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。     

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。     

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。     

基于变分模态分解与多尺度排列熵的生物组织变性识别

根据高强度聚焦超声(HIFU)治疗中超声散射回波信号的特点,本文利用变分模态分解(VMD)与多尺度排列熵(MPE)对生物组织变性识别进行了研究.首先对生物组织中的超声散射回波信号进行变分模态分解,根据各阶模态的功率谱信息熵值分离出噪声分量和有用分量;对分离出的有用信号进行重构并提取其多尺度排列熵;然后通过Gustafson-Kessel (GK)模糊聚类确定聚类中心,采用欧氏贴近度与择近原则对生物组织进行变性识别.将所提方法应用于HIFU治疗中超声散射回波信号实验数据,用遗传算法对多尺度排列熵的参数优化后,对293例未变性组织和变性组织的超声散射回波信号数据进行了多尺度排列熵分析,发现变性组织的超声散射回波信号的多尺度排列熵值要高于未变性组织;多尺度排列熵可以较好地识别生物组织是否变性.相对于EMD-MPE-GK模糊聚类以及VMD-小波熵(WE)-GK模糊聚类变性识别方法,本文所提方法中变性与未变性组织特征交叠区域数据点更少,聚类效果和分类性能更好;本实验环境下生物组织变性识别结果表明,该方法的识别率更高,高达93.81%.     

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。     

结合空化微泡母小波变换的高空化噪声比超快速主动空化成像方法

为了提高空化图像的质量,该文提出一种结合空化微泡母小波技术(CBWT)、波束合成和平方差值求和减影(SSD)的超快速主动空化成像方法。该方法首先发射平面波并接收空化回波信号;其次,基于RPNNP模型构建空化微泡母小波,对空化回波信号进行连续小波变换;再次,对获得的小波系数进行波束合成,包括延迟叠加算法(DAS)、最小方差算法(MV)和相干系数最小方差算法(MVCF),再结合SSD,得到空化图像。结果表明,与未采用CBWT相比,基于CBWT-DAS-SSD、CBWT-MV-SSD和CBWT-MVCF-SSD的空化噪声比分别提高了16.34 dB、15.07 dB、17.71 d B。该方法可提高空化成像质量,为空化动态实时监控提供参考。     

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。     

非线性超声射频信号熵对乳腺结节良恶性的定征

本文提出了一种基于非线性超声射频(radio frequency, RF)信号熵对乳腺结节良恶性进行定征的方法.对306例乳腺结节样本(良性158例,恶性148例)提取了基于超声RF信号二次谐波的熵和加权熵,以及常规超声参数(图像灰度、纵横比、不规则度、乳腺结节大小、深度);采用t检验和线性分类器检测参数对乳腺结节良恶性的区分度;进一步将有效参数组合输入支持向量机对乳腺结节良恶性进行分类.结果表明:除图像灰度外,其余参数均在乳腺结节的良性与恶性间有显著差异.多参数结合输入支持向量机的良恶性分类的准确率、敏感性和特异性分别为81.4%, 78.4%和84.2%.本文工作表明非线性超声RF信号的熵可有效地定征乳腺结节的良恶性,有望成为乳腺结节良恶性定征新参量.     

无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法

微小血管及其血流实时成像对监测生物体血氧代谢等具有重要意义.在无微泡造影剂的情况下,传统超声多普勒技术仍较难实现高信噪比的微小血管成像.本研究提出了一种无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法.本研究从基于多角度复合平面波的高帧频成像技术出发,提出基于特征值分解的频率-幅值双阈值滤波法,从而将脊髓组织信号和微血流信号分离,可实现脊髓内微血流的动态成像.在体成像实验结果表明,无超声造影剂时,超快超声多普勒成像技术仍可获得较为清晰的大鼠脊髓内微血流的实时图像,并能够清晰地呈现脊髓受损所致的微血流缺失状况.定量分析结果表明,增大复合平面波角度数可有效提高图像的信噪比.综上,超快超声多普勒成像技术有潜力被应用于脊髓内微血管成像及功能实时监测与动态评价,相关结果可为脊髓功能成像方法的研究提供借鉴.     

