АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2009, том 55, № 4-5, с. 546-556
УДК 534.8
АКУСТОТЕРМОМЕТРИЯ. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2009 г. А. Д. Мансфельд
Институт прикладной физики РАН 603950Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 Тел.: (831)4365660; Факс: (831)4363792; E-mail: mansfeld@appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 11.02.09 г.
В статье 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.
РЛС8: 43.60 Я^ 43.80.Ev, 43.80.Vj
Измерение внутренней температуры тела может дать уникальную диагностическую информацию. В ряде случаев изменения температуры могут предшествовать морфологическим изменениям тканей, которые можно зарегистрировать с помощью средств интроскопии — рентгена, УЗИ и т.д. [1, 2]. Для измерения внутренней температуры возможно использование методов магниторе-зонансной термометрии [3] и СВЧ радиотермометрии [4]. Магниторезонансная термометрия имеет один недостаток — высокую стоимость аппаратуры и ее обслуживания. СВЧ радиотермометрия, обладая высокой чувствительностью, имеет низкое пространственное разрешение. Поэтому появление работ по акустотермометрии, т.е. методике измерения внутренней температуры тела, основанной на приеме собственного акустического излучения, было весьма обнадеживающим. Работы по акустотермометрии как направлению в ультразвуковой диагностике ведутся уже более 25 лет [5—7]. Работа акустотермометров основана на приеме акустического излучения, порождаемого тепловым движением атомов и молекул среды. Достоинством акустотермометрии, как и в случае СВЧ термометрии, является возможность дистанционного измерения внутренней температуры тела без какого-либо воздействий на организм. Другим достоинством акустотермометрии является высокое пространственное разрешение, позволяющее, в отличие от СВЧ термометрии, определить направление на источник с аномальной температурой и даже построить его изображение. Теория акустической термометрии в основном построена благодаря работам В.И. Пасечника с соавторами. В настоящее время созданы лабораторные образцы акустотермометров, имеющие температурную чувствительность, исчис-
ляемую десятыми долями градуса, и позволяющие осуществлять сканирование объекта. В ИПФ РАН разработаны и построены 6- и 16-канальные акустотермометры, с помощью которых проводятся лабораторные и натурные эксперименты при гипертермии [8—10], а также 12-канальный сканирующий акустотермометр [11]. Разработаны алгоритмы восстановления изображений, с помощью которых возможно картирование внутренней температуры с высокой пространственной разрешающей способностью [12, 13]. Вместе с тем на этом пути возникает ряд проблем, обсуждению которых посвящена настоящая статья.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ, НЕОБХОДИМАЯ И РЕАЛИЗОВАННАЯ
Одним из важнейших параметров акустотер-мометра является его температурная чувствительность, т.е. возможность регистрации малых изменений температуры. Необходимая чувствительность зависит от решаемой задачи. Прежде всего разделим возможные задачи акустотермометрии. Их фактически три. Во-первых, это измерение температуры каких-либо новообразований внутри тела и зон, в которых происходят процессы, приводящие к изменению (как повышению, так и понижению) температуры. Во-вторых, это контроль температуры ткани в процессе гипертермии, т.е. при искусственном нагреве ткани внешними излучениями (лазерная, СВЧ, ультразвуковая гипертермия). В-третьих, это долговременный контроль температуры внутренних органов, например, в результате какого-либо воздействия. В первом случае температура патологической области изменяется весьма мало, как правило, в пределах одного градуса, т.к. кровоток и теплопроводность
тканей ее выравнивают. В данном случае для получения диагностической информации нужна чувствительность, составляющая десятые доли градуса, т.е. необходимая чувствительность находится на пределе реально достижимой чувствительности акустотермометра. Во втором случае, т.е. при гипертермии, изменение температуры составляет единицы градусов. Такие изменения температуры вполне могут быть зарегистрированы с помощью акустотермометра, и есть надежда, что акустотермометрия будет весьма полезной. Ясно, что в этом случае время измерения должно быть минимальным, т.к. сама процедура скоротечна, и необходимо исключить риск перегрева ткани. Наконец, в третьей задаче, т.е. при исследовании разного рода воздействий, необходимая чувствительность может достигаться за счет применения достаточно большого времени измерения (в данном случае это допустимо), что дает надежду на развитие акустотермометрии в качестве инструмента контроля.
Сделаем оценки величины температурной чувствительности в зависимости от параметров акустотермометра. Прежде всего, заметим, что акустический радиометр измеряет акустическое излучение, порождаемое тепловым движением атомов и молекул среды. Это излучение характеризуется акустояркостной температурой, которая измеряется в градусах Кельвина. Акустояркост-ная температура отличается от термодинамической температуры среды и зависит от ряда факторов: коэффициента поглощения среды и нагретого объекта, удаленности и его размеров.
