基于声异常透射效应的高强度聚焦超声换能器

高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasound,HIFU）作为一种新型无创的外科技术已在临床上应用于各种良恶性实体肿瘤治疗。为了实现安全高效的肿瘤治疗,HIFU换能器的聚焦效率仍然有待提高。本文综述了声异常透射效应的基本原理,以及近期利用声异常透射效应的HIFU聚焦超声换能器的研究。主要涉及两个方面的工作：（1）将声人工结构引入凹面型声透镜的设计,设计并制作了声超常透镜,对声透镜式聚焦换能器进行改进,达到了降低旁瓣的效果,从而提高了HIFU治疗的安全性;（2）基于球弧周期槽阵列设计并制作了超构聚焦换能器,以增强HIFU换能器聚焦效率。从理论及实验两方面研究了超构聚焦换能器与传统凹面换能器的声压分布和在组织中产生的温升。本文研究结果可进一步促进HIFU在临床治疗的广泛应用。     

基于改进S变换的HIFU治疗位置检测

高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中,治疗区域一般位于人体内部,对超声聚焦的位置有较高要求,因此治疗位置的检测非常重要.文章通过研究S变换窗函数中的调节参数对时频分辨率的影响,提出了一种改进的S变换方法.采用此方法对在离体猪肉组织实验中获得的超声散射回波信号进行处理,通过计算时频熵来分析信号时频分布的变化情况,计算所得熵值中出现的峰值即为HIFU治疗区域的边界,达到检测HIFU治疗位置的目的.实验研究表明,改进S变换较之标准S变换有更好的时频聚集性,能够更好地定位信号的能量分布,可有效地检测出HIFU治疗区边界.     

基于超声图像的生物组织细微热损伤检测算法

基于超声的组织损伤无损检测在HIFU临床的推广与应用中具有重要意义.提出一种基于相关距离的快速算法,通过对辐照前后HIFU焦域位置超声图像进行二维亚像素级互相关分析,追踪超声图像的中特征点的位移及变化,从而对HIFU焦域位置生物组织的细微热损伤进行检测.结果表明,超声图像亚像素级相关分析矢量场可反映组织发生凝固性坏死的位置,其相关距离可以辅助探测组织束损伤程度.     

基于B超的HIFU治疗区域自动确定及增强方法

为超声引导的HIFU系统设计自动检测凝固性坏死损伤区域并对损伤区域进行伪彩色增强的实时监控方法,方便医生实施治疗。首先根据HIFU治疗的特点,采用基于动态灰度梯度方法确定种子点,以种子点为中心进行区域生长自动检测损伤区域大小、形状和位置,然后利用改进的伪彩色变换算法增强损伤区域。基于区域生长的方法可直观反映出HIFU损伤区域的形状、大小及其在器官内的相对位置;改进的伪彩色变换算法能有效突出损伤区域,同时可对其进行疗效评价。实验结果证实了该算法的可行性和有效性。     

凹球面换能器在多层生物组织中的温度场仿真

高强度聚焦超声(HIFU)治疗肿瘤是目前临床治疗的一种有效方法,治疗过程中组织内的温度测量相当重要。分析了凹球面自聚焦换能器的声场特点,采用差分法求解Pennes方程,得到凹球面换能器的声场在多层生物组织中形成的温度场,通过实验仿真,得出不同初始声压、吸收系数和热传导率等参数在多层组织内的声场和温度场的分布情况,结果表明初始声压和热传导率对焦域内温升的影响较大,该研究便于理论与临床应用相结合。     

基于FPGA的超声空化效应测量系统设计

针对传统的超声空化效应测量方法存在测量精度低、实时性差、成本高等问题,根据时差法测量超声空化效应的原理,设计了一种基于FPGA的超声空化效应测量系统。该系统采用FPGA内部锁相环的倍频、移相功能测量超声波在空化与未空化液体中的传播时间差,实现了超声空化效应的实时、定性测量。测量结果验证了该系统的有效性。     

基于KPCA和FSVM的猪肉组织变性识别方法

生物组织变性识别是监测HIFU治疗过程的一个重要方面,对提升HIFU治疗效果有重要意义。提出了一种基于核主元分析(KPCA)和模糊支持向量机(FSVM)的猪肉组织变性分类识别方法。对HIFU辐照离体猪肉组织产生的超声回波信号分别提取能量、衰减系数、背向散射积分等时频域特征,构造表征组织变性特征的混合域特征集。利用KPCA对特征集中能敏感地体现组织变性的特征进行二次特征提取,按累计贡献率高于95%的标准,选择前2个核主元当作主要特征并将其联合输入FSVM进行组织变性识别。实验结果显示,联合特征比单个特征能更好地检测组织变性状态,更准确地对猪肉组织进行变性分类识别。该方法可为监测HIFU治疗中生物组织是否变性提供参考。     

基质中农药回收率与超声空化效应的关系

通过超声动力学分析与实验相结合的研究方法,阐述了超声波促进农药溶解和引发农药分解两种效应的内在机理和相互制约关系。首先,基于Rayleigh-Plesset方程,利用数值迭代法(龙格-库塔算法)计算不同能量和频率组合下超声波的空化效应类型及强度;然后,进行纯溶剂中农药的分解率实验和菠菜基质中农药的回收率实验。研究结果表明:超声波的瞬态空化效应一方面通过破坏植物组织,促进被吸附的农药的释放,另一方面产生羟自由基(-OH)等游离子,导致农药被氧化分解。瞬态空化效应的强弱可通过单位时间内空化泡崩溃释放的压力值(Pmax/t)直观表示,当Pmax/t≤2.1×107atm/s时,溶解效应强于分解效应,农药回收率随Pmax/t增大而增大;当Pmax/t>2.1×107atm/s时,分解效应大于溶解效应,回收率降低;9种农药的平均回收率在Pmax/t=2.1×107atm/s时达最高值(此时超声波的频率和能量分别为45kHz和400W),可实现菠菜中多残留农药高溶解、低分解的超声萃取。     

