ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2016, № 6 · БИОМЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Использование априорной информации в решении динамических обратных задач акустотермометрии

А.А. Аносов1,2

1 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
2 Первый Московский Государственный Медицинский Университет им. И.М. Сеченова, Россия
Полный текст EDN WNDASD

Аннотация

Представлены результаты экспериментального восстановления температурных распределений в модельных объектах и в теле человека методом акустотермометрии. В рассмотренных алгоритмах использована априорная информация о виде распределения температуры. Восстанавливается глубинная температура, меняющаяся во времени, поэтому время одного измерения ограничено 10-ю секундами. Точность определения геометрических (около 1-2 мм) и температурных (около 0.5-1 К) параметров распределений приемлема для медицинских приложений метода. Результаты были представлены на IX Всероссийской конференции «Радиолокация и радиосвязь».

  • акустотермометрия
  • acoustic thermometry
  • тепловое акустическое излучение
  • априорная информация
  • обратные задачи
Abstract (in English)

Experimental results of temperature distribution reconstruction in the model plasticine objects and the human body were obtained with the help of passive acoustic thermometry. The objects under the study were heated and cooled and could be moved relatively receiving array. The array consisted of 14 probes based on broadband 1.6-2.5 MHz disc-shaped ultrasonic detectors with an 8 mm aperture. The probe threshold sensitivity was 0.3 K for the integration time in 10 s. The portable computer thermograph was used to measure the surface temperature of the human body. The temperature was measured in five experiments with the cooled fixed cylinder and forefinger (1), shifted heated cylinder (2), heated fixed parallelepiped (3), cooled the fixed parallelepiped and hand (4), heated fixed sphere (5). A priory information about the temperature distributions was used in reconstruction algorithms. Тhe temperature distributions were approximated by 1D, 2D, 3D Gaussians with time-varying parameters. The algorithms allowed to reconstruct four (in the 1-3 experiments) or five parameters (in the 5 experiment): the two or three spatial coordinates, size or two sizes and maximum temperature of heated region. The symmetrical distribution was reconstructed in the fourth experiment. In this case the only parameter was detected. The electronic journal format allows to demonstrate the time-varying temperature distributions with the help of an animation. The detection accuracy of the geometrical (about 1-2 mm) and temperature (about 0.5-1 K) parameters of the temperature distributions is acceptable for medical applications. The results were presented at Conference "Radars and Communications 9".

Для цитирования

Аносов А.А. Использование априорной информации в решении динамических обратных задач акустотермометрии // Журнал радиоэлектроники. – 2016. – № 6.

