Численное решение задачи ультразвукового объемного нагрева биоткани с поверхностным охлаждением

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт 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 печениexvivoпри 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.

Об авторах

П. А. Пестова

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

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

А. Н. Рыбянец

Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета

пр. Стачки 194, Ростов-на-Дону, 344090 Россия

О. А. Сапожников

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

Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991 Россия

М. М. Карзова

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

Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991 Россия

П. В. Юлдашев

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

Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991 Россия

С. А. Цысарь

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

Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991 Россия

Л. М. Котельникова

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

Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991 Россия

И. А. Швецов

Научно-исследовательский институт физики Южного федерального университета

пр. Стачки 194, Ростов-на-Дону, 344090 Россия

В. А. Хохлова

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

Ленинские горы, ГСП-1, Москва, 119991 Россия

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-OneNAplatform 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. https://itis.swiss/virtual-population/tissue-properties/database/acoustic-properties/
  26. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1977. 736 с.
  27. 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.
  28. 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.
  29. ХиллК.Р.,БэмберДж.Ультразвук в медицине. Физические основы применения. Под ред. тер Хаар Г. Пер. с англ. М.: Физматлит, 2008.
  30. Fan X., Hynynen K. Ultrasound surgery using multiple sonications — treatment time considerations // Ultrasound Med. Biol. 1996. V. 22. № 4. P. 471–482.
  31. 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.
  32. 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

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».