научная статья по теме АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КИСТИ РУКИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ГИПЕРТЕРМИИ И ГИПОТЕРМИИ Физика

Текст научной статьи на тему «АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КИСТИ РУКИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ГИПЕРТЕРМИИ И ГИПОТЕРМИИ»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2013, том 59, № 1, с. 109-114

AКУСТИКА ЖИВЫХ СИСТЕМ. БИОМЕДИЦИНСКАЯ АКУСТИКА

УДК 534.8

АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КИСТИ РУКИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ГИПЕРТЕРМИИ И ГИПОТЕРМИИ

© 2013 г. А. А. Аносов1, 2, Р. В. Беляев3, В. А. Вилков3, М. В. Дворникова4, В. В. Дворникова4, А. С. Казанский1, Н. А. Курятникова4, А. Д. Мансфельд3

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН 125009 Москва, ул. Моховая 11 Тел.: (495) 924-52-85; Факс: (495) 924-52-85 E-mail: anosov@hotmail.ru 2Первый московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова 119992 Москва, ул. Б. Пироговская 2/6 Тел.: (495) 367-18-72; Факс: (495) 248-01-81

3Институт прикладной физики РАН 603950Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 Тел.: 7(831) 436-58-10; Факс: 7(831) 436-97-17 4Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)

119454 Москва, пр-т Вернадского 78 Тел.: (495) 433-00-66; Факс: (495) 434-92-87 Поступила в редакцию 18.02.2012 г.

Представлены результаты акустотермометрического контроля локальной гипотермии и гипертермии кисти человека. Испытуемые на несколько минут опускали руки в холодную и горячую воду. Измерения теплового акустического излучения проводили двумя датчиками со стороны ладони и с тыльной стороны кисти. Были восстановлены профили глубинной температуры в кисти. Косвенная оценка погрешности восстановления составила 0.6°С, что приемлемо для медицинских приложений. При гипертермии руку держали в течение двух минут в воде с максимальной температурой 44°С. При этом глубинная температура составила 35.4 ± 0.6°С. При гипотермии руку держали в течение пятнадцати минут в воде с температурой 17.8°С. При этом глубинная температура снизилась с 26 до 24°С. Использование плоской приемной решетки из четырех датчиков позволило провести динамическое картирование акустояркостной температуры кисти.

Ключевые слова: тепловое акустическое излучение, восстановление температуры, гипертермия, гипотермия.

БОТ: 10.7868/80320791913010024

В медицинской практике при изменении температуры мягких тканей организма человека (например, при гипертермии или гипотермии) важно иметь информацию о глубинной температуре: слабое изменение температуры не даст должного эффекта, а сильное — может быть опасно. Для контроля температуры естественно использовать безболезненные неинвазивные методы (если они гарантируют достаточную точность). Во многих работах [1—12] для этой цели предлагается использовать акустотермографию, т.е. измерять тепловое акустическое излучение исследуемого объекта.

В данной работе мы провели модельные локальные гипертермию и гипотермию кисти руки человека (незначительные нагрев и охлаждение руки совершенно безопасны) и восстановили из-

менение профиля температуры в кисти от ладони к тыльной стороне. В работе [1] был восстановлен профиль температуры в кисти, однако отслеживание динамики изменения температуры при изменении внешнего теплового воздействия не проводилось.

Принципиальная схема эксперимента показана на рис. 1. Испытуемые (в измерениях участвовали 4 человека) погружали кисть 1 в контейнер (размером 70 х 35 х 10 см3), заполненный водой, температуру которой меняли в широких пределах от 15 до 44°С. Помещение руки в холодную (15— 18°С) и в теплую (39—44°С) воду моделировало локальную гипотермию и гипертермию соответственно. Температуру контейнера контролировали электронными термометрами (производитель Я8Т, Швеция): точность измерений составляла

(а)

7

О

тыльной стороне кисти сводится к решению системы из двух интегральных уравнений:

ТА лад — Т0 +

Тл

— Тп +

|у ехр (-ух)(Т - То )йх

о

й ' |у ехр (-у (й - х)) (Т - То) йх

(1)

Рис. 1. Принципиальная схема (а) эксперимента: 1 — кисть; 2, 3 — датчики акустотермографа 4. Расположение (б) датчиков (5—8) для динамического картирования акустояркостной температуры.

0.3°С. Для измерений теплового акустического излучения были использованы датчики 2, 3 многоканального акустотермографа 4 [4—6], разработанного в ИПФ РАН (полоса пропускания 1.2— 2.7 МГц, пороговая чувствительность при времени интегрирования 50 с — 0.15°С, диаметр датчика 8 мм). Принимаемые акустические сигналы преобразовывались в электрические, которые усиливались, проходили через квадратичный детектор и усреднялись в течение 30 мс. С выхода акустотермографа сигналы подавались на 14-разрядный многоканальный АЦП Е14-140 (ЗАО '^-Сагё") с частотой дискретизации 1 кГц на один канал и поступали в компьютер. Разработанная программа проводила дальнейшее усреднение данных. Чтобы получить данные для восстановления профиля температуры, два датчика устанавливали с двух сторон (с тыльной стороны и со стороны ладони) симметрично относительно кисти испытуемого. Также было проведено динамическое картирование акустояркостной температуры кисти (рис. 1б): при этом использовали плоскую приемную решетку из четырех (обозначены цифрами 5—8 на рис. 1б) датчиков, установленных со стороны ладони.