基于阈值法和数学形态学的HIFU治疗区域确定

为了在HIFU治疗过程中更客观有效地判定有效治疗区域,根据HIFU治疗的特点,在比较各种图像分割算法的基础上采用基于灰度期望值的阈值法,并与迭代数学形态学方法结合,从图像处理角度检测出了HIFU焦域的大小。实验表明该方法所获得的结果与实际损伤情形基本吻合,从而证明了该方法的可行性和有效性。     

HIFU治疗子宫肌瘤中MRI与超声图像的融合研究

超声图像是高强度聚焦超声（HIFU）消融肿瘤中应用最多的影像学监控技术,但是超声图像质量差,图像伪影明显,通常还需要借助MRI图像,基于此,提出了一种新的影像监控方案,利用从MRI图像上分割出的肿瘤边界与实时超声图像融合,共同对HIFU治疗进行监控与导航。实验结果表明,基于MRI图像可以实时获取到任意切面平滑、准确的子宫肌瘤轮廓线,并融合显示于实时超声图像上,清晰的轮廓线既不影响超声的实时监控又弥补了某些切面的超声图像中肿瘤边界不完整的缺陷,为HIFU的精确治疗打下基础。     

一种基于B超图像处理的生物组织变性监测方法

本文提出基于B超图像灰度和小波变换系数并结合BP神经网络监测HIFU治疗中生物组织变性的方法。通过对高强度聚焦超声打击新鲜离体猪肉组织前后获得的B超图像作数字减影,并提取图像特征,利用神经网络进行分类处理。在此基础上,对大量实验数据处理后的统计特性和误差进行分析,得出较好的辨识效果。结果表明:结合图像平均灰度和小波变换系数特征并输入BP神经网络,能够更好地监测HIFU治疗中生物组织是否变性。     

聚焦超声在脱气水声场中的多泡分布与声致发光研究

为明确多泡空化在高强度聚焦超声（High intensity focused ultrasound,HIFU）治疗中焦前区、焦后区的副作用,进一步优化HIFU治疗,本文在不同声强下利用高速摄像系统与数字相机拍摄聚焦超声在脱气水声场中的多泡及多泡声致发光（Multi-bubble sonoluminescence,MBSL）的空间分布,通过被动空化检测（Passive cavitation detection,PCD）技术和光电倍增管（Photomultiplier tube,PMT）系统检测多泡空化特征及声场整体发光强度。研究表明：当声强较低时（如3 047 W/cm²）,气泡以驻波场模式分布;随着声强的提高,焦点处出现向焦后方生长的气泡群,3~6 MHz宽带噪声增幅明显,同时MBSL最先出现在焦前区,并向换能器表面扩大,声场整体发光强度与声强成正比;当声强足够高时（如21 328 W/cm²）,焦点处空化泡群剧烈坍缩的同时可见椭球形光斑,嘶嘶声不断,气泡的聚集大大降低了声场的相对发光强度。     

B超图像HIFU损伤区域分割方法的研究

针对目前高强度聚焦超声（High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU）治疗过程中图像分割环节耗时过长且依赖于临床医生对损伤区域的准确判断的问题。提出了一种新的自动分割方法,该方法面向HIFU治疗这一具体应用,由治疗前治疗计划拟定的靶点和靶区大小对治疗后B超图像划定感兴趣区域（ROI）并对区域内图像进行最大类间方差法（Otsu）阈值分析,然后根据分析得到的阈值信息对治疗后图像进行阈值水平集分割。实验结果证明,与基于区域阂值的分割方法进行比较,该方法的敏感性和准确度分别可达98．67％和93．52％。     

基于单片机和CAN总线的相控阵HIFU控制系统

医学上利用高强度聚焦超声(HIFU)的物理效应实现非介入无创治疗。相控阵HIFU是通过控制多个发射信号的初始相位使得超声波在焦点处同相叠加而实现聚焦。本文介绍了相控阵HIFU中电子控制系统的一些关键技术设计,包括初始相位设置、相位跟踪保持、系统体系结构以及信号传输和数据通信方案等。     

分段读出平面回波序列在高强度聚焦超声焦点快速定位中的应用

磁共振声辐射力成像作为一种新兴的高强度聚焦超声监控技术,能够通过检测组织内的微米级位移实现高强度聚焦超声焦点定位。文章提出将分段读出自旋平面回波序列应用于磁共振声辐射力成像检测。通过与目前常用的单次激发平面回波序列及二维自旋回波序列对比发现,该序列在有效缩短检测时间的同时不易引起图像畸变。位移定量结果显示,分段读出自旋平面回波序列检测到的位移大小与另两种方法有较高的一致性,并具有良好的重复性。此外,单次激发平面回波序列可以同时提供具有良好图像质量的垂直于声传播方向的冠状面位移图及平行于声传播方向的矢状面位移图,有助于把握高强度聚焦超声焦域的三维结构。