随机相控高强度聚焦超声换能器的栅瓣抑制

采用3种随机排列策略形成相控阵元线性排列结构抑制高强度聚焦超声(HIFU)相控阵栅瓣。第1种和第2种策略中阵元基于规则排列随机移动,而第3种策略中阵元则直接进行随机移动,阵元可移动范围依次为:第1种<第2种<第3种。采用瑞利积分和非线性Westervelt方程分别计算了3种策略对应随机相控阵产生的线性和非线性声场,并通过归一化栅瓣最大声压、归一化栅瓣平均声强和归一化旁瓣平均声强3个参量,对栅瓣抑制效果进行评价。结果表明:线性声场中,阵元可移动范围的增加有利于栅瓣抑制,3种随机策略的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低30.7%,53.8%和55.8%;非线性声场中对于同一种随机排列策略,随机度的增加可以改善栅瓣抑制效果。例如,第3种随机策略在随机度为0.9时正负压的归一化栅瓣最大声压相比规则排列分别降低55.6%和54.8%。进一步讨论了焦点偏移时随机相控阵的非线性声场,以-8 dB作为栅瓣的安全标准,第2种和第3种随机策略可以满足要求,横向偏移分别为6 mm和10 mm。本文的工作为抑制栅瓣提供了新思路,有利于随机HIFU相控阵的设计优化。     

相控阵高强度聚焦超声的研究进展

相控阵高强度聚焦超声（high Intensity focused ultrasound,HIFU）技术可以通过电子调相自由控制聚焦区域中焦点的形状、位置、个数等,实现高精度、高效率的治疗。文章主要介绍了相控聚焦超声的原理、阵型设计、声场优化、控制算法、电路设计以及换能器材料等几个方面。     

基于FPGA的相控超声发射系统设计与实现

设计了一种以FPGA为核心的相控超声发射系统,对该系统工作原理及相控聚焦方法进行了研究;设计了一种二维相控阵列,并进行了阵列定点聚焦延时仿真;最后运用该系统实现了对相控阵列的高精度聚焦延时控制,并经过DA转换、电压及功率放大,产生了幅值及波形可控的激励信号,测试了该系统对实际目标的定位精度;实验结果显示对实际目标定位偏差在3%左右,该超声相控发射系统可实现相控聚焦发射,延时控制精度高,可靠性好。     

多通道超声相控阵驱动控制系统设计

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声调控脑神经元的治疗技术。为抑制人颅骨的非均质性和个体结构差异影响,须对多阵元相控阵聚焦换能器的各阵元进行参数调控实现经颅精准定位聚焦,各阵元参数调控需通过相位控制和驱动电路系统来实现。该文设计并搭建了一种基于直接数字式频率合成技术的多通道相位、幅值独立可调的相控驱动系统。实测结果表明,可实现正弦波和方波高精度相控输出,输出信号电压峰峰值在0~37.5 V可调,相位分辨率为0.1°,延时误差小于1 ns,可满足多阵元相控阵聚焦换能器驱动及其所需相位分辨率的需要。     

超声数字式相控阵换能器动态聚焦系统研制

本文是研制超声相控阵换能器动态聚焦系统,它包括数字式多通道信号发射系统和两种超声相控阵换能器。用数字式多通道信号发射系统产生多路数字信号,通 过改变每路信号的时延(相位),控制相控阵换能器的各个阵元,使它们发出的声束在空间某点聚焦。我们对这两种相控阵进行了实验测量,结果表明,用数字控 制的相控阵换能器,可以实现精密的动态聚焦,并可取得良好的聚焦效果。     

高强度聚焦超声的临床应用

高强度聚焦超声是近几年发展起来的一种新的非介入性肿瘤治疗技术,临床应用越来越广,文章就其在不同肿瘤如前列腺癌、肝癌、胰腺癌、子宫肌瘤等治疗中的应用及进展进行评述。     

高强度聚焦超声的临床应用

高强度聚焦超声是近几年发展起来的一种新的非介入性肿瘤治疗技术,临床应用越来越广,文章就其在不同肿瘤如前列腺癌、肝癌、胰腺癌、子宫肌瘤等治疗中的应用及进展进行评述。     

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.     

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。     

256阵元高强度聚焦超声相控阵系统误差与多焦点模式精确控制

对一种256阵元中心开孔凹球面二维相控阵合成三维多焦点声场进行了系统的误差分析,总结了阵元激励信号的幅度和相位误差对声场参数的影响规律,为上百阵元相控阵驱动控制提供了设计容差依据.分析表明:上百阵元相控阵在声场合成能力方面具有很强的鲁棒性,5位相位量化精度足以保证合成声场的有效性,误差主要影响声场焦域能量的分布,通过提高相控阵发射总声功率等途径降低幅度误差百分比可以有效减弱固定方差的幅度误差的影响.     

