高强度聚焦超声治疗的实时被动空化检测系统及其实验研究

高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）所致空化效应在临床应用中扮演着重要角色,对HIFU临床治疗过程中的空化活动进行实时监测,结合数据分析与治疗过程中实时反馈,可进一步提高HIFU治疗的安全性和有效性。在现有HIFU临床治疗系统的基础上,将两个被动空化检测探头与HIFU换能器集成。在Matlab环境下开发了独立的上位机控制系统,基于以太网通信和虚拟仪器技术,实现了上位机的自动测试,融合被动空化检测系统与HIFU临床治疗系统,对空化所致声发射信号进行实时监测。通过HIFU辐照离体组织实验对该系统进行了测试验证,各种声功率条件下的超声辐照离体组织监测过程中,次谐波幅值与宽带噪声的均方根被实时可视化,用于监测空化的发生;次谐波与宽带噪声均方根的积分曲线斜率用于表征组织焦域处的相对空化强度。实验结果表明,该系统可满足临床治疗过程中对空化活动进行实时监测和数据分析处理的需求,为深入研究实际临床治疗中空化效应和实时反馈提供了一种有力的研究手段。     

声流条件下超声空化气泡分布研究

研究了频率为 20 kHz的超声作用在圆柱形料腔中出现声流现象时超声空化效应的空间分布特性。结合大振幅声源条件下的声辐射力,对声场内的声流现象进行了仿真分析,获取了不同超声功率和液位高度下的声流速度场分布,初步探究了声流条件下空化气泡的运动分布规律。采用超声空化效应的声致化学发光实验,对比研究了有、无声流条件时超声空化效应的空间分布特性。结果表明：功放电流高于 80 mA(电功率为 17.6 W)时,超声场可形成稳定的声致流动现象且可有效提高其声能辐射效率,大大增加了空化效应的作用区域,进而提高了声化学反应效率;声流条件下料腔内超声空化效应的分布区域与超声功率(振幅)、料腔液位高度相关,功放电流从 40 mA(电功率为8.8 W)增加至 120 mA(电功率为 26.4 W)时,空化面积占比提高了 100.86%,液位高度为 60 mm时的空化面积占比较50 mm和 70 mm时分别提高了 13.11%和 73.91%,提高超声功率及选择合理的料腔液位高度,可有效提高空化气泡扩散距离,增大空化分布面积;对于固定形状及尺寸料腔中的声场,声流速度达到一定阈值时,会出现空化效应增强,空化效应增强区域位于大于声流速度阈值的区域内;空化气泡的扩散分布与声流速度场密切相关,表现为随声流速度场的变化在料腔中部沿径向扩散、沿变幅杆轴向且在料腔底部沿径向扩散、沿变幅杆轴向扩散三种扩散分布模式。     

空化现象在新型超声波治癌中的作用

西方国家的临床试验表明:高强度聚焦超声(HIFU)能够杀死癌细胞,但很少有HIFU被应用于临床。在澳大利亚、日本和法国,临床应用也只局限于前列腺癌。然而,从1998～2002年,中国应用HIFU技术已经成功地治疗了10000多个癌症患者。这些患者有骨癌、肝癌、胰腺癌、皮肤癌等。目前,至少有三家厂商生产HIFU设备(有些已出口)。2002年8月,西雅图时报以“中国在HIFU方面的医疗优势”为题,介绍了第二届国际医疗超声研讨会(ISTU2),从中得出的结论是:“不要害怕气泡”。     

准实时高强度聚焦超声背向散射积分监控成像

提出一种基于超声背向散射积分(IBS)参数估计的减影成像方法,用于检测高强度聚焦超声(HIFU)治疗过程中的组织损伤.在构建的HIFU/B超准实时治疗监控成像系统上,进行了离体猪肝组织实验.得到了不同组织深度下,IBS值随治疗时间的增加而变化的情况,以及不同治疗时间的IBS减影图像.比较了两种获得减影图像的方法,讨论了空化效应对IBS值的影响.此外还采用了一种双向彩色编码模式用以识别组织运动伪像.结果表明,IBS值能够较好地检测组织的损伤,还能一定程度地反映空化效应的情况,采用时间相邻的序列减影图像的叠加所获得的减影图像效果较好,双向彩色编码模式能够较有效地识别组织运动伪像.     

