авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН

Содержание

Медицинская и биологическая акустика

УДК 542.34

Н.Г.Бибиков

МЕХАНИЗМЫ АДАПТАЦИИ В НЕЙРОННЫХ СЕТЯХ СЛУХОВОГО АНАЛИЗАТОРА

ФГУП «Акустическтий институт им. акад.Н.Н.Андреева

Россия,117036 Москва, ул.Шверника,дю4 Тел: (495) 126-9063;

Факс: (495) 1268411 E-mail: nbibikov1@yandex.ru В большинстве исследований нейронные сети слухового анализатора рассматриваются как квазистационарные, подвергающиеся изменению только в процессе приобретения нового опыта и обучения. В настоящей работе рассматриваются экспериментальные данные, позволяющие утверждать, что свойства нейронов слуховой системы существенно и непрерывно изменяются в процессе реакции, непосредственно после воздействия стимула, и даже и в отсутствие внешних раздражителей. Фоновая активность большинства клеток слуховой системы варьирует во времени в соответствии с характеристиками фрактальных временных точечных последовательностей. При действии звукового сигнала импульсная реакция каждого нейрона слухового пути сопровождается изменением чувствительности клетки, что обеспечивает независимое временное кодирование в популяции клеток таких временных интервалов, которые на один – два порядка меньше длительности одиночного нервного импульса. В процессе реакции на сигнал с малыми временными изменениями амплитуды порог нейрона во многих случаях подстраивается таким образом, чтобы среднее значение интенсивности сигнала после адаптации было несколько ниже порога. В таком режиме любое изменение уровня вызывает реакцию на выходе нервной клетки. При этом реакция может быть вызвана то только увеличением, но и уменьшением уровня воздействия. В адаптированном режиме добавление шумовой составляющей к слабой синусоидальной амплитудной модуляции может вызвать мощный ответ клетки, который хорошо синхронизирован не только с шумовой огибающей, но и с (прежде подпороговой) синусоидальной модуляцией, обусловливая эффект стохастического резонанса.

В большинстве работ, касающихся физиологического или психофизического изучения слуховой системы, предполагается устойчивость ее характеристик, по крайней мере, в течение того временного интервала, когда осуществляется эксперимент. Такой подход, являвшийся почти универсальным в течение предшествующего этапа изучения сенсорных систем, в настоящее время должен рассматриваться только как первое приближение, недостаточное даже применительно к абсолютным порогам слуха.

В самом деле, любой человек, у которого хотя бы просто регистрировали аудиограмму, знает, что даже в тишине один и тот же около пороговый сигнал иногда воспринимается вполне четко, а иногда абсолютно не слышен. Об этом свидетельствует в частности и малая крутизна так называемых кривых обнаружения, в которых переход от 10% до 90% обнаружения сигнала может охватывать динамический диапазон в десятки децибел. Объяснить ширину динамического диапазона существованием обычного высокочастотного или даже широкополосного внутреннего шума не представляется возможным. Особое значение временная вариабельность характеристик слухового анализатора приобретает потому, что сам центральный нейронный аппарат слуховой системы является, прежде всего, анализатором именно временных изменений сигнала в определенных частотных полосах.

Остановимся вначале на спонтанных изменениях чувствительности элементов слуховой системы, не связанных с наличием внешних стимулов. Наиболее яркое физиологическое проявление сравнительно высокочастотных изменений в том единственном канале, который связывает периферические структуры слуха с мозгом, состоит в наличии мощной спонтанной импульсной активности отдельных волокон слухового нерва. Естественно при этом, что способность воспринимать внешние сигналы у такого волокна непрерывно изменяется во времени. Она полностью отсутствует во время генерации нервного импульса и в течение определенного времени после этого разряда. Эта абсолютная рефрактерность продолжается около миллисекунды, сменяясь двумя фазами относительной рефрактерности, в течение которой чувствительность повышена по сравнению с нормой. Первая из этих фаз имеет постоянную времени около 2-4 мс, а вторая примерно на порядок продолжительнее. При этом вторая фаза относительной рефрактерности, видимо, является аддитивной, что фактически удлиняет время ее действия до долей секунды. В результате, возбудимость большинства волокон слухового нерва оказывается случайной функцией времени. Естественно, что при этом спектр временных изменений возбудимости каждого волокна слухового нерва оказывается весьма сложным и не совпадающим со спектром флуктуаций отдельных ионных каналов. Особенно важным оказывается тот факт, что эти колебания возбудимости являются независимыми в отдельных волокнах, причем даже в тех, которые получают входы от одной и той же рецепторной волосковой клетки. Необходимо также принять во внимание, что и XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика входной сигнал поступает в дендрит слухового нерва не в виде аналоговой функции, а в виде временной последовательности импульсов случайной амплитуды [1].

Как было показано и промоделировано в ряде предшествующих работ нашей лаборатории [2,3] именно наличие этих сравнительно высокочастотных случайных вариаций возбудимости позволяют популяции нейронов слухового нерва осуществлять кодирование таких временных интервалов, которые на порядок меньше даже длительности одного нервного импульса. В этих модельных экспериментах анализировались реакции на последовательные независимые предъявления одного и того же сигнала, и молчаливо предполагалась эргодичность исследуемой системы. Анализ современных экспериментальных данных позволяет считать, что такая эргодичность действительно имеет место, будучи обусловлена локальной независимостью возбудимости в каждом из волокон слухового нерва. Достижение такой независимости осуществляется специализированным механизмом внутренних волосковых клеток, морфологической основой которого являются так называемые синаптические тельца – изолированные структуры, вокруг которых концентрируются большое количество синаптических пузырьков [4].

Описанные выше случайные временные изменения возбудимости никак не исчерпывают вариабельности волокон слухового нерва и тем более нейронов других структур слухового пути. В течение последнего времени временные особенности спонтанной активности элементов слухового пути были подвергнуты анализу на основе некоторых методик, принятых при исследовании фрактальных процессов. Среди прочего было показано, что отношение дисперсии числа импульсов в определенном временном интервале к среднему значению этого числа (фактор Фано) растет с ростом длины интервала [5-7]. То же наблюдается и для более локальной меры хаотичности процесса – так называемого фактора Алана[7]. Рост обоих этих параметров происходит по степенному закону, что характерно именно для точечных процессов фрактальной природы. Поскольку подобная зависимость сохраняется вплоть до интервалов в десятки и даже сотни секунд следует признать, что возбудимость даже периферических элементов слухового пути может варьировать и в таком, чрезвычайно низкочастотном диапазоне. К сожалению, в настоящее время неясно, существует ли корреляция столь медленных изменений между разными волокнами слухового нерва или каких-либо иных элементов слухового пути. Если пытаться связать эти колебания возбудимости с неопределенностью восприятия пороговых стимулов, то предположение о наличии таких корреляций кажется вполне обоснованным. В пользу него свидетельствуют также медленные, квазифрактальные изменения столь общих параметров сравнительно больших участков головного мозга, как например, значение постоянного потенциала [8]. Однако, некоторые наши данные, демонстрирующие большое разнообразие фрактальных характеристик клеток, регистрируемых даже в одном ядре слухового пути и даже в одном эксперименте, не позволяют твердо поддержать эту гипотезу.

Ясно, что проблема требует специального экспериментального исследования. Изучение статистических характеристик реакции нейронных элементов на одиночные идентичные сигналы также выявляет вариабельность ответов, во многих случаях существенно превышающую вариабельность чисто случайной реакции [9].

Вопрос о функциональной значимости спонтанных медленных изменений свойств нейронных сетей слухового анализатора как в режиме спонтанной активности, так и последовательных реакциях на идентичные предъявления сигнала в целом еще не решен. Однако имеются веские основания полагать, что эти вариации возбудимости являются одним из важных компонент общих адаптационных механизмов, обеспечивающих высокую дифференциальную чувствительность слухового анализатора в огромном динамическом диапазоне звуковых сигналов. Кроме того, анализ выявленной вариабельности физиологических реакций позволяют подвести экспериментальную базу под вопросы, связанные с высокой дисперсией поведенческих и психофизических ответов испытуемых на идентичные сенсорные раздражители.

Гораздо более ясно выявляется роль как быстрых, так и медленных изменений параметров нейронов при изучении временного течения их реакции на звуковые сигналы. Следует начать с волокон слухового нерва, частота импульсации которых при действии звукового сигнала падает примерно в 2.5 раза на протяжении первых 200-300мс его действия. Ранее эту, так называемую кратковременную адаптацию объясняли истощением медиатора рецепторных клеток, предполагая свойства самого нейронного элемента неизменными [10]. Однако в настоящее время все больше подтверждений приобретает гипотеза, высказанная нами в 1985 году [11]. Согласно этой гипотезе такая кратковременная адаптация обусловлена повышением порога (или гиперполяризацией мембранного потенциала) в точке генерации импульса. В спонтанной импульсации волокна этот процесс проявляется как незначительное снижение возбудимости в диапазоне десятков миллисекунд после генерации импульса (вторая фаза относительной рефрактерности). Процесс может определять течение кратковременной адаптации, если предположить, XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика что соответствующее повышения порога (или гиперполяризация мембранного потенциала) аддитивно суммируются для следующих друг за другом разрядов нейрона. Важно отметить, что такой нелинейный механизм адаптации в отличие от простой автоматической регулировки усиления не только не подавляет ответы на изменения параметров звукового сигнала, но может их существенно усиливать.

