Численное решение задачи ультразвукового объемного нагрева биоткани с поверхностным охлаждением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Одним из нежелательных эффектов при использовании ультразвука для экстракорпоральной терапии является перегрев кожи, вызванный как поглощением в ней ультразвука, так и контактом с нагретой поверхностью акустического излучателя. Для подавления этого эффекта может быть использовано размещение между кожей и излучающей поверхностью принудительно охлаждаемой контактной среды. Недавно в ЮФУ был предложен и разработан новый ультразвуковой аппликатор, реализующий этот подход. В нем для объемного нагревания подкожных участков биоткани используется пьезокерамический преобразователь прямоугольной формы, наклеенный на алюминиевую пластину, которая охлаждается посредством циркуляции холодной воды через просверленные в ней боковые каналы. В настоящей работе разработан численный алгоритм для расчета трехмерного температурного поля в ткани в процессе работы указанного аппликатора. Моделирование проводилось на основе неоднородного уравнения теплопроводности. Для расчета тепловых источников в ткани использовались экспериментальные данные акустической голографии, полученные для разработанного излучателя. Рассмотрен пример нагревания ткани говяжьей печени ex vivo при времени облучения от нескольких секунд до нескольких минут. Результаты моделирования сравнивались с данными эксперимента по тепловой абляции ткани при акустической мощности излучателя 12 Вт и частоте ультразвука 6.96 МГц. Показано, что комбинация теплового воздействия на ткань и охлаждения контактной границы позволяет осуществлять объемный нагрев ткани с максимумом температуры на глубине от 8 до 15 мм при незначительном изменении температуры на глубинах до 2–3 мм.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

П. А. Пестова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

А. Н. Рыбянец

Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru
Россия, пр. Стачки 194, Ростов-на-Дону, 344090

О. А. Сапожников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

М. М. Карзова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

П. В. Юлдашев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

С. А. Цысарь

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

Л. М. Котельникова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

И. А. Швецов

Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru
Россия, пр. Стачки 194, Ростов-на-Дону, 344090

В. А. Хохлова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет

Email: pestova.pa16@physics.msu.ru
Россия, Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991

