HIFU温度场可视化测量初探

本实验用蓖麻油模拟人体环境、热敏打印纸作为记录载体,测量高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统焦点附近的温度分布情况。实验中热敏打印纸显影所指示的温度已经达到HIFU治疗所需要的温度,实验的结果对进一步研究HIFU温度场分布有借鉴作用。     

高强度聚焦超声螺旋扫描形成的组织损伤研究

为满足高强度聚焦超声(HIFU)治疗对组织损伤均匀性和高效性的需求,理论及实验研究了连续扫描模式下HIFU沿螺旋扫描路径形成的组织损伤。基于Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov方程和生物传热方程建立了声热耦合模型,数值模拟了螺旋路径栅格距离为3 mm和4 mm时不同扫描速度下HIFU辐照体模的温度场和组织损伤分布,并采用凝胶体模进行了实验验证。结果表明,采用连续螺旋模式可以使热扩散均匀化,产生分布均匀的热损伤;选择适当的栅格距离和扫描速度,发挥螺旋路径内外圈热扩散的相互影响,可以产生大范围的整体性的热损伤,同时提高治疗效率。本文工作对优化HIFU治疗效果具有指导意义。      

经颅超声聚焦方法和声场特性研究

基于高分辨的CT数据建立了非均匀颅骨仿真模型,该模型引入了颅骨的声衰减系数,深入研究和分析了声波时间反转法和超声相控阵法在颅脑中的聚焦方法及效果。颅骨具有较强的声波衰减特性,使用时间反转聚焦时需要进行幅度补偿,对于0.7MHz的频率信号,幅度补偿后的时间反转聚焦声场主瓣宽度窄、旁瓣低,焦点处声场比无幅度补偿的时间反转法提高8.86dB,比超声相控阵聚焦法提高7.89dB,具有很好的空间聚焦精度和聚焦效率。研究了颅骨衰减系数、声场焦点位置、声波频率、换能器阵列位置和方位等参数对聚焦声场的影响,结果表明,幅度补偿时间反转法比相控阵法具有更低的旁瓣,且高频时的聚焦效果比相控阵好,相控阵聚焦对换能器阵列的位置和方位比较敏感,而时间反转经颅超声聚焦对声传播路径和入射角具有更高的鲁棒性。      

基于虚拟源时间反转的经颅超声精确聚焦*

针对经颅超声难以精确聚焦的问题,本文研究了基于虚拟源的时间反转方法,建立颅骨二维数字模型,在聚焦目标处设置虚拟声源,利用时域有限差分法模拟超声时间反转过程,并考察基于虚拟源时间反转方法的聚焦效果。数值仿真结果表明,基于虚拟源的时间反转方法可以实现经颅超声的精确聚焦,聚焦强度和精度好于传统的相控聚焦;换能器中心频率和数量对聚焦效果的影响规律与相控聚焦时类似;该方法可以同时向多个焦点聚焦,并自适应调节各焦点处声压幅度。     

微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究*

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。     

时间反转聚焦在组织中形成损伤的数值建模

为考察基于时间反转方法的高强度聚焦超声治疗在预设目标点处的组织损伤情况,使用三维有限差分算法求解Westervelt方程,建立非线性声波传播数值模型,采用97阵元相控阵结合虚拟源的时间反转方法进行超声聚焦,分析其形成的声场和热场,并考察目标点偏离轴线时的组织损伤形成规律。结果表明随着目标点偏轴距离的增大,声压旁瓣开始增多。旁瓣的温升较低,不足以形成组织损伤。时间反转方法可用于多点聚焦,在一定的范围内,形成多点目标损伤而不产生额外的周围组织损伤。同时多点聚焦可以形成一个较大的损伤区域,减少超声治疗时间。     

热疗用聚焦超声换能器的研究

本文通过数值计算及实际测量,研究了凹球面声透镜聚焦换能器及凹球面自聚焦换能器产生的声场,证实此两种聚焦方式均可获得理想的聚焦效果,但自聚焦方式更适合高强度聚焦超声(HIFU)加热治疗。     

剪切波对HIFU经颅聚焦形成温度场影响的数值仿真研究

在高强度聚焦超声经颅治疗时,既有纵波又有剪切波,为了保障该治疗方法的安全有效性,有必要分析剪切波对HIFU治疗温度场的影响。该文基于人体头颅CT数据和曲率半径为150 mm的256阵元的半球相控换能器建立三维高强度聚焦超声经颅声波传播模型,利用时域有限差分法结合Westervelt声波非线性传播方程、动量方程、质量守恒方程和Pennes生物热传导方程数值仿真其形成温度场,研究在相同输入功率、不同聚焦角度条件下对应阵元数进行激励时,剪切波对换能器形成温度场的影响。结果表明,随换能器聚焦角度减小,在几何焦点处形成的焦域面积逐渐增大,考虑剪切波形成的温度场达到65?C所需时间逐渐延长,焦点前移程度越大;在相同聚焦角度条件下,考虑剪切波的温度场达到65?C所需时间更短,旁瓣更少,在颅骨处的温度更高,对焦点前移几乎没有影响;随换能器聚焦角度减小,考虑剪切波的模型形成的焦域面积变化范围更大;幂指数函数形式对不同聚焦角度下焦域面积大小的拟合优度高,可预测不同聚焦角度换能器形成的焦域面积。     

