2.7. Генерация акустических полей для терапии
Терапевтические применения ультразвука подробно рассматриваются в гл. 13. Будет показано, что в силу сложности биологических и биофизических аспектов этой задачи до сих пор полностью не определены точные требования к акустическим полям, предназначенным для терапевтического воздействия на биологические ткани.
Тем не менее следует отметить два существенных момента. Во-первых, в терапевтических приложениях необходимо использовать равномерное «терапевтически эффективное воздействие» в пределах достаточно большой области среды, причем часто требуется, чтобы на границах этой области акустическое поле резко спадало. Во-вторых, само понятие «терапевтически эффективное воздействие» определено несколько произвольно. Иногда оно может соответствовать определенному акустическому параметру (например, произведению амплитуды акустического давления на время воздействия), но часто может быть также сопоставлено и с каким-либо тепловым параметром (например, с минимальным приращением температуры в объеме биологической ткани за время ультразвукового воздействия). В последнем случае реальное акустическое поле является лишь одним из целого ряда факторов, определяющих такой тепловой параметр.
Значение правильного выбора конфигурации акустического поля иллюстрируется тем, что для некоторых приложений это поле должно иметь достаточно «сглаженную» форму, возможно даже с провалом в средней части. Такое поле существенно отличается от остронаправленных полей, которые обычно используются для визуализации в диагностике. Это подтверждают данные,
Рис. 2.15. а — Расчетное распределение интенсивности акустического поля в заданной плоскости, обеспечивающее равномерное повышение температуры в образце лишенной кровеносных сосудов мышечной ткани диаметром 2 см после 30-минутного воздействия; б - расчетные распределения приращения температуры под действием данного акустического поля с интервалами в 2 мин. Нижняя кривая — 2 мин воздействия, верхняя — 30 мин [12].
представленные на рис. 2.15 и полученные расчетным путем для двумерного случая. Здесь показан профиль акустического поля, создающего равномерное распределение температуры в ткани с учетом ее теплопроводности [12]. Поскольку на практике создание акустического поля такого профиля представляется малореальным, если вообще возможным, то возникает необходимость в его синтезировании за определенный период времени посредством сканирования остронаправленным пучком по круговой или же какой-либо другой траектории [16].
При использовании ультразвука одна из основных проблем связана с падением интенсивности поля при увеличении глубины проникновения и соответственно с уменьшением доли поглощенной энергии за счет затухания падающего пучка. Если размеры участка воздействия в ткани в направлении, перпендикулярном направлению распространения ультразвука, составляют несколько длин
Рис. 2.16. Рост поглощения акустической энергии в биологической ткани за счет нелинейного распространения ультразвукового пучка (явление «акустического пика Брэгга»). Расчет проводится для случая сферического фокусирующего преобразователя диаметром 12 см и фокусным расстоянием 16 см на частоте 1 МГц. От излучателя ультразвуковой пучок проходит водный слой толщиной 6 см и попадает в биологическую ткань с коэффициентом затухания 
Расчеты проводились для трех значений интенсивности на поверхности излучателя 
За исключением фокусировки, данные условия воздействия аналогичны условиям, характерным для существующих применений ультразвука в терапии.
волн, то данная проблема может быть решена путем применения фокусировки. Если же требуется воздействовать на участки значительных размеров, то возникает необходимость в сканировании пучком по большой области и указанное преимущество фокусировки в значительной степени теряется. Одно из возможных решений в этом случае может заключаться в создании в фокальной области режима нелинейного распространения ультразвука высокой интенсивности (см. разд. 1.1.8 и 4.3.8). При этом в области фокусировки происходит перекачка энергии из основной частоты в
гармонические составляющие высших порядков, поглощение на которых существенно возрастает. Количественный анализ нелинейных эффектов при различных интересных для практики условиях провел Свинделл [31]. На рис. 2.16 представлены некоторые результаты его расчетов.