Общее выражение для чувствительности радиометра определяется следующим выражением [14]:
8Т =
QTS ,
-у/А/ тп'
(1)
факт, что радиометр принимает сигнал от тела, имеющего температуру примерно 310 К. Таким образом, температура системы не может быть меньше этой величины. Температура шума, приведенная к входу приемного усилителя, определяется выражением:
Твх.пр = Т П + Ta(1 - п) + ТПр.
(2)
:.пр ■*■ ср" I 1 ■*■ а\А ■ I/ 1 ■*■ пр*
В свою очередь, ТПр = (Кш - 1)Т0, где Кш — коэффициент шума приемного усилителя, Т0 — его термодинамическая температура. Тогда
Твх.пр = ТсрП + Та(1 - п) + (Кш - 1) То . (3)
Если температура среды и температура антенны выравниваются с помощью термостата, а температура приемника близка к комнатной, т.е. абсолютные температуры Тср ~ Та ~ Т0, тогда для температуры системы, приведенной ко входу антенны, получим простое выражение:
Т
гр _ -*вх.пр
-L s
ТоК,г
(4)
где 9 — коэффициент, зависящий от типа приемника (от 1 для компенсационного приемника до 2.8 для модуляционного); Т — температура системы "источник — антенна — усилитель", А/ — полоса сигнала, т — время усреднения, п — число независимых каналов радиометра, измеряющего температуру данного объекта, дТ — среднеквадратичное значение ошибки измерения акустояр-костной температуры (фактически — чувствительность акустотермометра).
Для оценки чувствительности акустотермометра вычислим температуру системы Т, которая определяется температурой среды Тср, коэффициентом полезного действия антенны п, ее термодинамической температурой Та и шумовой температурой приемника Тпр. Важным обстоятельством, определяющим чувствительность акустотермо-метра медицинского применения, является тот
П П
При применении малошумящих транзисторов Кш не превышает величину порядка 1 дБ (т.е. увеличение мощности шума относительно шума антенны не превышает 1.26), а КПД датчика, измеренный методом переменных нагрузок [15], составляет 0.7—0.8. Тогда для Т0 ~ 310 К, из (1) получим Т ~ 540 К, и для А/ « 1 МГц и т « 10 с дТ~ ~ 0.17 К. В настоящее время параметры построенных образцов акустотермометров весьма близки к предельно возможным. Даже если бы прием был идеальным, т.е. КПД антенны был бы равен единице, а приемник не вносил шума, температура системы составляла бы величину 310 К и, таким образом, неидеальность приемника и антенны повышает температуру системы, а следовательно, ухудшает чувствительность лишь в 1.8 раза.
Казалось бы, чувствительность дТ ~ 0.17 К вполне достаточна для большинства приложений. Вспомним, однако, что речь идет о акустояр-костной температуре, приращение которой всегда меньше приращения термодинамической и, как уже упоминалось, зависит от многих параметров объекта.
Для приращения акустояркостной температуры А Тая нагретого слоя толщиной Н, находящегося на расстоянии Ь от приемной антенны, в зависимости от приращения термодинамической температуры А Т справедливо следующее выражение [7]:
ДТая = ДТ(1 - Щ2)ехр(-уХ)(1 - ехр(-уЯ), (5)
где у — коэффициент поглощения ультразвука.
Так, например, приращение акустояркостной температуры сантиметрового образца биоткани на частоте 2 МГц (у ~ 0.23 Нп/см) составляет всего лишь пятую часть от приращения термодинами-
AT, K
О 100 200 300 400 500 600 700 t, c
Рис. 1. Шумовая дорожка на выходе акустотермомет-
ра при изменении температуры на 1 градус. Ширина
серой полосы соответствует 0.17 К.
ческой, т.е. приращение акустояркостной составляет всего 0.2 К при приращении термодинамической на 1 К, а величина чувствительности 0.17 К реализуется лишь для акустически абсолютно черного тела (т.е. тела с бесконечной акустической "чернотой" уН). При этом априори коэффициент поглощения и конфигурация нагретого объекта неизвестны, поэтому истинную его температуру трудно оценить. Отметим, что измерения коэффициента поглощения ультразвука в тканях очень сложны даже в случае их проведения in vitro, когда есть возможность зондирования в режиме "на просвет" [16]. В случае живого организма измерение "на просвет" возможно лишь в очень редких случаях. Кроме того, если нагретая структура находится на некотором расстоянии от поверхности тела L, то энергия сигнала уменьшается из-за наличия затухания. Например, для средней частоты приема 2 МГц потери энергии в биотканях при расстоянии 5 см составят примерно 10 дБ, т.е. энергия сигнала уменьшится в 10 раз, а следовательно, во столько же раз упадет и чувствительность. Кроме того, величина 5T есть среднеквадратичное отклонение, и оно составляет примерно шестую часть шумовой дорожки, регистрируемой на выходе радиометра (рис. 1). Чтобы заметить изменения температуры с величиной 5T, нужно эту дорожку зарегистрировать, т.е. фактичес
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.