高强聚焦声场中的非线性能量转换

1. 引言 高强聚焦超声波(HIFU)具有安全的穿透生物组织而到达患处的能力,因而其在临床医学治疗癌症方面具有巨大应用潜力,近年来,已被广泛的研究[1-4].HIFU治疗癌症是利用超声波在传播过程中,由于媒质吸收,使一部分声能转化为热能,进而加热病患处组织、杀死病变细胞.因此,正确预测声场的分布以及声能与热能之间的转换是十分重要的.早在上个世纪八九十年代,线性声场模型已被广泛地用来估计HIFU作用下的温度场[1-2];但是近年来越来越多的工作表明,强声场作用下,非线性效应对温度场有着重要的影响[3].先期的工作只限于研究小张角换能器激发的HIFU声场,然而,实际应用中换能器的张角却通常是较大的,最近,Kamakura等人提出了一种扁球体坐标系统,并建立了扁球声束方程(spheroidal beamequation(SBE)).研究证明,由于这种坐标系统可以更好的吻合聚焦换能器的形状,因此SBE方程可以更好的预测强聚焦声场,特别是当换能器张角很大时[4].     

高强度聚焦超声肿瘤治疗系统专项技术研究

本文通过对高强度聚焦超声治疗基本原理介绍,对HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统实际工作几项特色专项技术HIFU声场分布参数测量、HIFU温度场测量、三维重建技术中任意方位切面图像浏览及边界轮廓的实现方法等进行讨论,介绍相关技术及方法.     

用于肿瘤治疗的高强度聚焦超声换能器及其温度场测量

高强度聚焦超声（HIFU）作为一种具有巨大潜力的、无损的、有效的肿瘤治疗手段,已得到普遍认同。本文介绍了所研制的HIFU治疗系统,对其关键部分高强度聚焦超声换能器的温度场特性,从理论上和实验上进行了深入的研究,并提出了超声声场的理论算法.     

仿体中超声空化效应的B超图像处理

0引言使用高强度聚焦超声(HIFU)照射组织,将产生声空化现象。在声空化过程中,声场能量于空化气泡内高度集中,当能量积累到一定阈值后,空化气泡瞬间崩溃。在气泡崩溃的瞬间能量会释放出来,形成局部的高温、高压、强冲击波等极端物理现象[1]。这将使周围的组织细胞遭到损伤。因此,对HIFU空化的监控显得尤其重要[2]。本文主要研究不同脉冲宽度的高强度聚焦超声(HIFU)在体外仿体中引起的空化气泡群面积随时间的变化。从而实现对HIFU空化的实时监控。     

高强度聚焦超声作用下体模组织温度上升研究

为研究高强度聚焦超声(HIFU)作用下组织温度上升规律,建立了高强度聚焦声场和组织温度场有限元仿真模型,并通过体外辐照实验对仿真模型进行了验证。通过仿真对水和组织域中的聚焦声场进行建模,计算吸收声能并将其用作热源以计算组织内的温升。进一步制备仿生物组织凝胶体模,利用热电偶进行HIFU作用下体模组织焦点处的测温。结果表明:该模型可有效预测HIFU治疗时的温度上升,与实验所得温度误差不超过 3℃;体模组织受到超声辐照时温度会立即升高,起初温升速率较快,随着辐照时间延长,温升速率逐渐降低,停止辐照后温度立即下降。     

双频高强度聚焦超声换能器应用研究进展

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)消融实体肿瘤已在临床治疗中展示出良好的应用前景。HIFU消融肿瘤技术由于其使靶区肿瘤组织瞬时升温至60℃以上,产生不可逆性凝固性坏死,同时不影响靶区外正常组织而被广泛应用。目前治疗用超声主要使用单频率高强度聚焦超声,但其临床应用的主要限制是靶区组织消融时间较长,靶区外正常组织损伤风险较大。缩短靶区组织消融时间,对于提高HIFU治疗效率,更好地应用于临床较为关键。在总结HIFU换能器的特性和影响HIFU治疗因素的基础上,综述了应用不同类型的双频HIFU换能器强空化和缩短靶区组织消融时间等方面的研究进展。     

高频聚焦球冠阵焦平面声场分布

1引言高强度聚焦超声技术(HIFU)已被当作一种无损的、有效的局部高温肿瘤治疗新技术来研究。其中对声场分布特性的研究是关键的内容。本文给出了球冠阵声压计算的方程,设计制作了36元自聚焦球冠阵,并比较了焦平面声场的理论计算和实测结果,两者在主瓣上吻合较好。     

