Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 54430 МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEDICAL BIOPHYSICS AND BIOPHYSICAL CHEMISTRY МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEASUREMENT OF THE INTERNAL HUMAN BODY TEMPERATURE BY MEANS OF PASSIVE ACOUSTIC THERMOMETRY ИЗМЕРЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА ЧЕЛОВЕКА МЕТОДОМ ПАССИВНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОМЕТРИИ Ерофеев А. В. Erofeev A. V. erofeev_a_v@staff.sechenov.ru Аносов А. А. Anosov A. A. anosov.aa@1msmu.ru Мансфельд А. Д. Mansfeld A. D. mansfeld@appl.sci-nnov.ru Шаракшанэ Александр Абович Sharakshane A. A. sharakshane@yandex.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Щербаков М. И. Scherbakov M. I. Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) Москва Россия I.M. Sechenov First Moscow State Medical University Moscow Russian Federation Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН Москва Россия Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Moscow Russian Federation Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) Москва Россия I.M. Sechenov First Moscow State Medical University Moscow Russian Federation Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН Москва Россия Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Moscow Russian Federation ФИЦ Институт прикладной физики Российской Академии Наук Нижний Новгород Россия Federal Research Center Institute of Applied Physics, RAS Nizhny Novgorod Russian Federation Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Москва Россия Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Moscow Russian Federation Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Москва Россия Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics of RAS Moscow Russian Federation 25 06 2019 25 06 2019 4 2 270 277 20 06 2019 20 06 2019 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54430/view

Методом пассивной акустической термометрии измеряли глубинную (акустояркостную) температуру в предплечье испытуемых при нанесении разогревающих мазей на кожу. В первые 5-10 мин зарегистрировано уменьшение акустояркостной температуры на 3-6 K. После этого значения акустояркостной температуры возвращались на уровень, который был до нанесения мази. Далее значения акустояркостной температуры при применении одних мазей повышалась, а при других оставалась прежней и даже понижалась. Уменьшение глубинной температуры мы связываем с тем, что при измерениях использовался гель комнатной температуры. С одной стороны, нанесение на кожу «холодного» геля должно снижать поверхностный кровоток. Однако, использование разогревающих мазей временно блокировало этот процесс. В результате во внутренние ткани предплечья поступала «холодная» кровь из приповерхностных капилляров, что приводило к охлаждению тканей. Эффект был учтен в рамках уравнения теплопроводности с кровотоком путем изменения используемого в уравнении параметра, а именно температуры притекающей крови. Рассчитанная с использованием уравнения теплопроводности временная зависимость акустояркостной температуры согласуется с экспериментальными данными.

The inner (acoustobrightness) temperature in the forearm of volontiers was measured with the passive acoustical thermometry when warming ointments were smeared on the forearm skin. In the first 5-10 minutes, the acoustobrightness temperature was decreased in 3-6 K. After this, the acoustobrightness temperature returned to the level that was before applying the ointment. After that, the acoustobrightness temperature increased when using some ointments, when using other ones, it remained the same and even decreased. We propose that the decrease in the depth temperature was connected that the gel used in the measurements had a room temperature. On the one hand, the application of a “cold” gel to the skin should reduce the superficial blood flow. However, the use of warming ointments blocked temporarily this process. As a result, “cold” blood from the near-surface capillaries flowed into the internal tissues of the forearm, leading to tissue cooling. The effect was taken into account with the heat conduction equation with the bloodstream. We changed the parameter used in the equation, namely the temperature of the inflowing blood. The time dependence of the acoustobrightness temperature calculated using the heat conduction equation is consistented with experimental data.