超声空化对喇曼散射的影响

1　引言超声空化的过程是集中声场能量并迅即释放的过程。空化泡崩溃时 ,极短时间在空化泡周围的极小空间内 ,产生 50 0 0 K以上的高温和大约 5× 10 7Pa的高压 ,温度变化率高达 10 9K/ s,并伴生强烈的冲击波和时速达 4 0 0 km的射流 [1]。在这样特殊的物理环境下 ,物质的物理性质和一些物理现象是否发生变化或受环境的影响呢 ?作者曾经设计了一种特殊形状的喇曼光谱样品池 ,它既能让激光束透过样品 ,又能在样品中引入超声空化场 ,从而可研究超声空化对喇曼散射光谱的影响 [2 ]。作为该研究工作的继续 ,本文选择了四氯化碳和乙二醇两种样…     

强聚焦换能器冲击波数值模型

0引言高强度聚焦超声(HIFU)技术作为新兴的非侵入式治疗肿瘤方法得到人们极大的关注[1-2]。非线性声场分布是HIFU治疗中的关键物理参数之一,其对准确的预测和评价治疗效果有着重要的作用。Kamakura等人推导了球壳式大张角换能器在椭球坐标系下的非线性方程(spheroidal beam equation,SBE)[3]。通常,将时域波形进行傅里叶级数展开,然后在频域计算SBE模型,得到声场分布。当声功     

超声空化场速熔高分子化合物的现象及其机制

1　引　言超声喷泉的灼热现象导致了喷射超声空化场和空化集中概念的提出[1,2 ] 。本文作者还将这种物理新概念成功地应用于破穿冰块、解冻食品和促进苏铁种子萌发等实验中[3 5] 。进一步的研究还表明 ,从换能器辐射面开始 ,在向上喷射着的这种空化水(场 )的中轴线上均能引起灼热现象。本文报告了这种喷射超声空化场 (水 )速熔高分子化合物的现象 ,并提出了它的机制。1、压电陶瓷换能器 ;2、容器 ;3、自来水 ;4、超声喷泉 (即空化着的水 ,一种喷射超声空化场 ) ;5、试样 (有机玻璃 ,ＡＢＳ塑料等高分子化合物 )图 1　实验装置2　实　验实验…     

基于超声散射回波的组织损伤程度监测方法

高强度聚焦超声(HIFU)治疗肿瘤过程中,根据组织损伤程度调整HIFU治疗剂量非常重要.本文从信号处理的角度出发,提出基于超声散射回波能量和声衰减系数并结合BP神经网络监测生物组织损伤程度的方法.将高强度聚焦超声打击新鲜猪肉组织前后获得的散射回波通过A/D转换输入到计算机,对接收到的组织散射回波信号进行预处理,再从中提取出超声散射回波能量和声衰减系数参量信息,比较不同参量对损伤程度的辨识效果.实验结果表明:综合超声散射回波能量和声衰减系数特征并输入BP神经网络,相对于仅使用某种特征参数而言能更好地监测HIFU治疗中生物组织的损伤程度,尤其在组织损伤严重时优势更加明显.     

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。     

HIFU治疗中生物组织对声学焦域及声的非线性影响的研究

生物分层组织是高强度聚焦超声治疗中最常见的声通道组织。通过研究生物组织对声学焦域的影响,可以为高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗安全性和可靠性提供理论依据。基于Westervelt方程,利用频域和时域有限元算法仿真HIFU治疗过程中超声透过分层组织后的焦域变化,并用新鲜离体猪肉组织进行实验验证。结果表明:生物组织声学特性的差异性和结构的不均一性使HIFU的声学焦域位置发生改变,尤其在声焦平面内,相对2.5mm的焦域宽度,1mm的偏移量将会对HIFU治疗精准性产生影响;声通道中存在生物组织,超声声束不会发生扩散,没有散焦现象,焦域宽度维持在2.38~2.79mm范围内;HIFU透射生物组织,声学焦域的非线性有明显的减弱,谐波次数越高,衰减程度越大,实验中基波声衰减值为9.97dB,二次谐波声衰减值为22.33dB,三次谐波声衰减值为28.05dB,四次谐波声衰减值为31.06dB,五次谐波已衰减消失。     

刚性壁面附近多空化泡辐射噪声的研究

对空化泡在刚性壁面附近溃灭过程中的辐射声场进行研究,并得出刚性壁面附近单空泡、双空泡的辐射声压分布。研究表明由于刚性壁面的影响使得空化泡的辐射声场表现出一定的指向性。双空泡辐射声压分布还与空泡崩溃时间、空泡之间距离以及空化泡初始半径有关。在考虑到声压相位叠加时,待测点处的辐射声压依赖于空泡的声压幅值[p]和两空泡到观察点的声程差[Δ1=l12sinθ1]和[Δ2=l22sinθ2]。计算过程及结果为刚性壁面附近的空化计算提供依据,并为多泡空化的辐射声场分析提供理论依据,有助于修正空化泡的运动方程。     

低占空比高强聚焦超声在兔子耳部血管中导致的升温作用

1引言近年来,随着超声医学研究的发展,高强聚焦超声在临床医学方面的应用日益得到重视。研究者们发现,超声空化效应是高强聚焦超声的生物效应的重要作用机理之一(主要是超声空化效应)[1]。超声     