基于分数导数研究高强度聚焦超声的非线性声场

在高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound, HIFU) 的研究中, 生物组织的衰减和色散性质会对声能量的空间分布产生影响. 本文提出应用分数导数修正非线性Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov (KZK)方程, 研究生物组织中非线性HIFU声场. 对三种生物仿体的衰减和声速色散的理论实验研究表明分数导数应用的可行性, 在此基础上通过数值仿真分析研究了衰减及声速随频率的变化对HIFU焦域分布的影响. 研究结果表明, 在计算强非线性聚焦超声时, 由于高次谐波的强色散作用, 引入分数导数来解决生物组织特殊的衰减以及色散问题可进一步提高HIFU治疗的安全性. 关键词： 分数导数 声衰减 色散 高强度聚焦超声     

格子玻尔兹曼方法对不同张角聚焦声束的建模

高强度聚焦超声(HIFU)是一种新型的无创治疗肿瘤新技术,其中换能器声场数值计算能够为HIFU治疗提供重要的依据。传统非线性KZK和SBE模型广泛应用于换能器声场数值计算,但依然存在某些不足。我们采用一种介观尺度的新型流体力学方法,即格子Boltzmann方法(LBM),基于2维9离散速度(D2Q9)格子构建了轴对称多弛豫参数LBM模型,并通过调节弛豫参数分析其对模型的影响;利用该模型对两个具有不同张角的球面聚焦换能器的声场进行数值模拟,并与KZK和SBE模型的计算结果进行比较。结果表明LBM模型能够很好地描述超声波的激发和传播机制,从流体力学的角度描述聚焦声场的分布,具有清晰的物理意义,且计算过程不受换能器张角的限制,在换能器声场的理论分析和模拟计算及其在HIFU治疗中的应用有着积极的意义。      

基于FPGA的高强度聚焦超声相位控制系统设计*

多阵元相控阵换能器具有焦距可调和可实现经颅聚焦等优势,近来受到众多研究者的关注,其相位控制系统是决定多阵元相控换能器能否应用于临床的关键技术之一。在输出信号稳定的同时提高高强度聚焦超声相位控制系统精度是设计过程中的重点与难点。本文基于现场可编程门阵列设计了一种高强度聚焦超声相位控制系统。实测结果表明,多通道延时分辨率为1 ns,延时误差小于1 ns,可满足多阵元高强度聚焦超声治疗相控聚焦换能器延时精度的需要。     

时间反演聚焦经颅磁声电刺激仿真与实验研究*

无创脑神经调控技术是生物医学领域的研究热点,经颅磁声电刺激是利用静磁场和声场的耦合而产生的感应电场作用于神经组织,对大脑的目标位置进行刺激和调控的一项技术。颅骨的存在使超声在传播过程中发生相位畸变和幅值衰减,聚焦区域偏离,难以实现精准聚焦。该文基于时间反演法,模拟颅内点声源发射脉冲以及超声传播过程,计算各个阵元接收到的时间差,按照后到先发的原则发射脉冲进行聚焦刺激。与传统相控阵聚焦相比,焦点偏移现象基本得到解决,焦域横向、纵向分辨率均有所提高,提高了声束聚焦精度和感应电场峰值。通过搭建实验平台,将两种聚焦方法所测得的声场归一化处理,验证了时间反演法能补偿焦点偏移,并通过实验证实了超声换能器声场和产生感应电场分布存在较高的一致性。基于真实颅脑结构的虚拟点源时间反演聚焦可以实现无创、精准、灵活的经颅磁声电刺激,有助于推动精准神经调控技术的发展。     

剪切波对时间反转调相的经颅聚焦超声的影响*

为研究颅骨中的剪切波对经颅聚焦超声的影响,该文利用Kelvin-Voigt固体声波方程并结合时间反转法,分别模拟了考虑剪切波和不考虑剪切波时,256-单元平面相控阵为实现超声经颅聚焦所需的相位调控,并将这两种相位调控都分别作用于考虑剪切波和不考虑剪切波时的聚焦情形。对这两种相位调控以及基于它们的经颅聚焦超声场的对比分析结果表明:聚焦深度较大时,剪切波对基于时间反转进行的相位调控影响较小;不过,剪切波对经颅聚焦超声场的强度分布影响较大,忽略剪切波会导致对焦域处声场聚焦强度的高估以及对颅骨附近声能量沉积的低估。     

