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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高强度聚焦超声经颅脑肿瘤治疗焦域的仿真研究*

为了研究脑组织和脑肿瘤组织在HIFU治疗时形成焦域的特性及坏死肿瘤组织、不同治疗剂量参数以及多次治疗时焦点间距和时间间隔对HIFU形成焦域的影响,本文以脑胶质瘤患者为例,利用患者头颅CT图像数据建立HIFU经颅治疗的仿真模型,基于Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行HIFU经颅治疗的仿真研究。结果表明,脑组织和脑肿瘤组织内形成HIFU焦域的差异较小,坏死肿瘤组织对HIFU温度场分布有较小影响;辐照声强越大,焦点温升达到同一温度所用时间越短,焦域长短轴越短,颅骨处温升越低;当焦点间距在一定范围内时,第一次辐照形成的温度场分布对第二个焦点温升达到同一温度所需时间影响较大;两次辐照时间间隔对颅骨处温升和两次聚焦形成60?C以上温度分布影响较小。     

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.     

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。     

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。     

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.