高强度聚焦超声联合全氟戊烷液滴在乳腺癌治疗增效中的实验研究

目的:探讨高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)联合全氟戊烷液滴(Perfluoropentane droplets,PFP),对小鼠乳腺癌4T1细胞治疗的增效作用。方法:制备PFP,检测其平均粒径及形态结构。试验设立三组:HIFU假照组,单纯HIFU治疗组,HIFU联合PFP治疗组。流式细胞仪检测HIFU分组治疗乳腺癌细胞后细胞存活率及死亡率;体内动物试验分组处理后,二维超声观察HIFU辐照前后肿瘤回声灰度变化情况,超声造影剂灌注缺损面积占总面积百分比评价不同治疗方式对裸鼠皮下移植瘤的消融能力。结果:所制备的PFP平均粒径为1.2μm,形态呈规则球形。细胞试验显示,HIFU联合PFP治疗组乳腺癌细胞死亡率(23.50±1.34)%显著高于单纯HIFU治疗组(14.34±0.55)%和HIFU假照组(11.76±0.62)%(P<0.05);动物试验显示HIFU联合PFP治疗组肿瘤消融面积占总面积百分比(84.03±4.47)%显著高于单纯HIFU治疗组(41.23±4.24)%(P<0.05),HIFU假照组无明显灌注缺损区域。结论:HIFU联合PFP可显著增强对乳腺癌细胞及组织的消融能力。     

聚焦超声清洗机的仿真设计与实验研究

目前,超声清洗机通常是将一组换能器排布于平面式清洗槽底部,但用此方法会形成驻波现象,不利于超声清洗。文章提出了一种球面式聚焦超声清洗的方法,与普通超声清洗相比,该方法提高了超声清洗的效率。文章采用有限元COMSOL Multiphysics软件对清洗机内声场进行分析,得到三维模型内声压的分布情况;研制了聚焦超声清洗机,并通过薄膜腐蚀实验验证了清洗机内的声压分布情况;通过对比试验发现,聚焦超声清洗油污的速度比普通超声清洗提高了77.27%。通过薄膜腐蚀实验和超声清洗实验可知,聚焦超声清洗机内声场分布均匀,且声场内存在能量聚焦区域,清洗速率高于普通超声清洗机。     

高强度治疗超声（HITU）测量标准化的进展

高强度聚焦超声（HIFU）的医学应用研究和临床实践,经过20多年的发展,不断提高,逐步完善,取得长足进步。各种高强度治疗超声（HITU）设备产品纷纷涌现。促成了2005年我国国家标准《GB/T19890—2005高强度聚焦超声（HIFU）声功率和声场特性的测量》的制定,也引起了国际电工委员会（IEC）87技术委员会（TC87：超声学）第六工作组（WG6：聚焦换能器）和第八工作组（WG8：超声场测量）以及国际同行专家的重视。     

基元控制的方式优化自聚焦换能器聚焦声场的研究

根据HY2900聚焦超声治疗系统聚焦换能器采用6基元自聚焦方式的特点,通过对6基元聚焦换能器排序及数量的控制,达到了避让特定部位的目的。采用亥姆霍兹-基尔霍夫积分计算并用HY2900声场测量软件测量换能器在脱气水中声场的分布。对6基元换能器排序进行定义,结合水听器控制基元数及排序。在对换能器基元全驱动,关闭1、6基元,关闭1、2、6基元,关闭1、3、5基元的四种状况下测量聚焦换能器途径声场及焦平面声场分布。研究发现焦点上10 mm声场分布平面直接反映换能器基元数及随排序的改变换能器聚焦声途径的变化,可通过对换能器基元排序及数量的控制,优化其途径声场分布。     

基于小波和模糊判决的HIFU治疗区域确定方法

B 超是高强度聚焦超声 (HIFU) 治疗中常用的监控设备, 本文从图像处理角度研究了 B 超监控时有效治疗区的自动确定方法. 根据 HIFU 治疗后 B 超图像特点, 结合小波变换模局部极大值和模糊判决理论检测出有效治疗区域的边缘, 然后通过数学形态学处理得到其封闭轮廓线. 实验结果表明: 该方法受阈值影响小,在边缘特征点较少情况下也能获得理想的分割效果, 能够有效地从 B 超图像中检测出 HIFU 治疗区域.     

