Учёные физического факультета МГУ совместно со специалистами по медицинской визуализации Университетской клиники Медицинского научно-образовательного института (МНОИ) МГУ исследовали пути совершенствования метода неинвазивной ультразвуковой терапии мозга. Этот инновационный метод использует фокусированный ультразвук для точечного воздействия на небольшие области мозга без хирургического вмешательства. Исследователи МГУ работают над повышением точности метода и расширением доступных для терапии зон, разрабатывая новые способы коррекции искажений ультразвуковых волн, вызываемых костями черепа.
Современный метод коррекции искажений, основанный на принципах геометрической акустики, позволяет направлять ультразвуковой пучок лишь в центральные области мозга, такие как таламус. Исследование показало, что новый дифракционный подход, предложенный учёными, значительно расширяет зону воздействия, позволяя лечить более широкий спектр областей мозга. Этот результат обещает сделать неинвазивную ультразвуковую терапию более эффективной и универсальной. Работы по проекту проводились в рамках НОШ МГУ «Фотоника», а результаты опубликованы в журнале «Акустический журнал».
На сегодняшний день в клинической практике проводятся неинвазивные (без вскрытия черепа) операции на мозге с использованием высокоинтенсивного фокусированного ультразвука с частотами порядка сотен килогерц. С помощью подобных операций проводится, например, абляция опухолей головного мозга, лечение невропатических болей, эссенциального тремора, тремора при болезни Паркинсона, а также мышечной дистонии. Суть метода заключается в фокусировке мощного ультразвука в задаваемую область головного мозга через кости черепа, что приводит к быстрому локальному перегреву и некрозу ткани без необходимости вскрытия черепа и рисков занесения инфекции.
Однако существующая в клинической практике система ExAblate (InSightec Ltd., Tirat Carmel, Israel) имеет ряд ограничений. Основная сложность проведения транскраниальных операций заключается в точной фокусировке ультразвука через кости черепа и получения в фокусе нужного уровня температуры. Неоднородная внутренняя структура и нерегулярная геометрия костей черепа сильно искажают ультразвуковой пучок. Чтобы реализовать метод на практике нужно компенсировать данные искажения. К сожалению, из-за индивидуальных особенностей строения черепа такое удается сделать не всегда и многим пациентам лечение с помощью ультразвука остается недоступным.
«Кости черепа имеют слоистую внутреннюю структуру. Есть кортикальная кость. Она плотная и скорость звука в ней высокая. Между слоями кортикальной кости располагается губчатое вещество. Его плотность значительно ниже. С помощью компьютерной томографии (КТ) мы можем все плотностные характеристики костей черепа измерить количественно и локализовать пространственно, — говорит заведующий кафедрой лучевой диагностики и цифровых технологий ФФМ, руководитель отдела лучевой диагностики Университетской клиники МНОИ МГУ профессор Валентин Синицын. — Сейчас на практике пациентов отбирают по параметру Skull Score (SS или SDR), который показывает, насколько близкими по плотности является кортикальная кость и губчатое вещество и насколько хорошо череп будет пропускать ультразвук. Если значение данного параметра ниже 0.4, то для такого пациента облучение может быть неэффективным и опасным. Есть высокие риски не достичь в фокусе необходимых для некроза ткани температур, но при этом перегреть череп. Конечно, данный параметр не отражает всей картины, и для лучшего предсказания эффекта облучения необходимо обратить внимание и на геометрические неоднородности черепа».
Другим ограничением является доступная для облучения область в мозге. Сейчас из-за полусферической геометрии излучателя его невозможно механически смещать относительно головы пациента. При механическом смещении большое число элементов излучателя начинает излучать под углами к черепу, превышающими критические, что приводит к сильному отражению ультразвука, что делает облучение неэффективным и повышает риски перегрева черепа. Электронное перемещение фокуса и используемый лучевой метод (ray-tracing) компенсации искажений, вносимых черепом, позволяют облучать лишь центральную область мозга (область таламуса). Таким образом, в ультразвуковой нейрохирургии есть ряд важных задач, связанных с разработкой новых протоколов облучения, которые смогут помочь как расширить область облучения ультразвуком мозга, так и увеличить число пациентов, которым данная процедура доступна.
С целью решения данных задач команда ученых из Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ совместно с рентгенологами МНОИ МГУ провели исследование влияния геометрических особенностей строения черепа на искажение ультразвукового пучка, а также исследовали возможности нового алгоритма компенсации аберраций. На первом этапе работы из 50 анонимизированных комплектов данных компьютерной томографии (КТ) были отобраны 8 наиболее репрезентативных и отличающихся по своей геометрии. На основе данных КТ построены трехмерные акустические модели голов пациентов. Данные были взяты из архивных данных отдела лучевой диагностики Медицинского научно-образовательного института МГУ, пациентам были проведены исследования по назначению лечащего врача.
Ранее в Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ была предложена модель нового излучателя, выполненного в виде сегмента сферы. Такая форма излучателя позволяет механически смещать его относительно головы пациента в отличие от излучателя существующей клинической системы. В ходе работы было проведено моделирование облучения черепов различной геометрии с использованием нового компактного излучателя на различных глубинах фокусировки. При этом сравнивались два метода компенсации аберраций: лучевой, который используется сейчас на практике, и дифракционный. «Дифракционный метод компенсации аберраций основан на численном решении волновых уравнений в неоднородных средах. Он учитывает такие эффекты, как рефракция, отражение, поглощение ультразвукового пучка в тканях и является более полным по сравнению с лучевым методом, — говорит аспирантка Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ Дарья Чупова. — В работе дифракционный подход продемонстрировал превосходство по всем исследуемым нами метрикам. Позволил обеспечить снижение побочных максимумов и стабильную концентрацию ультразвукового поля в целевой области, а также расширить область допустимых глубин фокусировки на 10 — 15 мм в зависимости от черепа». Кроме того, дифракционный метод показал значительное преимущество на черепах с наименее подходящими для фокусировки параметрами.
