АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.292
ДВИЖЕНИЕ ГРУППЫ ЖЕСТКИХ МИКРОЧАСТИЦ В ВЯЗКОУПРУГОЙ СРЕДЕ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АКУСТИЧЕСКОЙ РАДИАЦИОННОЙ СИЛЫ © 2014 г. В. Г. Андреев*, **, А. В. Шанин*, **, И. Ю. Дёмин**
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет
119991ГСП-1, Москва, Ленинские горы E-mail: andreev@acs366.phys.msu.ru **Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950 Н. Новгород, пр. Гагарина 23 Поступила в редакцию 16.06.2014 г.
Теоретически и экспериментально обосновывается метод обнаружения микрокальцификатов в ткани молочной железы. Соли кальция откладываются в мягких тканях, чаще всего образуя кластеры из отдельных микрочастиц. Изучается движение твердых микрочастиц, распределенных в вязко-упругой среде. Смещение частиц вызывается радиационной силой, возникающей вследствие рассеяния и поглощения энергии ультразвукового пучка, сфокусированного в область с частицами. Радиационная сила действует в течение 200 мкс, после чего среда с распределенными частицами ре-лаксирует в исходное состояние. Движение среды вместе с частицами измеряется кросс-корреляционным методом с использованием коротких зондирующих импульсов, следующих с частотой 5 кГц. Наличие твердых микрочастиц приводит к изменению характера движения среды после импульсного ультразвукового воздействия. Амплитуда и длительность смещений возрастают по сравнению с однородной средой, при этом сам характер движений значительно усложняется.
Ключевые слова: микрокальцификаты, ультразвуковая диагностика, радиационная сила, мягкие биологические ткани.
БО1: 10.7868/8032079191406001Х
ВВЕДЕНИЕ
Микрокальцификаты (минеральные отложения в виде микрокристаллов) являются диагностическим признаком развития злокачественной опухоли в молочной железе [1]. В настоящее время маммография является "золотым стандартом" для обнаружения микрокальцификатов. Микрокальцификаты выглядят на маммограмме как белые точки с размерами порядка миллиметра, распределенные в области 1—2 см. При различных патологических изменениях тканей встречаются разные типы отложений. Существует классификация [2], согласно которой проводится разделение микрокальцификатов на три категории: доброкачественные, злокачественные и имеющие неоднозначные свойства, вызывающие подозрение на злокачественность. При определении типа кальцификата исследуют такие характеристики отложений, как морфология, размер, количество и распределение частиц, а также изменчивость образований. Как правило, морфологические признаки являются наиболее важными при диагностике. Злокачественные кальцификаты обычно гетерогенные или плеоморфные, имеют неправильную форму и неровные края, могут иметь грани наподобие кристаллов соли, отличаются по форме и
размеру. При этом размер отдельной частицы, как правило, не превышает 200—300 мкм. Частицы могут представлять собой линейные структуры или иметь линейное ветвление, встречается стержневая или У-образная форма. Такие кальцификаты образуют кластеры, бывают распределены линейно или сегментарно.
Стандартная аппаратура ультразвуковой диагностики, имеющая значительное преимущество перед лучевыми методами в плане безопасности, неэффективна в обнаружении микрокальцифи-катов. Это связано с малыми размерами твердых микрочастиц, в результате чего отраженные от них сигналы трудно обнаружить на фоне мелкоструктурной неоднородности ультразвукового изображения, вызванной спеклами. Наиболее часто для обнаружения и визуализации микрокаль-цификатов используют специальные адаптивные фильтры [3], позволяющие выделять яркие точки от микрокальцификатов размером в несколько пикселей на фоне спекловой структуры. Эти фильтры хорошо зарекомендовали себя при визуализации достаточно больших скоплений микро-кальцификатов, однако для обнаружения небольших скоплений и отдельных микрочастиц (что важно для ранней диагностики рака) такие фильтры неэффективны. В работе [4] предлагается
7
673
проводить статистический анализ спекловой картины и вычислять спекл-фактор как отношение вариации интенсивности к квадрату средней интенсивности ультразвукового изображения. Выставляя пороговое значение для этого параметра и используя тот факт, что изображение микро-кальцификата в несколько раз ярче среднего спе-клового фона, можно обнаруживать яркие точки размером в несколько пикселей. Метод работает в областях с малой эхогенностью, в то время как в сильно неоднородных областях с большой эхогенностью его эффективность мала.
Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию нового метода выявления микрокальцификатов в молочной железе, основанного на изменении характера движения среды с твердыми микрочастицами при воздействии на среду достаточно длительным (порядка сотен микросекунд) акустическим импульсом. Такой импульс создает радиационную силу, пиковое значение которой максимально в области частиц. Движение среды в этом случае имеет достаточно сложный характер и определяется смещением как отдельных частиц, так и самой среды.
