СОБСТВЕННОЕ ТЕПЛОВОЕ АКУСТИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА И ПАССИВНАЯ ТЕРМОАКУСТИЧЕСКАЯ ТОМОГРАФИЯ
Бограчев К. М., Пасечник В. И.
НИЦ "ЭЛДИС" Института радиотехники и электроники РАН, 101000 Москва
Тело человека является
источником теплового акустического излучения. Это излучение мегагерцового
диапазона несет информацию о распределении глубинной температуры
в теле человека и животных. Эта важная его характеристика может
быть использована для диагностики и терапии, например, при гипертермии
в онкологии. Чтобы произвести измерение температуры не в одной
или нескольких отдельных точках организма, а получить распределение
температуры внутри него, необходимо использовать принципы томографии,
т.е. произвести измерения интенсивности теплового излучения, выходящего
из тела в разных точках и под разными углами, а затем решить обратную
математическую задачу. При этом необходимо учесть в максимальной
степени биофизические свойства тканей организма человека: коэффициент
температуропроводности и объемную скорость кровотока. В работе
методом численного моделирования рассматриваются возможные характеристики
пассивного термоакустического томографа - устройства, предназначенного
для решения этих задач. Основное внимание уделено алгоритмам восстановления
двумерного и трехмерного распределения температуры в глубине объекта
с учетом биофизических характеристик тканей. Для решения обратной
задачи использованы две разновидности метода регуляризации по
Тихонову - глобальная и локальная. Последняя учитывает биофизические
свойства тканей, описываемые неоднородным дифференциальным уравнением
температуропроводности с конвективным членом. Показано, что при
среднеквадратичной ошибке единичного измерения интенсивности теплового
излучения, соответствующей 0,1 К, усредненная полная среднеквадратичная
погрешность восстановления температуры дТ
составляет ~0,3 К. Использование локальной регуляризации позволяет
снизить величину дТ
в ряде случаев еще примерно на 10-15%. Погрешность дТ
сравнительно слабо зависит от количества отсчетов термодинамической
температуры, которые надо определить в исследуемой области объекта,
а также от числа измерений. Необходимое для решения практических
медицинских задач максимальное пространственное разрешение достигает
около 6 мм при размере исследованной области 10 х 10 см2,
225 измерений интенсивности излучения. Это пространственное разрешение
определяется, в первую очередь, теплофизическими свойствами тканей
тела человека. Погрешность дТ
слабо зависит от ошибки единичного измерения, и ее основная часть
(~90%) определяется не точностью физического измерительного устройства,
а используемыми алгоритмами восстановления температуры. Сравнение
результатов восстановления, проведенных различными методами, показывает,
что при учете биофизических свойств тканей можно создать пассивный
термоакустический томограф с малой среднеквадратичной ошибкой
восстановления и высоким пространственным разрешением. Работа
выполнена при поддержке РФФИ (проект 98-01-00100).