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。      

基于超声RF信号熵分析的声空化时空监测方法

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中剧烈的空化效应可能损伤靶区周围健康组织,因此,亟需开发可对生物组织内部声空化效应进行高精度时空定量监测的新型技术手段,方能确保临床安全和有效.相对于传统的商用超声灰度值信号,超声射频(RF)信号可以更好地保留声波散射信号更多的细节信息.而信息熵作为非基于数学函数模型的统计参数,可以表征由声空化效应引发的组织内部散射体无序度演变状态.因此,本文提出了一种基于超声RF信号熵分析的声空化实时监测成像系统,在此基础上实时评估HIFU引发的超声空化区域时空演化行为.首先,通过改制后的B超系统获取凝胶生物仿体内部由HIFU引发的空化泡群产生的散射回波原始RF信号,利用二维均值滤波方法抑制HIFU强声束对声空化监测成像回波信号的干扰后,通过数据标准化处理扩展RF信号的动态变化范围,再基于滑动窗信息熵分析重建熵值图像,经过二值化处理后即可实现对HIFU作用下组织内部声空化区域的时空监测.实验结果表明,相比于传统B超灰度成像法,基于RF信号熵分析的声空化监测成像算法可以更灵敏且精确地确定空化发生的起始时间和空间位置,有助于更好地保障HIFU临床治疗的安全性和有效性.本...     

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。     

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.     

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。     

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。     

激光超声检测中干涉特征提取算法的研究

为了有效地检测结构中的损伤位置及其形状,开展了基于超声导波干涉特征提取算法的损伤成像技术研究。在波场可视化的基础上,从波场历程中进一步分析了损伤对超声导波传播的影响;为了提取损伤附近超声导波干涉的能量,采用时间与空间域上的傅里叶变换对波场中的入射波和反射波进行分离,并根据计算出的干涉能量分布完成了损伤的成像;由于损伤产生的干涉能量在空间上的分布较广,为了减少损伤区域外的干涉能量,提高图像中损伤形状的分辨率,利用实Morlet小波分析的方法对宽频信号进行处理,提取窄带信号分量再进行干涉能量计算,提高了损伤成像的信噪比。     

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。     

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.     

利用声致发光成像技术的液体中超声场动态分布的实时测量方法

根据超声空化原理,运用声致发光成像技术测量超声在液体中的动态分布。利用高灵敏度的ICCD成像系统记录水在超声作用下的声致发光图像,并且分析了声致发光的分布和强度与作用超声的关系。结果表明,超声作用下的发光图像能够反映该作用超声在水中的分布情况,从而提出利用声致发光成像技术测量液体中超声场的分布是一种动态测量声场强度的新方法。