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).