При моделировании гипотермии руку держали в воде 10—15 минут, при моделировании гипертермии — 3 минуты. Измерения начинали не раньше, чем через минуту после того, как опускали руку в контейнер. Мы считали, что этого времени достаточно, чтобы температура поверхности кожи практически сравнивалась с температурой контейнера Т0. Измерение температуры руки продолжалось 50 с, после чего в течение 60 с измерялся сигнал из контейнера. Затем процедура повторялась. Мы предполагали, что незначительным изменением температуры во время одного измерения можно пренебречь. Нахождение профиля внутренней температуры Т(х) от ладони к

где ТА лад и ТА тыл — акустояркостные температуры, измеренные со стороны ладони и с тыльной стороны кисти соответственно, у — коэффициент поглощения ультразвука по интенсивности, d — толщина руки, ось х направлена от ладони к тыльной стороне кисти.

В данной модели мы предположили, что исследуемая среда — кисть руки — акустически однородна, пренебрегли рассеянием ультразвука и считали, что коэффициент поглощения не меняется. С одной стороны, это модельное представление слабо согласуется с анатомическими данными: кисть руки человека акустически неоднородна: мягкая мышечная ткань соседствует с костями, кожей, сухожилиями и т.п. С другой стороны, важно не само наличие неоднородностей, а их влияние на акустотермометрический сигнал. Например, в электрокардиографии считается, что организм является однородной по электропроводности средой (хотя это не так), потому что существующие неоднородности практически не влияют на измеряемые сигналы. В пользу предлагаемой нами модели однородной среды укажем, что в работе [5] мы исследовали вопрос влияния акустических неоднородностей на измеряемую акустояркостную температуру для модельного объекта (пластилина, в который был помещен металлический стержень): результаты показали, что влияние неоднородностей несущественно. Это связано с тем, что акустояркостная температура является интегральной характеристикой исследуемой среды.

Мы проводили два измерения, поэтому могли восстановить не более двух параметров температурного профиля. Температурное распределение было представлено в виде многочлена третьей степени (как и в работе [1]):

Т(х) = Т0 + (С1х + С2)х^ — х), (2)

где С1 и С2 — два искомых параметра. Значения температуры на поверхности ладони х = 0 и тыльной стороне кисти х = d равны температуре контейнера Т(0) = Т(ф = Т0. Если измеренные значения акустояркостных температур ТА лад и ТА тыл не равны друг другу, то профиль температуры несимметричен, а использование многочлена третьей степени позволяет получать несимметричные решения. Для нахождения параметров С1 и С2 из вы-

4

2

3

о

АКУСТОТЕРМОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КИСТИ РУКИ ЧЕЛОВЕКА

111

ражений (1) и (2) была получена линейная система из двух алгебраических уравнений:

АТ,

А лад

С1 |у ехр (-ух) х2 (й - х)йх +

С2 |у ехр (-ух) х (й - х) йх

й

АТаТЬ1л = С |у ехр (-у (й - х))х2 (й - х)йх +

0

С2 |у ехр (-у (й - х)) х (й - х) йх,

(3)

где МА лад и АТУ

'А тыл

измеряемые инкременты

А Т,

А лад

С |у ехр (-ух)х (й - х)2 йх

(5)

АТа

С |у ехр (-у (й - х)) х (й - х)2 йх.

Решение системы (5) позволяет найти искомый температурный профиль.

й10

д

« 12

о

тно

с

о

рк н8

« о

о о

н «6

с ы6 ур

* 1в 4

т а 1^2

ем

» Й кт

н

И

1

е-2

е-3 4

50 100 150 200

250 300 Время, с

акустояркостных температур. При известных у и ё интегралы в системе можно рассчитать. Решение системы позволяет найти искомый температурный профиль.

Исходя из физиологических представлений, следует предположить, что искомое распределение в глубине кисти должно быть или везде больше, или везде меньше, но не может быть в какой-то области меньше, а в какой-то области больше температуры контейнера. Однако, если различие измеренных акустояркостных температур велико (обычно акустояркостная температура ладони выше, чем тыльной стороны), то полученное решение может не удовлетворять указанному требованию. Согласно решению (2) восстановленная температура вблизи тыльной стороны кисти может быть ниже температуры контейнера. Чтобы этого избежать, температурное распределение можно представить в виде (согласно работе [1]):

Т(х) = Т0 + Сх (ё — х)2, (4)

где С — один искомый параметр. Формула (4) справедлива для случая, когда инкремент акустояр-костной температуры (АТА = ТА — Т0) ладони по модулю больше инкремента акустояркостной температуры тыльной стороны кисти |АТА лад| > > |АТА тыл| (забегая вперед, скажем, что ограничение соответствует экспериментальным данным). При таком ограничении для нахождения параметра С из выражений (1) и (4) была получена линейная система из двух алгебраических уравнений:

Рис. 2. Временные зависимости инкремента акустояркостной температуры остывающего пластилина (1), кисти руки испытуемого (2) и кисти совместно с пластилином (3), помещенных в контейнер. Начальная температура пластилина 45 °С, температура контейнера 24°С (соответствует нулевому инкременту акустояркостной температуры). Данные усредняли за 20 с. 4 — рассчитанный сигнал от пластилина, прошедший сквозь руку и там частично

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»