ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ФОКУСИРУЮЩИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

  • А. Ю. Малыхин Южный федеральный университет
  • А.В. Скрылёв Южный федеральный университет
  • А. А. Панич Южный федеральный университет
Ключевые слова: Фокусированный ультразвук, пьезоэлектрический преобразователь, HIFU, система ЦТС, терапевтический ультразвук, медицинское приборостроение, неинвазивная терапия

Аннотация

Настоящее исследование выполнено на стыке двух направлений: инженерно-
технологического и биомедицинского, в результате которого разработан терапевтиче-
ский фокусирующий ультразвуковой преобразователь, предназначенный для выявления и
неинвазивного лечения новообразований. Принцип действия заключается в излучении ульт-
развуковых колебаний высокой интенсивности в пятно фокуса (High Intensity Focused Ultrasound
– HIFU). Это позволяет точечно воздействовать на выбранные области и прово-
дить абляцию воспалённых, либо чужеродных тканей без открытого хирургического вме-
шательства. На основе характеристик пьезокерамических материалов, выпускаемых в
Н ТБ «Пьезоприбор» выполнено математическое моделирование HIFU-преобразователя.
Основу составляет пьезокерамический элемент, выполненный в форме тонкостенного
сегмента сферы с центральным отверстием, изготовленный из пьезоматериала П П-35.
Центральное отверстие диаметром 41,4 мм предназначено для датчика визуализации,
выполняющего роль «наводчика» сфокусированного ультразвукового пучка. Принцип рабо-
ты преобразователя заключается в следующем: фокусное пятно с максимальным акусти-
ческим давлением находится в области, захватываемой УЗИ-совместимым датчиком.
Изображение передаётся на монитор, после чего принимается решение на какие области и
с какой интенсивностью воздействовать ультразвуковым преобразователем. Изучены
амплитудно-частотные характеристики преобразователя. Получены зависимости актив-
ной проводимости от частоты в свободном и нагруженном на воду состояниях. Измереныуровни акустического давления в пятне фокуса. Построены диаграммы распределения ин-
тенсивности излучения в плоскости и в трехмерном пространстве, проведены работы по
воздействию ультразвукового преобразователя на различные органические материалы и
ткани: органическое стекло толщиной 10мм, мышечная ткань курицы. Получены зависи-
мости силы воздействия от подводимой к преобразователю мощности, а также частоты
задающего сигнала. Экспериментально показана возможность использования преобразо-
вателя в составе комплекса HIFU-терапии. Сформулированы выводы о перспективах ис-
пользования одноэлементных фокусирующих ультразвуковых преобразователей и много-
элементных с распределённым пятном фокуса.