 тепловое акустическое излучение уравнение теплопроводности с кровотоком акустояркостная температура thermal acoustic radiation equation of thermal conductivity with blood flow acousto-liquid temperature

Winter L., Oberacker E., Paul K., Ji Y., Oezerdem C., Ghadjar P., Thieme A., Budach V., Wust P., Niendorf T. Magnetic resonance thermometry: Methodology, pitfalls and practical solutions. Int. J. Hyperthermia, 2016, vol. 32, no. 1, pp. 63-75. Winter L., Oberacker E., Paul K., Ji Y., Oezerdem C., Ghadjar P., Thieme A., Budach V., Wust P., Niendorf T. Magnetic resonance thermometry: Methodology, pitfalls and practical solutions. Int. J. Hyperthermia, 2016, vol. 32, no. 1, pp. 63-75. Pouch A.M., Cary T.W., Schultz S.M., Sehgal C.M., In Vivo Noninvasive Temperature Measurement by B-Mode Ultrasound Imaging. J. Ultrasound Med., 2010, vol. 29, pp. 1595-1606. Pouch A.M., Cary T.W., Schultz S.M., Sehgal C.M., In Vivo Noninvasive Temperature Measurement by B-Mode Ultrasound Imaging. J. Ultrasound Med., 2010, vol. 29, pp. 1595-1606. Hand J.W., Van Leeuwen G.M.J., Mizushina S., Van de Kamer J.B., Maruyama K., Sugiura T., Azzopardi D.V., Edwards A. D., Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modelling. Phys. Med. Biol., 2001, vol. 46, pp. 1885-1903. Hand J.W., Van Leeuwen G.M.J., Mizushina S., Van de Kamer J.B., Maruyama K., Sugiura T., Azzopardi D.V., Edwards A. D., Monitoring of deep brain temperature in infants using multi-frequency microwave radiometry and thermal modelling. Phys. Med. Biol., 2001, vol. 46, pp. 1885-1903. Буров В.А., Дариалашвили П.И., Евтухов С.Н., Румянцева О.Д. Экспериментальное моделирование процессов активно-пассивной термоакустической томографии. Акуст. журн., 2004, т. 50, № 3, с. 298-310. [Burov V.A., Darialashvili P.I., Evtukhov S.N., Rumyantseva O.D. Experimental modeling of the processes of active-passive thermoacoustic tomography. Acoustical Physics, 2004, vol. 50, no. 3, pp. 243-254. DOI: 10.1134/1.1739492. (In Russ.)] Burov V.A., Darialashvili P.I., Evtuhov S.N., Rumyanceva O.D. Eksperimental'noe modelirovanie processov aktivno-passivnoy termoakusticheskoy tomografii. Akust. zhurn., 2004, t. 50, № 3, s. 298-310. [Burov V.A., Darialashvili P.I., Evtukhov S.N., Rumyantseva O.D. Experimental modeling of the processes of active-passive thermoacoustic tomography. Acoustical Physics, 2004, vol. 50, no. 3, pp. 243-254. DOI: 10.1134/1.1739492. (In Russ.)] Миргородский В.И., Герасимов В.В., Пешин С.В. Экспериментальные исследования особенностей пассивной корреляционной томографии источников некогерентного акустического излучения мегагерцового диапазона. Акуст. журн., 2006, т. 52, № 5, с. 606-612. [Mirgorodsky V.I., Gerasimov V.V., Peshin S.V. Experimental studies of passive correlation tomography of incoherent acoustic sources in the megahertz frequency band. Acoustical Physics, 2006, vol. 52, no. 5, pp. 606-612. DOI: 10.1134/S1063771006050150. (In Russ.)] Mirgorodskiy V.I., Gerasimov V.V., Peshin S.V. Eksperimental'nye issledovaniya osobennostey passivnoy korrelyacionnoy tomografii istochnikov nekogerentnogo akusticheskogo izlucheniya megagercovogo diapazona. Akust. zhurn., 2006, t. 52, № 5, s. 606-612. [Mirgorodsky V.I., Gerasimov V.V., Peshin S.V. Experimental studies of passive correlation tomography of incoherent acoustic sources in the megahertz frequency band. Acoustical Physics, 2006, vol. 52, no. 5, pp. 606-612. DOI: 