Литература

  1. Годик Э.Э., Гуляев Ю.В. Человек “глазами радиофизики”. Радиотехника. 1991. №8. С. 51-62.
  2. Inoue T., Shimizu H., Fujimura M., Saito A., Yoshioka Y., Matsuda T., Tominaga T. Noninvasive measurement of human brain temperature adjacent to arteriovenous malformation using 3.0 T magnetic resonance spectroscopy. Clinical Neurology and Neurosurgery. 2013. 115 (4): 445-449.
  3. R. Maass-Moreno, C. A. Damianou. Noninvasive temperature estimation in tissue via ultrasound echo-shifts. Part I. Analytical model. J. Acoust. Soc. Am. 1996. V. 100. P. 2514.
  4. L. Dubois, J.-P. Sozanski, V. Tessier, J.-C. Camart, J.-J. Fabre, J. Pribetich, M. Chive. Temperature control and thermal dosimetry by microwave radiometry in hyperthermia. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1996. V. 44. P. 1755-1761.
  5. V. Rieke and K. Butts Pauly. MR Thermometry. J. Magn. Reson. Imaging 2008. V. 27. P. 376-390.
  6. Аносов А.А., Сергеева Т.В., Алехин А.И., Беляев Р.В., Вилков В.А., Иванникова О.Н., Казанский А.С, Кузнецова О.С., Лесс Ю.А., Мансфельд А.Д., Санин А.Г., Шаракшанэ А.С., Луковкин А.В. Акустотермометрическое сопровождение лазериндуцированной интерстициальной гипертермии молочной и щитовидной желез. Биомедицинская радиоэлектроника. 2008. №5. С. 67-72.
  7. Бабий В.И. Перенос акустической энергии в поглощающей и излучающей среде. Мор. гидрофиз. исслед. 1974. №2 (65) С.189-192.
  8. Bowen T. Passive remote temperature sensor system. U.S. Patent 4246784. Jan. 27. 1981.
  9. Гуляев Ю.В., Годик Э.Э., Дементиенко В.В., Пасечник В.И., Рубцов А.А. О возможностях акустотермографии биологических объектов. Докл. АН СССР. 1985. Т.283. №6. С.1495-1499.
  10. Bowen T. Acoustic radiation temperature for noninvasive thermometry. Automedica (UK). 1987. V. 8. #4. P. 247-267.
  11. Миргородский В.И., Герасимов В.В., Пешин С.В. Исследования пространственного распределения источников некогерентного излучения с помощью корреляционной обработки. Письма в ЖЭТФ. 1995. Т. 62. Вып. 3. С. 236-241.
  12. Passechnik V.I., Bograchev K.M., Anosov A.A. Fundamentals and prospects of passive thermoacoustic tomography. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 2000. V. 28. #3-4. P. 603-640.
  13. Буров В.А., Дариалашвили П.И., Румянцева О.Д. Активно-пассивная термоакустическая томография. Акуст. журн. 2002. Т.48. №4. С.474-484.
  14. Аносов А.А., Пасечник В.И., Исрефилов М.Г. Восстановление двумерного распределения внутренней температуры модельного объекта методом пассивной термоакустической томографии. Акуст. журн. 1999. Т. 45. № 1. С. 20.
  15. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Субочев П.В. Динамическое восстановление глубинной температуры методом акустотермографии с помощью нейронных сетей. Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 6. С. 768.
  16. Krotov E.V., Zhadobov M.V., Reyman A.M., Volkov G.P., Zharov V.P. Detection of thermal acoustic radiation from laser-heated deep tissue. Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. P. 3918-3920.
  17. 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.
  18. Бограчев К.М., Пасечник В.И. Метод стандартного источника в пассивной акустической термотомографии. Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 4. С. 477-480.
  19. Bosnyakov M.S., Obukhov Yu.V. Optimum wavelet basis for representation of the functions satisfying the head conduction equation. Pattern Recognition and Image Analysis. 2003. V. 13. #1. P. 621-624.
  20. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Дворникова М.В., Дворникова В.В., Казанский А.С., Курятникова Н.А., Мансфельд А.Д. Акустотермометрическое восстановление профиля глубинной температуры с использованием уравнения теплопроводности. Акуст. журн. 2012. Т. 58. № 5. С. 592.
  21. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Закарян А.В., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Субочев П.В. Восстановление глубинной температуры методом акустотермометри с учетом уравнения теплопроводности. Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60. № 8. С. 855.
  22. Ксенофонтов С.Ю., Мансфельд А.Д., Рейман А.М. Реконструктивная акустическая термотомография биологических объектов. Изв. ВУЗов РАДИОФИЗИКА. 1997. Т. XL. №6. С. 752-760.
  23. Кротов Е.В., Ксенофонтов С.Ю., Мансфельд А.Д., Рейман А.М., Санин А.Г., Прудников М.Б. Экспериментальные исследования возможностей многоканальной акустической термотомографии. Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1999. Т. XLII. № 5. С. 479-484.
  24. Аносов А.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. Определение положения и размера нагретой области методом динамической акустотермографии. // Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2013. № 3. С. 10. URL: http://jre.cplire.ru/jre/mar13/11/text.pdf.
