Оценка возможностей оптико-акустической томографии в диагностике биотканей

ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЙ ТОМОГРАФИИ В ДИАГНОСТИКЕ БИОТКАНЕЙ

Т.Д. Хохлова, И.М. Пеливанов, А.А. Карабутов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, физический факультет

t khokhlova@ ilc.edu.ru

В оптико-акустической томографии широкополосные ультразвуковые сигналы генерируются в исследуемой среде за счет поглощения импульсного лазерного излучения. Регистрация этих сигналов с высоким временным разрешением антенной решеткой пьезоприемников позволяет восстановить распределение поглощающих неоднородностей в среде. В настоящей работе проводится численное моделирование прямой и обратной задач оптико-акустической томографии для определения возможностей этого диагностического метода (глубины зондирования, контрастности изображений) в задаче визуализации поглощающих свет неоднородностей размером 1-10 мм, находящихся в рассеивающей среде на глубине нескольких сантиметров. К таким задачам относятся, например, диагностика рака молочной железы человека на ранних стадиях и мониторинг высокоинтенсивной ультразвуковой терапии опухолей.

Оптико-акустическая томография является гибридным, лазерно-ультразвуковым методом диагностики объектов, поглощающих оптическое излучение, в том числе, биотканей. Данный метод основан на термоупругом эффекте: при поглощении импульсного лазерного излучения в среде происходит ее нестационарный нагрев, что приводит, вследствие теплового расширения среды, к генерации ультразвуковых (оптико-акустических, ОА) импульсов. Профиль давления ОА импульса несет информацию о распределении тепловых источников в среде, поэтому по зарегистрированным ОА сигналам можно судить о распределении в исследуемой среде поглощающих неоднородностей.

ОА томография применима к любой задаче, в которой требуется визуализация объекта, обладающего повышенным коэффициентом поглощения света по отношению к окружающей среде. К таким задачам относится, прежде всего, визуализация кровеносных сосудов, так как кровь является основным хромофором среди других биотканей в ближнем ИК диапазоне. Повышенное содержание кровеносных сосудов характерно для злокачественных новообразований, начиная с ранней стадии их развития, поэтому ОА томография позволяет проводить их обнаружение и диагностику.

Важнейшей областью применения ОА томографии является диагностика рака молочной железы человека на ранних стадиях, а именно, когда размер опухоли не превышает 1 см. В данной задаче необходимо визуализировать объект размером ~1-10 мм, находящийся на глубине несколько сантиметров. ОА метод уже применялся in vivo для визуализации новообразований размером 1-2 см [1], была показана перспективность метода, однако изображений опухолей меньшего размера получено не было, вследствие недостаточного развития систем регистрации ОА сигналов. Разработка таких систем, а также алгоритмов построения изображения являются на сегодняшний день наиболее актуальными проблемами в ОА томографии.

л

Рис. 1 Многоэлементная антенна из фокусированных пьезоприемников для двумерной ОА томографии

Регистрация ОА сигналов обычно осуществляется антенными решетками приемников, конструкция которых обусловливается особенностями

конкретной диагностической задачи. В настоящей работе разработана новая численная модель, позволяющая рассчитывать выходной сигнал пьезоэлемента сложной формы при регистрации ОА сигналов, возбуждаемых произвольным распределением тепловых источников (например, поглощающая неоднородность, находящаяся в рассеивающей свет среде). Данная модель была применена для оценки и оптимизации параметров антенной решетки в задаче ОА диагностики рака молочной железы человека [2]. Результаты численного расчета показали, что новая конструкция антенной решетки, состоящей из фокусированных пьезоэлементов (рис. 1), позволяет существенно улучшить пространственное разрешение и контрастность получаемых ОА изображений, а также увеличить глубину зондирования. Для подтверждения правильности расчетов был проведен модельный эксперимент, в ходе которого были получены ОА изображения поглощающей неоднород-ности размером 3 мм, находящейся на глубине до 4 см в рассеивающей свет среде (см. рис. 2). Оптические свойства модельных сред были близки к значениям, характерным для здоровой и опухолевой тканей молочной железы человека.