微泡对高强度聚焦超声焦域影响的研究

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU治疗焦域的影响尚不清楚。本文基于声传播方程、Yang-Church气泡运动方程、生物热传导方程、时域有限差分法(FDTD)、龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入功率、激励频率和气泡初始半径对HIFU在含气泡体模中形成焦域的影响,并利用含Sono Vue造影剂的仿组织体模研究进行实验验证。结果表明,增大输入功率、气泡初始半径和升高激励频率均可增大焦域,随着输入功率的增大,焦域形状可能发生变化,而随着激励频率升高和气泡初始半径的增大,焦域会向远离换能器的方向移动。     

高强度聚焦超声在医学超声领域中的发展与应用

高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound,简称HIFU）作为一种非侵入性、无毒副作用、具有巨大潜力的治疗肿瘤的手段,近年来已经越来越受到国内外学者的广泛关注。HIFU技术能将超声能量聚焦到人体组织的肿瘤内,产生高温,使肿瘤组织温度迅速上升至65℃以上,而发生不可逆转的凝固性坏死,从而达到消融肿瘤组织的目的。目前中国的HIFU肿瘤治疗技术和临床居国际领先。文章对HIFU在医学超声领域中的发展历史、现状和前景进行了探讨。     

高强度聚焦超声在医学超声领域中的发展与应用

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,简称HIFU)作为一种非侵入性、无毒副作用、具有巨大潜力的治疗肿瘤的手段,近年来已经越来越受到国内外学者的广泛关注。HIFU技术能将超声能量聚焦到人体组织的肿瘤内,产生高温,使肿瘤组织温度迅速上升至65℃以上,而发生不可逆转的凝固性坏死,从而达到消融肿瘤组织的目的。目前中国的HIFU肿瘤治疗技术和临床居国际领先。文章对HIFU在医学超声领域中的发展历史、现状和前景进行了探讨。     

基于被动波束成像的高强度聚焦超声焦点定位*

针对高强度聚焦超声治疗中实际焦点偏离引导治疗的几何焦点这一问题,本文基于被动波束成像原理,将治疗探头与影像探头联合,探讨一种新的焦点定位策略。首先,基于k-Wave声学软件创建了具有多层组织结构的超声传播模型,通过理论仿真探究了不同脂肪、肌肉厚度条件下被动波束成像方法定位焦点的准确性;除此之外,还通过仿体在实验环境下对该方法的有效性进行了初步验证。结果表明,在不同脂肪厚度的仿真模型中,被动波束合成所定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点平均相差（0.54±0.15）mm和（4.76±0.95）mm。在不同肌肉厚度的仿真模型中,由合成算法定位的焦点和几何焦点在轴向距离上分别与实际焦点平均相差（0.51±0.26） mm、（4.95±0.47） mm。仿体实验也验证了被动波束成像定位的焦点比几何焦点更接近实际损伤位置。本文从理论仿真和实验两个角度验证了被动波束成像方法在高强度聚焦超声焦点定位中的优越性,可为该方法进一步走向临床应用提供支撑,对提升高强度聚焦超声手术治疗的安全性有推动作用。     

Impact of cavitation on lesion formation induced by high intensity focused ultrasound

High intensity focused ultrasound(HIFU) has shown a great promise in noninvasive cancer therapy. The impact of acoustic cavitation on the lesion formation induced by HIFU is investigated both experimentally and theoretically in transparent protein-containing gel and ex vivo liver tissue samples. A numerical model that accounts for nonlinear acoustic propagation and heat transfer is used to simulate the lesion formation induced by the thermal effect. The results showed that lesions could be induced in the samples exposed to HIFU with various acoustic pressures and pulse lengths. The measured areas of lesions formed in the lateral direction were comparable to the simulated results, while much larger discrepancy was observed between the experimental and simulated data for the areas of longitudinal lesion cross-section. Meanwhile,a series of stripe-wiped-off B-mode pictures were obtained by using a special imaging processing method so that HIFUinduced cavitation bubble activities could be monitored in real-time and quantitatively analyzed as the functions of acoustic pressure and pulse length. The results indicated that, unlike the lateral area of HIFU-induced lesion that was less affected by the cavitation activity, the longitudinal cross-section of HIFU-induced lesion was significantly influenced by the generation of cavitation bubbles through the temperature elevation resulting from HIFU exposures. Therefore, considering the clinical safety in HIFU treatments, more attention should be paid on the lesion formation in the longitudinal direction to avoid uncontrollable variation resulting from HIFU-induced cavitation activity.