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。     

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。     

自由空间中球形粒子的负向声辐射力

针对一定声场作用下自由空间中的球形粒子,首先分析了声散射过程中的吸收声功率、散射声功率和损失声功率以及三者之间的关系,并通过计算发现了由于参数选取不当导致的负吸收现象。接着从动量守恒定律出发推导了声辐射力的一般表达式,阐释了声辐射力与声能流之间的关系,并从理论和计算两方面验证了负向声辐射力的存在。当负向声辐射力产生时,声波的背向散射被抑制。在此基础上,进一步研究了粒子的偏心特性和流体的黏度这两种常见因素对负向声辐射力的影响。利用球函数的加法公式推导了偏心球的散射系数和声辐射力公式,结果显示偏心距离、粒子的材料等都会显著改变负向声辐射力的产生条件。在低频近似下,由于流体黏度附加的正向声辐射力是否能完全抵消原来的负向声辐射力将决定最终的声辐射力方向。该结果对利用负向声辐射力制成单行波声学镊子来实现对特定粒子的操控有着理论指导意义。     

超声激发生物组织声发射的原理及应用

介绍一种利用双频共焦超声波获取组织内部特性信息的新方法一超声激发声发射(USAE)。本文着重说明了USAE的基本工作原理，然后介绍了USAE在医学成像和组织无损测温两方面的重要应用。最后指出了一些有待研究的问题。     

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。     

应用角谱方法研究聚焦声束在层状生物组织中的非线性声传播

应用角谱方法理论研究了聚焦声束在层状生物组织中的非线性传播特性，将声波分解为角谱，可计算垂直于声轴的任意平面的非线性声场。在圆形平面活塞聚焦换能器的焦区中插入多种生物组织样品，数值计算了样品内部及外部的二次谐波声场，并通过实验测量验证了理论方法的有效性。基于快速傅氏变换的角谱方法可直观地描述非线性声传播，对非线性声成像有指导作用。     

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.     

电磁捕集器的设计

本文叙述了一个静电堵漏会切型等离子体约束系统。基本设计参数为:电极所在之处磁场达10kG;堵漏电压为10kV;等离子体密度～10~(12)cm。;离子温度>O.5keV;约束时问>5ms。 该装置可用作为等离子体积累与加热、电势屏蔽、静电堵漏轴对称串级镜端塞的研究。     

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。     

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.     

振动不敏感球形光学参考腔研究

本文主要研究用于超稳激光研制的实验室内水平放置的球参考腔的振动敏感度问题.研究了支撑点高度和支撑面积对腔长变化的影响,并讨论了加速度大小的变化对腔长变化的影响.在支撑点完全固定的情况下,振动敏感度被降低到3.0×10-10/g以内.通过大量的数值模拟获得了球参考腔的最佳支撑位置.根据优化的结果提出了这种切割球参考腔放置平台的方案.考虑了加工误差、近水平放置和非对称支撑对参考腔振动敏感度的影响,定量地给出了这三种因素引起的腔长改变量,而且讨论了二阶效应对腔长变化的贡献.     

宽体液腔Janus-Helmholtz换能器

该文使用有限元方法对宽体液腔Janus-Helmholtz(JH)换能器进行了仿真分析,得出了壳体宽度拓展增量对JH换能器工作性能的影响规律。使用三维建模的方式,分析了连接部分对换能器性能的影响及宽体壳体的模态,证明了三维建模的必要性。依据仿真优化结构设计了一款宽体液腔JH换能器并进行了湖上测试。最终测试结果与仿真结果有很好的一致性,相较直筒JH换能器其谐振频率降低300 Hz,发射电压响应最高可达144 dB。     

球壳换能器电声效率测量方法及声场特性分析

在高强度聚焦超声治疗系统中,换能器的电声效率是治疗剂量控制中的重要参数,其在焦域附近的声场分布同样重要。该研究以球壳聚焦换能器为研究对象,基于辐射力天平法与平面扫描法进行输出声功率的测量,同时测量其激励电功率后计算得到电声效率,并就其声场特性分布以及存在的非线性传播现象进行了简单阐述。两种测量方法测得的电声效率在声学计量的误差允许范围内,实验结果表明两种方法在测量球壳聚焦换能器输出声功率时具备较好的一致性。     

Reflection-mode photoacoustic microscopy using a hollow focused ultrasound transducer for in vivo imaging of blood vessels

A reflection-mode photoacoustic microscope using a hollow focused ultrasound transducer is developed for highresolution in vivo imaging.A confocal structure of the laser and the ultrasound is used to improve the system resolution.The axial and lateral resolutions of the system are measured to be ～ 32 μm and ～ 58 μm,respectively.Ex vivo and in vivo modes are tested to validate the imaging capability of the photoacoustic microscope.The adjacent vein and artery can be seen clearly from the reconstructed photoacoustic images.The results demonstrate that the reflectionmode photoacoustic microscope can be used for high-resolution imaging of micro-blood vessels,which would be of great benefit for monitoring the neovascularization in tumor angiogenesis.     

高强度聚焦超声(HIFU)——一门多学科的研究课题

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,简称HIFU)已作为一种无创外科工具而应用于门诊治疗肿瘤。文章介绍了它的基本原理、有关的研究现状和存在的问题,以及对今后研究工作的建议。文章特别强调高强度聚焦超声是一门多学科的综合研究课题,需要各方面的科学工作者通力协作。     

Helmholtz水声换能器弹性壁液腔谐振频率研究

针对传统Helmholtz水声换能器设计中刚性壁假设的局限性,将Helmholtz腔体的弹性计入到液腔谐振频率计算中,实现低频弹性Helmholtz水声换能器液腔谐振频率精确设计.基于细长圆柱壳腔体的低频集中参数模型,导出了腔体弹性引入的附加声阻抗表达式,得到了弹性壁条件下Helmholtz水声换能器等效电路图,给出了考虑了末端修正的弹性壁Helmholtz共振腔液腔谐振频率计算公式.利用ANSYS软件建立了算例模型,仿真分析了不同材质、半径、长度时的Helmholtz共振腔液腔谐振频率.结果对比表明弹性理论值与仿真值符合得很好,相比起传统的刚性壁理论计算结果,本文的弹性壁理论得出的液腔谐振频率值有所降低,与真实情况更加接近.本文的结论可以为精确设计低频弹性Helmholtz水声换能器提供理论支持.     

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。