基于非线性超声空化效应的铝合金热浸镀工艺

在390℃热浸镀锌过程中施加20 kHz的超声波,采用数值分析法求解Keller-Miksis和Mettin方程,描述ZnAl8熔池中0～800 W超声空泡的生长规律和空化效应,研究超声功率对镀层ZnAl8合金组织的影响,以及对1050铝合金表面氧化膜的作用.结果表明:空化效应与超声功率呈现出非线性的变化规律,当超声功率为0～500 W时,空化以稳态效应为主,空化能量不足以消除镀层合金初生相的粗大枝晶组织,也不能消除铝合金氧化膜.当功率为600～800 W时,空化以瞬态崩溃破裂的方式释放能量,其中700～800 W的空化压强和温度效应可以将铝合金表面氧化膜击碎和熔蚀,为镀层中元素扩散提供了铺展润湿和物质传输的通道,镀层ZnAl8合金与1050铝合金基体之间形成了良好的冶金结合,镀层合金呈细小均匀的蔷薇组织.     

超声空化泡相界面逸出时相间传质的研究

根据超声空化泡在相间特殊运动时周围流体流动特性,以相间传质渗透理论为依据,结合流体动力学原理,分析了超声空化泡在相间的传质过程,由此建立了超声波声空化气泡相界面逸出时相间传质数学关系式,该式表明,超声功率可使传质系数增加,传质系数不仅与超声波声强近似呈线性关系,而且与扩散系数、气泡的气体体积流率的平方根成正比,同时还与空化泡半径Rd、界面面积S＇等因素有关。采用文献实验数据验证文中关系式,与实验结果相吻合,能较好地描述相界面上逸出超声空化泡时液体中的传质行为。该关系式为超声波强化传质过程提供了理论依据。     

HIFU治疗裸鼠皮下移植瘤超声和磁共振变化的初步观察

目的初步探讨高强度聚焦超声对裸鼠卵巢癌皮下移植瘤治疗前后的超声和磁共振变化.方法HIFU治疗裸鼠卵巢癌模型12例,高强度聚焦超声治疗肿瘤外侧1/2,治疗前后进行超声和磁共振检查.结果(1)治疗前肿瘤组织超声表现为低回声,彩色和能量多普勒检测肿瘤内部及周边均有少许血流信号;治疗后肿瘤组织回声增强,彩色和能量多普勒检测肿瘤治疗区域内部及周边均无血流信号.(2)磁共振检查治疗区域肿瘤组织增强后未见明显强化.结论HIFU能准确破坏卵巢肿瘤,治疗过程中超声定位准确、方便,治疗后磁共振有助于评价其疗效,为临床应用提供实验依据.     

相界面上超声空化气泡聚并、滑移促进的传质

根据超声空化泡在相间特殊运动时周围流体流动特性,以相间传质渗透理论为依据,结合流体动力学原理,在充分研究相界面上气泡行为的基础上,根据界面上超声空化气泡生长过程的动力学行为,导出了相界面上超声空化气泡聚并和滑移促进的传质模型。在此基础上,建立了相界面上气泡滑移、聚并及脱离界面逸出这三种气泡行为共同促进的传质模型,该模型可用于描述超声空化界面等相界面上的传质行为,为超声波强化传质过程提供了理论依据。     

超声空化对溴化锂溶液气泡运动的影响

根据溴化锂溶液的物性参数方程,利用试验数据和超声作用于均相液体中空化气泡运动的动力学模型,推导出溴化锂溶液超声空化气泡运动方程。利用MATLAB对溴化锂溶液超声空化气泡的运动特性进行数值模拟,对过冷沸腾和饱和沸腾条件下溴化锂溶液沸腾气泡的运动变化特性进行研究,得到超声空化效应对气泡运动特性变化影响的模拟结果。为溴化锂溶液传热性能和吸收式制冷机组制冷效率的提高提供一定的理论依据。     

空化噪声谱的分离

提出了一种用于分析超声空化声场的分离法,应用该方法研究了低频超声清洗声场,并和常用的谱级分析法进行比较。结果表明该分离法能直观地反映出空化的强弱,可以较细致地对瞬态空化和稳态空化进行比较分析,而且便于对空化声场的非线性过程进行更深入地了解,这对于研究声能量对物质的作用机制具有一定意义,此外也表明Frohly等人在研究了高频超声空化声场后所得出的表征空化活动强弱的指标同样适用于评判低频超声场。     

超声治癌研究

文章简要回顾超声治癌的发展和作者20年来相关的研究.阐明超声高热治疗(UHT)和高强度聚焦超声(HIFU)的原理、方法、仪器和治疗机理,重点论述关于凹球面多元相控阵(CSSMEPA)高热和高强度聚焦超声(HIPFU)治癌机的首创和发展.     

单频超声和双频复合超声的空化效应实验研究

从超声电功率、超声作用时间和溶液温度来研究超声的空化效应,采用碘化钾溶液中碘的释放量来测定超声的空化产额,研究结果表明：在相同的电功率输入情况下,双频复合超声（25kHz/40kHz）释放碘的量远大于单频25kHz超声和单频40kHz超声释放的碘的量,双频复合超声的空化产额高于单频超声。