HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律*

高强度聚焦超声(HIFU)治疗中的驱动电功率对治疗效率起着非常关键的作用,驱动电功率控制的精准性势必会影响治疗的效率和安全性。前期研究表明：HIFU治疗过程中焦域瞬态物理特性的变化会导致换能器的负载阻抗发生变化,进而影响HIFU驱动电功率,但驱动电功率与焦域瞬态物理特性之间的影响关系及规律尚不明确。该文基于电压、电流传感器、空化检测探头和温度传感器等器件,构建了一种HIFU治疗中驱动电功率实时监测及焦域声空化、温度检测系统。基于该实验研究系统,以离体牛心组织作为HIFU辐照对象,分别研究了HIFU焦域温度变化、声空化及组织损伤与驱动电功率之间的变化关系及规律。研究结果表明：当焦域温度升高时,驱动电功率缓慢上升,驱动电功率与温度变化有良好的相关性;当空化产生时,驱动电功率出现明显的波动;当组织出现损伤时,驱动电功率呈陡然下降的变化。三种情景下,驱动电功率变化有明显区别,这有望为区分HIFU治疗过程中焦域处发生损伤和空化以及实时监测靶组织损伤程度提供一种新的解决方案。     

基于换能器驱动信号特征的高强度聚焦超声焦域损伤实时监测

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)焦域的实时监测是聚焦超声临床治疗面临的关键问题,目前临床常采用B超图像强回声的变化实现焦域组织损伤的监测,而B超图像出现的强回声大多与焦域处的空化及沸腾气泡相关,无法准确、实时地监测治疗状态.HIFU治疗中焦域组织会伴随温度升高、空化、沸腾和组织特性等变化,换能器表面的声学负载也在不断变化,针对该问题,本文构建了换能器电压电流实时检测平台,通过测量换能器电学参数来感知焦域组织的状态变化.以离体牛肝组织作为HIFU辐照对象,并将相位差变化的结果与离体牛肝组织损伤的结果进行了对照,实验结果表明,在HIFU辐照过程中,换能器电压与电流的相位会出现由相对平稳到大幅波动的过程,此时停止辐照可见焦域出现明显损伤,而此时B超图像灰度无明显变化;此外,当焦域出现空化时,其波动幅度与范围将较之更大.此方法可为HIFU焦域组织损伤监测提供一种新的研究方案和手段.     

B模式实时成像定量监控超声空化时空行为的研究

提出一种采用B超图像实现高强聚焦超声(HIFU)治疗时声空化的时空量化监控的方法。首先,采用B模式实时成像系统对不同声辐照能量下的HIFU在凝胶仿体中引发的超声空化进行实验监测;接着,利用二维数字图像处理算法消除高强聚焦超声(HIFU)在B超图像中产生的干涉条纹,并在此基础上,对B超成像中观察到的高亮区域的面积变化情况进行量化分析;最后,进一步讨论了驱动声压或脉冲宽度对超声空化产生的高亮区域的生成速度和面积大小的影响。结果显示该方法可以有效去除B超图像中的干涉条纹,并对HIFU引发的空化现象进行实时监测。实验结果还表明辐照声能量的提高将引发更强烈的声空化行为,并且显著缩短HIFU引发的空化泡群的初始生成时间。研究结果对进一步优化HIFU治疗有重要意义。     

B模式实时成像定量监控超声空化时空行为的研究

提出一种采用B超图像实现高强聚焦超声(HIFU)治疗时声空化的时空量化监控的方法。首先,采用B模式实时成像系统对不同声辐照能量下的HIFU在凝胶仿体中引发的超声空化进行实验监测;接着,利用二维数字图像处理算法消除高强聚焦超声(HIFU)在B超图像中产生的干涉条纹,并在此基础上,对B超成像中观察到的高亮区域的面积变化情况进行量化分析;最后,进一步讨论了驱动声压或脉冲宽度对超声空化产生的高亮区域的生成速度和面积大小的影响。结果显示该方法可以有效去除B超图像中的干涉条纹,并对HIFU引发的空化现象进行实时监测。实验结果还表明辐照声能量的提高将引发更强烈的声空化行为,并且显著缩短HIFU引发的空化泡群的初始生成时间。研究结果对进一步优化HIFU治疗有重要意义。      