Если в слуховом нерве этот эффект выражен не очень сильно, но на последующих уровнях слухового пути его проявления становятся все более выраженными. Наиболее яркие проявления повышения дифференциальной чувствительности нейронов слуховой системы в процессе кратковременной и долговременной адаптации были получены на амфибиях [12-17]. В ответ на начальный участок интенсивного (на 20-40 дБ выше порогового уровня) тонального отрезка с незначительной (10-20%) сравнительно низкочастотной (5-50Гц) синусоидальной модуляцией вначале нейрон реагирует, не воспроизводя во временной картине импульсации частоту модуляции исходного звукового сигнала.

Только после нескольких периодов модуляции появляется синхронизация реакции с динамикой изменения амплитуды. В периферическом отделе слухового анализатора процесс такой кратковременной адаптации заканчивается через 8-12 периодов модуляции и на конечном отрезке степень модуляции импульсной активности может существенно (на 5-8 дБ) превышать глубину модуляции исходного сигнала [17]. В более центрально расположенном отделе слуховой системы – слуховом центре среднего мозга эта сравнительно кратковременная адаптация занимает примерно то же время, но является существенно более сильной – во многих клетках синхронизация ответа с огибающей становится фактически стопроцентной.

Нами было показано, что длительность процесса кратковременной адаптации растет с увеличением среднего уровня исходного сигнала и с уменьшением глубины модуляции [12-14,18].

Дальнейшие исследования показали, что процесс улучшения дифференциальной чувствительности в процессе адаптации не ограничивается процессом кратковременной адаптации. Практически во всех нейронах слухового пути проявляются результаты и более продолжительных адаптационных процессов.

Повышение синхронности ответа со слабой амплитудной модуляцией может продолжаться в течение нескольких секунд. Интересно, что этот эффект проявляется вполне ярко и на нейронах, получающих возбуждение непосредственно от волокон слухового нерва. Создается впечатление, что у амфибий на уровне дорсального ядра продолговатого мозга он выражен даже сильнее, чем в расположенном на более высоком уровне слухового пути ядре полукружного торуса. Весьма вероятно, что это ощущение обусловлено более слабой выраженностью на периферии эффекта повышения дифференциальной чувствительности при кратковременной адаптации. Вопрос требует дальнейшего изучения.

Подобные же эффекты повышения дифференциальной чувствительности нейронов во времени происходят и при неожиданном изменении параметров звукового сигнала. Прежде всего, это касается участков резко возросшей интенсивности, которые вполне могут возникать в процессе жизнедеятельности. При подобном изменении сигнала средняя частота импульсации нейрона возрастает практически мгновенно. Одновременно резко падает степень синхронизации временного течения ответа с огибающей воздействующего сигнала. В результате, разборчивость речи или другие особенности сигнала могут быть временно утеряны для восприятия. Восстановление дифференциальной чувствительности происходит постепенно, примерно с теми же постоянными времени, которые характерны для медленной адаптации (10-20с).

Исследования, проводимые в настоящее время, показывают, что при резком увеличении глубины модуляции сигнала в большинстве нейронов также наблюдается скачок значения средней частоты импульсации. Однако, как и следовало ожидать, он не сопровождается снижением синхронизации ответа с огибающей, хотя очень часто увеличение синхронности оказывается непропорционально слабым.

Внезапное уменьшение глубины модуляции нередко приводит к полному прекращению ответа клетки.

Эти изменения обычно оказываются даже более резкими, чем те, которые происходят при резком уменьшении среднего значения амплитуды. В последующем осуществляется постепенное возрастание частоты импульсации. При этом синхронизацию сигнала с формой огибающей даже при сравнительно малых результирующих глубинах модуляции можно выявить уже на первых этапах восстановления ответа. Постепенное усиление реакции сопровождается сохранением или даже усилением синхронизации.

При исследовании нейронной активности в такой постановке эксперимента время восстановления чувствительности к изменениям амплитуды оказывается весьма длительным (Бибиков, неопубликовано).

В психофизических экспериментах на человеке сразу после резкого уменьшения глубины модуляции восприятие изменений амплитуды резко ослабляется, причем на весьма длительное время [19]. Однако, такое адаптационное ухудшению чувствительности во многом может быть преодолено за счет специальной тренировки [20]. Заметим, что этот частный результат является важной иллюстрацией основного принципа, согласно которому чувствительность к временным параметрам сигнала является XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика весьма вариабельной и может существенно меняться как вследствие индивидуального опыта субъекта, так и после специальной тренировки. Весьма существенные свидетельства в пользу указанного положения были получены в семидесятых годах прошлого столетия Л.Н. Тумаркиной и Н.А. Дубровским [21].

Нами были осуществлены предварительные эксперименты по исследованию адаптационных изменений в нейронах продолговатого и среднего мозга лягушки, происходящих после изменения частоты несущей и частоты модуляции. Оба эти параметра не столь тесно связаны с реальной величиной ответа, как средний уровень стимула или глубина модуляции. Если в процессе действия амплитудно-модулированного сигнала с небольшой глубиной модуляции резко изменятся частота несущей, то вследствие частотной избирательности канала средняя частота импульсации может существенно измениться. В предположении о том, что вход нейрона определяется одним частотным каналом, изменение частоты должно влиять на дифференциальную чувствительность так же, как и соответствующее изменение интенсивности. Если же допустить, что сдвиг несущей частоты приводит к изменению топографии входов, можно ожидать, что адаптация к новой частоте будет происходить принципиально иным способом. Близкая ситуация имеет место и после резкой смены частоты модуляции. В нейронах кохлеарного ядра такое изменение обычно не приводит к радикальным сдвигам в значениях частоты импульсации и перестройка синхронизации ответа на новую модулирующую частоту осуществляется практически мгновенно. В нейронах среднего мозга средняя частота импульсации может весьма сильно зависеть от значения модулирующей частоты. В этих случаях изменения дифференциальной чувствительности обычно соответствует тем, которые происходят при эквивалентном (по частоте импульсации на выходе клетки) изменении среднего уровня.

Отдельный интерес представляет чувствительность слуховой системы к изменениям сигнала в режиме полной адаптации, когда, например, тональный сигнал фиксированного уровня длится в течение десятков секунд. Согласно нашим данным чувствительность многих клеток слухового пути в таких условиях оказывается чрезвычайно высокой, существенно превосходя возможности, существовавшие при действии сравнительно коротких тональных отрезков. Иногда достаточно ввести плавное возрастание амплитуды сигнала на 1-3%, чтобы вызвать ответ клетки. В этом режиме отдельные нервные элементы слуховой системы лягушки [22] или шиншиллы [23] оказываются более чувствительными, чем, например, вся слуховая система человека, хотя и у человека можно отметить улучшение дифференциальной чувствительности в адаптированном режиме по сравнению с неадаптированным [24].

Кроме реакций на косинусоидальное приращение амплитуды сигнала нами исследовались ответы одиночных нейронов слуховой системы лягушки на один период модуляции, а также на плавный косинусоидальный декремент. Длительность подобных акустических событий варьировали от нескольких миллисекунд до долей секунды. Исследована зависимость реакции от основных параметров указанных акустических событий (начальная фаза, глубина модуляции, частота повторений). Обычно максимальная реакция наблюдалась в ответ на инкремент интенсивности (начальная фаза 2700), наименьшая – в ответ на декремент (начальная фаза 900), при промежуточной силе ответа на полный период модуляции [16,25,26].

В последнем случае реакция обычно была сильнее при начальном декременте (начальная фаза 1800), чем при начальном инкременте (начальная фаза 00). Указанные результаты позволяют сделать вывод, что в адаптированном режиме нейроны слуховой системы реагируют не столько на мгновенное значение амплитуды сигнала, сколько на скорость ее возрастания.

При этом высокую чувствительность к изменениям амплитуды тонального сигнала постоянной амплитуды проявляют даже клетки, которые при действии непрерывного 100% модулированного по амплитуде сигнала отвечают только на его начало и не воспроизводят эту модуляцию. Обращает на себя внимание, что реакция на декремент амплитуды существенно уменьшается при уменьшении периода предъявлений. Это свидетельствует, что ослабление реакции при действии последовательных сигналов определяется не столько энергией поступающего воздействия, сколько характером ответа данной конкретной клетки на отдельный предъявляемый сигнал. Отметим, что в качественном психофизическом эксперименте испытуемые, не имевшие специальной подготовки, воспринимали декремент амплитуды в непрерывно звучащем тональном сигнале скорее как возрастание, чем как уменьшение громкости. Таким образом, физиологические эксперименты на амфибиях позволяют найти конкретные корреляты психоакустической иллюзии, наблюдающейся у человека [25].

Другой резко нелинейный эффект, наблюдающийся в нейронах слуховой системы после достижения полной адаптации к действующему сигналу, проявляется при взаимодействии нескольких сигналов, определяющих амплитудную модуляцию. Если глубина модуляции несущей частоты одним низкочастотным синусоидальным сигналом сравнительно невелика (10-20%), то многие клетки просто полностью прекращают генерировать импульсы по окончании процесса долговременной адаптации (через 10-20 секунд после начала воздействия). Совершенно иначе ведут себя те же клетки, если к слабой XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика синусоидальной амплитудной модуляции добавляется шумовая компонента. В этих случаях реакция на сигнал может продолжаться, не затухая, в течение многих минут [27]. Наибольший интерес представляет тот факт, что в адаптированном режиме реакция клетки оказывается хорошо синхронизованной со слабой периодической составляющей модулирующего сигнала. Эффект полностью соответствует хорошо известному явлению стохастического резонанса, весьма часто наблюдающемуся в резко нелинейных системах. Представляет интерес, что нам удалось обнаружить соответствие указанному эффекту в психоакустических экспериментах на человеке. При определенном соотношении сигнал/шум пороги обнаружения амплитудной модуляции могут оказаться достоверно ниже, чем при полном отсутствии шумовой составляющей модулирующей функции [28].