Современный метод коррекции искажений, основанный на принципах геометрической акустики, позволяет направлять ультразвуковой пучок лишь в центральные области мозга, такие как таламус. Исследование показало, что новый дифракционный подход, предложенный учёными, значительно расширяет зону воздействия, позволяя лечить более широкий спектр областей мозга. Этот результат обещает сделать неинвазивную ультразвуковую терапию более эффективной и универсальной. Работы по проекту проводились в рамках НОШ МГУ «Фотоника», а результаты опубликованы в журнале «Акустический журнал».
На сегодняшний день в клинической практике проводятся неинвазивные (без вскрытия черепа) операции на мозге с использованием высокоинтенсивного фокусированного ультразвука с частотами порядка сотен килогерц. С помощью подобных операций проводится, например, абляция опухолей головного мозга, лечение невропатических болей, эссенциального тремора, тремора при болезни Паркинсона, а также мышечной дистонии. Суть метода заключается в фокусировке мощного ультразвука в задаваемую область головного мозга через кости черепа, что приводит к быстрому локальному перегреву и некрозу ткани без необходимости вскрытия черепа и рисков занесения инфекции.
Однако существующая в клинической практике система ExAblate (InSightec Ltd., Tirat Carmel, Israel) имеет ряд ограничений. Основная сложность проведения транскраниальных операций заключается в точной фокусировке ультразвука через кости черепа и получения в фокусе нужного уровня температуры. Неоднородная внутренняя структура и нерегулярная геометрия костей черепа сильно искажают ультразвуковой пучок. Чтобы реализовать метод на практике нужно компенсировать данные искажения. К сожалению, из-за индивидуальных особенностей строения черепа такое удается сделать не всегда и многим пациентам лечение с помощью ультразвука остается недоступным.
«Кости черепа имеют слоистую внутреннюю структуру. Есть кортикальная кость. Она плотная и скорость звука в ней высокая. Между слоями кортикальной кости располагается губчатое вещество. Его плотность значительно ниже. С помощью компьютерной томографии (КТ) мы можем все плотностные характеристики костей черепа измерить количественно и локализовать пространственно, — говорит заведующий кафедрой лучевой диагностики и цифровых технологий ФФМ, руководитель отдела лучевой диагностики Университетской клиники МНОИ МГУ профессор Валентин Синицын. — Сейчас на практике пациентов отбирают по параметру Skull Score (SS или SDR), который показывает, насколько близкими по плотности является кортикальная кость и губчатое вещество и насколько хорошо череп будет пропускать ультразвук. Если значение данного параметра ниже 0.4, то для такого пациента облучение может быть неэффективным и опасным. Есть высокие риски не достичь в фокусе необходимых для некроза ткани температур, но при этом перегреть череп. Конечно, данный параметр не отражает всей картины, и для лучшего предсказания эффекта облучения необходимо обратить внимание и на геометрические неоднородности черепа».
Другим ограничением является доступная для облучения область в мозге. Сейчас из-за полусферической геометрии излучателя его невозможно механически смещать относительно головы пациента. При механическом смещении большое число элементов излучателя начинает излучать под углами к черепу, превышающими критические, что приводит к сильному отражению ультразвука, что делает облучение неэффективным и повышает риски перегрева черепа. Электронное перемещение фокуса и используемый лучевой метод (ray-tracing) компенсации искажений, вносимых черепом, позволяют облучать лишь центральную область мозга (область таламуса). Таким образом, в ультразвуковой нейрохирургии есть ряд важных задач, связанных с разработкой новых протоколов облучения, которые смогут помочь как расширить область облучения ультразвуком мозга, так и увеличить число пациентов, которым данная процедура доступна.
С целью решения данных задач команда ученых из Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ совместно с рентгенологами МНОИ МГУ провели исследование влияния геометрических особенностей строения черепа на искажение ультразвукового пучка, а также исследовали возможности нового алгоритма компенсации аберраций. На первом этапе работы из 50 анонимизированных комплектов данных компьютерной томографии (КТ) были отобраны 8 наиболее репрезентативных и отличающихся по своей геометрии. На основе данных КТ построены трехмерные акустические модели голов пациентов. Данные были взяты из архивных данных отдела лучевой диагностики Медицинского научно-образовательного института МГУ, пациентам были проведены исследования по назначению лечащего врача.
Ранее в Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ была предложена модель нового излучателя, выполненного в виде сегмента сферы. Такая форма излучателя позволяет механически смещать его относительно головы пациента в отличие от излучателя существующей клинической системы. В ходе работы было проведено моделирование облучения черепов различной геометрии с использованием нового компактного излучателя на различных глубинах фокусировки. При этом сравнивались два метода компенсации аберраций: лучевой, который используется сейчас на практике, и дифракционный. «Дифракционный метод компенсации аберраций основан на численном решении волновых уравнений в неоднородных средах. Он учитывает такие эффекты, как рефракция, отражение, поглощение ультразвукового пучка в тканях и является более полным по сравнению с лучевым методом, — говорит аспирантка Лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ Дарья Чупова. — В работе дифракционный подход продемонстрировал превосходство по всем исследуемым нами метрикам. Позволил обеспечить снижение побочных максимумов и стабильную концентрацию ультразвукового поля в целевой области, а также расширить область допустимых глубин фокусировки на 10 — 15 мм в зависимости от черепа». Кроме того, дифракционный метод показал значительное преимущество на черепах с наименее подходящими для фокусировки параметрами.