Kierownik Zakładu:

Zlec. 302 Badanie efektów rozchodzenia się fal w ośrodkach biologicznych i w strukturach materiałowych.

1. Modelowanie numeryczne wyznaczania deformacji tkanek podczas ruchu przy pomocy śledzenia przemieszczenia „ziarna” w obrazie USG.

2. Wyznaczanie lokalnych własności tkanki za pomocą analizy ech ultradźwiękowych.

3. Badanie cystoksycznych efektów metody sonodynamicznej z udziałem kwasu aminolewulinowego ALA na komórki C6 glejaka szczurzego.

4. Obrazowanie parametryczne: wykorzystanie sygnału rozproszonego wstecznie do obrazowania prędkości propagacji fal w tkance.

5. Wizualizacja tłumienia w tkance miękkiej – optymalizacja parametrów estymatora.

Zlec. 304 Wzorzec tkanki miękkiej. Badanie właściwości akustycznych, termicznych i związków pomiędzy nimi.

Zlecenie 302 Badanie efektów rozchodzenia się fal w ośrodkach biologicznych i w strukturach materiałowych.

1. Modelowanie numeryczne wyznaczania deformacji tkanek podczas ruchu przy pomocy śledzenia przemieszczenia „ziarna”

w obrazie USG.

Prace ukierunkowane na badanie rozpraszania ultradźwięków od ruchomych tkanek w celu oceny ich własności mechanicznych mających znaczenie dla aplikacji w kardiologii. W zakresie eksperymentu i modelowania numerycznego zadanie polega na modelowaniu: a) ruchu i deformacji ściany serca b) wizualizacji struktur mięśnia poprzez speckles c) opracowaniu algorytmu śledzącego ruch struktur mięśnia. Istotą pracy jest stworzenie kontrolowanego „środowiska” pozwalającego badać związki między stanami deformacji ściany komory serca a wizualizacjami tych stanów w postaci obrazów echograficznych - związki między dynamicznie zmieniającą się dystrybucją markerów tkankowych a zmieniającą się dystrybucją elementów echokardigraficznego obrazu. Opracowano model numeryczny (i kod) pozwalający na numeryczne modelowanie procesu wizualizacji ruchomego i deformowanego w trakcie ruchu fragmentu mięśnia z zadawanym początkowym rozkładem mikrorozpraszaczy (markerów tkankowych). Otrzymano sekwencje czasowe ilustrujące zmienne w czasie i o różnym stopniu złożoności obrazy dystrybucji speckles odpowiadające zmiennemu położeniu markerów. Model numeryczny pozwala na opracowywanie i testowanie nowych - aplikacyjnie ważnych- algorytmów śledzenia ziarna. Obecnie prowadzi się prace w celu znalezienia takiego, wystarczająco sprawnego, algorytmu.

2. Wyznaczanie lokalnych własności tkanki za pomocą analizy ech ultradźwiękowych.

Fizyczne własności tkanki zależą od jej mikroskopowej i makroskopowej budowy. Procesy chorobowe zachodzące w tkance prowadzą do zmian jej struktury i tym samym do zmian jej własności fizycznych. Tak dzieje się też w przypadku grzania tkanki w celu wywołania jej reakcji leczniczo-obronnych, bądź w celu aktywacji wprowadzonego tam leku. Zarówno w przypadku zmian patologicznych, jak i w przypadku celowej ingerencji w tkance istotnym jest wyznaczenie obszaru tkanki o zmienionej strukturze.

Badania prowadzone będą w celu oceny parametrów fizycznych tkanki ze względu na ich przydatność do wspomagania ultra-dźwiękowej diagnostyki zmian patologicznych lub wyznaczania w tkance obszaru, w którym w celu terapeutycznym podwyższona została temperatura. Planowane jest wyznaczanie prędkości fali akustycznej, której wartość zależy od własności mechanicznych tkanki i temperatury. Rozważany będzie też współczynnik tłumienia, którego wartość zmienia się istotnie w przypadku zmian nowotworowych i również zależy od temperatury. Następnie planowane jest badanie współczynnika rozproszenia, gdyż jest on bardzo czuły na rozmiary elementów rozpraszających w stosunku do długości fali. Badane będą też własności statystyczne sygnału elektrycznego mierzonego na przetworniku odbiorczym, na który pada fala rozproszona w tkance. Analiza własności statystycznych pozwala w takim przypadku na ocenę rozmiarów i gęstości przestrzennej elementów rozpraszających, na przykład klastrów komórek nowotworowych. W badaniach wykorzystane będą wzorce tkankowe, tkanka zwierzęca i modelowanie numeryczne.

3. Badanie cystoksycznych efektów metody sonodynamicznej z udziałem kwasu aminolewulinowego ALA na komórki C6

glejaka szczurzego.

Podstawowym celem wielu terapeutycznych zastosowań ultradźwięków jest zniszczenie komórek guzu zlokalizowanego w badanym narządzie wykorzystując różne mechanizmy wywoływane w tkankach falami ultradźwiękowymi. Metoda sonodynamiczna polega na dożylnym wprowadzeniu leku przeciwnowotworowego kumulującego się selektywnie w guzie, a zatem jego ekspozycji na ultradźwięki. Zakres leczniczych biologicznych efektów wywoływanych efektami działania ultradźwięków wraz z chemioterapeutykiem zależy od parametrów akustycznych wiązki ultradźwiękowej. Skuteczność metody zostanie sprawdzona na komórkach C6 szczurzego glejaka poddanych działaniu kwasu aminolewulinowego (ALA) oraz fali ultradźwiękowej o różnej częstotliwości, natężeniu oraz czasie ekspozycji.