超声激发声信号幅值实时监测HIFU焦域组织损伤*

聚焦超声消融肿瘤过程中的损伤实时监测是临床治疗面临的一个关键难题,双频聚焦超声不仅能提高治疗效率,且能在共焦区域激发出声信号,该声信号的幅值、频率等信息与焦域组织的机械和声学特性紧密相关。本文构建了一种双频聚焦超声治疗及组织损伤实时监测系统。该系统在聚焦超声辐照离体组织过程中,通过外部水听器接收双频激发的组织声发射信号,并通过上位机进行高速数据采集、数字滤波、时频处理等,分析声发射信号幅值与离体组织损伤之间的变化规律。实验研究结果表明：随着焦域组织损伤的形成,其弹性等声学特征发生改变,导致声发射信号幅值逐渐降低,表明声发射信号幅值的变化可较好地反映靶组织声学特征和结构的变化,从而实现聚焦超声治疗中靶组织损伤的实时监测。本文提出的监测方案相比传统超声影像监控更灵敏,有望为聚焦超声临床治疗中的组织损伤监控提供一种新的实时监测方案和手段。     

光纤气体传感器解调方法的研究

利用可调谐激光光谱技术并结合二次谐波检测的波长调制方法对气体浓度进行检测,大大提高了检测灵敏度.然而光的传输和电路自身延时都会产生未知的相位延时,含有气体浓度信息的被测信号和二倍频参考信号的相位差变化严重影响二次谐波信号测量结果.本文设计出一种4路乘法锁相解调电路,设计中分别用正弦信号和余弦信号对被测信号进行解调,经积分电路后得到两路分别与相位差的正弦值和余弦值相关的解调信号.将两路解调信号平方,再通过加法器相加后消除相位差,得到完全与相位差无关的幅值信号.实验证明当被测信号相位在0°—90°变化时,解调 关键词： 可调谐半导体激光吸收光谱 波长调制 解调电路 相位差     

高强度聚焦超声场中空化泡群的结构及其形成过程

空化是高强度聚焦超声(HIFU)引起组织损伤的作用机制之一。本文使用高速摄影技术研究了HIFU场中空化泡群结构的空间分布特征、超声功率对空化泡群结构的影响、空化泡群结构的建立过程尤其是起始过程。空化泡群的结构以空化泡在声场中的区域化分布为特征．在一定功率范围内空化泡群的结构保持稳定。从建立过程来看,空化泡群首先出现在焦区,然后在焦后区(远离换能器的区域)形成,焦前区(靠近换能器的区域)空化泡群最后形成。在对空化泡群起始的研究中发现最初拍摄到的空化泡群形状与焦区形状接近,并且观察到空化泡在焦区发生聚集然后破裂的现象。     

双路Mie散射测量空化泡的非同步振荡

通过双路Mie散射方法,我们从不同方向测量了超声驱动声空化泡的表面脉动情况.结果显示,在低声压驱动下,两个方向测到的Mie散射信号是不同步,存在相位差.这表明不同方向的气泡表面的脉动是不同步的.作为一个推论,此时气泡的形状是非球形的.幸运的是,高声压驱动的声致发光气泡没有观察到相位差,没有证据显示它的运动是非球形的.     

生物组织成像中用反相位脉冲技术提高二次谐波信噪比的研究

本文基于有限振幅声波在介质中的非线性传播理论,分析了反相位脉冲技术对生物组织中二次谐波增强的原理.实验中利用反相位脉冲激发超声换能器,对生物组织中传播的非线性信号相加分析.结果表明反相位脉冲技术可有效抑制基波及奇次谐波信号,而可增强偶次谐波信号6dB.与滤波器滤波法相比,反相位脉冲技术在抑制基波信号的同时,可有效地提高二次谐波的信噪比,因而在生物组织的二次谐波成像中具有广阔的应用前景.     

