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。     

基于声光折射的聚焦超声焦点声压检测

提出了一种基于声光折射对聚焦超声焦点声压进行非侵入式检测的方法。当一束直径小于声波长的平行光束入射穿过聚焦超声的焦点时,通过研究焦点声压与光线偏转的具体关系,建立了光线最大偏转距离与焦点声压变化的关系模型,从而计算出焦点峰值声压。为了对理论模型进行验证,采用凹球面型聚焦换能器进行实验研究。通过与采用光纤水听器测量的结果进行对比,证明理论模型的可行性。结果表明实验得到的光斑图像与理论分析的结果一致,且用该方法测得的焦点峰值声压与光纤水听器测量的结果相比,相对误差小于15%,证明该方法具有可行性,能够定量检测焦点峰值声压。模型的提出也为将声光折射效应用于整个聚焦声场的定量检测提供了实验依据和理论依据。     

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。     

利用体声波微流阱阵列捕获微米级颗粒

提出了一种利用体声波微流阱在三维流体空间中捕获微米级颗粒的方法,制备了2种体声波微流阱阵列,并采用有限元法进行仿真计算,求解方程得到一阶声场、二阶声场,仿真分析了聚苯乙烯微粒在流场中的运动情况。实验结果显示体声波微流阱能够快速、高效捕获三维流体空间中的微米级颗粒,实验结果与仿真结果吻合良好,圆柱型体声波微流阱与圆孔型体声波微流阱都能在几十秒内捕获三维空间中的微粒,且圆柱型体声波微流阱的捕获效率比圆孔型体声波微流阱高。该方法突破了声表面波微流阱无法操控三维空间中的微粒的局限,提高了捕获微粒的效率。      

利用换能器电信号相位特征实时监测高强度聚焦超声治疗中的声空化

高强度聚焦超声(HIFU)激发的声空化可加速靶组织的热消融,但声空化的实时监测是一个亟需解决的问题。利用HIFU换能器驱动电信号的相位差与电阻抗之间的数学模型,建立了HIFU辐照及换能器驱动电信号、声空化信号实时检测实验系统,探究了HIFU辐照离体牛心组织过程中,换能器驱动电信号的相位差与B超影像灰度变化及宽频水听器检测到的次谐波和宽带噪声信号的变化规律。结果表明:当声空化发生时,换能器驱动电信号相位差的变化与水听器检测到的次谐波和宽带噪声信号变化具有一致性,通过相位差的变化可实现HIFU辐照靶组织中声空化的实时、精准监测,这为HIFU所致声空化的实时监测提供了一种有应用前景的解决方案。     

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究*

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。     

组织凝固性坏死对基于纵向弛豫时间的磁共振测温的影响

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）治疗肿瘤时，为了保证治疗的安全性和有效性，需要对组织温度分布进行实时监测.磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）具有对温度敏感的成像参数，可以无创检测组织温度.本文结合组织相变对测温的影响，探讨了磁共振测温（Magnetic Resonance Thermometry，MRT）技术能否用于实时监控HIFU治疗.利用两态快速交换模型，提出在组织凝固性坏死的相变前后，MRI的纵向弛豫时间（T₁）参数与组织温度之间具有不同关系.并通过实验验证了上述假设.相对于传统的磁共振测温方法模型，本文考虑了HIFU治疗过程中组织相变对检测温度的影响，对利用磁共振测温引导HIFU治疗具有重要的参考价值.     

高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤中水囊耦合的影响评估*

水囊作为一种特殊的辅助器件在高强度聚焦超声治疗子宫肌瘤的过程中发挥着重要作用,但它同时也会让声通道变得更加复杂,对超声治疗效率和超声引导影像均造成负面影响。基于实际临床场景,利用k-Wave声学仿真软件建立高强度聚焦超声辐照靶组织及其超声引导过程的仿真模型,在有无水囊两个场景下,对治疗效率和监控影像质量进行定量评估。结果表明,加入水囊后,声波的聚焦性变差,焦域处的最高温度降低;通过分析超声图像的分辨率、对比度、对比噪声以及背景信噪比,发现加入水囊后超声图像的质量降低。建立的数值仿真模型能够初步评估水囊对治疗效率和监控影像质量的影响,可作为一种评估体系用于优化水囊参数,如水囊材料、厚度、形状、内部溶液成分等,为下一步实验探索对治疗效率和影像质量影响最小的水囊耦合方式提供评估手段。     

压电瞬态响应在换能器声功率测量中的应用

探索一种简便的聚焦超声功率测量方法,利用压电陶瓷片直接接收超声信号,通过机电类比得到压电瞬态响应由压电片在声波作用力下引起受迫振动产生的电压响应与固有振动产生的高频衰减响应叠加而成,分析输出压电信号与换能器声功率之间的换算关系。对输出压电信号进行二次包络提取,获得表征声功率变化的电压幅度曲线,分别找出不同换能器驱动电压下包络曲线的最大峰值电压,将其平方值与声功率计所测声功率进行线性拟合,并对理论关系式中的比例系数进行标定。实验结果所得线性拟合度较高,且标定后所得声功率与声功率计所测值相对误差低于8.7%,证明了通过压电瞬态响应测量换能器声功率具有可行性。      

高强度聚焦超声间歇式治疗中焦域温度分布的 仿真研究*

探究不同治疗深度、组织类型和治疗模式对高强度聚焦超声焦域温度场的影响。采用有限元法建立高强度聚焦超声辐照组织的二维轴对称仿真模型,通过Westervelt方程和Pennes生物热传导方程计算高强度聚焦超声焦域的声场和温度场分布。仿真结果表明:随着治疗深度的增加,焦域内温度逐渐降低,有效温升面积减小;不同组织类型在相同条件下的焦域温度不同,但焦域形状差别不大;单次治疗时间长、治疗时间间隔短的模式焦域温升速率快,有效温升面积区域大。焦域温度是高强度聚焦超声肿瘤治疗中判断治疗有效性和安全性的重要因素之一,该文通过数值仿真法,实现了预测高强度聚焦超声间歇式治疗模式下焦域组织温度场分布,有望为制定安全、有效的高强度聚焦超声术前治疗方案提供理论参考。