Следует отметить рост числа работ по изучению воздействия акустической радиационной силы на твердые микрочастицы в жидкостях и ге-леобразных средах [5—8]. Это направление исследований напрямую связано с развитием новых методов создания биочипов и формирования сложных клеточных структур типа биологической ткани. В частности, предлагается использовать радиационное давление для создания упорядоченных структур как на поверхности образца, так и в объеме [7, 8].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
В качестве фантомов мягких тканей использовались образцы, изготовленные из желатина (5%) и крахмала (4%). Для обеспечения уровня спек-лов, характерного для мягких тканей, в композицию добавлялся зубной порошок (0.2%). При изготовлении образцов тщательно следили, чтобы в объем не попадали пузырьки воздуха. Композиция заливалась в пластиковые емкости и охлаждалась сначала на воздухе, а затем в холодильнике. Часть раствора заливалась в отдельную емкость, где проводилось измерение статического сдвигового модуля по вдавливанию жесткого шарика. Параметры фантома: сдвиговый модуль ц = 2.4 ± 0.1 кПа, коэффициент сдвиговой вязкости п = 0.3 ± 0.1 Па с, плотность р = 1 г/см3. Микрокальцификаты имитировались пластиковыми сферическими частицами с плотностью = = 2.5 г/см3. При изучении движения отдельной частицы фантом создавался в два этапа. Сначала на дно пластиковой емкости высотой 65 мм зали-
вался слой раствора желатина толщиной 25 мм. Когда слой частично загустевал, на его поверхность укладывалась сферическая частица, после чего емкость заполнялась на высоту 30—35 мм над поверхностью слоя. В экспериментах использовались частицы диаметром 1.45 и 0.75 мм. Для создания области с группой частиц в исходный желатиновый раствор добавлялись частицы диаметром 0.75 мм в таком количестве, чтобы получить заданную концентрацию. Раствор тщательно перемешивался и заливался в пробирку диаметром 15 мм, где он полимеризовался при периодическом переворачивании пробирки. В результате получались желатиновые столбики с равномерно распределенными частицами. Рабочая концентрация частиц 120 ± 10 см-3, что соответствовало среднему расстоянию между частицами 2 мм. Фантом с группой частиц изготавливался также в два этапа, только вместо отдельных частиц использовался предварительно изготовленный желатиновый столбик с шариками. Высота столбика выбиралась в пределах 10-25 мм. Сначала на дно пластиковой емкости заливался слой раствора желатина толщиной 30 мм. При этом по центру емкости располагался металлический цилиндр диаметром 16 мм, основание которого находилось на высоте 20 мм от дна емкости. После застывания слоя желатина цилиндр вынимался, и в полученную цилиндрическую полость вставлялся желатиновый столбик с частицами. Затем пластиковая емкость заполнялась на высоту 30-35 мм над поверхностью слоя.
Измерения проводились с использованием ультразвуковой диагностической системы Уега8отс8 с открытой архитектурой. Система позволяет программным образом формировать излучаемые импульсы и обеспечивает доступ к принимаемым высокочастотным сигналам. Программирование системы производится в среде Ма1^В. Система имеет дополнительный блок питания, позволяющий генерировать импульсы произвольной длительности и повышенной мощности, что также отличает ее от стандартной системы ультразвуковой диагностики. В работе использовался стандартный многоэлементный датчик L7-4, показанный на рис. 1а, с параметрами: число элементов 128, размер элемента 7 х 0.283 мм, расстояние между соседними элементами 0.025 мм.
Фокусировка пучка в плоскости изображения (К) осуществлялась электронным образом путем возбуждения элементов датчика с заданными временными задержками. Фокусировка в перпендикулярной плоскости (ХУ) осуществляется акустической линзой с фокусным расстоянием 40 мм. На рис. 2 показано распределение интенсивности поля датчика L7-4 в воде в фокальной плоскости (ХУ) и продольной плоскости (У2) при фокусировке в точку на расстоянии 30 мм от поверхности датчика. Измерения проводились в
ДВИЖЕНИЕ ГРУППЫ ЖЕСТКИХ МИКРОЧАСТИЦ В ВЯЗКОУПРУГОЙ СРЕДЕ (а) (б) (в)
о о /оТо □
Рис. 1. (а) Общий вид желатинового фантома с установленным многоэлементным датчиком L7-4. (б) Геометрия расположения одиночных пластиковых сферических частиц диаметром 0.75 и 1.45 мм в желатиновом фантоме. (в) Схема измерений с группой сферических частиц диаметром 0.75 мм.
0.2 0.4
X, мм
0.6
0 0.2 0.4 0.6 Y, мм
Рис. 2. Распределение интенсивности поля датчика L7-4 в воде в фокальной плоскости (ХУ) и плоскости (УТ) при фокусировке в точку на расстоянии 30 мм от поверхности датчика.
8
6
4
2
0
бассейне, заполненном деионизированной водой, с использованием трехкоординатной системы позиционирования. Давление измерялось игольчатым гидрофоном с размером чувствительного элемента 40 мкм (Precision Acoustics). Сканирование поля проводилось с шагом 80 мкм. Фокальная область имеет размеры по уровню половинной интенсивности 1.8, 0.4, и 2.2 мм соответственно вдоль осей X, Yи Z.
Измерения смещений как отдельных частиц
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.