高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示：在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p <0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。     

脉冲超声激励下SonoVue微泡的瞬态空化特性

将SonoVue微泡从临床疾病诊断拓展至治疗引起了诸多研究人员的兴趣。为了平衡治疗效率和生物安全性,深入理解声学参数和SonoVue微泡瞬态空化的关系至关重要。本研究自行制备仿体容器放置SonoVue微泡,使用1 MHz发射换能器激励其产生空化效应,另一个7.5 MHz的聚焦换能器接收声信号,经放大及高速数据采集后送上位机处理。通过深入分析信号的时频域特征,我们提出以宽带信号的能量及其随时间变化曲线的半高宽来表征瞬态空化的剂量(ICD)和相对持续时间(ICP),并确定:瞬态空化的发生和ICD依赖于峰值负声压,但ICP随峰值负声压的增加而减小;脉冲重复频率和脉冲持续时间都和ICD及ICP正相关;且脉冲持续时间的影响较大。这些结果有望为SonoVue微泡的治疗应用提供理论支持。      

PVDF梳状换能器接收非线性兰姆波的实验研究*

该文基于PVDF压电薄膜对梳状换能器进行设计制作,并将该换能器应用于接收非线性兰姆波信号实验研究。首先通过输出矢量和方法分析PVDF梳状换能器的工作特性,然后将设计制作的PVDF梳状换能器应用于铝板中非线性兰姆波信号的接收,并与传统压电陶瓷换能器经斜劈接收的非线性兰姆波信号进行比较分析。实验结果表明,两种换能器所接收到的信号幅值随传播距离的变化趋势相近,线性增长的积累效应表征结果相似,且PVDF梳状换能器可以对基波和二次谐波信号同时响应。除此之外,PVDF梳状换能器用于接收非线性兰姆波信号更加稳定。因此,PVDF梳状换能器有望应用于复杂构件的在线检测与监测研究。     

一种评价固体板材表面性质的非线性超声兰姆波方法

在基频与二倍频兰姆波相速度匹配但群速度失配的条件下, 通过选择适当的兰姆波二次谐波时域信号的测量起止时间, 可完全扣除换能器对二次谐波积分振幅测量所带来的影响。本文提出采用兰姆波二次谐波的积分振幅作为评价参量, 以实现对板材表面性质的准确评价。当板材表面性质发生改变时, 原本在理想表面条件下成立的基频与二倍频兰姆波相速度匹配的条件不再严格满足, 这将显著地影响到兰姆波的二次谐波发生效率, 相应的二次谐波积分振幅随表面性质的改变也将发生非常敏感的单调变化。实验结果表明,利用扣除换能器影响之后所测得的兰姆波二次谐波的积分振幅,可对板材表面性质的变化情况进行准确评价。     

基于群速度失配的超声兰姆波二次谐波的时域测量方法

考虑到发射和接收换能器对超声兰姆波时域二次谐波信号所带来的不可避免的影响,提出一种基于基频与二倍频兰姆波群速度失配的超声兰姆波二次谐波的时域测量方法。当基频与二倍频超声兰姆波的相速度匹配而群速度失配时,在超声兰姆波传播过程中所发生的二次谐波信号,在时域上可与源于斜劈换能器的二次谐波信号相分离。采用仅源自于基频兰姆波的时域二次谐波的积分振幅,定量描述兰姆波二次谐波的发生效率。以铝板中传播的兰姆波为例,给出了时域二次谐波的具体测量过程。本文提出的测量方法放宽了超声兰姆波二次谐波的测量条件,且扣除了换能器对二次谐波信号所带来的影响,所测得的二次谐波信号完全来自于基频兰姆波时域信号的二次谐波发生效应。      

小波变换应用于谐波谱线的噪声滤除与基线校正

红外光谱谐波检测系统中的噪声与基线漂移问题一直是光谱处理的热点,提出一种采用小波变换的Mallet分解算法, 解决谐波检测中各种复杂噪声以及基线漂移的问题。选取适当小波函数及分解层次将谐波曲线中含有的噪声和基线漂移与有用信号分解到不同频带;分析频带信息,设定一个检测信息频带, 应用阈值处理及系数置零的方法使频率处于此频带的信息保留下来。小波变换方法可以在一次分解与重构过程中同时去除谐波信号的噪声与基线的双重干扰,从而将谐波信号有效地测量出来。实验证明,应用小波变换进行谐波校正的方法可应用于不同的谐波检测系统,具有普遍适用性。     

