Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 55127 10.29039/rusjbpc.2022.0549 МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ MEDICAL BIOPHYSICS AND BIOPHYSICAL CHEMISTRY МЕДИЦИНСКАЯ БИОФИЗИКА И БИОФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ CONTROL OF TEMPERATURE DISTRIBUTION PARAMETERS IN HUMAN FOREARM DURING UHF HYPERTHERMIA BY PASSIVE ACOUSTIC THERMOMETRY AND INFRARED THERMOGRAPHY КОНТРОЛЬ ПАРАМЕТРОВ ТЕМПЕРАТУРНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ПРЕДПЛЕЧЬЕ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПРОЦЕДУРЕ УВЧ-ГИПЕРТЕРМИИ МЕТОДАМИ ПАССИВНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ТЕРМОМЕТРИИ И ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ Ерофеев А. В. Erofeev A. V. erofeev_a_v@staff.sechenov.ru Грановский Н. В. Granovskiy N. V. Селиванова П. И. Selivanova P. I. Шугаева А. И. Shugaeva A. I. Шаракшанэ А. С. Sharakshane A. S. Щербаков М. И. Scherbakov M. I. Мансфельд А. Д. Mansfeld A. D. mansfeld@appl.sci-nnov.ru Аносов А. А. Anosov A. A. anosov.aa@1msmu.ru 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 Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет) Москва Россия I.M. Sechenov First Moscow State Medical University 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 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 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 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 28 09 2022 28 09 2022 7 3 486 492 20 09 2022 20 09 2022 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/55127/view

В работе проводили УВЧ-нагрев электромагнитным полем частотой 40,68 МГц и мощностью 30 Вт предплечья человека и фантомов из пластизоля с имитацией кровотока в физиотерапевтических дозах 10, 15 и 20 минут. Измеряли тепловое акустическое излучение нагретых объектов многоканальным акустотермографом с полосой пропускания 1,6-2,5 МГц, временем интегрирования 10 С и пороговой чувствительностью 0,2 К. Дополнительно измеряли поверхностную температуру предплечья ИК-термометрией и внутреннюю температуру фантома электронным термометром. Получены данные о закономерностях распределения температуры в предплечье человека и в фантоме из пластизоля. Кровоток в фантоме имитирован медными, алюминиевыми и поливинилхлоридными трубками, через которые пропускалась вода из термостата. Сравнение скоростей остывания фантомов разного вида показало, что наиболее близки к мягким тканям предплечья человека теплофизические свойства фантома с трубками из алюминия. Данные объективного контроля не согласуются с субъективными ощущениями испытуемых, но хорошо согласуются друг с другом, что подтверждает необходимость и показывает возможность объективной оценки параметров температурного распределения в мягких тканях тела человека при гипертермии во время УВЧ-физиотерапии.

In this work we performed UHF heating with an electromagnetic field of frequency 40.68 MHz and power of 30 W on human forearms and phantoms made of plastisol with simulated blood flow at physiotherapeutic doses of 10, 15 and 20 minutes. Thermal acoustic radiation of heated objects measured with a multichannel acoustothermograph with a bandwidth of 1.6-2.5 MHz, an integration time of 10 C, and a threshold sensitivity of 0.2 K. Additionally, the surface temperature of the forearm measured by infrared thermometry and the internal temperature of the phantom by an electronic thermometer. We obtained data about temperature distribution patterns in the human forearm and in the plastisol phantom. Blood flow in the phantoms was simulated by copper, aluminum and polyvinyl chloride tubes, through which water from a thermostat was passed. Comparison of cooling rates of different types of phantoms showed that the thermal properties of the phantom with aluminum tubes were the closest to the soft tissues of the human forearm. The data of objective control do not agree with the subjective sensations of the subjects, but agree well with each other, which confirms the necessity and shows the possibility of objective assessment of temperature distribution parameters in the soft tissues of the human body during hyperthermia during UHF-physiotherapy.