Принципиально близкий эффект наблюдается и при взаимодействии двух различных синусоидальных модулирующих сигналов. После того как сигнал с несущей частотой, оптимальной для исследованного нейрона, и небольшой глубиной синусоидальной модуляции в районе десятков Гц перестанет вызывать ответ нервной клетки, реакция может быть вновь восстановлена, если тот же сигнал дополнительно модулировать с частотой в районе единиц Гц. Ответ может оказаться весьма мощным, причем он будет превосходно синхронизирован как с более высокой, так и с более низкой частотой модуляции [29].

Отчасти эти два эффекта могут быть объяснены реакцией клетки на более высокочастотную амплитудную модуляцию в моменты минимумов амплитуды более низкочастотного модулирующего маскера. Однако такое объяснение не может быть исчерпывающим по ряду причин. Во первых, обычно даже минимальная амплитуда низкочастотного маскера все же существенно превышает порог реакции клетки. Во вторых, мы наблюдали подобный эффект и в условиях модуляции низкочастотным сигналом сигнала, модулированного более высокой частотой. В таком режиме глубина модуляции не зависит от фазы ее появления на периоде низкочастотной модуляции. Заметим, что сочетание сравнительно высокочастотной модуляции, присущей каждому сигналу отдельной особи, и низкочастотной модуляции, легко выявляемой в популяции объектов, весьма характерно в ситуации, наиболее экологически важной для исследуемого вида амфибий. Именно такой сигнал воспринимается во время брачного хора травяной лягушки, когда самцы издают сигналы с частотой модуляции около 20 Гц, а вследствие перекрытия звуков от разных особей наблюдается и низкочастотная модуляция в диапазоне единиц Гц.

Только в последние годы стали появляться свидетельства того, что многие из особенностей адаптационного поведения, описанные нами для слухового пути амфибий, присущи и нейронам слуховой системы млекопитающих. Так в работах [30-33] исследовались реакции нейронов заднего холма и слухового нерва крысы на резкие изменения амплитуды сигнала, сконцентрированные вокруг среднего значения интенсивности, которое резко изменялось каждые 10 секунд. Было показано, что наилучшим образом во всех случаях воспроизводятся сравнительно малые изменения амплитуды вокруг этого среднего уровня. Результаты этих работ недвусмысленно свидетельствуют, что процессы, обусловливающие адаптационное повышение дифференциальной чувствительности, и обнаруженные нами у амфибий, присутствует также и в слуховой системе млекопитающих. С другой стороны, представляется, что период изменения среднего уровня в 10 секунд, который использовали данные исследователи [30,31], может быть достаточен для полного завершения адаптационных изменений в слуховом нерве млекопитающих, но вероятнее всего недостаточен для адаптации нейронов среднего мозга. Во всяком случае, изменения реакции могут осуществляться и в течение этого срока. Совершенно очевидно, что эти аспекты адаптационного поведения нейронов слуховой системы млекопитающих еще ждут подробного изучения.

ЛИТЕРАТУРА 1. Glowatzki E., Fuchs P.A. Transmitter release at the hair cell ribbon synapse// Nat Neurosci 2002. V.5. P. 147–154.

2. Bibikov N.G., Dubrovsky N.A., Ivanitsky G.A., Rimskaya-Korsakova L.K., Telepnev V.N. A model for filtering and analog-to-pulse conversion on the periphery of auditory pathway// In: Proceedings XI-th International Congress of Phonetic Sciences, Tallinn, 1987. V. 3, Р. 67-70.

3. Dubrovsky N.A, Rimskaya-Korsakova L.K. Periphery auditory analysis of short acoustic pulses in dolphins // In: Marine Mammal Sensory Systems, Plenum Press, N.Y., 1992, P..223-233.

4. Moser T., Neef A., Khimich D. Mechanisms underlying the temporal precision of sound coding at the inner hair cell ribbon synapse// J Physiol V.576. P. 55–62. 2006.

5. Teich M.C., Khanna S.M. Pulse-number distribution for the neural spike train in the cat's auditory nerve.// J Acoustic Soc Am. 1985. V.77. P.1110–1128.

6. Бибиков Н.Г, Дымов А.Б. Отклонения от процесса восстановления в спонтанной импульсной активности нейронов кохлеарного ядра лягушки// Биофизика 2007. Т.52. В.6 С.1073-1086.

7. Бибиков Н.Г, Дымов А.Б. Факторы Фано и Аллана процесса спонтанной импульсной активности слуховых нейронов продолговатого мозга// Сенсорные системы 2009. Т. 23, 3, С. 246–259.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика 8. Филиппов И.В., Кребс А.А., Пугачев К.С. Сверхмедленная биоэлектрическая активность структур слуховой системы головного мозга// Сенсорные системы. 2006. Т. 20. № 3. С. 238-244.

9. Бибиков Н.Г. Статистика разброса числа импульсов в ответах одиночных нейронов полукружного торуса лягушки на идентичные стимулы // Сенсорные системы 2011,. Т. 25. в.2. С. 131-142.

10. Sumner C.J., Lopez-Poveda E.A., O'Mard L.P., Meddis R. Adaptation in a revised inner-hair cell model.// J Acoust Soc Am. 2003. V.113(2). P. 893-901.

11. Бибиков Н.Г., Иваницкий Г.А. Моделирование спонтанной импульсации и кратковременной адаптации в волокнах слухового нерва// Биофизика, 1985. Т.30. 1. С.141-144.

12. Bibikov N.G., Nizamov S.V. Temporal coding of low-frequency amplitude modulation in the torus semicircularis of the grassfrog// Hear. Res., 1996, 101, 1, 23-44.

13. Бибиков Н.Г. Грубник О.Н. Улучшение синхронизации импульсной активности слуховых нейронов лягушки с огибающей звука в процессе долговременной адаптации// Сенсорные системы. 1996. Т. 10. 1. C. 5 18.

14. Bibikov N.G., Grubnik O.N. Responses to intensity increments and decrements in different types of midbrain auditory units of the frog// in: "Acoustical signal processing in the central auditory system", 1997. New York, Plenum Press, С. 271-277.

15. Бибиков Н.Г. Реакции нейронов слухового центра среднего мозга лягушки на изменения амплитуды длительных тонов. I. Участки амплитудной модуляции// Сенсорные системы 1999. Т.13. 2. С. 127-136.

16. Бибиков Н.Г. Реакции нейронов слухового центра среднего мозга лягушки на изменения амплитуды длительных тонов II. Одиночные амплитудные неравномерности// Сенсорные системы 1999.Т.13. 3. С. 179- 17. Бибиков Н.Г. Количественная оценка изменения синхронизации реакции нейронов кохлеарного ядра лягушки с огибающей звукового сигнала в процессе долговременной адаптации// Акуст ж. 2008. Т.54. 4. C.

669-681.

18. Н.Г.Бибиков. Нейрофизиологические механизмы слуховой адаптации. I. Адаптация в течение действия стимула. // Успехи физиологических наук 2010. Т. 41,.3. С. 72-91.

19. Н.Г.Бибиков Нейрофизиологические механизмы слуховой адаптации. II. Эффекты последействия // Успехи физиологических наук 2010. Т.41..4. С.76- 20. Bruckert L, Herrmann M, Lorenzi C. No adaptation in the amplitude modulation domain in trained listeners.//.J Acoust Soc Am. 2006. V.119. 6. P.3542-3545.

21. Тумаркина Л.Н., Дубровский Н.А. Некоторые характеристики восприятия человеком амплитудно модулированных сигналов// Биофизика. 1966.Т.11 (4). С..653-658.

22. Бибиков Н.Г. Выделение амплитудно-модулированных отрезков в непрерывном тоне нейронами слуховой системы лягушки// Акустический журн., 1988, 34, 3, С. 400-401.

23. Biebel U.W., Tomlinson W.,Bibikov N.G., Langner G. Responses to low-modulation depth tones in single units of inferior colliculus in the alert chichilla. in "Gottingen Neurobiology Report 1998" ed. N.Elsner and R Wehner.

Georg Thieme Verlag. Stuttgart-N.Y. 1998, 344.

24. Бибиков Н.Г. Макеева И.П. Слуховые адаптации и пороги обнаружения амплитудной модуляции// Акустический журн., 1989, Т. 35, 6, С. 1004-1010.

25. Бибиков Н.Г Реакция нейронов слухового центра среднего мозга лягушки на временное уменьшение амплитуды сигнала – некоторые нейрофизиологические корреляты слуховой иллюзии и фонемного различения// Сенсорные системы 2007. Т.21. 1. С.72-86.

26. Bibikov N.G., Gorodetskaiya O.N. Coding of amplitude modulated tones in the midbrain auditory region of the frog// in 'Neuronal mechanism of hearing', New -York: Plenum Pr. 1981. P.347-352.

27. Bibikov N.G. Addition of noise enhanced neural synchrony to amplitude-modulated sounds in the frog's midbrain// Hear. Research. 2002. V.173. 1. P.21-28.

28. Бибиков Н.Г. Ищенко С.М. Пороги обнаружения периодичности сигнала при наличии шумовой модуляции: признаки стохастического резонанса. // В сб «Психофизика сегодня» 2006. C..247-254.