Литература

1. Fry W.J. Use of intense ultrasound in neurological research, Amer. J. Phys. Med., 1958, Vol.
37, No. 3, pp. 143-147.
2. Tyshlek D., Aubry J-F, Ter Haar G., Hananel A., Foley J., Eames M., Kassell N., Simonin
H.H. Focused ultrasound development and clinical adoption: 2013 update on the growth of the
field, Journal of Therapeutic Ultrasound, 2014, 2:2.
3. Wu F., Wang Z.B., Chen W.Z., Zou J.Z., Bai J., Zhu H., Li K.Q., Xie F.L., Jin C.B., Su H.B.
Extracorporeal focused ultrasound surgery for treatment of human solid carcinomas: early
Chinese clinical experience, Ultrasound in Med. and Biol., 2004, Vol. 30, No. 2, pp. 245-260.
4. Ninet J., Roques X., Seitelberger R., Deville C., Pomar J.L., Robin J, Jegaden O., Wellens F.,
Wolner E., Vedrinne C., Gottardi R., Orrit J., Billes M.A., Hoffmann D.A., Cox J.L.,
Champsaur G.L Surgical ablation of atrial fibrillation with offpump, epicardial, high-intensity
focused ultrasound: Results of a multicenter trial, J. Thorac. Cardiovasc. Surg., 2005, Vol.
130, No. 3, pp. 803-809.
5. Aptel F., Lafon C. Treatment of glaucoma with high intensity focused ultrasound, Int. J. Hyperthermia,
2015, Vol. 31, No. 3, pp. 292-301.
6. Vaezy S., Martin R., Schmiedl U., et al. Liver hemostasis using high-intensity focused ultrasound,
Ultrasound in Med. and Biol., 1997, Vol. 23, No. 9, pp. 1413-1420.
7. Cleveland R.O., Sapozhnikov O.A. Modeling elastic wave propagation in kidney stones with application
to shock wave lithotripsy, J. Acoust. Soc. Am., 2005, Vol. 118, No. 4, pp. 2667-2676.
8. McDannold N., Clement G., Black P. Jolesz F., Hynynen K. Transcranial MRI-guided focused
ultrasound surgery of brain tumors: Initial findings in three patients, Neurosurgery, 2010, Vol.
66, No. 2, pp. 323-332.
9. Kim V, Maxwell A.D., Hall T., Xu Z., Lin K., Cain C. Rapid prototyping fabrication of focused
ultrasound transducers, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control.
September, 2014, Vol. 61, No. 9.
10. Chen K., Irie T., Iijima T. and Morita T. Wideband Multi-modes Excitation by one Doubleparabolic-
reflectors Ultrasonic Transducer (DPLUS), IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics,
and Frequency Control. Doi: 10.1109/TUFFC.2020.2978234.
11. Martínez R., Vera A. and Leija L. "eat therapy HIFU transducer electrical impedance modeling by
using FEM, 2014 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference
(I2MTC) Proceedings, Montevideo, 2014, pp. 299-303. Doi: 10.1109/I2MTC.2014.6860756.
12. Cambronero S., Rivoire M., Dupré A. and Melodelima D. Non-invasive fast, large and selective
in vivo HIFU ablation of the liver with a toroidal transducer, 2019 IEEE International Ultrasonics
Symposium (IUS), Glasgow, United Kingdom, 2019, pp. 2126-2128. Doi:
10.1109/ULTSYM.2019.8926054.
13. Lorton O. et al. Self-Scanned HIFU Ablation of Moving Tissue Using Real-Time Hybrid USMR
Imaging, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Aug. 2019, Vol. 66, No. 8,
pp. 2182-2191. Doi: 10.1109/TBME.2018.2885233.
14. Malykhin A.Yu., Nesterov A.A., Panich A.E. Osobennosti mekhanicheskikh kharakteristik
segnetozhestkogo materiala PKP-35 pri ispol'zovanii v usloviyakh silovogo ul'trazvuka [Features
of the mechanical characteristics of the ferrorigid material PKP-35 when used in the conditions
of power ultrasound], Mater. XIV vserossiyskoy nauchnoy konferentsii «Tekhnologii i
materialy dlya ekstremal'nykh usloviy», g. Moskva, 2019 [Proceedings of the XIV All-Russian
Scientific Conference "Technologies and Materials for Extreme Conditions", Moscow, 2019].
15. Wang H., Zheng W., Huang L., Zhang T. and Yang Z. A Rapid and Non-Invasive Method for
Measuring the Peak Positive Pressure of Hifu Field Based on Acousto-Optic Deflection Effect,
2019 13th Symposium on Piezoelectrcity, Acoustic Waves and Device Applications
(SPAWDA), Harbin, China, 2019, pp. 1-5. Doi: 10.1109/SPAWDA.2019.8681819.
16. Okadzaki K. Tekhnologiya keramicheskikh dielektrikov [Technology of ceramic dielectrics]:
transl. from Jap. Moscow: Energiya, 1976.
17. Bespalov V.G., Tochil'nikov G.V., Senchik K.Yu., Ermakova E.D., Kovalevskaya E.I., Gafton
G.I., Berkovich A.E. Vysokointensivnyy sfokusirovannyy ul'trazvuk v lechenii
zlokachestvennykh i dobrokachestvennykh opukholey [High-intensity focused ultrasound in
the treatment of malignant and benign tumors], Voprosy onkologii [Questions of oncology],
2020, Vol. 66, No. 1, pp. 29-35.
18. Malykhin A.Yu., Dykina L.A., Panich E.A. Upravlenie svoystvami p'ezokeramicheskogo
materiala na osnove sistemy TSTS dlya ustroystv elektroakusticheskoy tekhniki [Control of
the properties of piezoceramic material based on the CTS system for electroacoustic devices],
Rossiyskiy khimicheskiy zhurnal [Russian Chemical Journal], 2020, Vol. 64, No. 3, pp. 97-102.
19. Panich A.E., Panich A.A., Svirskaya S.N., Malykhin A.Yu., Skrylev A.V., Aleksyunin E.S.,
Panich E.A. Innovatsionnye tekhnologii dlya biomeditsinskogo primeneniya [Innovative technologies
for biomedical applications], Mater.VIII nauchno-prakticheskoy konferentsii s
mezhdunarodnym uchastiem «Genetika – fundamental'naya osnova innovatsiy v meditsine i
selektsii [Proceedings of the VIII scientific and practical conference with international participation
" Genetics – the fundamental basis of innovations in medicine and breeding]. Rostovon-
Don – Taganrog, 2019, pp. 175-179.
20. Zmitrichenko Yu.G., Tochil'nikov G.V., Bespalov V.G., Bus'ko E.A., Kozubova K.V.,
Senchik K.Yu., Ermakova E.D., Zhilinskaya N.T., Berkovich A.E. Otsenka effektivnosti
termicheskoy ablyatsii vysokointensivnym sfokusirovannym ul'trazvukom na modeli
myshechnoy tkani krysy [Evaluation of the effectiveness of thermal ablation with highintensity
focused ultrasound on a model of rat muscle tissue], Sb. tezisov VI Peterburgskogo
mezhdunarodnogo onkologicheskogo foruma «Belye nochi 2020» [Collection of abstracts of
the VI St. Petersburg International Cancer Forum " White Nights 2020»], 2020. pp. 282.
Опубликован
2021-02-13
Выпуск
Раздел
РАЗДЕЛ IV. ЭЛЕКТРОНИКА, НАНОТЕХНОЛОГИИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