Устройство для визуализации сфокусированного ультразвукового поля высокой интенсивности Российский патент 2023 года по МПК G01H17/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к технологии визуализации пространственного распределения интенсивности ультразвукового поля, генерируемого фокусированным излучателем в воде. Такие излучатели все чаще используются, например, в здравоохранении для создания сфокусированного ультразвукового пучка высокой интенсивности с целью термического воздействия на глубоко расположенные в теле человека ткани и абляции (выжигания) злокачественных новообразований. Настройка такого оборудования, повсеместно называемого аппаратами HITU (High Intensity Therapeutic Ultrasound), его аттестация и техническое обслуживание требуют детального и трудоемкого контроля его технических характеристик и, прежде всего, параметров производимого им ультразвукового воздействия, выполняемого продвинутыми измерительными лабораториями. Такой контроль трудно реализовать при эксплуатации аппаратов в лечебных учреждениях, поэтому актуальным является разработка упрощенных методов контроля технического состояния такого оборудования. Как правило, такие методы основаны на визуализации ультразвукового пучка, при которой можно качественно или полуколичественно оценить пространственное распределение интенсивности ультразвукового поля, местоположение фокуса и размеры фокальной области, техническое состояние аппарата по изменению этих параметров в процессе эксплуатации.

На практике используют различные способы такой визуализации: с помощью теневых методов, открытых около 150 лет назад, или их современных модификаций без применения дорогостоящей оптики. Так в Национальной Физической Лаборатории Великобритании разработан простой и удобный способ качественной оценки ультразвукового поля аппаратов HITU, использующий модификацию теневого метода (Schlieren-метода). В нем ультразвуковой пучок виден невооруженным глазом на фоне нанесенного на белую бумагу шаблона клетчатой или линейчатой структуры, освещаемой сзади рассеянным светом. Видимое изображение продольного разреза мерцающего ультразвукового пучка позволяет грубо оценить его осевую симметрию и размеры фокальной плоскости в зависимости от напряжения возбуждения излучателя, т.е. убедиться в отсутствии существенных повреждений излучателя или значительных изменений его характеристик. Однако никаких количественных оценок такой метод не предполагает.

Другим аналогом предлагаемого технического решения является применение термохромных материалов для визуализации ультразвукового пучка аппаратов ультразвуковой терапии. Термохромные материалы изменяют свой цвет при изменении температуры материала. Например, окрашенная термохромным пигментом поверхность, может оставаться черной при комнатной температуре и становиться белой при увеличении температуры до +30°С. Температурный режим, во время которого происходят изменения цвета термохромов, может быть разным, в промежутке от -15°С до +70°С в зависимости от конкретной задачи. В Национальной Физической Лаборатории Великобритании лист из термохромного материала, приклеенный к листу из звукопоглощающего полиуретана, изменяет свою температуру при контакте с полиуретаном, нагревающимся вследствие поглощения им ультразвуковой энергии, и это используют для быстрой оценки структуры ультразвукового поля аппаратов для физиотерапии [1]. Такой способ уже представляет некоторую количественную оценку параметров интенсивности ультразвукового пучка, но он применим для визуализации пучка только в его поперечном сечении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения температурного профиля пучка HITU, выполненное в виде специального тест-объекта, состоящего из плоского блока из прозрачного агара толщиной 10 мм, шириной 98 мм и длиной 145 мм, приклеенного к такому же по размерам блоку из агара с внедренным в него термохромным пигментом [2]. Исследуемый излучатель HITU прикладывают к торцевой стороне этого «сэндвича», вдоль склеенной стороны которого распространяется ультразвуковое поле, вызывающее нагрев и изменение цвета пигментированной части тест-объекта, регистрируемое расположенной сверху цифровой видеокамерой через прозрачный верхний слой агара.

Сведения о прототипе

В [2] применена другая схема расположения фантома относительно фокусирующего преобразователя (см. Фиг. 1). Фантом представляет из себя два слоя агара (агар - растительный заменитель желатина, при (85-90)°С расплавляется, а при (35-40)°С переходит в достаточно прочное полутвердое состояние с удельным акустическим импедансом, близким к импедансу мышечной ткани), верхний из которых - полупрозрачный (чистый агар), а в нижний подмешан порошок из термохромных частиц (жидкие кристаллы) размером в несколько микрон. Испытуемый фокусирующий ультразвуковой преобразователь и цифровая фотокамера установлены относительно фантома так, чтобы получить изображение продольного разреза ультразвукового пучка при нагревании (обесцвечивании) фантома с термохромом. Температура места облучения оценивается по степени просветления (по «шкале серого») нижнего слоя фантома. На Фиг. 2 показан пример изображения распределения температур в фокальной области преобразователя, работающего на частоте 2 МГц [2]. По мнению авторов эксперимента, причиной появления просветления на левой стороне этого изображения является контактный нагрев фантома от испытуемого преобразователя. Этот недостаток исключен в предлагаемом нами устройстве, так, облучение тест-объекта происходит не через непосредственный контакт излучателя с ним, а через воду.