基于光谱吸收原则的低成本硫化氢传感器研究

H₂S浓度检测的发展趋势是实时检测,基于光谱吸收原则是其中一个发展方向。用宽带光源替代以往使用的成本较高的窄带光源,降低整个系统的成本,可以提高检测系统的实用性。宽带光源经过Bragg光纤光栅滤波后可以得到窄带光。此方法得到的光波必然会有噪声和波动,然后对其进行滤波,消除一部分系统的噪声和波动,再通过光线分束器分别通入检测光路和参考光路后做差。此差分信号不仅消除了一部分系统噪声和波动,还消除了基波分量,增大了信噪比。用数学分析的方法推导出二次谐波信号,利用SIMILINK仿真观察此信号,不同浓度的H₂S气体会有不同的输出信号,也就得到了气体的浓度。双光路差分法、谐波检测技术和窄带滤波技术综合起来的优势是降低了成本,增加了信噪比,提高了系统的检测能力。实验仿真结果表明,在LED宽带光源基础上采用提取谐波信号的双光路差分方法检测H₂S气体浓度正确可行,此方法降低了系统成本,为大范围实际应用提供了可能性。     

Sinusoid-Golay编码单脉冲激励提升磁声电成像精度

针对低电导率生物组织的成像需求,利用Sinusoid-Golay编码单脉冲激励提高磁声电信号的信噪比和定位精度,实现了高精度的磁声电成像。首先,在考虑换能器指向性的基础上,推导了Sinusoid-Golay编码单脉冲激励的磁声电理论公式,并引入激励转换因子和自相关计算,实现磁声电信号测量和解码重建,理论证明了N位Sinusoid-Golay编码可以将磁声电信号的主瓣幅度提高2N倍,并具有良好的脉冲压缩和噪声抑制能力。然后,在5 dB信噪比条件下,模拟了16位SinusoidGolay编码单脉冲激励层状组织模型所产生的磁声电信号,通过匹配滤波解码和叠加增强了磁声电信号的主瓣,并消除了其旁瓣,实现了组织边界的精确定位和电导率梯度的准确重建。最后,搭建了磁声电检测和线性扫描成像系统,利用正弦单周期和16位Sinusoid-Golay编码单脉冲激励,对三层凝胶仿体进行了磁声电测量和图像重建。Sinusoid-Golay编码单脉冲激励能够提高磁声电信号的信噪比约6.5 dB,并精确重构了组织边界电导率变化的幅值和极性。该研究为基于电学特性差异的组织病变早期检测提供了一种高精度磁声电快速成像方法。     

一种矢量水听器基阵模拟器的设计

矢量水听器的每个阵元同时测量声场中声矢量和质点振速的3个分量,相对于声压水听器阵来说,矢量阵获取声场中更多的信息。利用矢量阵所获得速度场的信息可以去除目标方位估计中的 180°模糊。模拟器可以模拟实际海洋环境中目标的辐射特性和噪声特性,应用模拟器可以有效地缩短声纳的研制周期。本文提出一种矢量水听器基阵模拟器的设计方案,该方案解决了矢量阵中宽带信号的90°移相问题、时延精确控制问题和宽带噪声的谱状控制问题。     

基于柱弥散光源体内辐照的前列腺扫描光声成像仿体实验

光声成像技术是一种非常有前景的前列腺早期检测与成像的新技术. 在现有前列腺光声成像技术中, 通常采用的腺体外光源辐照方式由于受外围组织的影响, 容易减弱深部前列腺组织的光能量吸收, 导致辐照范围减小, 引起光声成像深度不足, 难以实现无损前列腺癌的检测. 本文基于前列腺组织的结构特征, 依据一种以柱状弥散光纤在尿道对前列腺实施光辐照、并利用外置于直肠内的长焦区聚焦式超声换能器检测光声信号的前列腺光声扫描成像技术, 构建了光声成像实验系统, 开展了仿体实验. 测试结果表明, 系统能够实现样品中吸收体的定位和成像, 结合柱弥散光源体内辐照可使成像深度提高, 同时侧向成像范围也较大. 初步结果表明, 借助柱弥散光源进行体内光辐照的光声信号新激发方式结合长焦区超声探头在前列腺癌早期无创诊断上具有潜在的应用前景.     

消除波长调制光谱中激光能量起伏对谐波信号干扰的新技术

利用扫描外腔二极管激光器(ECDL）后镜压电陶瓷(PZT）电压时频率变化和背景能量起伏之间存在相位差的特性,通过矢量锁相放大器将一个探测器探测到的信号成份和背景起伏噪声分开,获得标准的1f~4f信号.如果不存在这个相位差,则无法消除谐波信号背景干扰.这种技术简单、实用,对理论分析谐波信号以及实现高灵敏探测污染气体传感器的小型化都有重要的指导意义.