 пассивная акустическая термометрия тепловое акустическое излучение акустояркостная температура ИК-термография гипертермия физиотерапия фантом из пластизоля passive acoustic thermometry thermal acoustic radiation acoustic temperature infrared thermography hyperthermia physiotherapy plastisol phantom

Сафроненко В.А., Гасанов М.З. Физиотерапия и физиопрофилактика: учеб.-метод. Пособие. ГБОУ ВПО РостГМУ Минздрава России, каф. внутренних болезней с основами общей физиотерапии № 1. Изд- во РостГМУ, 2015, с. 38-40. Safronenko V.A., Hasanov M.Z. Physiotherapy and physioprophylaxis: educational-methodical manual. GBOU VPO RostGMU Ministry of Health of Russia, Department of Internal Medicine with the basics of general physiotherapy no. 1. RostGMU Publishing House, 2015, pp. 38-40. (In Russ.) 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. International Journal of Hyperthermia, 2016, vol. 32, no. 1, pp. 63-75, doi: 10.3109/02656736.2015.1108462. 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. International Journal of Hyperthermia, 2016, vol. 32, no. 1, pp. 63-75, doi: 10.3109/02656736.2015.1108462. Pouch A.M., Cary T.W., Schultz S.M., Sehgal C.M. In vivo noninvasive temperature measurement by B-mode ultrasound imaging. Journal of Ultrasound in Medicine, 2010, vol. 29, no. 11, pp. 1595-1606, doi: 10.7863/jum.2010.29.11.1595. Pouch A.M., Cary T.W., Schultz S.M., Sehgal C.M. In vivo noninvasive temperature measurement by B-mode ultrasound imaging. Journal of Ultrasound in Medicine, 2010, vol. 29, no. 11, pp. 1595-1606, doi: 10.7863/jum.2010.29.11.1595. 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. Physics in Medicine & Biology, 2001, vol. 46, no. 7, p. 1885, doi: 10.1088/0031-9155/46/7/311. 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. Physics in Medicine & Biology, 2001, vol. 46, no. 7, p. 1885, doi: 10.1088/0031-9155/46/7/311. 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.) 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.) 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, doi: 10.1121/1.4915483. 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, doi: 10.1121/1.4915483. 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, doi: 10.1016/j.ultras.2017.09.015. 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, doi: 10.1016/j.ultras.2017.09.015. 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, doi: 10.1615/CritRevBiomedEng.v28.i34.410. 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, doi: 10.1615/CritRevBiomedEng.v28.i34.410. Amiri H., Makkiabadi B., Khani A., Irandoost S.A. A Simulation Framework for Passive Acoustic Thermometry of Homogenous Materials. Frontiers in Biomedical Technologies, 2019, doi: 10.18502/fbt.v6i3.1696. Amiri H., Makkiabadi B., Khani A., Irandoost S.A. A Simulation Framework for Passive Acoustic Thermometry of Homogenous Materials. Frontiers in Biomedical Technologies, 2019, doi: 10.18502/fbt.v6i3.1696. 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. Applied physics letters, 2002, vol. 81, no. 21, pp. 3918-3920, doi: 10.1063/1.1521245. 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. Applied physics letters, 2002, vol. 81, no. 21, pp. 3918-3920, doi: 10.1063/1.1521245. 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., Pasechnik V.I., Isrefilov M.G. Reconstruction of two-dimensional distribution of internal temperature of model object by method of passive thermoacoustic tomography. Akust. Zhurn, vol. 45, no. 1, pp. 20-24. (In Russ.)] Anosov A.A., Pasechnik V.I., Isrefilov M.G. Reconstruction of two-dimensional distribution of internal temperature of model object by method of passive thermoacoustic tomography. Akust. Zhurn, vol. 45, no. 1, pp. 20-24. (In Russ.) Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Дворникова М.В., Дворникова В.В., Казанский А.С., Курятникова Н.А., Мансфельд А.