Однако устройству для измерения температурного профиля пучка HITU, принятому за прототип, присущи следующие недостатки:

1) Относительно небольшие поперечные размеры (толщина «сэндвича» не превышает 20 мм) тест-объекта, ограниченные прозрачностью агара при необходимости наблюдения через него изображения термохромного преобразования ультразвукового пучка, не позволяют исследовать поля наиболее часто используемых излучателей HITU с гораздо большей апертурой, чем показанный в [2].

2) Отражения периферийных участков ультразвукового пучка от верхней и нижней поверхностей тест-объекта, близко расположенных друг к другу, вызванные большим отличием удельных акустических импедансов агара и воздуха, искажают измеряемое ультразвуковое поле и приводят к неправильной интерпретации результатов визуализации.

3) Недостаточная прозрачность слоя чистого агара искажает тепловые показания цифровой видеокамеры и результаты ее калибровки по истинным значениям температуры ТИМ.

4) Временная стабильность материала (агара) тест-объекта крайне низка, он склонен к росту микроорганизмов, поэтому срок эксплуатации такого тест-объекта ограничен.

5) Недостаточная прозрачность агара не обеспечивает необходимого цветового разрешения наблюдаемого через него изображения.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, являются обеспечение возможности проведения измерений параметров поля большинства из известных излучателей HITU с гораздо большей апертурой, чем применяемый в прототипе, устранение искажений пространственной структуры измеряемого поля, увеличение времени жизни (эксплуатации) тест-объекта и получение более четкого (контрастного) изображения.

Данный технический результат достигают за счет того, что вместо использованного в прототипе агара в качестве тканеимитирующего материала (ТИМ) в тест-объекте применен полиуретан с внедренными полимерными микросферами EXPANCEL DU (средним диаметром 50 мкм) или определенным образом вспененный для получения требуемого затухания ультразвука в нем и термохромным пигментом для визуализации поглощенной энергии ультразвукового пучка. Тест-объект выполнен в виде усеченного конуса или цилиндра диаметра достаточного для обеспечения измерений параметров излучателей большой апертуры и разрезанного пополам вдоль образующей так, что эффект термохромного преобразования структуры ультразвукового поля можно наблюдать и регистрировать после разъединения обеих половинок тест-объекта. Интенсивность ультразвукового поля можно оценивать по шкале насыщения изменения цвета ТИМ, проградуированной по температурной шкале, откалиброванной по линейке термопреобразователей (из 4-5 шт.), внедренных в ТИМ по плоскости разъема половинок тест-объекта, выводы которых расположены на колодке, укрепленной на внешней поверхности тест-объекта вдоль его образующей, и подсоединены к многожильному кабелю от регистратора температуры. Для изменения глубины залегания фокальной области при измерениях и для исключения прямого контакта ультразвукового преобразователя с поверхностью ТИМ, тест-объект размещается в открытом сверху заполненном водой корпусе, внутренняя полость которого имеет конусообразную форму и сопряжена с тест-объектом. Для нивелирования негативных эффектов, связанных с отражением акустического сигнала от дна корпуса на него установлена круглая прослойка из поглощающего ультразвук материала, для позиционирования испытуемого излучателя и его фиксации в заданном положении тест-объект снабжен съемным штативом с держателем.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На Фиг. 1 представлена схема измерения температурного профиля пучка HITU [2] (прототип)

На Фиг. 2 изображение теплового поля в продольном разрезе ультразвукового пучка фокусирующего преобразователя [2] (прототип).

На Фиг. 3 представлено устройство для визуализации сфокусированного ультразвукового поля, где 1 - штатив; 2 - лапка держателя излучателя; 3 - термопреобразователи; 4 - выводы термопреобразователей; 5 - провод к регистратору температуры; 6 - колодка с выводами термопреобразователей; 7 - корпус; 8 - ТИМ; 9 - плоскость соединения половинок образца; 10 - лист поглощающего материала

На Фиг. 3 схематично представлено устройство для визуализации сфокусированного ультразвукового поля, которое состоит из тест-объекта, изготавливаемого из ТИМ 8 и состоящего из двух половинок разрезанного пополам усеченного конуса, тесно соприкасающихся друг с другом по плоскости 9, помещенного в корпус конической формы 7. Корпус имеет крепление для штатива 1, в котором закрепляется лапка держателя испытуемого излучателя 2 обеспечивающая возможность его пространственного позиционирования по 3-м координатным осям. На плоской поверхности правой половинки вдоль вертикальной оси образца тест-объекта вклеены термопреобразователи 3, выводы 4 от которых припаяны к колодке 6, утопленной в канавке ТИМ на внешней конусной поверхности образца и соединенной многожильным проводом 5 с регистратором температуры (не входит в состав тест-объекта). Тест-объект плотно вставлен в металлическую оболочку корпуса 7, нижняя часть которой имеет коническую полость (полуугол конуса 3°-5°), совпадающую по размерам с внешними размерами тест-объекта и на дне которой установлен круглый лист 10 из поглощающего ультразвук полимерного материала (поглощение на менее 30 дБ). После сборки устройства верхняя часть оболочки заполняется дистиллированной дегазированной водой.