29. Бибиков Н.Г. Реакция нейронов слухового пути лягушки на тоны, модулированные по амплитуде двумя низкочастотными синусоидами// Сенсорные системы. 2008. Т.21 3. С. 179-193.

30. Dean I, Harper NS, McAlpine D. Neural population coding of sound level adapts to stimulus statistics// Nat Neurosci 2005.V.8. P.1684-1689.

31. Dean I, Robinson B.L., Harper N.S., McAlpine D. Rapid neural adaptation to sound level statistics// J Neurosci 2008. V.28. P. 6430-6438.

32. Wen B, Wang G.I., Dean I., Delgutte B. Dynamic range adaptation to sound level statistics in the auditory nerve// J Neurosci. 2009. V. 29. P. 13797-13808.

33. Wen B., Wang G.I., Dean I., Delgutte B. Time course of dynamic range adaptation in the auditory nerve//.J Neurophysiology 2012. V.107. in press.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика УДК 534. Е.М. Иванова, А.П. Свиридов, В.Г. Андреев, Л.А. Осминкина, В.Ю. Тимошенко ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОЙ КАВИТАЦИИ В КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ КРЕМНИЕВЫХ НАНОЧАСТИЦ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет Россия, 119992, Москва, ул. Ленинские горы, д.1, стр. Тел.(сл): (495) 939-2952;

E-mail: em.ivanova@physics.msu.ru, andreev@acs366.phys.msu.ru Кремниевые наночастицы являются перспективным материалом для разработки новых методик направленной доставки лекарств в опухолевые ткани. Частицы вместе с прикрепленными к ним лекарственными препаратами могут накапливаться в опухолевых тканях за счет прикрепления к ним рецепторов, специфичных для определенных опухолей. Для активации частиц и высвобождения связанных с частицами лекарств предлагается использовать ультразвук высокой интенсивности. В работе содержатся результаты измерений порогов акустической кавитации в диапазоне частот 1 – 2.5 МГц с использованием высокодобротного резонатора. Объем резонатора заполнялся коллоидными растворами кремниевых наночастиц различной концентрации и с различными свойствами поверхности. Получены амплитуды субгармоники, второй и третьей гармоник в зависимости от амплитуды основной гармоники.

Введение Процесс акустической кавитации начинается при превышении уровня давления характерного для конкретной среды, который называется порогом акустической кавитации. Кремниевые наночастицы имеют пористую поверхность, что позволяет их использовать для понижения порога кавитации в биологических тканях и применять для доставки лекарств ультразвук сравнительно небольшой интенсивности.

Измерение порогов акустической кавитации проводят различными способами: по генерации и росту амплитуды субгармоники [1] или же анализу кавитационного шума [2-3]. В настоящей работе используется первый метод. Для создания кавитации необходимо возбуждение в исследуемой жидкости волны достаточно большой интенсивности, что можно реализовать внутри акустического резонатора [2].

В представленной работе используется закрытый резонатор объемом несколько миллилитров, что позволяет исследовать небольшие объемы коллоидных растворов, получение которых сопряжено с определенными технологическими трудностями. Одна из стенок резонатора является излучателем, в то время как вторая может служить «зеркалом» - поверхностью, полностью отражающей акустическую волну, или приемником. В последнем случае, если резонансная частота приемника приблизительно вдвое меньше рабочей частоты излучателя, то увеличивается чувствительность такой системы для регистрации субгармоники, возникающей при кавитации. Измерять структуру акустического поля в резонаторе можно также с помощью гидрофона с размерами, меньшими длины волны.

Материалы и методы Конструкция резонатора состоит из двух пьезоэлектрических преобразователей диаметром 20 мм, закрепленных в плексигласовом полом цилиндре параллельно друг другу на расстоянии 22 мм.

Пьезопреобразователи (ПП) имели собственные частоты 1 и 2.5 МГц. Объем резонатора заполнялся коллоидными растворами кремниевых наночастиц различной концентрации и с различными свойствами поверхности. На один из пьезопреобразователей подавался сигнал с генератора «Tektronix AFG3021B», а другой выполнял функцию приемника. Сигнал с приемного ПП регистрируется с помощью осциллографа «Tektronix TDS3032B». В режиме измерения гармоник осциллограф включался в режим БПФ.

Рис.1. Фотография резонатора.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика Осциллограф и генератор подключались к компьютеру через GPIB интерфейс, что позволяло автоматизировать процесс измерений. Управление процессом измерений производилось с помощью программ, написанных в среде LabVIEW. Порог кавитации зависит от температуры [2], которая изменяется как за счет внешних условий, так и вследствие поглощения части ультразвуковой энергии.

Постоянный мониторинг температуры внутри резонатора проводился с помощью двух термопар малого размера. Термопары располагались по оси резонатора на расстоянии примерно 4 мм друг от друга.

Использование двух термопар позволяло усреднить влияние стоячей волны на измерение температуры, поскольку термопары находились в точках с различными амплитудами волны. Напряжение термопар усиливалось специальным усилителем и подавалось на входы осциллографа АКИП-4111/1. Термопары предварительно калибровались в диапазоне температур 20-80 0С с помощью поверенного ртутного термометра. Осциллограф АКИП-4111/1 соединялся с компьютером через USB интерфейс. Данные о температуре растворов в процессе измерений постоянно записывались в файл.

Наночастицы кристаллического (nc-Si) и мезо- и микропористого (nc-mesoPSi, nc-microPSi) кремния были приготовлены из пластин кристаллического Si (c-Si) и пленок пористого Si (PSi) с помощью механического помола в планетарной мельнице «Pulverisette 7 premium line» (FRITSCH) в течение минут. Пленки PSi были получены стандартным методом электрохимического травления [5] пластин c-Si (100) с удельным сопротивлением 25 мОм•см (для nc-mesoPSi) и 10 Ом•см (для nc-microPSi) в водноспиртовом растворе плавиковой кислоты HF(50%):C2H5OH при плотности тока 60 мА/см2 в течение 60 минут. Пленки PSi отслаивались от подложки c-Si путем кратковременного увеличения тока травления примерно до 600 мА/см2. В процессе измерений использовались водные растворы с концентрациями кремниевых частиц до 5 г/л.

Результаты измерений На рис. 2 представлены резонансные линии резонатора, полученные в случае, когда излучателем служил ПП-2 с частотой 2.5 МГц, а приемником и отражающим зеркалом – ПП-1 с частотой 1 МГц.

Рис. 2. Резонансные линии измеренные в воде при температуре 24.8 0С. Жирной линией показан сигнал на приемнике ПП1, тонкой линией - на излучателе ПП2.

Длина резонатора, используемого в данной работе L=22мм. Средняя скорость звука в растворах мало отличалась от значения для воды, поэтому резонансные линии располагались на частотном интервале в кГц. Верхний график соответствовал линиям, полученным на приемнике ПП-1. Структура их довольно сложная, что связано с импедансными граничными условиями на границе раствор – пьезопреобразователь.

Нижний график соответствует изменению амплитуды напряжения на излучателе ПП-2. Напряжение на ПП-2 было примерно постоянно с небольшими вариациями. На рис.2 показаны эти вариации за вычетом постоянной амплитуды. При нагреве на 1 0С линии смещались примерно на частоту 4 кГц, что соответствовало табличному значению температурного коэффициента в воде 2.5 м/с/град [4].

Измерения порога кавитации проводились следующим образом. На ПП-2 с резонансной частотой 2.5 МГц подавалось переменное напряжение с выхода усилителя мощности. Производилась настройка резонатора XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика на одну из линий вблизи резонансной частоты этого ПП. Форма волны на преобразователе ПП-1 с резонансной частотой 1 МГц регистрировалась помощью осциллографа «Tektronix TDS3032B».

Амплитуды субгармоники и первых трех гармоник основной частоты вычислялись с помощью алгоритма БПФ, встроенного в схему осциллографа. Измеренные преобразователем ПП-1 амплитуды субгармоники, первой, второй и третьей гармоник в зависимости от амплитуды давления на излучателе ПП-2 в растворах кремниевых наночастиц приведены на рис.3.

Рис. 3. Зависимость амплитуд гармоник, зарегистрированных приемником ПП-1 от амплитуды давления на излучателе ПП-2. Символами показаны амплитуды субгармоники (), перво й (), второй () и третьей (+) гармоник.

Амплитуда 1-й гармоники (частота 2501 кГц) довольно быстро растет в диапазоне 0.1-2 кПа, затем ее рост замедляется. При давлении 2 кПа отмечен рост 2-й гармоники на 30 дБ, затем ее амплитуда стабилизируется на значении 40 -50 дБ. Субгармоника имеет флуктуации в пределах 10 дБ до значений давления 8-9 кПа, затем следует ее резкий рост до 30дБ (при p=11 кПа) и 40 дБ (при p=13 кПа). Таким образом, порог кавитации находится в области 10 - 11 кПа. При давлениях, превышающих 12 кПа пузырьки размерами в доли миллиметра наблюдались визуально. Отметим, что в чистой воде при таких амплитудах давления и субгармоника не регистрировалась, т.е. ее уровень не превышал уровень цифрового шума. Следует отметить, что графики носят качественный характер, т.к. сам приемник имеет свою амплитудно-частотную характеристику. В частности, его чувствительность в области субгармоники и второй гармоники (около5 Мгц) выше, т.к. эти частоты находятся в области резонанса.

Работа поддержана грантами РФФИ (№№11-02-90506, 11-02-01342, 11-02-90301) и Минобрнауки РФ (№16.513.12.3010).