10.1134/S1063771006050150. (In Russ.)] Krotov E.V., Zhadobov M.V., Reyman A.M., Volkov G.P., Zharov V.P. Detection of thermal acoustic radiation from laser-heated deep tissue. Appl. Phys. Lett., 2002, vol. 81, pp. 3918-3920. Krotov E.V., Zhadobov M.V., Reyman A.M., Volkov G.P., Zharov V.P. Detection of thermal acoustic radiation from laser-heated deep tissue. Appl. Phys. Lett., 2002, vol. 81, pp. 3918-3920. Passechnik V.I., Anosov A.A., Bograchev K.M. Fundamentals and prospects of passive thermoacoustic tomography. Critical Reviews™ in Biomedical Engineering, 2000, vol. 28, no. 3-4, pp. 603-640. Passechnik V.I., Anosov A.A., Bograchev K.M. Fundamentals and prospects of passive thermoacoustic tomography. Critical Reviews™ in Biomedical Engineering, 2000, vol. 28, no. 3-4, pp. 603-640. Аносов А.А., Пасечник В.И., Исрефилов М.Г. Восстановление двумерного распределения внутренней температуры модельного объекта методом пассивной термоакустической томографии. Акуст. журн., 1999, т. 45, № 1, c. 20-24. [Anosov A.A., Passechnik V.I., Isrefilov M.G. Reconstruction of a two-dimensional distribution of the internal temperature of a modal object by passive thermoacoustic tomography. Acoust. Phys., 1999, vol. 45, pp. 14-18 (In Russ.)]. Anosov A.A., Pasechnik V.I., Isrefilov M.G. Vosstanovlenie dvumernogo raspredeleniya vnutrenney temperatury model'nogo ob'ekta metodom passivnoy termoakusticheskoy tomografii. Akust. zhurn., 1999, t. 45, № 1, c. 20-24. [Anosov A.A., Passechnik V.I., Isrefilov M.G. Reconstruction of a two-dimensional distribution of the internal temperature of a modal object by passive thermoacoustic tomography. Acoust. Phys., 1999, vol. 45, pp. 14-18 (In Russ.)]. Anosov A.A., Kazansky A.S., Subochev P.V., Mansfel'd A.D., Klinshov V.V. Passive estimation of internal temperatures making use of broadband ultrasound radiated by the body. The Journal of the Acoustical Society of America, 2015, vol. 137, no. 4, pp. 1667-1674. Anosov A.A., Kazansky A.S., Subochev P.V., Mansfel'd A.D., Klinshov V.V. Passive estimation of internal temperatures making use of broadband ultrasound radiated by the body. The Journal of the Acoustical Society of America, 2015, vol. 137, no. 4, pp. 1667-1674. Anosov A.A., Subochev P.V., Mansfeld A.D., Sharakshane A.A. Physical and computer-based modeling in internal temperature reconstruction by the method of passive acoustic thermometry. Ultrasonics, 2018, vol. 82, pp. 336-344. Anosov A.A., Subochev P.V., Mansfeld A.D., Sharakshane A.A. Physical and computer-based modeling in internal temperature reconstruction by the method of passive acoustic thermometry. Ultrasonics, 2018, vol. 82, pp. 336-344. Barcroft H., Edholm O.G. The effect of temperature on blood flow and deep temperature in the human forearm. The Journal of physiology, 1943, vol. 102, no. 1, pp. 5-20. Barcroft H., Edholm O.G. The effect of temperature on blood flow and deep temperature in the human forearm. The Journal of physiology, 1943, vol. 102, no. 1, pp. 5-20. Захарченко И.И., Пасечник В.И. Кинетика тепловых процессов в мышце человека. Биофизика, 1991, т. 36, № 4, c. 655-659. [Zakharchenko I.I., Pasechnik V.I. Kinetics of heat processes in human muscle. Biofizika, 1991, vol. 36, no. 4, pp. 655-659. PMID: 1793751. (In Russ.)] Zaharchenko I.I., Pasechnik V.I. Kinetika teplovyh processov v myshce cheloveka. Biofizika, 1991, t. 36, № 4, c. 655-659. [Zakharchenko I.I., Pasechnik V.I. Kinetics of heat processes in human muscle. Biofizika, 1991, vol. 36, no. 4, pp. 655-659. PMID: 1793751. (In Russ.)] Герасимов В.