Контроль внутренней температуры активных элементов (АЭ) мощных лазеров необходим для их безопасной работы. В статье описана методика и устройство для мониторинга внутренней температуры АЭ лазеров. Измерения основаны на импульсном ультразвуковом (УЗ) зондировании и зависимости от температуры скорости звука в материале АЭ. Изменение скорости звука приводит к изменению фазы УЗ сигнала, прошедшего через объект, которое регистрируется описываемым устройством. Представлены результаты мониторинга температуры АЭ с помощью ультразвукового зондирования в процессе работы действующей лазерной установки.

Предложен и исследован алгоритм восстановления методом акустотермометрии пространственного температурного распределения, меняющегося во времени, основанный на априорной информации о том, что изменение температуры подчиняется уравнению теплопроводности. Определялись два параметра распределения: источник и коэффициент температуропроводности. Восстановление проведено на основе экспериментальных данных, полученных при нагреве модельного объекта (говяжьей печени). Получение температурного распределения занимает 10 с, и (при погрешности измерения 0.1 K) в процессе восстановления достигается точность около 0.5 K, что полностью отвечает медицинским требованиям.

Проведена неинвазивная глубинная акустическая термометрия мозга двух пациентов НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко РАМН, у которых частично отсутствовали кости черепа. Совместно с акустотермографией использовали и ИК-тепловидение для измерения температуры поверхности кожи. На основе экспериментальных данных восстановлена глубинная температура мозга: 37,3 ± 0,7 и 37,0 ± 0,3°С.

Представлены результаты акустотермометрического контроля локальной гипотермии и гипертермии кисти человека. Испытуемые на несколько минут опускали руки в холодную и горячую воду. Измерения теплового акустического излучения проводили двумя датчиками со стороны ладони и с тыльной стороны кисти. Были восстановлены профили глубинной температуры в кисти. Косвенная оценка погрешности восстановления составила 0.6°С, что приемлемо для медицинских приложений. При гипертермии руку держали в течение двух минут в воде с максимальной температурой 44°С. При этом глубинная температура составила 35.4 ± 0.6°С. При гипотермии руку держали в течение пятнадцати минут в воде с температурой 17.8°С. При этом глубинная температура снизилась с 26 до 24°С. Использование плоской приемной решетки из четырех датчиков позволило провести динамическое картирование акустояркостной температуры кисти.

Методом акустотермометрии изучено влияние кровотока и теплопродукции на изменение температуры предплечья человека при физической нагрузке. Пережимание плеча жгутом приводит к снижению кровотока, что позволяет оценить параметры исключительно теплопродукции. При расчетах глубинной температуры предплечья использовалось уравнение теплопроводности с учетом кровотока и дополнительных источников теплопродукции. Расчеты с использованием экспериментально полученных данных показали, что максимум глубинной температуры предплечья в покое составляет 36°С. Физическая нагрузка только за счет теплопродукции (без кровотока) повышает эту температуру до 37°С, а с учетом и теплопродукции, и кровотока – до 38°С. Проведенные эксперименты позволили отработать методику акустотермографических измерений на испытуемых, что является важным этапом доведения метода акустотермометрии до клинической практики.

В эксперименте восстановлена меняющаяся во времени глубинная температура модельного объекта: говяжьей печени. Печень в течение 6 минут нагревали лазерным излучением (810 нм), передаваемым с помощью световода на глубину 1 см. Во время нагрева и последующего охлаждения глубинная температура измерялась методом акустотермографии. Для независимого контроля использовали три электронных термометра, показания которых в последующем и восстанавливали. Восстановление глубинной температуры проводилось с помощью нейронной сети с задержкой. В течение последних двух минут нагрева среднеквадратическая погрешность восстановления при времени усреднения 50 с не превышала 0.5°C. Такой результат позволяет использовать предлагаемый метод для решения ряда медицинских задач.

Экспериментально проверены корреляционный и некорреляционный способы приема теплового акустического излучения. Для корреляционного приема предложена формула расчета распределения температуры объекта по измеренным кросс-корреляционным функциям давления. Некорреляционные измерения, проведенные с использованием двух перпендикулярных решеток, состоящих из семи датчиков каждая, позволили определить параметры трехмерного температурного распределения, время измерения составило 10 с.

In Central Clinic of RAS the acoustothermometrical measurements were carried out during laser hyperthemia of mammary and thyroid glands for heating control. Seven patients were investigated. The mammary and thyroid glands were heated 3 and 4 times, correspodently. One or two acoustothermometers were used to measured the temperature at the depth of the body. The heated rigion was in 1 2 cm from the body surface. The measurement results fit to the hyperthermia script.