ЛИТЕРАТУРА К. Хилл, Дж. Бэмбер, Г. тер Хаар (ред.) Ультразвук в медицине. Физические основы применения // М.:

1.

Физматлит. 2008.

Диденкулов И.Н., Мартьянов А.И., Прончатов-Рубцов Н.В. Экспериментальное исследование 2.

ультразвуковой кавитации в плоском открытом резонаторе //Труды XXIV сессии РАО, Москва, 2011.

3. K. Brabec,V. Mornstein. Detection of ultrasonic cavitation based on low-frequency analysis of acoustic signal //Central European Journal of Biology,CEJB 2(2), 213-221, 2007.

Физические величины. Справочник. Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. // М.: Энергоатомиздат, 4.

1991.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика УДК 534. А.Л.Николаев1, А.В.Гопин1, В.Е.Божевольнов1, Н.В.Андронова2, Е.М.Трещалина2, И.С.Голубева2, Н.В.Дежкунов КОНЦЕПЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛОКАЛЬНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ СРЕДНЕЙ ИНТЕНСИВНОСТИ В ОНКОЛОГИИ Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультет Россия, 119991 Москва, Ленинские горы, д.1, стр. Тел.: (495) 939- E-mail: nic@radio.chem.msu.ru ГУ Российский онкологический научный центр им. Н.Н. Блохина РАМН Россия, 115478 Москва, Каширское шоссе, д. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Беларусь, 220027, Минск, ул. П. Бровки В работе суммируется опыт совместных исследований Химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, Онкологического центра имени Н.Н.Блохина РАМН, НИИ по изысканию новых антибиотиков имени Г.Ф.Гаузе РАМН, ФГУП «ГНЦ «НИОПИК» и Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники по применению ультразвука средней интенсивности в терапии онкологических заболеваний. Исследования включали изучение безвредности и противоопухолевой активности ультразвука в сочетании с химиопрепаратами и твердофазными соносенсибилизаторами. Сделано заключение о перспективности комбинированной схемы терапии с применением ультразвука средней интенсивности, химиопрепаратов и соносенсибилизаторов различной природы. Предложенные схемы терапии в настоящее время проходят клиническую апробацию в ГУ РОНЦ им. Н.Н.Блохина В ультразвуковой терапии онкологических заболеваний в результате многолетних экспериментальных исследований появились два различных подхода – неинвазивная хирургия (HIFU – High Intensity Focused Ultrasound) [1] и сонодинамическая терапия [2, 3]. Метод HIFU предполагает применение фокусированного ультразвука высокой интенсивности (100-10000 Вт/см2). Основным механизмом разрушения опухоли является тепловой, приводящий к коагуляционному некрозу тканей.

Антираковая терапия с использованием ультразвука средней интенсивности (до 20 Вт/см2) эффективна только в сочетании с химиотерапией или в варианте так называемой сонодинамической терапии.

В сочетании с химиотерапией действие ультразвука заключается в инициировании или увеличении цитотоксичности и биодоступности различных агентов в зоне облучения, увеличении сосудистой проницаемости, что приводит к деструкции и гибели раковых клеток. Особую роль при этом играет выбор оптимального режима ультразвукового воздействия.

В Российском онкологическом научном центре им. Н.Н. Блохина РАМН совместно с химическим факультетом МГУ имени М.В. Ломоносова в течение ряда лет проводились комплексные доклинические исследования на разных видах животных и различных типах экспериментальных опухолей, направленные на изучение эффективности комбинированного использования ультразвука и химиотерапии. Основной целью исследования было получение доказательных экспериментальных данных для выбора наиболее перспективной схемы клинической апробации. Цикл работ включал изучение противоопухолевой активности, фармакокинетики, безвредности и влияния на метастазирование. Токсикологические исследования выполнены на здоровых крысах и собаках. В качестве цитостатиков были использованы сарколизин, циклофосфан, цисплатин, карбоплатин, 5-фторурацил, метотрексат, доксорубицин и гемзар.

Рабочий режим обеспечивался одновременным воздействием ультразвука двух частот – 0.88 МГц и 2.64 МГц с интенсивностями варьируемыми в интервале 1-5 Вт/см2. Облучаемая опухоль находилась в ближнем поле. Контактная среда термостатировалась. Температура в опухоли контролировалась с помощью термопары.

Использование одновременного воздействия на опухоль ультразвука двух частот позволяет варьировать вклады тепловых и кавитационных эффектов в терапевтический эффект. Такая возможность, в свою очередь, позволяет минимизировать токсичность ультразвукового воздействия, напрямую связанную с температурными режимами. При работе с крупными животными применяли мозаичные излучатели с регулируемой площадью излучения.

Об эффективности лечения судили по динамике размеров опухолевых узлов, рассчитанной по соотношению средних объемов до и после лечения (Vt / V0). Первоначально определяли время удвоения объема »), затем вычисляли коэффициент ( (« K) усиления противоопухолевого эффекта комбинированного воздействия как отношение « в опыте и « в контроле. Статистическую обработку » »

данных проводили с использованием стандартного метода Фишера-Стьюдента.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика В результате этих исследований была установлена высокая терапевтическая эффективность метода. Значение коэффициента усиления (K) для разных цитостатиков находится в интервале 2-4, что соответствует торможению роста опухоли на 70-80 %. Продолжительности жизни животных при этом увеличивается в 1.5-2 раза при хорошей переносимости воздействия и отсутствии влияния на метастазирование.

Особо следует отметить возможность преодоления с помощью ультразвука индуцированной лекарственной устойчивости. Ответственными за феномен лекарственной устойчивости некоторых злокачественных штаммов предположительно считаются белковые комплексы, связанные с мембранами клеток. Поэтому управляемое изменение формы оболочечных объектов с жидким и газовым заполнением (клетка, клеточные органеллы, капли, пузырьки) в акустических полях невысокой интенсивности, но специально организованной структуры, является инструментом избирательного воздействия на терапевтически значимые клеточные процессы.

2. 2. K 1. 1. 1. 0.0 0.5 1.0 1.5 2. t, часы Рис. 1. Зависимость эффективности подавления роста меланомы B16/DC, при совместном действии дакарбазина и ультразвука, от интервала между введением цитостатика и ультразвуковым воздействием.

Экспериментальные животные – мыши BDF1. Значение K=1 соответствует отсутствию противоопухолевого эффекта.

На примере солидной опухоли с индуцированной устойчивостью к дакарбазину (меланома B16/DC), нами показана возможность преодоления лекарственной устойчивости с помощью ультразвука.

Максимальный эффект достигается при минимальном интервале времени между введением препарата и ультразвуковым воздействием. При этом устойчивость опухоли к препарату снижается в несколько раз (рис. 1).

Сущность метода сонодинамической терапии заключается в комбинированном воздействии на опухоль ультразвука и химических соединений нелекарственной природы – соносенсибилизаторов.

Используемые интенсивности ультразвука находятся в интервале 1-10 Вт/см2. Фокусировка не так критична как в методе HIFU хирургии. Избирательность действия обеспечивается несколькими факторами: избирательным накоплением соносенсибилизатора в опухоли, преимущественным действием ультразвука на опухолевый очаг и преимущественной способностью здоровых тканей к восстановлению.

Механизм возникновения терапевтических эффектов до сих пор дискутируется, хотя имеются веские основания предполагать его свободнорадикальную природу, связанную с кавитационными эффектами ультразвука.

Кавитацию можно рассматривать как эффективный способ концентрации энергии и трансформации мощности. Так, плотность энергии кавитационного пузырька в полях средней интенсивности превосходит плотность энергии звуковой волны на 5 порядков, достигая величины 108 Па.

При тех же условиях средняя удельная мощность кавитационного пузырька превосходит удельную мощность звукового поля на 3 порядка, достигая значений 104 Вт/см2. Основной проблемой является управление локализацией кавитационных процессов в несфокусированных акустических полях. В качестве ее решения мы предложили использовать явление локального частотно-зависимого повышения эффективного коэффициента поглощения ультразвука при введении в среду агрегатов нано- и микрочастиц определенной природы и распределения по размерам. В результате происходит локальное снижение кавитационной прочности среды и, как следствие, появляется возможность локального XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика преобразования акустической энергии в тепловую и химическую. Такой подход дает возможность эффективно использовать средне- и низкоинтенсивные акустические поля для получения локальных высокоэнергетических эффектов, приводящих к деструкции опухолевой ткани [4].

Основной задачей при этом является обеспечение локализации твердофазных включений в необходимом месте. Существует два принципиально разных способа их доставки в опухоль – введение в кровоток уже готовых наночастиц и их синтез непосредственно в очаге поражения [4].

Последний вариант, на наш взгляд, предпочтительнее, так как отличается более высокой специфичностью локализации модификаторов. В особой степени это касается терапии злокачественных опухолей, в которой специфичность обеспечивается опухолевым атипизмом, связанным с особенностями ее роста, пролиферации, метаболизма и питания. В результате физико-химические условия в опухоли (pH, содержание ионов кальция, структура биомембран и др.) отличаются от условий в нормальных окружающих опухоль тканях. Это дает возможность с помощью подбора соответствующих реагентов локализовать нановключения преимущественно в регионе сосудистой системы опухоли.


