного акустического томографа в направлении, перпендикулярном плоскости томографирования, за счет наклона преобразователей. Предложен алгоритм раздельного восстановления рефракционной, плотностной и поглощающей компонент рассеивателя при неполных данных рассеяния на трех частотах. Показана возможность оценки характера частотной зависимости коэффициента поглощения как дополнительного диагностического параметра. Библ. 20.

Сарвазян А.П., Филлингер Л., Гаврилов Л.Р. «Сравнительное исследование систем для динамического фокусирования ультразвука» с. 623-630

Проведено сравнительное исследование широко применяемого метода динамического фокусирования ультразвука с помощью фазированных решеток и более нового подхода, основанного на обращении акустического сигнала во времени. Разработан и изготовлен лабораторный образец фокусирующей системы с использованием метода обращения во времени. Одним из основных элементов системы является ревербератор с несколькими наклеенными на его стенки пьезопреобразователями. Проведены эксперименты, демонстрирующие возможность генерации с помощью такой системы одного или нескольких фокусов, а также способность перемещать их электронным образом на значительные расстояния (по крайней мере, на 50 мм в сторону от оси фокусирующей системы) без образования боковых лепестков и других вторичных максимумов интенсивности. Выполнено сравнение фокусирующих свойств такой системы с результатами численного моделирования двумерных фазированных решеток с параметрами, типичными для использования в экстракорпоральной хирургии. Показана существенная роль рандомизации в обоих рассмотренных методах фокусировки ультразвука. Обсуждены перспективные возможности практического использования этих методов. Библ. 26.

Свет В.Д., Галыбин Н.Н., Бакулин Е.А. «Экспериментальные измерения температуры с помощью эхо-контрастных агентов» с. 631-640

Обсуждаются результаты экспериментальных исследований спектров обратного рассеяния ультразвука на эхо-контрастных агентах (ЭКА) при изменении температуры. Использовались два типа ЭКА: Levovist, представляющий собой суспензию свободных воздушных пузырьков, и Definity, у которого пузырьки газа заключены в белковую оболочку. При увеличении температуры максимумы частотных спектров обратного рассеяния смещаются в сторону низких частот, и по величине этого сдвига возможно измерить истинную температуры. Для препарата Levovist экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетными в диапазоне температур от 34 до 44°С, и частотные сдвиги составили порядка 17 кГц/°С на частотах 3.5–5 МГц. Для препарата Definity частотный сдвиг от температуры составил 5 кГц/°С. Измеренные величины частотных сдвигов позволяют реализовать точности измерения температуры (0.1–0.2)°С. Полученные результаты указывают на перспективность специальных температурных ЭКА в оболочках для температурного картирования внутренних органов с помощью стандартной аппаратуры ультразвуковой диагностики. Библ. 29.

Синельников Е.Д., Филд Т., Сапожников О.А. «Закономерности формирования зоны термического разрушения при лечении фибрилляции предсердий катетерным методом ультразвуковой абляции» с. 641-652

Приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований недавно разработанного метода лечения фибрилляции предсердий, основанного на подведении к сердечному устью легочной вены через нижнюю полую вену специального ультразвукового катетера. Основными компонентами указанного катетера являются цилиндрический пьезопреобразователь и надувной параболический рефлектор. Действие устройства основано на создании фокусированного пучка высокоинтенсивного ультразвука с фокальной областью в виде кольца, совмещенного со стенкой легочной вены в месте ее входа в сердце. В результате ультразвукового воздействия возникает тепловое разрушение стенки сосуда и, как следствие, устраняется паразитная электрическая проводимость ткани, благодаря чему достигается лечебный эффект. Успех процедуры существенным образом зависит от правильного выбора геометрических размеров и мощности ультразвукового источника. В работе построена теоретическая модель для описания ультразвукового поля, а также проведено теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей формирования зоны термического разрушения при использовании катетера. Разработанные методы контроля акустического и температурного полей позволяют повысить эффективность и безопасность исследуемого терапевтического устройства. Библ. 23.

Смагин Н.В., Пыльнов Ю.В., Преображенский В.Л., Перно Ф. «Диагностика и доплерография потоков жидкости с помощью обращения волнового фронта ультразвука» с. 653-661

Экспериментально и теоретически демонстрируются возможности ультразвуковой велосиметрии и картографирования потоков жидкости в модельных и реальных биологических средах с использованием техники параметрического обращения волнового фронта звука. В основе предлагаемого метода диагностики потоков лежит нарушение инвариантности акустического поля по отношению к обращению времени в движущейся среде, приводящее к некомпенсируемому фазовому сдвигу обращенной волны на приемоизлучающей антенне. Обсуждаются принципы использования нелинейных акустических эффектов для повышения точности воспроизведения поля скоростей потоков. Библ. 14.

Татаринов А.М., Егоров В.П., Сарвазян А.П. «Двухчастотный ультразвуковой метод анализа скелетной системы» с. 662-671

Обзорно представлен новый двухчастотный метод в аксиальной ультрасонометрии кости для количественной оценки изменений в трубчатых костях при остеопорозе. Метод основан на использовании двух частот для возбуждения изгибной и продольной волн ультразвука, что открывает возможность дифференциальной диагностики изменений разнообразных составляющих состояния скелетной системы, таких как толщина кортикального слоя, пористость, упругие свойства ткани. Аксиальное сканирование и построение двумерных акустических профилей кости предназначены для использования топографических изменений акустических свойств с целью диагностики состояния кости. Приведены результаты лабораторных и клинических испытаний сканера BUSS (Artann Laboratories), построенного на изложенных принципах. Продемонстрированы чувствительность снимаемых характеристик к развитию остеопороза и возможность обнаружения ранних изменений в кости при этом заболевании. Библ. 25.

Хохлова Т.Д., Пеливанов И.М., Карабутов А.А. «Методы оптико-акустической диагностики биотканей» с. 672-683

Лазерная оптико-акустическая (ОА) диагностика основана на термоупругом возбуждении ультразвуковых сигналов в среде при поглощении импульсного лазерного излучения. Профиль давления такого ультразвукового (или оптико-акустического, ОА) сигнала несет информацию о распределении тепловых источников в среде, поэтому по зарегистрированным ОА сигналам можно судить о распределении в исследуемой среде поглощающих неоднородностей. За последнее время большое количество публикаций было посвящено применению ОА диагностики в различных областях биологии и медицины, например, для визуализации кровеносных сосудов и злокачественных новообразований. Основными направлениями исследований в этой области являются разработка систем регистрации ОА сигналов, методов обработки сигналов и алгоритмов построения ОА изображений. В настоящей работе представлен обзор последних разработок в этих направлениях и обсуждаются дальнейшие перспективы исследований. Библ. 40.

Акопян В.Б., Бамбура М.В., Давидов Е.Р., Ступин А.Ю., Чубатова О.И. «Изменения свойств водных растворов при их ультразвуковом распылении» с. 684-688

Трансформация разбавленных водных растворов лекарственных веществ в лечебные аэрозоли в ультразвуковых ингаляторах приводит к изменению соотношения концентраций компонентов раствора в аэрозоле и появлению новых веществ, синтезируемых обычно при кавитации в водных растворах. Показано, что для характерных концентраций составляющих растворов, предназначенных для аэрозоль-терапии, эффект концентрирования его поверхностно активных составляющих при ультразвуковом распылении в аэрозоль является наиболее значительным. Это явление необходимо учитывать в медицинской практике. Библ. 14.