В., Гуляев Ю.В., Миргородский В.И., Пешин С.В., Сабликов В.А. Диагностика систем терморегуляции человека с помощью акустотермометра (на примере исследования икроножной мышцы). Радиотехника и электроника, 1993, т. 10, pp. 1904-1911. [Gerasimov V.V., Gulyaev Yu.V., Mirgorodsky V.I., Peshin S.V., Sablikov V.A. Diagnostics of human thermoregulation systems using an acousto-thermometer (using the example of a study of the gastrocnemius muscle). Radiotekhnika i Elektronika, 1993, vol. 38, no. 10, pp. 1904-1911. (In Russ.)] Gerasimov V.V., Gulyaev Yu.V., Mirgorodskiy V.I., Peshin S.V., Sablikov V.A. Diagnostika sistem termoregulyacii cheloveka s pomosch'yu akustotermometra (na primere issledovaniya ikronozhnoy myshcy). Radiotehnika i elektronika, 1993, t. 10, pp. 1904-1911. [Gerasimov V.V., Gulyaev Yu.V., Mirgorodsky V.I., Peshin S.V., Sablikov V.A. Diagnostics of human thermoregulation systems using an acousto-thermometer (using the example of a study of the gastrocnemius muscle). Radiotekhnika i Elektronika, 1993, vol. 38, no. 10, pp. 1904-1911. (In Russ.)] Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Курятникова Н.А., Мансфельд А.Д. Акустотермометрические данные о кровотоке и теплопродукции в предплечье при физической нагрузке. Акуст. журн., 2013, т. 59. № 4, pp. 539-544. [Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazansky A.S., Kuryatnikova N.A., Mansfeld A.D. Acoustic thermometric data on blood flow and thermal output in forearm under physical pressure. Acoustical Physics, 2013, vol. 59, no. 4, pp. 482-487. DOI: 10.1134/S1063771013040027. [In Russ.]) Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazanskiy A.S., Kuryatnikova N.A., Mansfel'd A.D. Akustotermometricheskie dannye o krovotoke i teploprodukcii v predplech'e pri fizicheskoy nagruzke. Akust. zhurn., 2013, t. 59. № 4, pp. 539-544. [Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazansky A.S., Kuryatnikova N.A., Mansfeld A.D. Acoustic thermometric data on blood flow and thermal output in forearm under physical pressure. Acoustical Physics, 2013, vol. 59, no. 4, pp. 482-487. DOI: 10.1134/S1063771013040027. [In Russ.]) Pennes H.H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. Journal of applied physiology, 1948, vol. 1, no. 2. Pennes H.H. Analysis of tissue and arterial blood temperatures in the resting human forearm. Journal of applied physiology, 1948, vol. 1, no. 2. Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Дворникова М.В., Дворникова В.В., Казанский А.С., Курятни-кова Н.А., Мансфельд А.Д. Акустотермометрическое восстановление профиля глубинной температуры с использованием уравнения теплопроводности. Акуст. журн., 2012, т. 58, № 5, c. 592-597. [Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Dvornikova M.V., Dvornikova V.V., Kazanskii A.S., Mansfel’d A.D. Acousto-thermometric recovery of the deep temperature profile using heat conduction equations. Acoustical Physics, 2012, vol. 58, no. 5, pp. 542-548. DOI: 10.1134/S1063771012030037. (In Russ.)] Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Dvornikova M.V., Dvornikova V.V., Kazanskiy A.S., Kuryatni-kova N.A., Mansfel'd A.D. Akustotermometricheskoe vosstanovlenie profilya glubinnoy temperatury s ispol'zovaniem uravneniya teploprovodnosti. Akust. zhurn., 2012, t. 58, № 5, c. 592-597. [Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Dvornikova M.V., Dvornikova V.V., Kazanskii A.S., Mansfel’d A.D. Acousto-thermometric recovery of the deep temperature profile using heat conduction equations. Acoustical Physics, 2012, vol. 58, no. 5, pp. 542-548. DOI: 10.1134/S1063771012030037. (In Russ.)] Lakhssassi A., Kengne E., Semmaoui H. Modifed Pennes' equation modelling bio-heat transfer in living tissues: analytical and numerical analysis. Natural Science, 2010, vol. 2, no. 12, p. 1375. Lakhssassi A., Kengne E., Semmaoui H. Modifed Pennes' equation modelling bio-heat transfer in living tissues: analytical and numerical analysis. Natural Science, 2010, vol. 2, no. 12, p. 1375. Дигурова И.И. Влияние гипертермии и иммобилизации на деформируемость эритроцитов у крыс. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2017, т. 2, с. 47-50. [Digurova I.I. An influence hyperthermia and immobilization on erythrocyte deformability at rats. Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2017, vol. 2, pp. 47-50 (In Russ.)] Digurova I.I. Vliyanie gipertermii i immobilizacii na deformiruemost' eritrocitov u krys. Aktual'nye voprosy biologicheskoy fiziki i himii, 2017, t. 2, s. 47-50. [Digurova I.I. An influence hyperthermia and immobilization on erythrocyte deformability at rats. Russian Journal of Biological Physics and Chemistry, 2017, vol. 2, pp. 47-50 (In Russ.)] Аносов А.А., Пасечник В.И., Бограчев К.М. Пассивная термоакустическая томография кисти руки человека. Акуст. журн., 1998, т. 44, № 6, c. 725-730. [Anosov A.A., Bograchev K.M., Pasechnik V.I. Passive thermoacoustic tomography of a human hand. Acoustical Physics, 1998, vol. 44, pp. 629-634. (In Russ.)] Anosov A.A., Pasechnik V.I., Bograchev K.M. Passivnaya termoakusticheskaya tomografiya kisti ruki cheloveka. Akust. zhurn., 1998, t. 44, № 6, c. 725-730. [Anosov A.A., Bograchev K.M., Pasechnik V.I. Passive thermoacoustic tomography of a human hand. Acoustical Physics, 1998, vol. 44, pp. 629-634. (In Russ.)] Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. Определение динамики изменения температуры в модельном объекте методом акустотермографии. Акуст. журн., 2008, т. 54, № 4, с. 540-545. [Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazanskiĭ A.S., Mansfel’d A.D., Sharakshane A.S. Determination of the dynamics of temperature variation in a model object by acoustic thermography. Acoustical Physics, 2008, vol. 54, no. 4, pp. 464-468. DOI: 10.1134/S1063771008040040 (In Russ.)] Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazanskiy A.S., Mansfel'd A.D., Sharakshane A.S. Opredelenie dinamiki izmeneniya temperatury v model'nom ob'ekte metodom akustotermografii. Akust. zhurn., 2008, t. 54, № 4, s. 540-545. [Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazanskiĭ A.S., Mansfel’d A.D., Sharakshane A.S. Determination of the dynamics of temperature variation in a model object by acoustic thermography. Acoustical Physics, 2008, vol. 54, no. 4, pp. 464-468. DOI: 10.1134/S1063771008040040 (In Russ.)] Passechnik V.I. Verification of the Physical basis of acoustothermography. Ultrasonics, 1994, vol. 32, pp. 293-299. Passechnik V.I. Verification of the Physical basis of acoustothermography. Ultrasonics, 1994, vol. 32, pp. 293-299. Duck F. Physical properties of tissue. London: Academic Press, 1990, 95 p. Duck F. Physical properties of tissue. London: Academic Press, 1990, 95 p.