Обратная задача ОА томографии заключается в вычислении распределения тепловых источников по зарегистрированным сигналам давления. Во всех работах по ОА томографии до настоящего времени яркость получаемых изображений измерялась в относительных единицах. Алгоритм количественного построения

двумерных ОА изображений,

предложенный в настоящей работе, позволяет получать информацию о распределении тепловых источников в абсолютных величинах, что является необходимым во многих диагностических и терапевтических задачах.

Одной из возможных областей применений ОА томографии является мониторинг высокоинтенсивной

ультразвуковой терапии (в англоязычной литературе - high intensity focused ultrasound, HIFU) новообразований. В HIFU терапии мощные ультразвуковые волны фокусируются внутрь человеческого тела, что приводит к нагреву и последующему разрушению тканей в фокальной области излучателя вследствие поглощения ультразвука. Как правило, единичное разрушение, вызванное воздействием HIFU, по размеру составляет около 0.5-1 см в длину и 2-3 мм в поперечном сечении. Для

Рис. 2 ОА изображение модельного поглощающего объекта (свиная печень, размер 3 мм), находящегося на глубине 4 см в рассеивающей свет среде (молоко).

разрушения большой массы ткани фокус излучателя сканируется по необходимой области. HIFU-терапия уже применялась in vivo для неинвазивного удаления новообразований в молочной железе, предстательной железе, печени, почке и поджелудочной железе, однако основным фактором, препятствующим массовому применению этой технологии в клинике является недостаточное развитие методов контроля процедуры воздействия - визуализации разрушенной области, прицеливания. Возможность применения ОА томографии в этой области зависит, в первую очередь, от отношения коэффициентов поглощения света в исходной и коагулировавшей биотканях. Измерения, проведенные в настоящей работе показали, что это отношение на длине волны 1064 мкм составляет не менее 1.8. ОА методом было проведено обнаружение HIFU разрушения, созданного внутри образца биоткани [3].

1. V.G. Andreev, A.A. Karabutov, S.V. Solomatin, E.V. Savateeva, V.L. Aleynikov, Y.V. Z^Um, R.D. Fleming, A.A. Oraevsky, "Opto-acoustic tomography of breast cancer with arc-array transducer", Proc. SPIE 3916, pp. 36-46 (2003).

2. T. D. Khokhlova, I. M. Pelivanov, V. V. Kozhushko, A. N. Zharinov, V. S. Solomatin, A. A. Karabutov "Optoacoustic imaging of absorbing objects in a turbid medium: ultimate sensitivity and application to breast cancer diagnostics", Applied Optics 46(2), pp. 262-272 (2007).

3. Т.Д. Хохлова, И.М. Пеливанов., О.А. Сапожников, В.С. Соломатин, А.А. Карабутов, "Оптико-акустическая диагностика теплового воздействия высокоинтенсивного фокусированного ультразвука на биологические ткани: оценка возможностей и модельные эксперименты", Квантовая Электроника 36(12), с. 10971102 (2006).

THE POTENTIAL OF OPTO-ACOUSTIC TOMOGRAPHY IN DIAGNOSTICS OF BIOLOGICAL TISSUES

T.D. Khokhlova, I.M. Pelivanov, A.A. Karabutov Moscow State University, Faculty of Physics t khokhlova@ilc.edu.ru

In optoacoustic tomography wideband ultrasonic signals are generated due to absorption of pulsed laser radiation in the medium under study. The detection of these signals with high temporal resolution by an array of piezodetectors allows to reconstruct the distribution of light absorbing inclusions in the medium. In present work numerical modeling of direct and inverse problems of opto-acoustic tomography is performed in order to evaluate the potential of this diagnostic method (maximum imaging depth, image contrast) in visualization of millimeter-sized light absorbing inclusions located within a scattering medium at the depth of several centimeters. The corresponding applied problems include the detection of breast tumors at early stages and visualization of thermal lesions induced in tissue by high intensity focused ultrasound therapy.