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。     

高强度聚焦超声治疗的水处理系统设计

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗中介质水的纯净度和含气量关系到聚焦超声能量传播效率。本文采用了多级滤芯、多个RO膜并联以及脱气膜方式进行纯净脱气水的制备,既保证了出水流量速度和质量,又使得系统体积没有明显增加。系统采用PIC18f46k22单片机搭建外围电路对系统进行控制,配合流量计实现了入水和出水流量的精确控制。触摸串口屏提供了人机交互界面,上位机基于Qt操控界面实现了远程操作功能,实现了设备自动化。通过测试鉴定该水处理系统制备的水满足HIFU用水的标准,为高强度聚焦超声的应用提供了可靠的介质环境,在聚焦超声治疗领域有着非常广阔的应用前景。     

立体定位高强度聚焦超声手术的运动控制系统

从满足定位要求的角度提出了一种立体定位高强度超声手术的运动系统，并结合一种信号发生装置构建了运动系统驱动电机正反转切换保护电路和运动系统复位到零位以及计数的电路，在此基础上结合肿瘤治疗过程详细介绍了整个运动系统控制的软硬件结构。     

高强度聚焦超声前列腺治疗仪控制系统的研制

高强度聚焦超声（HIFU）治疗肿瘤是这些年来发展起来的肿瘤治疗方法。这方面的治疗仪器在国内还是空白。仪器的控制系统是整台仪器得以正常工作的重要部件。本文讨论了在MicrosoftWindows操作系统下控制硬件的方法，分析了PC机硬件接口及步进电机驱动电路的设计，最后给出驱动软件的编写思路及部分源代码。     

面向高强度聚焦超声治疗的串并联治疗床设计

本文介绍了一种用于高强度聚焦超声治疗床的设计，研究表明，该设计结构简单，实现方便，绝对定位精度较高，能够很大程度上降低整机的设计和制造成本。目前，样机开发工作大部分已经完成，机械构件已经安装完毕，控制软件框架和基本功能都已经完成，实现了简单的超声波焦点摆动治疗运动。样机的精度标定将在随后的工作中继续展开。     

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。     

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。     

基于时差法的超声空化强度测量方法

针对目前超声空化强度测量方法存在的测量过程复杂、测量设备昂贵等问题,提出了一种基于时差法的超声空化强度测量方法;介绍了该方法的测量原理,根据该方法设计了超声空化强度测量装置,并通过实验验证了超声波在液体空化时和未空化时的传播时间差与输入电功率在一定范围内成正比关系。     

驻波聚焦在体模中形成的精细损伤

为了提高聚焦超声的治疗精度,本文通过将两个完全相同,频率为0.6 MHz的行波聚焦换能器同轴共焦相向放置实现驻波聚焦。在相同焦点峰值正声压（17 MPa）条件下,结合组织中的声场数值仿真、空化和非线性测量,对比研究了驻波聚焦和行波聚焦超声分别辐照仿组织体模过程中的损伤变化及形成机制。研究可见：（1）相同焦点峰值正声压条件下,驻波聚焦和行波聚焦辐照形成的初始损伤尺寸分别为0.18λ×0.25λ、0.91λ×0.3λ,而达到相同焦点峰值正声压驻波聚焦所需的换能器表面声压仅为行波聚焦的0.46倍,表明驻波聚焦可以实现更精细的损伤同时降低声通道上声压幅值保护声通道的安全性。（2）相同焦点峰值正声压条件下,行波聚焦更快出现损伤,相比于空化,非线性效应影响更大。研究说明基于同轴共焦相向放置两换能器形成的驻波聚焦相比行波聚焦可以实现更精细的损伤,且声通道更安全,为驻波聚焦应用于临床提供了理论参考。     

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。     

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。     

结合潜在扩散模型和U型网络的HIFU治疗目标区域提取

目的 由于数据采集限制和隐私保护造成高强度聚焦超声（high intensity focused ultrasound,HIFU）治疗超声监控图像数据量过少,导致现有的强监督分割方法提取治疗目标区域不佳。因此,提出了一种结合潜在扩散模型（latent diffusion）和U型网络的HIFU治疗目标区域提取方法。方法 生成阶段利用潜在扩散模型和自动筛选模块,实现超声监控图像数据的扩充。目标区域提取阶段提出新型U型分割网络（novel U-shaped segmentation network,NUNet）,在编码器端结合空洞空间金字塔池化（atrous spatial pyramid pooling,ASPP）,扩大网络的感受野;设计双注意力跳跃连接模块（dual attention skip connection,DAttention-SK）,降低边缘纹理信息丢失的风险;引入多交叉熵损失提高网络的分割性能。结果 实验结果表明,与其他生成模型相比,本文使用潜在扩散模型生成的超声监控图像在FID（Fréchet inception distance）和LPIPS（learned perceptual image patch similarity）上获得更优的指标（分别为0.172和0.072）;相较于先进的PDF-UNet （U-shaped pyramid-dilated network）,在HIFU临床治疗子宫肌瘤超声监控数据集中,本文分割算法的MIoU（mean intersection over union）和DSC（Dice similarity coefficient）分别提高了2.67%和1.39%。为进一步探讨所提算法的泛化性,在乳腺超声公共数据集（breast ultrasound images dataset,BUSI）上进行了验证。相较于M2SNet （multi-scale in multi-scale subtraction network）,本文算法MIoU和DSC分别提升了2.11%和1.36%。结论 本文算法在一定程度上解决了超声监控图像中数据量过少的问题,实现对监控超声图像中目标区域的精确提取。代码开源地址为https://github.com/425877/based-on-latent-diffusion-model-for-HIFU-treatment-target-region-extraction。     

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。     

基于Gabor变换和灰度梯度共生矩阵的超声无损测温研究

提出了一种基于Gabor变换和灰度梯度共生矩阵(CMGG)的超声无损测温方法.通过高强度聚焦超声(HIFU)对新鲜离体猪肉组织进行辐照,实时获取辐照前后的超声图像,对其做数字减影和Gabor滤波,提取归一化后灰度梯度共生矩阵的二阶参数梯度平均、混合熵和逆差矩作为温度的表征参数.实验结果表明:Gabor滤波后的灰度-梯度共生矩阵的二阶参数梯度平均、混合熵和逆差矩与温度的相关系数分别达到0.9804、0.9854和-0.9644,优于传统的灰度均值法和实值Gabor系数法.Gabor滤波后的灰度-梯度共生矩阵的二阶参数混合熵在37℃~55℃能较好地反映温度变化信息,梯度平均则在55℃~85 ℃有更好的测温效果.     

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。