Численное моделирование высокоинтенсивной фокусированной ультразвуковой терапии (HIFU) при лечении рака молочной железы

Автор: Даяна Витальевна Акулова

Соавторы: Шеремет М.А.

Организация: Национальный исследовательский Томский государственный университет

В настоящей работе представлена численная модель теплового воздействия на биологические ткани с использованием метода высокоинтенсивного сфокусированного ультразвука (HIFU). Актуальность задачи обусловлена необходимостью точного прогнозирования зон повреждения тканей для повышения эффективности и безопасности HIFU-терапии.

Были последовательно решены нелинейное уравнение Вестервельта и биотепловое уравнение Пеннеса. Уравнение Вестервельта учитывает нелинейные эффекты распространения ультразвука, приводящие к более интенсивному поглощению энергии и, следовательно, усиленному нагреву тканей в фокусной зоне. Расчёт акустического поля производится с целью определения интенсивности ультразвукового воздействия и области максимального поглощения энергии в тканях.

Распределение давления, полученное в результате решения уравнения Вестервельта, используется при решении биотеплового уравнении Пеннеса. В данной модели теплообмен между кровью и тканью описывается линейной зависимостью, включающей скорость перфузии и разность температур между артериальной кровью и биологической тканью. Также в модели учитывается метаболическое тепловыделение и дополнительное тепловыделение за счет поглощения ультразвуковой энергии.

Исследование включает анализ влияния различных параметров, таких как мощность ультразвукового преобразователя и его пространственное положение относительно биологической ткани, на характеристики температурного поля и размер области термической абляции. Определено оптимальное положение источника ультразвука, обеспечивающее максимальную локализацию нагрева с минимальными повреждениями прилегающих здоровых тканей.

Дополнительно для контроля повреждения ткани применяется модель Аррениуса, позволяющая оценить степень необратимых термических изменений на основе длительности температурного воздействия. Численные эксперименты показали, что совместное решение уравнений Вестервельта и Пеннеса позволяет эффективно планировать и оптимизировать терапевтические процедуры, направленные на неинвазивное разрушение опухолевых образований.

Работа выполнена в рамках Программы развития Томского государственного университета («Приоритет-2030»).