  25. R. A. Hessemer, T. Perper, T. Bowen. Correlation thermotomography. US Patent 4416552. 1983.
  26. Аносов А.А., Барабаненков Ю.Н., Сельский А.Г. Корреляционный прием теплового акустического излучения. Акуст. журн. 2003. Т. 49. № 6. С. 725-730.
  27. Weaver R.L., Lobkis O.I. Elastic wave thermal fluctuations, ultrasonic waveforms by correlation of thermal phonons. J. Acoust. Soc. Am. 2003. V. 113 P. 2611-2621.
  28. 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.
  29. 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.
  30. Godin O.A. Retrieval of Green’s functions of elastic waves from thermal fluctuations of fluid-solid systems. J. Acoust. Soc. Am. 2009. V. 125 P. 1960-1970.
  31. Аносов А.А., Пасечник В.И., Шаблинский В.В. Пространственная разрешающая способность акустотермографии и СВЧ-радиометрии. Акустический журнал. 1991. Т. 37. № 4. С. 610.
  32. Вилков В.А., Кротов Е.В., Мансфельд А.Д., Рейман А.М. Применение фокусируемых антенн для задач акустояркостной термометрии. Акуст. журн. 2005. Т.51 №1 С.63-70.
  33. Кротов Е.В., Рейман А.М., Субочев П.В. Синтез акустической линзы Френеля для акустояркостной термометрии. Акуст. журн. 2007. Т.53. №6. С. 779-785.
  34. Субочев П.В., Мансфельд А.Д., Беляев Р.В. Многочастотная акустическая термотомография при лазерной гипертермии: физическое моделирование. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2010. № 5 (1). С. 67-74.
  35. Anosov A.A., Kazansky A.S., Subochev P.V., Mansfel'd A.D., Klinshov V.V. Passive estimation of internal temperatures making use of broadband ultrasound radiated by the body. J. Acoust. Soc. Am. 2015. Т. 137. № 4. С. 1667-1674.
  36. Аносов А.А., Беляев Р.В., Клиньшов В.В., Мансфельд А.Д., Субочев П.В. Пассивная широкополосная акустическая термометрия. Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 4. С. 119-124.
  37. Мансфельд А.Д. Акустотермометрия. Состояние и перспективы. Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 4-5. С. 536-547.
  38. Аносов А.Н., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. Определение динамики изменения температуры в модельном объекте методом акустотермографии. Акуст. журн. 2008. Т.54. №4. С. 540-545.
  39. Аносов А.А., Немченко О.Ю., Лесс Ю.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д. Возможности акустотермометрии для контроля адресной доставки лекарств. Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 4. С. 535.
  40. Казанский А.С. Обработка акустотермометрических данных при помощи искусственных нейронных сетей. Нелинейный мир. 2011. Т. 9. №2 С. 112-113.
  41. Аносов А.А., Балашов И.С., Беляев Р.В., Вилков В.А., Гарсков Р.В., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Щербаков М.И. Акустическая термометрия головного мозга пациентов с черепно-мозговой травмой. Биофизика. 2014. Т. 59. № 3. С. 545-551.
  42. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. Динамическая акустотермография. Акуст. журн. 2009. Т. 55. № 4-5. С. 436-444.
  43. А.А. Аносов, А.А. Шаракшанэ, А.С. Казанский, А.Д. Мансфельд, А.Г. Санин, А.С. Шаракшанэ Аппаратная функция широкополосного акустотермометрического датчика. Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 6. В печати.
  44. Passechnik V.I. Verification of the Physical basis of acoustothermography. Ultrasonics. 1994. V.32. P. 293-299.
  45. F. Duck Physical properties of tissue. London. Academic Press. 1990. 346 P.
  46. Аносов А.А., Пасечник В.И., Бограчев К.М. Пассивная термоакустическая томография кисти руки человека. Акуст. журн. 1998. Т. 44. № 6. С. 725-730.
  47. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Дворникова М.В., Дворникова В.В., Казанский А.С., Курятникова Н.А., Мансфельд А.Д. Акустотермометрический контроль кисти человека при гипертермии и гипотермии. Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 1. С. 109-114.
  48. Аносов А.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. Акустотермометрическое восстановление меняющегося во времени температурного распределения. Акуст. журн. 2016. Т. 62. № 2. С. 259.
  49. V. I. Passechnik. The influence of sound scattering on the acoustobrightness temperature. Ultrasonics. 1996. V. 34. P. 677-685.
  50. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Курятникова Н.А., Мансфельд А.Д. Акустотермометрические данные о кровотоке и теплопродукции в предплечье при физической нагрузке. Акуст. журн. 2013. Т. 59. № 4. С. 539.
  51. Г. Ульмер, К. Брюк, Ф. Вальдек, О. Гарт, Г. Тевс Физиология человека: в 4-х томах. Т. 4. Пер. с англ. Под ред. Р. Шмидта и Г. Гевса. - М.: Мир, 1986. С. 23.