АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2008, том 54, № 3, с. 499-504
АКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. ^^^^^^^^^^ БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
УДК 534.8
СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТОТЕРМОГРАФИИ И ИК-ТЕПЛОВИДЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ НАГРЕВЕ МОДЕЛЬНОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА
© 2008 г. А. А. Аносов1,2, Ю. Н. Барабаненков1, К. М. Бограчев1, Р. В. Гарсков3,
А. С. Казанский4, А. С. Шаракшанэ5
1 Институт радиотехники и электроники РАН 125009 Москва, центр, ГСП-3, ул. Моховая 11 Тел.: (495) 924-5285; Факс: (495) 924-5285 2 Московская медицинская академия им. И.М. Сеченова 119992 Москва, ул. Б. Пироговская 2/6 Тел.: (495) 367-1872; Факс: (495) 248-0181 3 ООО "ИРТИС" 101000, Москва, Старосадский пер. 8, стр. 1 Тел. (495) 746-2265; Факс: (495) 624-2351
4 Московский государственный институт радиотехники, электроники
и автоматики (технический университет) 119454 Москва, проспект Вернадского 78 Тел. (495) 433-00-66 Факс (495) 434-92-87
5 Институт биохимической физики РАН 117997 Москва, ул. Косыгина 4
Тел: (495) 135-7894, факс: (495) 137-4101 E-mail: aanosov@atom.ru Поступила в редакцию 19.03.07 г.
Проведен эксперимент, моделирующий нагрев биологического объекта. В качестве модельного объекта использовали говяжью печень. Контролировали глубинную температуру при нагреве-охлаждении печени с помощью линейки из трех акустотермометров и параллельно регистрировали тепловое электромагнитное излучение в ИК-диапазоне для контроля поверхностной температуры объекта. Результаты акустотермометрических измерений и ИК-тепловидения полностью коррелировали с динамикой нагрева-охлаждения. Одновременное использование и акустотермометров, и ИК-тепловидения позволяет повысить надежность получаемой информации.
PACS: 43.60.Kx, 43.60.Rw, 43.80.Ev, 43.80.Vj
В медицине используются процедуры нагрева тканей организма: гипертермия - сравнительно незначительный нагрев до 42-45°С и термоабляция - в этом случае ткань прогревают вплоть до 100°С. Одной из проблем при этом является контроль температуры нагреваемого органа. Для этой цели можно использовать акустотермогра-фию - регистрацию теплового акустического излучения. Этот вопрос рассматривается теоретически [1-4], а также проводятся модельные эксперименты [4-6]. Теоретические оценки показывают, что потенциально акустотермография позволяет определять температуру в глубине (510 см) объекта с точностью до 0.5-1 К с пространственным разрешением около 1 см3. Модельные эксперименты по гипертермии проведены с печенью, причем для нагрева использовали инфракрасный лазер. В работе [5] измерения температуры проводили одним акустотермометром после
прекращения нагрева, в работе [6] температура регистрировалась в течение всего времени нагрева (около 5 мин) 12 канальным акустояркостным термометром.
В нашей работе поставлена задача - экспериментально смоделировать процедуру нагрева ткани при включенном и выключенном источнике тепла. В качестве модельного объекта используется говяжья печень. Контроль глубинной температуры в течение всей процедуры осуществляется с помощью линейки из трех акустотермометров. При этом параллельно предлагается регистрировать тепловое электромагнитное излучение в инфракрасном (ИК) диапазоне для контроля поверхностной температуры объекта.
Измерения теплового акустического излучения не требуют специальной подготовки модельного объекта: мы промыли печень и поместили
499
11*
2 3 4
(б)
ИТ
(лтз)
Рис. 1. Схема эксперимента: вид сверху (а) и фронтальный (б). ИТ - источник тепла, 1-6 - электронные термометры, АТ1-3 - акустотермометры, диаграммы направленности которых показаны серым цветом.
ее до начала эксперимента в воду на один час. Схема эксперимента показана на рис. 1 в двух ракурсах: вид сверху (а) и фронтально (б). Печень размером приблизительно 16 х 10 х 5 см3 находилась в аквариуме с водой, при этом ее верхняя часть немного (на 2-3 мм) выступала из воды. В печень сверху на глубину 3.5 см вертикально вставили металлический прут ИТ диаметром 4 мм (обычный паяльник мощностью 25 Вт), который за 20 мин разогревался до температуры 80-90°С. Сценарий нагрева был следующий: нагреватель включили на 16 мин, отключили на 14 мин, включили снова на 10 мин и окончательно выключили. Вся процедура заняла около 80 мин. Нагрев объекта контролировали пятью электронными термометрами (еще один термометр измерял темпе-
ратуру аквариума) с точностью 0.3 К. Термометры были вставлены в печень на глубину около 1 см на разном расстоянии от нагревателя. Поверхностную температуру объекта сверху измеряли тепловизором - портативным компьютерным термографом ИРТИС-2000 (www.irtis.ru) с чувствительностью 0.05 К. Прибор регистрировал электромагнитное излучение в ИК диапазоне с верхней (выступающей из воды) поверхности печени. Датчики акустотермометров были расположены в аквариуме на глубине 3 см от поверхности воды. Если смотреть со стороны акустотермометров, печень прогревали на глубине 5 см1. Это расстояние можно считать характерным для организма человека. Акустотермометры, разработанные группой С.Н. Антонова и В.И. Миргородского [7], имели следующие параметры: полоса приема - 1.8 ± 0.2 МГц, диаметр приемника - 9 мм. На рис. 1 серым цветом обозначены диаграммы направленности (аппаратные функции) акустических антенн. Принимаемый акустический сигнал преобразовывался в электрический, усиливался и подавался на 12-разрядный АЦП с максимальной частотой дискретизации 30 МГц.