Badania będą przeprowadzane wspólnie z zespołem badawczym Instytutu Medycyny Doświadczalnej i Klinicznej im. M. Mossakowskiego PAN.

4. Obrazowanie parametryczne: wykorzystanie sygnału rozproszonego wstecznie do obrazowania prędkości propagacji fal w tkance.

Metody klasycznego obrazowania ultradźwiękowego (tryby a-mode, b-mode, m-mode) umożliwiają analizę echogeniczności będącej wynikiem lokalnych zmian impedancji akustycznej ośrodka. Badany materiał może być jednak charakteryzowany za pomocą, innych parametrów akustycznych np. prędkości propagacji rozchodzącej się w nim fali ultradźwiękowej. Metoda obrazowania przestrzennego rozkładu tego parametru akustycznego może być źródłem wielu nowych informacji trudno dostępnych lub niedostępnych przy użyciu obecnie wykorzystywanych technik. Między innymi można obrazować zmiany pola prędkości powstałe w wyniku lokalnego podgrzewania tkanki, które można przełożyć na zmiany temperatury. Poza wniesieniem nowego typu informacji ww. metoda mogłaby potencjalnie ograniczyć błędy rekonstrukcji w klasycznym obrazowaniu ultradźwiękowym, które wywołane są nieznajomością rozkładu prędkości dźwięku w badanym ośrodku.

5. Wizualizacja tłumienia w tkance miękkiej – optymalizacja parametrów estymatora.

Celem projektu jest opracowanie metody estymacji współczynnika tłumienia ultradźwięków w tkance miękkiej na podstawie sygnału rozproszonego. Współczynnik tłumienia jest parametrem o potencjalnie dużej użyteczności w diagnostyce medycznej, ponieważ jego zmiany towarzyszą zmianom patologicznym takim jak nowotwory, choroby wątroby oraz nekrozie tkanki indukowanej np. ultradźwiękami o dużej mocy. Opracowana metoda estymacji tłumienia będzie użyta do tworzenia obrazów parametrycznych pozwalających rozróżniać obszary tkanki o różnym współczynniku tłumienia.

Do tej pory została opracowana metoda dająca obiecujące rezultaty w testach na danych zbieranych z użyciem klasycznych schematów formowania wiązki akustycznej, jak i z metodami syntetycznej apertury, zarówno symulowanych jak i zebranych na fantomach tkankowych. Wymaga ona jednak dalszych testów oraz doboru optymalnych parametrów na wszystkich etapach przetwarzania sygnału rozproszonego. W nadchodzącym roku chcielibyśmy zoptymalizować algorytm w stopniu umożliwiającym jego późniejszą implementację na urządzeniu obrazującym oraz przeprowadzić próby in vivo.

Zlecenie 302 realizowane jest w Pracowni Introskopii Ultradźwiękowej, Pracowni Mikroskopii Akustycznej,
Laboratorium Fal Powierzchniowych oraz w Zespole Projektowania Systemów Elektronicznych
Cyfrowego Przetwarzania Sygnałów.

Zlecenie 304 Wzorzec tkanki miękkiej. Badanie właściwości akustycznych, termicznych i związków pomiędzy nimi.

Na podstawie analizy uzyskanych w ostatnich latach wyników teoretycznych i wstępnych wyników badań doświadczalnych, w których badano sygnał RF procesu naświetlania ultradźwiękami próbek tkanek miękkich in vitro, pojawiła się konieczność wytworzenia własnego wzorca tkanki miękkiej. Taki wzorzec jest niezbędny do uzyskiwania powtarzalnych, wiarygodnych wyników doświadczeń, ponieważ posiada stabilne właściwości fizyczne, w przeciwieństwie do martwej tkanki zwierzęcej. Zapewnienie wystarczającej zgodności właściwości akustycznych wzorca z udokumentowanymi danymi pomiarowymi dla tkanek żywych, wymaga odpowiedniego zaprojektowania ilości i jakości użytych do wytworzenia wzorca składników. Pozwala też na analizę wpływu właściwości użytych materiałów, ich przestrzennych konfiguracji i rozmiarów, na poziomie poniżej długości fali akustycznej, na akustyczne właściwości jednorodnego makroskopowo wzorca tkanki miękkiej. Oddzielnym wyzwaniem jest zbudowanie wzorca z indukowaną przez strukturę materiału wzorca anizotropią akustyczną, w najprostszym przypadku transwersalną izotropią, czyli strukturą warstwową, w której poprzez domieszkowanie można zróżnicować poszczególne właściwości warstw.

Dodatkowo planowane są prace teoretyczne nt. modelowania absorpcji w tkankach miękkich nieliniowych równań falowych zawierających pochodne oraz badanie istnienia rozwiązań dla mikromagnetyków odkształcalnych.

Zlecenie 304 realizowane jest w Pracowni Pracownia Biomechaniki