В Российском онкологическом научном центре им. Н.Н. Блохина РАМН ведутся доклинические исследования терапевтической эффективности использования твердофазных включений в качестве соносенсибилизаторов. [5]. Эксперименты проводятся на животных с разными типами опухолей (меланома B16, карцинома Ca755, РС1, карцинома Эрлиха, карцинома Льюиса) и при различных схемах терапии и включают оценку терапевтической эффективности, безвредности и влияния на метастазирование. В качестве растворимых соносенсибилизаторов, образующих в опухоли твердую фазу, выбраны производные фталоцианинов кобальта (октанатриевая соль октакарбоксифталоцианина кобальта) и цинка (октанатриевая соль октакарбоксифталоцианина цинка).

Было установлено, что терапевтическая эффективность действия ультразвука в присутствии таких включений существенно повышается (K=3-5) и в некоторых случаях сопоставима с результатами лечения по оптимальным химиотерапевтическим схемам.

0. 0. 0. 0. (l), нм- 0. 0. 0. 0. 0. 0 50 100 150 200 250 l, нм а) б) Рис. 2. Электронная микрофотография (а) и функция распределения по длине (б) нанокристаллов гидроксиапатита.

Недостатком метода синтеза твердофазных включений непосредственно в опухоли является зависимость массы твердой фазы от физико-химической обстановки в опухоли. Для некоторых типов опухолей не удается синтезировать необходимое количество твердой фазы. В этом случае возможно введение в кровоток наночастиц, синтезированных in vitro. Основной проблемой при таком способе введения является токсичность. Многие наночастицы, успешно используемые в качестве лекарственных контейнеров в экспериментах на животных, не могут применяться в клинической практике из-за острой или хронической токсичности [6].

Нами предложено использовать в качестве твердофазного соносенсибилизатора гидроксиапатит.

Гидроксиапатит выбран по причине его биосовместимости. Кроме того, имеются данные по его безвредности при введении в кровоток. Для снижения риска эмболии нами была разработана методика синтеза высокодисперсного гидроксиапатита в ультразвуковом поле с последующей адсорбцией альбумина. Полученный в таких условиях гидроксиапатит имел средние размеры 100 нм и достаточно узкое распределение частиц по размерам (рис. 2). Установлено, что сочетанное действие ультразвука и гидроксиапатита приводит к выраженному супераддитивному торможению роста опухоли и зависит от временного интервала между введением наночастиц и ультразвуковым воздействием. Получено XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика достоверное повышение эффективности в 2 раза по сравнению с действием одного ультразвука (рис. 3).

Следует добавить, что сенсибилизирующая активность гидроксиапатита зависит от природы соединения, связанного с его поверхностью.

Контроль УЗ НЧ ГАП НЧ ГАП + 15' + УЗ НЧ ГАП + 1 час + УЗ НЧ ГАП + 4 часа + УЗ V / V 0 1 2 3 4 5 6 7 8 t, сутки Рис. 3. Динамика роста опухоли при совместном действии ультразвука (УЗ) и наночастиц гидроксиапатита (НЧ ГАП) с сорбированным на них альбумином. Доза наночастиц – 25 мг/кг.

Из результатов, проведенных нами в течение ряда лет лабораторных, доклинических и клинических исследований по применению локального ультразвукового воздействия средней интенсивности в онкологии, можно сделать вывод, что наиболее эффективной является комбинированная схема терапии. Она включает собственно ультразвук, ультразвук в сочетании с соносенсибилизаторами нелекарственной природы и ультразвук в комбинации с химиопрепаратами. Такое сочетание различных факторов, нацеленных на разные мишени, повышает терапевтическую эффективность воздействия и снижает его токсичность.

ЛИТЕРАТУРА 1. Diederich C.J., Hynynen K. Ultrasound technology for hyperthermia // Ultrasound in Med. & Biol. 1999. V. 25.

№ 6. P. 871-887.

2. Umemura S., Yumita N., Nishigaki R., Umemura K. Mechanism of cell damage by ultrasound in combination with hematoporphyrin // Japan J. Cancer Res. 1990. V. 81. № 9. P. 962-966.

3. Yumita N., Okuyama N., Sasaki K., Umemura S. Sonodynamic therapy on chemically induced mammary tumor:

pharmacokinetics, tissue distribution and sonodynamically induced antitumor effect of gallium–porphyrin complex ATX-70 // Cancer Chemother. Pharmacol. 2007. V. 60. P. 891–897.

Николаев А.Л., Гопин А.В., Божевольнов В.Е., Трещалина Е.М., Андронова Н.В., Мелихов И.В. Применение 4.

твердофазных неоднородностей для повышения эффективности ультразвуковой терапии онкологических заболеваний. // Акустический журнал, Т. 55, № 4-5, 2009, С. 565–574.

Андронова Н.В., Филоненко Д.В., Божевольнов В.Е., Николаев А.Л., Трещалин И.М., Трещалина Е.М., 5.

Герасимова Г.К., Калия О.Л., Ворожцов Г.Н. Комбинированная терапия злокачественных опухолей с использованием локального ультразвукового воздействия (экспериментальное исследование) // Российский биотерапевтический журнал. 2005. Т. 4. № 3. С. 101-105.

6. Yildirimer L., Thanh N.T.K., Loizidou M., Seifalian A.M. Toxicological considerations of clinically applicable nanoparticles // Nano Today, 2011, V. 6, P. 585—607.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика УДК 534: И.А. Кириченко, Г.Ю. Джуплина, Д.В. Орда-Жигулина, И.Б. Старченко ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ЗВУКА В МОДЕЛЯХ ЖИДКИХ БИОСРЕД С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ Технологический институт Южного Федерального университета Россия, 347928, г. Таганрог, ГСП-17а, пер. Некрасовский, Тел.: (8634) 371-795;

E-mail: star@ tti.sfedu.ru В работе рассматриваются результаты экспериментальных исследований оптоакустического эффекта в моделях жидких биологических сред с углеродными наноторубками. Разработана установка для экспериментальных исследований. Получены экспериментальные сигналы от агрегатов нанотрубок.

Теоретические исследования формирования оптоакустических полей при облучении лазером жидких сред и рассеяния оптоакустических импульсов на бактериальных частицах были проведены в [1].

В [2] было показано, что увеличение уровня оптоакустического (ОА) сигнала в среде с углеродными наночастицами может являться признаком присутствия бактериальных клеток. Для проверки этого утверждения были выполнены экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования формирования оптоакустических полей при облучении пробы, содержащей наноразмерные частицы, проводились в Центре коллективного пользования «Лазерные технологии» Южного федерального университета. ОА импульсы регистрировались в жидких средах с различной концентрацией нанообъектов, а также в чистом растворе.

Интегральная установка была построена, как описано в работе [3] с использованием инфракрасного лазера, модель LIMO 100-532/1064-U на основе Nd:YAG лазера с фиксированной длиной волны 1064 нм, длительностью импульса 45 нс и энергией в импульсе, которая могла задаваться программно в диапазоне от 0,1 до 100 Вт. Значение частоты следования импульсов (ЧСИ) frep лазера - кГц. Облучение проб лазером выполнялось с помощью настраиваемой цилиндрической линзы, формировавшей линейный луч лазера диаметром от 3,5 мм. На рис. 1 представлена структурная схема экспериментальной установки.

Сгенерированный лазером ОА сигнал детектировался ультразвуковым преобразователем, который прикреплялся к стенке кюветы. Кювета наполнялась раствором, содержащим наночастицы в различных концентрациях. Расстояние от лазерного пятна до ультразвукового (УЗ) приемника составило 0,5–1 см.

Сигнал от УЗ датчика усиливался и регистрировался цифровым осциллографом. Полученные данные сохранялись в файл на ПК и обрабатывались отдельно. ОА сигналы отображались на осциллографе для анализа формы сигнала.

Запускающий Лазер Nd:YAG Исследуемый генератор = 1064 нм раствор УЗ Усилитель Фильтр ВЧ преобразователь Цифровой ПК осциллограф Рис.1. Структурная схема экспериментальной установки для in vitro исследований суспензий УНТ в пробирке Для проведения исследований использовались углеродные нанотрубки (УНТ) со средней длиной мкм и диаметром 20 нм и углеродные нановолокна (УНВ) со средней длиной и диаметром 70 мкм и 30 нм, соответственно, которые были изготовлены в НОЦ «Нанотехнологии» Южного федерального XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика университета. Нанотрубки – это структурированные частицы и в чем-то они подобны частицам сажи. Это подобие распространяется и на растворимость: ни сажа, ни углеродные нанотрубки в воде или органических жидкостях не растворяются. Более того, они даже не смачиваются водой. Поэтому для образования суспензии из УНТ для растворения нанотрубок использовался пищевой желатин. В условиях ультразвукового облучения желатин разрушает сростки однослойных нанотрубок, обволакивает трубки и переводит их в водный раствор. Для эксперимента были приготовлены 2 %, 5 %, 10 % и 15 % растворы желатина. Концентрация УНТ и УНВ в растворе составляла 0,5 и 2,5 мг/мл. Раствор с нанообъектами обрабатывался ультразвуком в течение 15 мин для равномерного распределение агрегатов. Средний размер агрегатов УНТ и УНВ в растворе контролировался при помощи оптической визуализации.

Суспензия из наночастиц состояла из отдельных нанотрубок и агрегатов нанотрубок. В зависимости от продолжительности обработки ультразвуком размер агрегатов был сформирован в диапазоне от 300 мкм.

