ИСТИНА

Ультразвук малых либо умеренных интенсивностей широко используется в современной медицинской диагностике и физиотерапии. В последние два десятилетия бурное развитие получили новые технологии, связанные с использованием высокоинтенсивного фокусированного ультразвука (или HIFU – от уже общепринятого английского словосочетания High Intensity Focused Ultrasound) в неинвазивной хирургии для безоперационного разрушения опухолей различных органов, а также для адресной доставки лекарств, остановки кровоснабжения опухолей, стимуляции роста микрососудов, растворения тромбов. Недавно, с участием авторов проекта, было показано, что ещё большего прогресса в области HIFU можно достичь при использовании ударно-волнового воздействия на ткани, когда в фокальной области пучка за счет нелинейных волновых эффектов образуются ударные фронты. В этом случае резко увеличивается тепловое воздействие на заданный участок глубоко расположенных биологических тканей, что приводит к ряду значительных преимуществ по сравнению с известными ранее методами применения HIFU. Прежде всего, повышение эффективности тепловыделения позволяет существенно сократить полное время облучения заданного объема ткани. При этом само однократное воздействие становится более локальным и уменьшается относительный нагрев тканей, окружающих фокус. Это приводит к повышению безопасности воздействия, что имеет первостепенное значение в разрабатываемых медицинских протоколах. Наряду с преимуществами в уже используемых режимах теплового разрушения тканей с помощью HIFU, возникло новое направление - механическое разрушение тканей при их облучении волнами с высокоамплитудными ударными фронтами (гистотрипсия). При участии авторов проекта было показано, что импульсно-периодический локальный нагрев тканей ударными волнами и их вскипание в течение нескольких миллисекунд приводят к механическому разрушению тканей и их разделению на фрагменты субклеточных размеров. Для реализации таких технологий в медицинской практике необходимы мощные излучатели, оптимизированные по частоте и геометрии, которые способны создавать ударно-волновые поля с заданными параметрами на необходимой глубине в ткани. Это могут быть одиночные излучатели; также в последнее время всё больше используются многоэлементные фазированные решетки, которые позволяют электронным образом перемещать фокус для облучения клинически значимых объемов. На сегодняшний день известно несколько лабораторных установок, где используются мощные ультразвуковые фокусирующие системы. Однако все они, как правило, не являются оптимальными для тех конкретных приложений, где необходимы волны с разрывами. В настоящее время не существует методов, позволяющих выбирать параметры излучателей, исходя из заданной амплитуды ударного фронта в фокусе. Данная задача является достаточно сложной, поскольку связана с решением трехмерных нелинейно-дифракционных задач фокусировки разрывных волн в поглощающей неоднородной ткани. Коллектив авторов данного проекта занимает лидирующее положение в мире по научному заделу, необходимому для решения данной задачи. Полученные результаты будут представлять несомненную научную значимость в исследованиях новых нелинейных волновых эффектов в сверхсильных фокусированных ультразвуковых пучках. Они будут уникальны для создания фокусирующих систем HIFU нового поколения с заданными характеристиками поля в фокусе, а также технологий, направленно использующих биоэффекты разрывных фронтов.

Первое направление проекта связано с разработкой теоретического подхода и развиты численных алгоритмов, на основе которых станет возможна разработка источников мощного ультразвука, позволяющих получить заданные параметры ударно-волнового поля в фокусе систем ультразвуковой хирургии. Фактически будет решена обратная нелинейная задача путем проведения многократного многопараметрического моделирования прямых задач фокусировки нелинейных ультразвуковых пучков. Результаты первой части проекта будут получены в предположении, что ткань является однородной поглощающей средой. Во второй части проекта будет исследовано влияние неоднородностей ткани на образование разрывного фронта, выявлены ситуации, когда присутствие неоднородностей может воспрепятствовать реализации ударно-волнового режима. Могут либо понадобиться слишком большие мощности, не реализуемые на практике либо небезопасные для окружающих тканей, кроме того, неоднородности могут привести к слишком сильному искажению пространственной структуры поля в фокальной области, не допускающему образования фронта. Третье направление работ связано с развитием физических принципов создания более сложных источников для ультразвуковой хирургии, а именно линейных и прежде всего двумерных фазированных решеток. Такие многоэлементные устройства имеют ряд важных преимуществ по сравнению с одиночными фокусирующими излучателями и все чаще начинают использоваться в терапевтических ультразвуковых системах последнего поколения.