Как «наточить» ультразвуковой скальпель

Научные сотрудники Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ имени М.В. Ломоносова (кафедра акустики физического факультета МГУ) вместе с коллегами из Университета штата Вашингтон выяснили, какими характеристиками должны обладать ультразвуковые излучатели для дистанционного разрушения опухолей внутри тела человека сфокусированными нелинейными волнами. О своей работе ученые рассказали в последнем номере журнала IEEE Transactionson Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.

Физики МГУ в составе международного коллектива проводят исследования по воздействию сфокусированного ультразвукового излучения на различные ткани и органы внутри тела человека неинвазивно, без обычного хирургического вмешательства. Это активно развивающееся научное направление существует примерно четверть века и довольно быстро от чисто лабораторных экспериментов перешло к клиническому использованию. В последние десять лет оно приобрело особую актуальность: сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности исследователи научились вызывать тепловой некроз опухолевых тканей в предстательной железе, почках, печени, молочной железе и даже в мозге, причем полный список этим не исчерпывается.

В последнее время возник интерес к использованию нелинейных ультразвуковых волн для хирургического воздействия на ткани. Форма таких волн в фокусе излучателя не гармоническая, она искажена за счет нелинейных эффектов и может даже содержать ударные участки большой амплитуды. Ультразвуковые волны с ударными фронтами не только нагревают ткань гораздо быстрее, чем гармонические, но и способны вызывать совершенно новые биологические эффекты. Появилось множество идей, как можно использовать такой усовершенствованный ультразвуковой скальпель, но специалисты до сих пор не знали, какой именно фокусирующий излучатель нужен в том или ином случае.

«Недавно, года два назад, к нашей группе стали обращаться с вопросами о том, какой нужен преобразователь, чтобы в его фокусе формировался профиль волны с ударным фронтом необходимой амплитуды. Такие нелинейные обратные задачи никто не умел решать, они содержат множество взаимосвязанных параметров. Нужно было понимать, как устроены нелинейные ультразвуковые поля в биологической ткани, какими математическими моделями их нужно описывать, а также научиться проводить расчеты с использованием этих моделей. Боюсь показаться нескромной, но, наверное, никто, кроме нас, не смог бы быстро разобраться с этой задачей. Необходимо было учитывать множество технических, численных и чисто научных деталей, обладать серьезным опытом работы в этой области. Такой опыт был накоплен в нашей лаборатории», — говорит ведущий автор статьи, доктор физико-математических наук Вера Хохлова, доцент кафедры акустики физического факультета МГУ.

Задача теоретически обосновать связь между параметрами нелинейного профиля волны в фокусе и параметрами ультразвукового преобразователя действительно оказалась очень непростой. Ученым удалось показать, что основным параметром излучателя является угол схождения волнового пучка, показывающий, насколько сильно должен быть сфокусирован ультразвук. Было доказано, что чем больше этот угол, тем большей амплитуды ударного фронта можно достичь в фокусе. Хотя данное утверждение может показаться очевидным, получить необходимые количественные оценки такой зависимости до сих пор никому не удавалось. Авторами статьи эта задача была успешно решена численными методами. Показано, например, что если в фокусе нужно добиться амплитуды ударного фронта в 100 мегапаскалей, то требуется излучатель с углом схождения в 60 градусов, а если нужна амплитуда поменьше, скажем, 35 мегапаскалей, то потребуется угол схождения в 20 градусов.

Разумеется, ученые не обошли теоретическим обоснованием и свою гордость — разработанный ими метод так называемой «гитотрипсии с кипением». Термин «гитотрипсия» в данном случае можно перевести как «механическое разрушение ткани». Дело в том, что на сегодняшний день при клиническом использовании методов ультразвуковой хирургии некроз опухолевой ткани достигается за счет ее нагрева до высокой температуры. Это не всегда удобно, поскольку диффузия тепла от нагреваемой области делает результат воздействия непредсказуемым, и, что очень важно, с помощью УЗИ нельзя увидеть результат такого облучения, поэтому при подобных операциях приходится использовать дорогостоящие магнитно-резонансные томографы.

Избавиться от этих и других проблем, сопутствующих тепловому механизму воздействия, помогли сразу две методики, разрабатываемые параллельно учеными Мичиганского университета и физиками МГУ совместно с учеными университета штата Вашингтон в Сиэтле. Мичиганские исследователи научились механически разрушать ткани, создавая в области размером с рисовое зерно «облако кавитации» с помощью микросекундных ультразвуковых импульсов с «безумно высокой» амплитудой. Ученые из Москвы и Сиэтла решили ту же проблему путем локализованного вскипания ткани. Они использовали более длительные импульсы, порядка миллисекунды, но меньшей амплитуды. При распространении таких импульсов за счет нелинейных эффектов в очень небольшой области (диаметром около 0.1 мм и длиной 1 мм) вблизи фокуса в профиле волны образуются ударные фронты. Под действием этих ударных фронтов ткань нагревается и взрывным образом вскипает, вырастая в пузырь миллиметрового размера. Пузырь вырастает настолько быстро, что начинает перекрывать путь тонкому фокусированному ультразвуковому «лучу» еще до окончания действия импульса. Иначе говоря, «хвост» импульса, состоящий из нескольких сотен периодически повторяющихся ударных участков, падает уже не на сплошную биоткань, а на границу раздела ткани и газа. В этих условиях возникают хорошо известные ученым эффекты акустического фонтана и ультразвукового распыления. В результате ткань разрывается на частицы микронного размера, которые выбрасываются внутрь пузыря, образуя в его центре гомогенизированную массу.

Оба этих метода механического разрушения ткани, по мнению Веры Хохловой, открывают новые возможности в ультразвуковой хирургии: их действие предсказуемо, а главное, и рождающееся кавитационное облако, и возникающий в процессе кипения пузырь одинаково дают о себе знать ответным ультразвуковым эхом, которое проявляется при использовании простого УЗИ. Это позволяет контролировать действие нелинейного ультразвукового скальпеля.