自建光声超声双模态成像系统的肿瘤成像分析

现有B超成像可以提供基于声阻抗差异的组织解剖结构信息,而近年来研究发现,光声成像可以提供标记组织成分的分布和功能信息。本文基于商用B超仪和脉冲激光系统建立了光声超声双模态成像系统,实现了超声组织结构成像和光声生物功能的同时成像。首先基于血红蛋白在某些波段的较强吸光性,实现了肿瘤内部组织血管灌注图像;其次用链接有靶向抗体的纳米颗粒作为靶向光声造影剂,对恶性肿瘤边缘和内部的血管以及血管附近的肿瘤组织进行了成像。最终,通过超声和光声的融合图像提供的肿瘤结构信息与光声图像提供的肿瘤功能信息,可以准确识别肿瘤组织。     

基于CCD侧向散射激光雷达的PM2.5浓度测量研究

基于侧向散射激光雷达方程和Mie散射理论,建立了PM2.5浓度与侧向散射光强的关系模型,提出了一种基于电荷耦合器件(CCD)实时监测近地面PM2.5浓度的方法。设计了以波长532nm激光器为光源、CCD为接收器的侧向散射激光雷达装置,利用该装置测量了散射角在15°~45°之间的侧向散射回波信号图,从回波信号图提取灰度值矩阵并分析其光强分布。与赛默飞世尔科技公司PM2.5监测仪(SHARP)提供的测量结果对比,拟合了PM2.5浓度与3个灰度等级光总能量的关系式,拟合度均在0.97以上。该装置具有操作便利、移动便捷、监测实时、成本较低的特点,在近地面比后向散射激光雷达具有更高的精度与实用性,有助于建立PM2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图。     

高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场模拟

建立了高能超声制备碳纳米管增强AZ91D复合材料的声场计算模型, 并采用有限元方法计算了20 kHz超声直接作用下AZ91D熔体的声场分布, 熔体声场呈辐射状分布, 距离声源越远, 声压幅值越低. 采用超声作用下单一气泡变化模型描述超声作用下AZ91D 熔体中的空化效应, 通过对Rayleigh-Plesset方程的求解, 得到了不同声压作用下气泡的变化规律, 获得了声压幅值与熔体空化效应的关系, 声压幅值越大, 气泡溃灭半径阈值越小, 熔体发生空化效应越容易. 计算了固定坩埚尺寸、不同超声探头没入熔体深度情况下的声场, 得到了超声探头最优没入深度为30 mm左右. 将声场计算结果以及AZ91D熔体中空化效应的发生规律进行综合分析, 得到了超声功率对有效空化区域的影响规律, 超声功率较大时, 有效空化区域体积随超声功率近似成线性增大. 最后, 通过甘油水溶液超声处理实验, 验证了模拟计算的准确性.     

超声波声孔效应中气泡动力学的研究

在超声快速制取组织细胞病理切片的过程中，发现激励信号对切片制取效果有明显的影响.为了掌握超声激励信号对组织细胞的影响规律，达到快速制取病理切片的最佳状态，从气泡空化模型入手，通过改变激励信号频率、声压、气泡初始半径和液体黏滞系数等参量，研究了声孔效应中气泡动力学激励机制.数值计算表明：空化泡振动随激励声压增强而升高，随液体黏滞系数增强而减弱；一定频率范围内空化泡振动能保持在膨胀、收缩和振荡的稳定空化状态，存在空化泡稳态振动的最佳激励频率；一定初始半径能保证空化泡产生稳定的振动，存在空化泡稳态振动幅度最大的初始半径.实际操作中，在频率、声压、初始半径和黏滞系数综合作用的若干空化阈内，声孔效应使超声快速法制取细胞组织切片获得最佳效果. 关键词： 声孔效应 超声空化 气泡振动 稳态空化域     