Time reversal in ultrasound focusing transmitters and receivers

The ability of a single-channel time reversal acoustic systems to focus and receive ultrasound radiation is considered. The basic element of these systems is a liquid-filled acoustic reverberator. Two types of the reverberators have been experimentally studied; one of them is a thin-wall cylindrical balloon used in ultrasound catheters for treatment of cardiac fibrillation, and the other consists of plane-parallel foil layers. It is demonstrated that such systems can effectively focus ultrasound using only one radiation channel. Random deformation of balloon walls and foil layers leads to a noticeable improvement of focusing quality and helps to overcome the limitations imposed by a spatial symmetry of a system. The use of a binary radiation mode increases the focal field intensity as compared to the conventional mode. The possibility of spatial localization of external sources with the use of the time reversal focusing system as a receiver is demonstrated.     

Theoretical consideration of an X‐ray Bragg‐reflection lens using the eikonal approximation

On the basis of the eikonal approximation, X‐ray Bragg‐case focusing by a perfect crystal with parabolic‐shaped entrance surface is considered theoretically. Expressions for focal distances, intensity gain and distribution around the focus spot as well as for the focus spot sizes are obtained. The condition of point focusing is presented. The experiment can be performed using X‐ray synchrotron radiation sources (particularly free‐electron lasers).     

基于电阻抗层析成像的高强度聚焦超声温度监测技术

作为一种对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的非入侵肿瘤治疗手段,高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中焦域的温度监测是实现剂量精准控制的关键.本文基于生物组织的温度-电阻抗的关系,将电阻抗层析成像(EIT)和HIFU治疗相结合,提出了一种利用组织焦平面的表面电压实现电阻抗重构的检测技术.建立了HIFU治疗和EIT综合系统模型,在考虑组织的声吸收条件下,对三维Helmholtz方程在柱坐标下的声场计算进行了二维简化,并引入Pennes生物热传导方程来计算HIFU焦域的声压和温升分布特性;引入生物组织的温度-电阻抗关系,基于麦克斯韦电磁场理论,建立了具有温度分布HIFU焦域的电流和电压计算模型,利用恒流注入的边界条件实现电场计算,获得焦平面的表面电压分布.在数值计算中,利用实验聚焦换能器参数,模拟了在固定声功率下组织焦域的声场和温度场分布,以及中心和偏心聚焦条件下不同治疗时刻的电导率分布;然后通过对称电极的循环电流注入,计算了组织模型焦平面内的电流密度和电势分布,获得了焦平面圆周分布的表面电极电压;进一步采用修正的牛顿-拉夫逊算法,利用32×32的表面电极电压实现了焦平面内电导率分布的重建.结果表明,基于温度-电阻抗关系的EIT电导率重建技术不但能准确定位HIFU焦域中心,还能恢复HIFU治疗中焦域的温度分布,证明了EIT用于HIFU治疗中温度监测的可行性,为其疗效评估和剂量控制提供了一种无创电阻抗测量和成像新方法.     

自聚焦换能器的声场研究

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤是一项无创伤的新技术,有着很好的应用前景,因此对其声场的研究是有实际的价值的。对声场的研究不仅有利于换能器的设计,提高治疗的效果;而且有助声场测量方案的设计,提高对治疗超声剂量的安全保证。本文采用时域有限差分法研究了自聚焦换能器的声场,分别对简谐波,脉冲波进行了研究。比较清楚地看出在焦区的声场可以认为是平面波,这对光纤端面法声场测量提供了有力的支持。     

球形腔聚焦换能器的非线性声场建模

球形腔聚焦换能器是一种特殊形式的聚焦换能器。为理论证实球形腔聚焦换能器能突破传统超声聚焦在聚焦精度和聚焦增益上的限制,采用Westervelt非线性方程并结合时域有限差分法,建立了球形腔聚焦换能器的非线性声场的数值模型。数值计算了直径为120 mm的0.6 MHz球形腔聚焦换能器的非线性声场,并与传统球壳形聚焦换能器进行了对比。当激励声压为100 kPa时,球形腔聚焦换能器与同尺寸壳形聚焦换能器相比,焦点正声压增益提高约8.5倍,且焦域精度更高,-6 dB聚焦区域在z方向减小约20倍,达到次波长尺度。研究表明球形腔聚焦换能器在高强度聚焦超声精细治疗上具有潜在的应用前景。