Список литературы

  1. Еняков А.М. Метрологические проблемы применения ультразвука в физиотерапии // АСМ. 2015. Т. 3. № 4. С. 152–193.
  2. Mougenot C., Köhler M.O., Enholm J., Quesson B., Moonen C. Quantification of near-field heating during volumetric MR-HIFU ablation // Med. Phys. 2011. V. 38. P. 272–282.
  3. Crouzet S., Chapelon J.Y., Rouviere O., Mege-Lechevallier F., Colombel M., Tonoli-Catez H., Martin X., Gelet A. Whole-gland ablation of localized prostate cancer with high-intensity focused ultrasound oncologic outcomes and morbidity in 1002 patients // Eur. Urol. 2014. V. 65. P. 907–914.
  4. Laubach H.J., Makin I.R., Barthe P.G., Slayton M.H., Manstein D. Intense focused ultrasound: evaluation of a new treatment modality for precise microcoagulation within the skin // Dermatol. Surg. 2008. V. 34. № 5. P. 727–734.
  5. Бэйли М.Р., Хохлова В.А., Сапожников О.А., Каргл С.Г., Крам Л.А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань // Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 437–464.
  6. Haar G. Therapeutic applications of ultrasound // Prog. Biophys. Mol. Biol. 2007. V. 93. P. 111–129.
  7. Ko E.J., Hong J.Y., Kwon T.R., Choi E.J., Jang Y.J., Choi S.Y., Yoo K.H., Kim S.Y., Kim B.J. Efficacy and safety of non-invasive body tightening with high-intensity focused ultrasound (HIFU) // Skin Res. Technol. 2017. V. 23. № 4. P. 558–562.
  8. Al-Jumaily A.M., Liaquat H., Paul S. Focused ultrasound for dermal applications // Ultrasound Med. Biol. 2024. V. 50. № 1. P. 8–17.
  9. Day D. Microfocused ultrasound for facial rejuvenation: current perspectives // Res. rep. focus. ultrasound. 2014. V. 2. P. 13–17.
  10. Gutowski K.A. Microfocused ultrasound for skin tightening // Clin. Plast. Surg. 2016. V. 43. № 3. P. 577–582.
  11. Oni G., Hoxworth R., Teotia S., Brown S., Kenkel J.M. Evaluation of a microfocused ultrasound system for improving skin laxity and tightening in the lower face // Aesthet. Surg. J. 2014. V. 34. № 7. P. 1099–1110.
  12. White W.M., Makin I.R., Barthe P.G., Slayton M.H., Gliklich R.E. Selective creation of thermal injury zones in the superficial musculoaponeurotic system using intense ultrasound therapy: a new target for noninvasive facial rejuvenation // Arch. Facial Plast. Surg. 2007. V. 9. № 1. P. 22–29.
  13. MacGregor J.L., Tanzi E.L. Microfocused ultrasound for skin tightening // Semin Cutan Med. Surg. 2013. V. 32. № 1. P. 18–25.
  14. Checcucci E. et al. The real-time intraoperative guidance of the new HIFU Focal-One platform allows to minimize the perioperative adverse events in salvage setting // J. Ultrasound. 2022. V. 25. № 2. P. 225–232.
  15. Lee H.J., Lee M.H., Lee S.G., Yeo U.C., Chang S.E.. Evaluation of a novel device, high-intensity focused ultrasound with a contact cooling for subcutaneous fat reduction // Lasers Surg. Med. 2016. V. 48. № 9. P. 878–886.
  16. Brown S.A., Greenbaum L., Shtukmaster S., Zadok Y., Ben-Ezra S., Kushkuley L. Characterization of nonthermal focused ultrasound for noninvasive selective fat cell disruption (lysis): technical and preclinical assessment // Plast. Reconstr. Surg. 2009. V. 124. № 1. P. 92–101.
  17. Hongcharu W., Boonchoo K., Gold M.H. The efficacy and safety of the high-intensity parallel beam ultrasound device at the depth of 1.5 mm for skin tightening // J. Cosmet. Dermatol. 2023. V. 22. № 5. P. 1488–1494.
  18. Рыбянец А.Н., Швецов И.А., Швецова Н.А., Цысарь С.А., Котельникова Л.М., Хохлова В.А., Сапожников О.А. Cочетание объемного ультразвукового нагрева с поверхностным охлаждением как новый метод пространственной и временной локализации теплового воздействия на биоткани // Сборник Трудов XXXVI сессии Российского акустического общества. М.: ГЕОС, 2024. С. 1180–1186.
  19. Rybyanets A.N., Shvetsov I.A., Shvetsova N.A., Marakhovsky M.A., Kolpacheva N.A. Microstructure, complex electromechanical parameters and dispersion characteristics of ferroelectrically “hard” piezoceramics // J. Adv. Dielectrics. 2025. V. 15. № 3. P. 2540001.
  20. Sapozhnikov O.A., Tsysar S.A., Khokhlova V.A., Kreider W. Acoustic holography as a metrological tool for characterizing medical ultrasound sources and fields // J. Acoust. Soc. Am. 2015. V. 138. № 3. P. 1515–1532.
  21. Nikolaev D.A., Tsysar S.A., Khokhlova V.A., Kreider W., Sapozhnikov O.A. Holographic extraction of plane waves from an ultrasound beam for acoustic characterization of an absorbing layer of finite dimensions // J. Acoust. Soc. Am. 2021. V. 149. № 1. P. 386.
  22. Wong G.S., Zhu S. Speed of sound in seawater as a function of salinity, temperature, and pressure // J. Acoust. Soc. Am. 1995. V. 97. № 3. P. 1732–1736.
  23. Keravnou C.P., Izamis M.-L., Averkiou M.A. Method for estimating the acoustic pressure in tissues using low-amplitude measurements in water // Ultrasound Med. Biol. 2015. V. 41. № 11. P. 3001–3012.
  24. Андрияхина Ю.С., Карзова М.М., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Ускорение тепловой абляции объемов биологической ткани с использованием фокусированных ультразвуковых пучков с ударными фронтами // Акуст. журн. 2019. Т. 65. № 2. С. 1—12.
  25. Duck F.A. Physical properties of tissue. London: Academic Press, 1990.
  26. https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/acoustic-properties/
  27. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 с.
  28. Пестова П.А., Карзова М. М., Юлдашев П. В., Крайдер У., Хохлова В.А. Влияние траектории перемещения фокуса на равномерность температурного поля при импульсном воздействии мощного ультразвукового пучка на биологическую ткань // Акуст. журн. 2021. Т. 57. № 3. С. 250–259.
  29. Sapareto S.A., Dewey W.C. Thermal dose determination in cancer therapy // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1984. V. 10. № 6. P. 787–800.
  30. Хилл К.Р., Бэмбер Дж. Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Под ред. тер Хаар Г. Пер. с англ. М.: Физматлит, 2008.
  31. Fan X., Hynynen K. Ultrasound surgery using multiple sonications — treatment time considerations // Ultrasound Med. Biol. 1996. V. 22. № 4. P. 471–482.
  32. Venkatesan A.M., Partanen A., Pulanic T.K., Dreher M.R., Fischer J., Zurawin R.K., Muthupillai R., Sokka S., Nieminen H.J., Sinaii N., Merino M., Wood B.J., Stratton P. Magnetic resonance imaging-guided volumetric ablation of symptomatic leiomyomata: correlation of imaging with histology // J. Vasc. Interv. Radiol. 2012. V. 23. № 6. P. 786–794.
  33. Крамаренко Н.В. Обзор способов вывода критериев подобия в механике // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. Науки. 2021. T. 25. №1. С. 163–192.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) — Схема численного эксперимента, имитирующего физический эксперимент ex vivo. Плоский ультразвуковой излучатель, представляющий собой склейку прямоугольной пьезопластины (ПП) и алюминиевой пластины (АП) с каналами вдоль ее боковых участков (ОХ), прикладывался к образцу говяжьей печени с начальной температурой 23°С. АП термостатировалась путем циркуляции холодной воды с температурой 14°C по ее каналам. Внутри образца показано пространственное распределение амплитуды давления ультразвукового поля в ткани. (б) — Фронтальный вид и размеры пьезопластины (ПП показана коричневым цветом) и охлаждающей пластины (АП показана серым цветом). Синим цветом показано численное окно.