Рассмотрим источники шума, которые следует учитывать при обработке сигналов. Электронные шумы (осцилляции частотой 7 МГц) длительностью 1-2 мкс вызываются электромагнитными полями, создаваемыми лазерными источниками. Рассеянный свет лазера создает акустические колебания на поверхности преобразователя, которые начинаются сразу после лазерного импульса. Момент, когда они появляются, не зависит от расстояния между лазерным пятном и преобразователем. Для датчика, расположенного на расстоянии 0.5-1 см от лазерного луча, требуется 2-4 мкс для генерирования акустических волн от наночастиц до достижения ими преобразователя. Необходимо использовать временную селекцию для выбора подходящих ОА сигналов от образца во временной области, таким образом, чтобы эффекты, вызванные электромагнитным полем и рассеянием света, не записывались.


Кроме того, цифровая полосовая фильтрация удаляет оставшиеся шумы и колебания сигнала.

Регистрация ОА импульсов производилась с помощью УЗ датчиков (рис. 2). В качестве приемника УЗ сигнала использовались УЗ датчики (гидрофоны) с резонансными частотами в диапазоне 5,5-2,1 МГц.

Измерительный гидрофон состоит из чувствительного пьезоэлектрического элемента (пьезокерамика ЦТС-19), который покрыт тонким резиновым покрытием для изоляции внешнего электрода от водной среды. Датчики помещались непосредственно в пробирку с исследуемым раствором и закреплялись на стенке сосуда. Расстояние от облучаемой поверхности до датчика 0.5–1 см (рис. 3).

Рис. 2. УЗ датчики для измерения ОА импульсов Рис. 3. Внешний вид исследуемых проб Электронные помехи и акустические колебания, вызванные электромагнитными помехами (наводками) и рассеянием лазерного излучения, устранялись с помощью фильтра верхних частот. С помощью программного обеспечения для цифрового осциллографа записывались сигналы, которые можно было сохранять в виде отдельных файлов с расширением dso и проводить их обработку. Это позволяет устранить электронные и низкочастотные шумы. Для каждого лазерного импульса программное обеспечение обрабатывает акустические волны, измеряет амплитуду ОА сигнала, и сохраняет соответствующий номер импульса и амплитуду ОА сигналов на жесткий диск. Итоговый набор данных для каждого эксперимента включал амплитуды ОА сигналов, соответствующие каждому последующему лазерному импульсу. Все записи из базы данных были проанализированы на предмет соответствия нулевой гипотезе белого шума. Для этих целей использовался Q-тест Льюнга–Бокса (портманто статистика). Результаты анализа сведены в табл. 1.

Таблица 1. Q-тест на белый шум Образец Q p Суспензия УНТ 0,5 мг/мл 9,63·10-5 – 3,3·10- 35,66 – 44, 10% Желатин 3,1·10-3 – 2,4·10- 26,5 – 33, Шум 3,81 – 0,054 0,95 – XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика Можно сказать, что с высокой долей вероятности р исследуемые акустические сигналы не являются «белым шумом», а, следовательно, несут информацию об исследуемом процессе.

На рис. 4 приведены результаты экспериментальных исследований.

Time domain Frequency domain 150 Magnitude (dB) Amplitude 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (ns) Frequency (MHz) x 10% раствор желатина, концентрация УНВ 50 мг Time domain Frequency domain 160 140 Magnitude (dB) Amplitude 20 - 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (ns) 4 Frequency (MHz) x 10% раствор желатина, концентрация УНТ 50 мг Time domain Frequency domain 210 Magnitude (dB) Amplitude 170 130 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Time (ns) 4 Frequency (MHz) x 10% раствор желатина Рис. 4. Осциллограммы и спектры экспериментальных АО сигналов Проведен анализ базы записей ОА сигналов, выявлено возрастание амплитуды основной гармоники ОА сигнала в присутствии УНТ и УНВ. Экспериментально установлено увеличение уровня амплитуды акустического сигнала в среде с УНМ примерно в 1,6 раза по сравнению с раствором желатина.

ЛИТЕРАТУРА 1. Джуплина Г.Ю., Старченко И.Б. Теоретическая модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеивателями // Известия ЮФУ. Технические науки. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. № 10. - С.189-192.

2. Zharov, V.P. Photothermal image flow cytometry in vivo [Текст] / V.P. Zharov. P., E.I. Galanzha, and V.V. Tuchin // Opt. Lett. -2005. - № 30. –Р. 628–630.

3. Джуплина Г.Ю., Соботницкий И.С., Старченко И.Б., Шашкин М.С. Ультразвуковые исследования крови с применением наноразмерных объектов in vivo и in vitro. XXII сессия Российского акустического общества, Медицинская акустика и биоакустика, 2010, -С. 158-162.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика УДК 542. А.А. Аносов, Р.В. Беляев, В.А. Вилков, М.В. Дворникова, В.В. Дворникова, А.С. Казанский, Н.А. Курятникова, А.Д. Мансфельд, А.Г. Санин АКУСТОТЕРМОГРАФИЯ: МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕМПЕРАТУРЫ С УЧЕТОМ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Институт радиотехники и электроники им. В.А. Колесникова РАН Россия, 125009, Москва, ул. Моховая 11, корп. Тел.: (495) 624-5285;

Факс: (495) 624- E-mail: anosov@hotmail.ru Проведен модельный эксперимент, в котором методом акустотермографии восстановлена глубинная температура пластилиновой полосы. В процессе эксперимента температура объекта менялась с течением времени. В алгоритме восстановления учтено, что искомая температура удовлетворяет уравнению теплопроводности. Определяли два параметра: начальную температуру и коэффициент температуропроводности. В эксперименте осуществлен независимый контроль температуры внутри пластилина. Погрешность определения коэффициента температуропроводности составила около 15 %, а погрешность определения температуры – меньше градуса. Такие результаты позволяют использовать предлагаемый метод для решения ряда медицинских задач.

Восстановление распределения изменяющейся во времени глубинной температуры тела человека требуется при различных медицинских процедурах. Например, гипертермия приводит к образованию в организме нагретой области, контролировать параметры которой необходимо для повышения эффективности процедуры. Мы предлагаем использовать для этого акустотермографию – метод измерения теплового акустического излучения объекта [1-4]. Для повышения точности восстановления температурного распределения необходимо использовать априорную информацию, например, учитывать уравнение теплопроводности, которому подчиняется температурное распределение [5]. Мы предполагаем экспериментально восстановить распределение температуры в модельном объекте и использовать для этого уравнение теплопроводности.

Рис. 1. Схема эксперимента: 1, 2 и 3 – термопары, АТ1 и АТ2 – датчики акустотермографа.

Схема эксперимента представлена на рис. 1. В заполненный водой аквариум помещали предварительно нагретую пластилиновую полосу (пластину размером 90 х 50 х 16 мм3) толщиной d = мм и держали ее там в течение 150 с. Пластилин охлаждался: его глубинную температуру контролировали тремя термопарами: 1, 2 и 3 на рис. 1. Термопары были вставлены в пластилин сверху вертикально на глубину 25 мм. Расстояния от левой стороны пластины до термопар составляли 5, 8 и 12 мм, для первой, второй и третьей термопары, соответственно. Температура поверхности пластилина совпадала с температурой аквариума, которая измерялась электронными термометрами. Точность измерений температуры составляла 0.3 К. Для измерений теплового акустического излучения были использованы два датчика (АТ1 и АТ2 на рис. 1) многоканального акустотермографа [6], разработанного в ИПФ РАН (полоса пропускания 1.2-2.7 МГц, пороговая чувствительность при времени интегрирования 10 с – 0,3 К).

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-ти разрядный многоканальный АЦП Е14-140 (ЗАО «L-Card») с частотой дискретизации 1 кГц на один канал и поступали в компьютер. Разработанная программа проводила дальнейшее усреднение данных. Датчики устанавливали в аквариуме с двух сторон симметрично относительно пластины.

Восстановление распределения глубинной температуры пластилина проводили с учетом уравнения XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика теплопроводности. Т.е. искали температурные профили (меняющиеся во времени), которые удовлетворяют уравнению теплопроводности:

2T T = a2 x, t (1) где a – коэффициент температуропроводности пластилина. Считали, что вначале (в момент, когда пластину опускали в аквариум) температура пластилина была Tinit, а температура аквариума T0. Также считали, что температура на левой и правой гранях пластины за все время эксперимента не менялась и была равна температуре аквариума. При заданных начальных и граничных условиях решение уравнения (1) определяется рядом:

[ ] 4 sin[2 (2n 1) x d ]exp a 2 ( (2n 1) d ) t T = (Tinit T0 ) n =1 2n 1, (2) где d – толщина пластины.

Инкремент TA акустояркостной температуры TA (TA = TA - T0) (который является измеряемой величиной) определяется по формуле [7] TA (t ) = exp( x)[T ( x, t ) T0 ]dx d 0 (3) и будет равен:

[ ] 4 [1 + exp( d )] exp a 2 ( (2n 1) d ) t 2 + ( (2n 1) d ) TA (t ) = (Tinit T0 ) d n =, (4) где – коэффициент поглощения (по интенсивности) ультразвука в пластилине. В данной модели среда представляется акустически однородной. Распространение акустических волн в воде от пластилиновой полоски до датчика не приведет к изменениям инкремента акустояркостной температуры, потому что, во первых, в аквариуме разница T(x,t) - T0 равна нулю, а, во-вторых, поглощение в воде на расстоянии в несколько сантиметров практически отсутствует. Задача восстановления распределения температуры сводится к поиску двух параметров Tinit и a2. Для их нахождения минимизировали функционал:

(TA exp - TA ter)2 min, (5) где TA exp – измеренные значения инкремента акустояркостной температуры, а TA ter – его теоретические значения, рассчитанные по формуле (4). Суммирование проводили по всем экспериментальным данным.