Снимок печени в ИК диапазоне представлен на рис. 2. Для построения изображения использованы оттенки черно-белой гаммы. На рисунке виден нагретый источник, нагретые участки печени и провода, ведущие к электронным термометрам. Так как тепловизор располагался не сверху от объекта, а под углом к нему, изображение зоны нагрева имеет вид эллипса. Если соответствующим образом повернуть изображение, т.е. "установить" тепловизор вертикально, то зона нагрева будет круговой. Источник тепла обладает осевой симметрией и можно считать, что печень изотропна по отношению к нагреву. Этот результат мы будем учитывать для построения распределения температуры в глубине объекта и считать, что оно симметрично относительно оси нагревателя. При построении использована аппроксимация данных пяти термометров, расположенных на разных расстояниях от нагревателя на глубине 1 см (см. рис. 1). Полученные результаты как функция времени и в зависимости от расстояния до нагревателя показаны на рис. 3 а. Изменение поверхностной температуры, измеренной тепловизором, показано на рис. 36. При сравнении рисунков видно, что пространственно-временные распределения глубинной и поверхностной температур достаточно хорошо коррелируют.
Подробнее остановимся на акустических измерениях. Измеряемой величиной является квадрат
1 В работе [6] глубина, на которой находился нагреватель,
была меньше и составляла около 1 см.
печень
Рис. 2. ИК изображение источника тепла и нагретой печени с температурной шкалой. Заметны провода, ведущие к электронным термометрам.
давления теплового акустического излучения, который пропорционален температуре объекта. Если измеряемый сигнал прокалибровать в градусах, то получается акустояркостная температура [8]. Для калибровки использовали акустическое черное тело - пластилин, акустояркостная температура которого близка к его термодинамической температуре. Показания приборов достаточно медленно менялись со временем, и чтобы избавится от незначительного дрейфа аппаратуры, мы периодически перекрывали на 30 с сигнал из объекта. В это время мы принимали излучение из аквариума, т.е. измеряли его акустояркостную температуру. Термодинамическая температура аквариума за время эксперимента практически не изменилась. В течение следующих 30 с сигнал "шел" от объекта, т.е. мы измеряли акустояркостную температуру печени. Определяли разность сигналов - инкремент акустояркостной температуры. Временная зависимость измеряемых сигналов для трех акустотермометров представлена на рис. 4. Относительная величина сигналов полностью определяется характером распределения температуры: максимальный сигнал регистрируется ближайшим к нагревателю аку-стотермометром, минимальный - наиболее удаленным. Инкременты акустояркостных температур четко коррелируют с изменениями сценария гипертермии: после включения нагрева сигналы увеличиваются, после отключения - уменьшаются.
Для сравнения экспериментальных данных с теоретическими необходимо знать поглощение ультразвука в печени. Для определения коэффициента поглощения между нагретым пластилином и акустотермометрами помещали слой печени толщиной в 1 см. Сравнение измеренных сигналов, идущих от нагретого пластилина через печень и без печени, позволило рассчитать коэффициент затухания ультразвука по интенсивности. На частоте около 1.8 МГц он составляет 0.5 1/см (по данным работы [6] коэффициент затухания в печени на частоте 2 МГц равен 0.6 1/см).
Расчетные значения инкремента акустояркостной температуры АТа определяются с помощью известного интегрального уравнения [8]:
АТа = |аАТ ехр (-ах) йх, (1)
п
где интегрирование по оси х ведется вдоль диаграммы направленности датчика в области П, где инкремент термодинамической температуры АТ не равен нулю, т.е. в пределах исследуемого объекта, а а - коэффициент поглощения по интенсивности, который считается постоянным.
Использовать выражение (1) следует, учитывая следующие ограничения. Вообще говоря, интегрирование надо проводить с учетом поперечного размера диаграммы направленности, но расчеты показывают, что, при данной схеме эксперимента, изменение результата несуще-
(а)
Расстояние от нагревателя, см 5
4-
3 -
2-
1
°С 70
60
50
40
30
20
0 10 20 30 40 50 60
Время, мин
(б)
4
3 -
2
1
40
30
20
0 10 20 30 40 50 60
Время, мин
Рис. 3. Пространственно-временная зависимость а) глубинной температуры печени (аппроксимация по данным электронных термометров) и б) поверхностной температуры, полученной с помощью ИК-тепловиде-ния. Показаны периоды нагрева и охлаждения объекта.
ственно. В выражение (1) входит коэффициент поглощения, а мы измерили (и будем использовать в расчетах) коэффициент затухания. Заметим, ч
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.