Ультразвуковая фазированная решётка — технология ультразвукового исследования, обеспечивающая электронное динамическое фокусированиеСлюсар В.И. Ультразвуковая техника на пороге третьего тысячелетия. //Электроника: наука, технология, бизнес. – 1999. - № 5. – С. 50 - 53. , то есть позволяющее изменять местоположение фокуса без перемещения самой решётки, а также создавать при необходимости несколько фокусов одновременноГаврилов, Л. Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. — М.: Фазис, 2013. −656 c. — 978-5-7036-0131-2.Gavrilov L. R., Hand J.W. High-Power Ultrasound Phased Arrays for Medical Applications. — N.Y.: Nova Science Publishers, 2014. — 200 p.. Применяется в медицине для ультразвуковой диагностики, инвазивного вмешательства, в промышленных системах неразрушающего контроля.
Для ультразвуковой хирургии и терапии используются две разновидности решёток: экстракорпоральные, устанавливаемые вне тела пациента, и решётки, вводимые внутрь организма. Первые из них не имеют ограничений на размеры (известны полусферические решётки для хирургии диаметром 30 см), и потому могут быть выполнены двумерными. Решётки второй разновидности при значительной акустической мощности должны иметь по возможности минимальные поперечные размеры (желательно не более 20—25 мм), и потому выполняются линейными.
Потенциальными областями клинического применения технологии фазированных решёток являются: онкология, разрушение тканей предстательной железы (простаты), хирургия фибромиомы матки, литотрипсия, стимуляция рецепторных нервных структур. Показаны перспективы применения двумерных решёток в кардиологии, для лечения глаукомы, для нейромодуляции структур мозга и воздействия на внутримозговые опухоли через невскрытый череп, а также в пластической хирургии и косметологии.
История Разработка двумерных фазированных решёток для гипертермии опухолей, а затем и для хирургических целей, началась с середины 1980-х годов под руководством профессора Кейна (C. Cain) из Мичиганского университета. Первые разработанные решётки отличались большим разнообразием конструкций. В одних из них использовалась геометрическая фокусировка, в других — электронная. Одни предназначались для перемещения по пространству одиночного фокуса, другие — для синтеза более сложного поля с какой-то определённой конфигурацией, чтобы сразу перекрывать требуемый объём опухоли. На первых порах для упрощения электроники и уменьшения её габаритов число каналов минимизировалосьOcheltree К. В., Benkeser P.J., Frizzell L.A., Cain С. А. An ultrasonic phased array applicator for hyperthermia // IEEE Trans. Sonics Ultrasonics. — 1984. — V. 31. — P. 526-31.Benkeser P.J., Frizzel L.A., Ocheltree K.B., Cain C.A. A tapered phased array ultrasound transducer for hyperthermia treatment. // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freqency Control. — 1987. — V. 34. — P. 446 −453.. Однако в последующих конструкциях решёток с плоской, сферической или цилиндрической геометрией предполагалось использование всех элементовIbbini M.S., Ebbini E.S., Cain С.A. N x N square-element ultrasound phased array applicator: simulated temperature distributions associated with directly synthesized heating patterns // IEEE Trans. Ultrasonics Ferrorelectr. Freq. Control. — 1990. — V. 37. — P. 491—500.Ebbini E.S., Umemura S.-I., Ibbini M., Cain С. А. A cylindrical-section ultrasound phased-array applicator for hyperthermia cancer therapy // IEEE Trans. Ultrasonics Ferroelectr. Freq. Control. — 1988. — V. 35, № 5. -P. 561—572.. В частности, была разработана конструкция секторно-вихревой решёткиUmemura S., Cain С. А. The sector-vortex phased array: acoustic field synthesis for hyperthermia // IEEE Trans. Ultrasonics Ferroelectr. Freq. Control. — 1989. — V. 36, № 2. — P. 249—257, позволявшей создавать кольцевой фокус различного диаметра.