Отметим, что в данном исследовании в каждый момент времени проводили два измерения, но из-за симметрии схемы они, по сути, дублировали друг друга. Поэтому их было недостаточно, чтобы сразу определить два параметра: и температуропроводность, и первоначальную температуру. Для этого надо было провести несколько измерений в разные моменты времени.

Результаты эксперимента показаны на рис. 2. Сначала (в течение 100 с) измеряли акустический сигнал из аквариума, потом (на 100-й секунде) в аквариум помещали пластину, на 250-й секунде ее вынимали и еще 100 с измеряли сигнал из аквариума. Момент времени, когда пластилин опускали в Рис. 2. Временные зависимости акустояркостной температуры остывающего пластилина (усреднение 10 с).

Начальная температура пластилина Tinit = 32.7 0С, температура аквариума T0 = 21.2 0С. Ноль акустояркостной температуры соответствует температуре аквариума.

аквариум, взят за начало отсчета. Таким образом, с минус 100-ой секунды до 0-ой, а также со 150-ой и до 250-ой секунды измеряли сигнал из аквариума. С 0-ой по 150-ую секунды измеряли сигнал от пластины:

уменьшение сигнала связано с ее остыванием. По данным акустотермометрии был определен коэффициент поглощения ультразвука в пластилине (4.1±0.2 см-1), что близко к литературным данным ( XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика см-1 на частоте 2 МГц в работе [8]). Отличие может быть связано с тем, что использовался разный пластилин.

Измеренный начальный инкремент температуры пластилина составил Tinit - T0 = 11.5 К. По результатам измерения температуры мы подобрали значение коэффициента температуропроводности a2 = 1.010-7 м2/с, что соответствует литературным данным. Восстановленные по данным акустотермометрии значения составили: Tinit - T0 = 11.8 К, a2 = 0.8510-7 м2/с. Восстановленные профили температуры и данные, полученные с помощью термометров, представлены на рис. 3. Из графиков видно, что погрешность восстановления несколько возрастает с течением времени (но не превосходит 0.5 К). Это связано с погрешностью в определении коэффициента температуропроводности: восстановленное значение (0.8510-7 м2/с) меньше, чем рассчитанное по термометрическим результатам (1.0010-7 м2/с).

Восстановленная температура снижается медленнее реальной.

Рис. 3. Восстановленные профили и измеренные значения температуры в пластилине (через 40, 80 и 120 секунд).

В данной работе для восстановления распределения температуры мы использовали в качестве дополнительной информации то, что температурные изменения должны удовлетворять уравнению теплопроводности. В экспериментальной работе это сделано впервые. Результаты восстановления показывают перспективность данного подхода. Минимальное количество использованных датчиков (всего два) является для поставленной задачи адекватным. Данный подход в модельных экспериментах (минимизировать, по возможности, число датчиков), на наш взгляд, отвечает медицинским требованиям мониторинга температуры. При проведении реальной медицинской процедуры установка большого количества датчиков затруднительна.

ЛИТЕРАТУРА 1. А.А.Аносов, Т.В.Сергеева, А.И.Алехин, Р.В.Беляев, В.А.Вилков, О.Н.Иванникова, А.С.Казанский, О.С.Кузнецова, Ю.А.Лесс, А.Д.Мансфельд, А.Г.Санин, А.С.Шаракшанэ, А.В.Луковкин Акустотермометрическое сопровождение лазериндуцированной интерстициальной гипертермии молочной и щитовидной желез. Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, 2008, №5, С.55- 2. Субочев П.В., Мансфельд А.Д., Беляев Р.В. Многочастотная акустическая термотомография при лазерной гипертермии: физическое моделирование. Акустика речи. Медицинская и биологическая акустика. Сборник трудов XXII сессии Российского акустического общества и Сессии Научного совета РАН по акустике. Т.3. - М.:

ГЕОС, 2010. С.138-141.

3. Буров В.А., Дариалашвили П.И., Евтухов С.Н., Румянцева О.Д. Экспериментальное моделирование процессов активно-пассивной термоакустической томографии. Акуст. журн. 2004 Т.50 №3 С.298-310.

4. Миргородский В.И., Герасимов В.В., Пешин С.В. Экспериментальные исследования особенностей пассивной корреляционной томографии источников некогерентного акустического излучения мегагерцового диапазона.

Акуст. журн. 2006 Т.52 №5 С.606-612.

5. Гуляев Ю.В., Бограчев К.М., Боровиков И.П., Обухов Ю.В., Пасечник В.И. Пассивная термоакустическая томография – методы и подходы // Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43. №9 С. 140-146.

6. А.А. Аносов, Р.В. Беляев, В.А. Вилков, А.С.Казанский, А.Д. Мансфельд, А.С.Шаракшанэ Динамическая акустотермография. Акуст. журн. 2009. Т.55. №4-5. С. 436- 7. Passechnick, V.I. Verification of the Physical Basis of Acoustothermography. Ultrasonics 1994. V.32. №4. P. 293- 8. Huang, Z., Lucas, M.L., and Adams, M.J. (2002) Influence of ultrasonics on upsetting of a model paste. Ultrasonics, 40 (1 8). P. 43-48.

XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика УДК 615.47:616- О.П.Богдан ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АРТЕФАКТА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДОППЛЕРОГРАФИИ «ПСЕВДОПОТОК»

ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет»

Россия, 426069 Ижевск, ул. Студенческая, д. Тел.: (3412) 58-88-97;

Факс: (3412) 58-88-97;

E-mail: pmkk@istu.ru В работе рассмотрены основные закономерности возникновения артефакта «псевдопоток», основанные на совместном действии сил радиационного давления, выталкивающей силы и силы тяжести, представлены теоретические и экспериментальные результаты исследования артефакта в различных неоднородных средах для различных типов неоднородностей.

Перед врачом ультразвуковой (УЗ) диагностики при проведении практически каждого исследования возникает необходимость определить, является ли отраженный на экране сканера сигнал реальным или ложным (артефактом). С одной стороны, неправильная интерпретация артефактов может привести к ошибочной диагностике. С другой стороны, понимание физических причин, лежащих в основе происхождения ложных изображений, дает дополнительную диагностическую информацию и способствует успешному анализу полученных данных, тем самым, повышая эффективность УЗ исследования.

Возникновение артефактов в УЗ изображениях обусловлены различными причинами: свойствами УЗ волны, особенностями ее распространения в биологических средах (отражение, преломление и рассеяние), взаимодействием УЗ волн с различными тканями (поглощение). Эти явления постоянно происходят при сканировании и даже на современном этапе технического развития УЗ аппарат не в состоянии учесть их влияние на получаемое изображение в полном объеме. Кроме того, возникновение артефактов может быть обусловлено неадекватными аппаратными настройками УЗ сканера в каждом конкретном случае. Формирование артефактов наблюдается как в серошкальном изображении (В-режим), так и при использовании допплеровского режима (цветного и энергетического кодирования (CMF- и PW режим), импульсного) [1].

Артефакты можно разделить на две основные группы: аппаратурные артефакты, возникающие вследствие технических причин, в том числе из-за несовершенства аппаратуры, и артефакты, связанные с физическими процессами прохождения ультразвука в биологических тканях. К аппаратурным артефактам УЗ допплерографии относятся: артефакт ложного отсутствия потока, артефакт вспышки, артефакт смешивания;

а к артефактам, порождаемыми физическими причинами - артефакт мерцания, краевой артефакт, артефакт зеркального отражения, спектральные артефакты и другие.

К одному из физических артефактов относят артефакт «псевдопоток» - отображение на экране сканера в режиме цветного или энергетического допплера реального движения неоднородной жидкости, возникающее под действием ультразвука. Указанный артефакт имеет место при движении под действием УЗ луча взвешенных в жидкости дисперсных частиц – например, скоплений пигментной взвеси или детрита, лизированной крови, ранее излившейся в просвет жидкостного образования. Артефакт «псевдопоток» позволяет судить о физических свойствах исследуемого объекта, в частности, проводить дифференциальную диагностику неоднородных жидкостных и солидных (тканевых) образований. С другой стороны невозможность правильной интерпретации стриминг-эффекта приводит к ложному выявлению кровотока в замкнутых жидкостных образованиях и, как следствие, неверному диагнозу [2].

В связи с выше сказанным весьма актуальным является изучение закономерностей возникновения артефакта УЗ допплерогафии «псевдопоток» для повышения информативности и достоверности УЗ исследования.

Моделирование артефакта ультразвуковой допплерографии «псевдопоток»

Движение неоднородностей в жидкости в поле УЗ колебаний обусловлено появлением акустических течений, возникающих вследствие действия радиационного давления, тепловых эффектов и кавитации. Основной причиной движения неоднородностей в воде в поле диагностического УЗ излучения является радиационное давление.

Упрощенная модель артефакта УЗ допплерографии, основанная на совместном действии силы радиационного давления и выталкивающей силы, на среде с газовыми пузырьками представлена в [3]. На практике данная модель является недостаточно полной, т.к. движение под действием УЗ излучения может возникать не только в среде с газовыми пузырьками, но и в любой жидкости содержащей неоднородности различной плотности и сжимаемости. К тому же современные УЗ медицинские сканеры, как правило, XXV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН Содержание Медицинская и биологическая акустика работают в дуплексном режиме излучения, т.е. одновременно на экране сканера отображаются изображение В-режима и изображение режима цветного допплеровского картирования (CMF-режим).



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.