Д. Акустотермометрическое восстановление профиля глубинной температуры с использованием уравнения теплопроводности. Акуст. журн., 2012, т. 58, № 5, c. 592-599. 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.]) Аносов А.А., Ерофеев А.В., Пешкова К.Ю., Щербаков М.И., Беляев Р.В., Мансфельд А.Д. Совместное использование пассивной акустической и инфракрасной термометрии для контроля УВЧ-нагрева. Акуст. журн., 2020, т. 66, № 6, с. 690-696. Anosov A.A., Erofeev A.V., Peshkova K., Scherbakov M.I., Belyaev R.V., Mansfeld A.D. Joint Use of Passive Acoustic and Infrared Thermometry for Monitoring UHF Heating. Akust. zhurn., 2020, vol. 66, no. 6, pp. 690-696. (In Russ.) Аносов А.А. и др. Определение динамики изменения температуры в модельном объекте методом акустотермографии. Акустический журнал, 2008, т. 54, № 4, с. 540-545. Anosov A.A. et al. Determination of the temperature change dynamics in the model object by the acoustic thermography method. Akust. zhurn., 2008, vol. 54, no. 4, pp. 540-545. (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, c. 539-544. Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazansky A.S., Kuryatnikova N.A., Mansfeld A.D. Acoustothermometric data on blood flow and heat production in the forearm during physical activity. Akust. zhurn., 2013, vol. 59, no. 4,pp. 539-544. (In Russ.) Аносов А.А., Ерофеев А.В., Мансфельд А.Д. Использование акустотермометрии для определения температурного поля в предплечье человека. Акуст. журн., 2019, т. 65, № 4, c. 551-556. Anosov A.A., Erofeev A.V., Mansfeld A.D. Using acoustothermometry to determine the temperature field in the human forearm. Akust. zhurn., 2019, vol. 65, no. 4, pp. 551-556, doi: 10.1134/S106377101904002X. (In Russ.) Иваницкий Г.Р. Современное матричное тепловидение в биомедицине. Успехи физических наук, 2006, т. 176, № 12, с. 1293-1320. Ivanitsky G.R. Modern matrix thermal imaging in biomedicine. Advances in Physical Sciences, 2006, vol. 176, no. 12, pp. 1293-1320. (In Russ.) Maggi L., Cortela G., von Kruger M.A., Negreira C., de Albuquerque Pereira W.C. Ultrasonic Attenuation and Speed in phantoms made of PVCP and Evaluation of acoustic and thermal properties of ultrasonic phantoms made of polyvinyl chloride-plastisol (PVCP). In IWBBIO, 2013, pp. 233-241. Maggi L., Cortela G., von Kruger M.A., Negreira C., de Albuquerque Pereira W.C. Ultrasonic Attenuation and Speed in phantoms made of PVCP and Evaluation of acoustic and thermal properties of ultrasonic phantoms made of polyvinyl chloride-plastisol (PVCP). In IWBBIO, 2013, pp. 233-241. Duck F.A. Physical properties of tissues: a comprehensive reference book. Academic press, 2013. Duck F.A. Physical properties of tissues: a comprehensive reference book. Academic press, 2013. 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., Kazanskii A.S., Mansfeld A.D., Sharakshane A.S. Determination of temperature change dynamics in a model object by acoustothermography. Akust. zhurn., 2008, vol. 54, no. 4, pp. 540-545. (In Russ.) Аносов А.А., Беляев Р.В., Вилков В.А., Казанский А.С., Мансфельд А.Д., Шаракшанэ А.С. Динамическая акустотермография. Акуст. журн., 2009, т. 55, № 4-5, с. 436-444. Anosov A.A., Belyaev R.V., Vilkov V.A., Kazanskii 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.) Аносов А.А. и др. Восстановление глубинной температуры методом акустотермометрии с учетом уравнения теплопроводности. Радиотехника и электроника, 2015, т. 60, № 8, с. 855-855. Anosov A.A. et al. Reconstruction of the depth temperature by acoustothermometry taking into account the thermal conductivity equation. Radiotekhnika i elektronika, 2015, vol. 60, no. 8, pp. 855-855. (In Russ.) Аносов А.А. и др. Акустотермометрический контроль кисти руки человека при гипертермии и гипотермии. Акуст. журн., 2013, т. 59, № 1, с. 109-114. Anosov A.A. et al. Acoustothermometric control of human hand during hyperthermia and hypothermia. Acoust. zhurn., 2013, vol. 59, no. 1, pp. 109-114. (In Russ.)