凸形弧线旋转曲面声透镜研究

通过对凸形弧线旋转曲面声透镜在不同面形参数下的声场的数值计算,研究了透镜面形参数与其声场分布特特间的关系,证实透镜面形参数对声场分布有明显影响,根据在声场中尽可能长的距离范围内,获得声束宽度较小,旁瓣水平适中的声束的要求,提出了透镜的优化面形参数,结果得到实验验证。     

在线性和准线性近似基础上计算液电式粉碎肾结石机中的聚焦声场

为分析液电式体外源冲击波粉碎肾结石机中聚焦声场，建立了球面波在凹椭球面上散射的理论关系式，邻近于凹椭球面的第一焦点上点源发射球面波，在波长小于反射面的曲率半径下，计算了连续波和脉冲破在近场区和远场区上轴向和侧向声压分布。指出聚焦区与其是似椭球体无宁更像是单叶双曲面体。连续波在焦平面和与其平行的平面上声强反比于焦区半径的平方，声压为正态形和准正态形分布。对于脉冲情况，计算了波形、波前和声压幅度的空间分布，得到了分布图和曲线簇。还研讨了脉冲波形受非线性效应的影响。计算的结果与实验结果相符。声场分布与…     

高强度聚焦超声换能器的新型设计

采用高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤，如何增强对病变区域的辐照效果，而尽量减少对健康区域的辐照损伤是一个很重要的问题。文章基于目前常用的凹球面自聚焦换能器，提出了解决上述问题的方案，设计了新型的换能器，对其工作方式及声场特性进行了研究。结果表明：采用多换能器轮流发射的方式进行治疗是一种行之有效的解决方案。     

基于近场声全息的聚焦换能器声场测量方法研究

高强度聚焦超声(HIFU)被广泛应用于医疗领域,但聚焦换能器焦点处的声强比较大,直接测量容易造成水听器损坏。为了间接获得焦点处声压,将全息测量面近似等效为声源面,结合空间傅里叶变换算法,提出了一种高测量效率的聚焦换能器声场测量方法。以球面自聚焦换能器为对象,进行声场测量方法的仿真研究和实验验证。结果表明,该方法比积分法推算效率提高了1倍,测量误差保持在有效范围内,该方法可以有效用于聚焦换能器声场测量。     

开口凹球面聚焦声场分析

高强度聚焦超声（HIFU）治疗局部肿瘤存在聚焦换能器和定位探头同时旋转的问题，考虑到实际工程中必须考虑B超探头的放置对聚焦声场的影响。文章就此进行了研究。结果表明：开口的凹球面会降低焦区声压幅度。随着开孔半径的变大。焦区声压呈下降的趋势，焦区越长，越不利于聚焦；随着开孔位置距轴线的距离变大。焦区声压呈下降的趋势，而焦区的位置变化不大，文章同时对相应的温度场也进行了相关的分析。     

聚焦超声声场中的散射体成像方法

在实验室条件下,研究了聚焦超声声场中的散射体成像问题。将一个纽扣作为散射体置于一聚焦换能器所产生的声场中,以频率为1.17MHz的脉冲信号经功率放大后激励聚焦换能器,声波作用于纽扣后发生散射,借助于三维自动扫描系统和PVDF膜片水听器,测量得到了散射声场中前三次谐波的声场分布,膜片水听器敏感元件有效尺寸为1mm。利用角谱法反演了散射体所在处的声场,通过与散射体实际的形状特征进行比较,发现反演的结果与散射体特征吻合良好,由此得出结论,在信噪比足够大的情况下,利用聚焦声场所产生出的高次谐波,可以得到分辨率较高的成像效果。     

高强度聚焦超声(HIFU)技术迅速发展的五年

自2001年“首届高强度聚焦超声(HIFU)在医学中应用的国际学术交流会议”在我国重庆召开并同时成立了“国际超声治疗学会”五年来,HIFU技术得到了蓬勃发展!本文首先讨论了HIFU外科与传统超声热疗技术的本质区别,继而从HIFU工程研究、超声生物物理基础研究和HIFU技术的临床应用及国际学术发展等方面扼要地予以介绍以此展示我国科技工作者对国际HIFU发展的卓越贡献和面临的巨大挑战。     

高强度聚焦超声治疗裸鼠胰腺癌皮下移植瘤的初步研究

目的：观察高强度聚焦超声（HIFU）治疗裸鼠胰腺癌皮下移植瘤后的超声回声及病理变化。方法：36只裸鼠在皮下接种SW1990人胰腺癌细胞,随机分成三组,HIFU组18只,假照组9只,对照组9只。治疗中记录肿瘤的回声变化,治疗后每隔四天采用超声观察肿瘤的大小及回声变化,共随访4周。HIFU治疗后于靶区取样进行光镜和电镜检查。结果：HIFU治疗2周后,HIFU组肿瘤体积都有缩小,而假照组和对照组肿瘤继续生长。镜下可见HIFU组靶区内肿瘤组织完全凝固性坏死。结论：HIFU能够有效治疗裸鼠胰腺癌皮下移植瘤,可望成为治疗晚期胰腺癌的有效方法。