Устройство используют следующим образом:

1) Соединяют половинки тест объекта 8 (Фиг. 3) и помещают образец в коническую полость корпуса 7, предварительно смазав ее конические поверхности консистентной смазкой (например, ЦИАТИМ).

2) Устанавливают испытуемый излучатель в лапку держателя 2 штатива 1 так, чтобы его ось симметрии совпадала с осью симметрии тест-объекта, а фокус излучателя находился примерно в центральной части тест-объекта (фокусное расстояние излучателя можно найти в документации изготовителя или по радиусу кривизны активного элемента излучателя).

3) Подключают провод 5 от колодки 6 к регистратору температуры и записывают ее начальные показания с каждого термопреобразователя.

4) Заливают дистиллированную воду в верхнюю полость корпуса так, чтобы излучающая поверхность испытуемого излучателя была погружена в воду.

5) Включают возбуждение излучателя в заданном режиме (электрическое напряжение, частота и режим модуляции импульсов) на определенное время (например, 3-5 мин.). В конце этого периода записывают показания регистратора температуры с каждого термопреобразователя.

6) Отключают возбуждение излучателя и освобождают его из держателя, снимают с оболочки штатив.

7) Извлекают тест-объект из корпуса и разъединяют его половинки.

8) Изучают и фиксируют (фотографируют) картинку изменения цвета термохромного тканеимитирующего материала (ТИМ), оценивая размеры фокальной области, ее местоположение и соответствие насыщенности окраски материала в точках около термопреобразователей температурным показаниям с них. Повышение температуры пропорционально интенсивности поглощенной ультразвуковой энергии, и по степени окраски облученных участков ТИМ можно оценить пространственное распределение интенсивности в сфокусированном ультразвуковом пучке.

9) После того, как температура ТИМ восстановится до исходного состояния (см. п. 3), процедуру испытаний можно повторить, изменив при необходимости положение излучателя и/или режим его возбуждения.

Литература

1. Butterworth, J. Barrie, В. Zeqiri, G. Žauhar, В. Parisot Exploiting Thermochromic Materials for the Rapid Quality Assurance of Physiotherapy Ultrasound Treatment Heads, Ultrasound in Medicine in Biology, Volume 38, Issue 5, Pages 767-776, May 2012.

2. Jungsoon Kim, Moojoon Kim and Kanglyeol Ha. Visualization of Thermal Distribution Caused by Focused Ultrasound Field in an Agar Phantom. Japan. J. Appl. Phys. Volume 50, Number 7S.

Использование: для визуализации сфокусированного ультразвукового поля высокой интенсивности. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для визуализации сфокусированного ультразвукового поля высокой интенсивности состоит из тест-объекта, выполненного из тканеимитирующего материала (ТИМ) с добавлением термохромного пигмента, при этом тест-объект конусообразной формы выполнен разъемным и состоит из двух половин по образующей конуса, на плоской поверхности разъема одной из половин тест-объекта размещены термопреобразователи, расположенные линейно вдоль оси тест-объекта, в качестве ТИМ использован полиуретан с заданным коэффициентом затухания ультразвука в нем, тест-объект размещен в открытом сверху заполненном водой корпусе, внутренняя полость которого имеет конусообразную форму и сопряжена с тест-объектом. Технический результат: обеспечение возможности проведения измерений параметров поля большинства из известных излучателей HITU с большой апертурой, устранение искажений пространственной структуры измеряемого поля, увеличение времени эксплуатации тест-объекта и получение более четкого изображения. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для визуализации сфокусированного ультразвукового поля высокой интенсивности, состоящее из тест-объекта, выполненного из тканеимитирующего материала (ТИМ) с добавлением термохромного пигмента, отличающееся тем, что тест-объект конусообразной формы выполнен разъемным и состоит из двух половин по образующей конуса, на плоской поверхности разъема одной из половин тест-объекта размещены термопреобразователи, расположенные линейно вдоль оси тест-объекта, в качестве ТИМ использован полиуретан с заданным коэффициентом затухания ультразвука в нем, тест-объект размещен в открытом сверху заполненном водой корпусе, внутренняя полость которого имеет конусообразную форму и сопряжена с тест-объектом.

2. Устройство для визуализации по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ТИМ используется вспененный полиуретан.

3. Устройство для визуализации по п. 1, отличающееся тем, что в качестве ТИМ используется полиуретан с внедренными в него полимерными микросферами EXPANCEL DU.

4. Устройство для визуализации по п. 1, отличающееся тем, что на дне корпуса размещена круглая прослойка из поглощающего ультразвук материала.

5. Устройство для визуализации по п. 1, отличающееся тем, что выводы термопреобразователей расположены на колодке, укрепленной на внешней поверхности тест-образца вдоль его образующей, и подсоединены к многожильному кабелю от регистратора температуры.

6. Устройство для визуализации по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено съемным штативом с держателем.