Скачать (123KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Граничные условия на поверхности излучателя (внешней поверхности алюминиевой пластины) при z = 0, используемые для моделирования ультразвукового поля, создаваемого в ткани: распределения (а) — амплитуды и (б) — фазы давления для акустической мощности излучателя 12 Вт. Штриховыми линиями показаны номинальные размеры пьезопластины 2.5×1.5 см.

Скачать (133KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Пространственные распределения амплитуды давления в воде в двух аксиальных плоскостях xz (верхняя строка) и yz (нижняя строка) на частоте 6.96 МГц для акустической мощности излучателя 12 Вт. Распределения рассчитаны (а) — по данным акустической голографии для рассматриваемого излучателя и (б) — для идеального поршневого излучателя с номинальными размерами.

Скачать (242KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Рассчитанные численно пространственные распределения амплитуды давления в ткани в аксиальных плоскостях (а) — xz, (б) — yz для частоты 6.96 МГц и акустической мощности излучателя 12 Вт.

Скачать (90KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Пространственное распределение плотности мощности тепловых антисимметричных источников Q в ткани в аксиальных плоскостях (а) — xz и (б) — yz на рабочей частоте 6.96 МГц для мощности излучателя 12 Вт.

Скачать (92KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Пространственные распределения температуры в ткани (а) — в момент времени t = 60 с после включении охлаждения образца и (б) — после установления стационарного распределения температуры в момент времени t = 80 мин. (в) — Зависимости температуры образца T от времени t на оси излучателя для характерных глубин: 3 см (синяя кривая), 1.5 см (красная кривая), 0.2 см (желтая кривая).

Скачать (163KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Пространственные распределения температуры в аксиальных плоскостях (а, в) — xz и (б, г) — yz на момент окончания облучения образца говяжьей печени при комбинации ее нагревания и охлаждения. Время облучения ткани составляло (а, б) — t = 3 мин и (в, г) — t = 5 мин. Белым контуром показана область, внутри которой тепловая доза превысила пороговое значение после остывания образца в течение 2 мин.

Скачать (117KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Результаты сравнения результатов (а, в) — численного и (б, г) — физического экспериментов по облучению ткани говяжьей печени ex vivo для акустической мощности 12 Вт и времени облучения (а, б) — 3 мин и (в, г) — 5 мин.

Скачать (105KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025