双泡超声空化计算分析

将由速度势叠加原理得到的双泡超声空化动力学微分方程归一化,通过matlab语言编程计算,分析了水中空化泡的线度、双泡间距、声压幅值、声波频率等因素对空化过程的影响. 在双泡超声空化动力学微分方程中引入双频超声,探讨了双泡双频超声问题. 研究表明泡的线度是决定空化特性的主要因素,声压幅值对空化特性的影响最大,其次是超声波的频率;双泡间的相互作用影响空化特性,这种影响随双泡间距的增大而减弱;双频超声对双泡空化特性的影响有限,这种影响在两超声分量的声压幅值相等时较强. 关键词： 超声空化 双泡 双频超声     

基于声透镜成像系统的光声层析成像

光声成像是采用“光激发-超声波成像”的新型成像技术，它是检测强散射介质内部光吸收分布的一种有效医学影像技术.用短脉冲激光照射强散射介质(如生物组织)，强散射介质由于光声效应产生超声信号，使用具有成像能力的声透镜把声压分布成像于像面上，然后利用具有空间分辨能力的阵列光声传感器，把同一像面上的光声信号强度记录下来，最后根据光声信号强度的空间分布进行图像重组.根据成像系统物像共轭原理，同一物平面的光声信号到达像面的时延相等，而不同物面的光声信号到达同一个探测器平面的时延各不相同，因此，利用BOXCAR的门控积分 关键词： 光声层析成像 声透镜 光声信号     

合成孔径聚焦超声成像(三)

在合成孔径超声成像中，用小孔径基元换能器发射声波，并继而采集被目标或缺陷散射产生的回波信号．数据采集完成后，通过处理才能得到高分辨的重建声图．对种种不同的合成孔径成像技术而言，成像过程都可以分为两步：1．数据采集和存储；2．图像重建．在第一步中由基元换能器完成的电一声、声一电信号转换功能，及由后续电路完成的信号量化、采集功能，对各种不同的合成孔径成像技术而言，在原理上是没有多少不同的．各种不同的成像系统间的差别，主要在于所应用的图像重建原理及算法．在第一讲及第二讲中，我们分别介绍了基于等效线阵及匹…     

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.     

机械搅拌对声空化动力学特性的影响

涡流场影响着声场分布,进而影响着声空化特性,以机械搅拌产生的涡流场为研究对象,使用COMSOL软件数值模拟了不同搅拌速度下的声场分布情况.结果显示,机械搅拌增加了声场分布的均匀性和声压幅值.接下来将仿真得到的瞬时声压值用Origin软件拟合,然后将拟合得到的声压函数代入Keller-Miksis气泡动力学方程中,得到了不同搅拌速度下空化泡的半径随时间的变化情况,从计算结果中发现,未加机械搅拌的条件下,只有z=7.3 cm截面上有空化效应产生.最后根据所得到的空化泡半径,计算了空化泡内部的温度.结果显示,空化泡在有搅拌存在的条件下,内部温度得到了大幅增加,当搅拌速度达到1000 r/min后,空化泡内部温度会随着搅拌速度的增加而降低.最后设计实验验证了仿真结果.仿真得到的结果不仅从理论上解释了机械搅拌提高有机溶液超声降解率的原因,还发现了过高的搅拌速度会降低声空化强度,从而降低声化学反应速率,这为通过机械搅拌来进一步提高超声降解率提供了新思路.     

基于平底孔反射体的双晶直探头测量模型

双晶探头在无损检测领域有着重要的应用,因而有必要建立一个超声测量模型来深入了解这类换能器的特点.通过将一个基于传递矩阵的多高斯声束模型和一个基尔霍夫近似方法获得的散射模型有效结合,建立了一个完整的纵波双晶直探头测量模型,用于预测平底孔缺陷体的回波信号.对比分析了平底孔反射回波信号的模型计算结果与实验测量结果,验证了该测量模型的准确性. 关键词： 超声测量模型 双晶直探头 多高斯声束模型