В начале 1990-х годах была предложена конструкция решётки с элементами, установленными на части сферической поверхностиEbbini E.S., Cain C.A. A spherical-section ultrasound phased-array applicator for deep localized hyperthermia // IEEE Trans. Biomed. Eng. — 1991. — V. 38, № 7. — P. 634—643.. Это позволяет сочетать электронный способ фокусировки с геометрическим и тем самым добиться наибольшего коэффициента усиления решётки. С тех пор такая конструкция стала наиболее популярной из всех имеющихся вариантов терапевтических двумерных решёток.
В 1988 году была впервые показана возможность создания с помощью одной решётки двух или нескольких фокусов одновременноEbbini E.S., Cain C.A. Multiple-focus ultrasound phased array pattern synthesis: Optimal driving signal distributions for hyperthermia // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelec. Freq. Ctrl. — 1989. — V. 36, № 5. — P. 540—548. Возможность создания очага нагрева или разрушения с помощью специально синтезированного набора фокусов определила особый интерес к возможному использованию мощных двумерных решёток в хирургии и гипертермии. Однако расчёт требуемых для этого фаз и амплитуд возбуждающих сигналов на элементах, число которых в современных терапевтических решётках может превышать 1000, требует разработки специальных расчётных алгоритмов. Эта задача была решена в работе, в которой был представлен метод синтеза многофокусных ультразвуковых полей, позволяющий определить фазы и амплитуды сигналов, необходимых для создания определённого уровня поля в ряде «контрольных точек» в заданном объёме. Физический смысл этого метода, который называют «псевдо-инверсным», состоит в следующем. M фокусов представляются в виде расположенных на некой плоскости воображаемых источников звука, а затем вычисляется суммарное амплитудно-фазовое распределение в центре элементов решётки, которое получается при одновременном включении этих источников. Если теперь подать на элементы решётки сигналы с указанным амплитудно-фазовым распределением, поменяв знак фазы, то мы получим в указанной плоскости искомые M фокусов. В принципе с помощью «псевдо-инверсного» метода можно создать область воздействия любого заданного размера и конфигурации. При проведении расчётов многофокусных ультразвуковых полей используют методы оптимизации, которые позволяют получать заданное число фокусов при одинаковых амплитудах на всех элементах и тем самым добиться максимальной акустической мощности решётки.
Обоснование возможности применения внутриполостной линейной фазированной решётки для хирургического лечения простаты было дано в теоретической работеHand J.W., Ebbini E., O’Keefe D., Israel D., Mohammadtaghi S. An ultrasound linear array for use in intracavitary applicators for thermotherapy of prostatic diseases // IEEE 1993 Ultrasonics Symp. Proc. (Piscataway, NJ: IEEE).-1993. -P. 1225—1228.. Сущность этого подхода основана на использовании энергии, излучаемой всеми элементами решётки, для генерации одного или (реже) нескольких фокусов, перемещаемых в трёхмерном пространстве электронным образом.
В конце 1990-х годов начала активно развиваться идеология рандомизации расположения элементов на поверхности решётки, которая привела к существенному улучшению качества акустических полей, создаваемых решёткойGoss S.A., Frizell L.A., Kouzmanoff J.T., Barich J.M., Yang J.M. Sparse random ultrasound phased array for focal surgery // IEEE Trans. Ultras. Ferroelectr. Freq. Ctrl. — 1996. — V. 43, № 6. — P. 1111—1121.Gavrilov L., Hand J. A theoretical assessment of the relative performance of spherical phased arrays for ultrasound surgery // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. — 2000. — V. 47. — P. 125—138..
Линейные решётки Наиболее известным применением линейных фазированных решёток в медицине является хирургическое лечение заболеваний предстательной железы (простаты). Задача состоит в том, чтобы разрушить опухоль предстательной железы или, по крайней мере, значительно уменьшить её объём. Решётка вводится через прямую кишку (трансректально), при этом для создания акустического контакта между решёткой и тканями используется тонкостенный резиновый баллон, заполненный водой. Расстояние от стенки прямой кишки до требуемого участка разрушения в простате составляет от 2 до 5 см, а поперечный размер простаты обычно не превышает 4 см. Таким образом, пределы перемещения фокуса (или фокусов) по тканям простаты должны соответствовать указанным размерам. Известно, что для разрушения тканей простаты используются приборы SonablateIlling, R., Emberton, M. Sonablate®-500: transrectal high-intensity focused ultrasound for the treatment of prostate cancer // Future Drugs, Ltd. — 2006. и AblathermCrouzet, S., Murat, F. J., Pasticier, G., Cassier, P., Chapelon, J.Y., Gelet, A. High intensity focused ultrasound (HIFU) for prostate cancer: current clinical status, outcomes and future perspectives // Int J Hyperthermia. −2010. — V. 26, № 8. — P. 796—803., рабочим элементом которых является одноэлементный фокусирующий преобразователь с фиксированным фокусным расстоянием. . Это означает, что при необходимости изменить глубину воздействия требуется сменить один излучатель на другой, имеющий иное фокусное расстояние, и делать перенастройку фокусирующей системы. Очевидно, что значительно более гибкими и перспективными в этом плане являются фазированные решётки, позволяющие электронным способом перемещать фокус по ткани простаты, а также создавать в случае необходимости несколько фокусов.
Возможность применения внутриполостной линейной фазированной решётки хирургического лечения простаты была реализована на практике независимо двумя группами — американскойHutchinson E.B., Buchanan M.T., Hynynen K. Design and optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavitary prostate thermal therapies // Med. Phys. — 1996. — V. 23, № 5. — Р. 767—776.Sokka S.D., Hynynen K.H. The feasibility of MRI-guided whole prostate ablation with a linear aperiodic intracavitary ultrasound phased array // Phys. Med. Biol. — 2000. — V. 45. — P. 3373-3383. и англо-российскойGavrilov L.R., Hand J.W., Abel P., Cain C.A. A method of reducing grating lobes associated with an ultrasound linear phased array intended for transrectal thermotherapy of prostate // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr. — 1997. -V. 44, № 5. — Р. 1010—1017.Гаврилов Л. Р., Хэнд Дж. Разработка и экспериментальное исследование внутриполостной фазированной антенной решётки для ультразвуковой хирургии простаты // Акуст. журн. — 2000. — T. 46, № 2. — C. 182—191. В последнем случае решётка состояла из 70 элементов шириной 1 мм, длиной 15 мм и толщиной, соответствующей рабочей частоте 1 МГц (1.72 мм).. Решётка была снабжена магнитно-резонансной (МР) антенной, позволяющей визуализировать участок воздействия.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что использование линейной решётки с указанными параметрами позволяет перемещать фокус в пределах, по крайней мере, от 30 до 60 мм в осевом направлении и ± 20 мм в перпендикулярном ему направлении, что соответствует размерам простаты. При этом уровень вторичных максимумов интенсивности в фокальной плоскости составлял существенно меньше 10 % от максимальной интенсивности в фокусе и не выше 10 % вблизи поверхности устройства.
Конструкции других решёток для хирургии простаты описаны в ряде работDiederich C.J., Hynynen K. The development of intracavitary ultrasonic applicators for hyperthermia: A design and experimental study // Med. Phys. — 1990. — V. 17. — P. 626 −634.Smith N.B., Buchanan M.T., Hynynen K. Transrectal ultrasound applicator for prostate heating monitored using MRI thermometry // Int. Journ. of Radiat. Oncol. Biol. Physics. — 1999. — V. 43, № 1. — P. 217—225.Tan J.S., Frizzell L.A., Sanghvi N.T., Wu J.S., Seip R., Kouzmanoff J.T. Ultrasound phased array for prostate treatment // J. Acoust. Soc. Am. — 2001. — V. 109, № 6. — P. 3055-3064.Curiel L., Chavrier F., Souchon R., Birer A., Chapelon J.Y. 1.5-D High intensity focused ultrasound array for non-invasive prostate cancer surgery // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. — 2002. — V. 49, № 2. — P. 231—242. и подробно обсуждаются в книгах.
Двумерные решётки