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文檔簡介
1、研究背景:
高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)提供了一個可精確聚焦治療腫瘤卻沒有皮膚切口的無創(chuàng)治療方法。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,HIFU技術(shù)已成功運用于子宮肌瘤、前列腺癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌等良惡性腫瘤的臨床治療??栈?yīng)在HIFU治療中起著非常重要的作用,一方面,由于聲通道上皮膚毛孔、腸道等處含有氣體,在HIFU治療中容易生成空化泡,從而增強熱損傷和空化損傷,出現(xiàn)治療不
2、期望發(fā)生的一些毒副作用;另一方面,在焦點處出現(xiàn)可控的空化效應(yīng)可增強HIFU治療和超聲監(jiān)控。因而,急需加強HIFU聲場,包括焦前區(qū)、焦點和焦后區(qū)的空化研究。
目的:
借助聲致發(fā)光、被動空化檢測(PCD)等手段,明確由凹球面聚焦超聲換能器和兩端開口的球形聚焦超聲換能器在不同聲功率下、不同氧容量的介質(zhì)水中產(chǎn)生的聚焦聲場中活性多泡的活動程度及空間分布信息,這對認識焦前區(qū)/焦后區(qū)的毒副作用,以及焦點處的生物學效應(yīng)都具有重要的意
3、義。
方法:
?。?)凹球面聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場中的多泡分布及聲致發(fā)光研究采用頻率446 kHz、直徑220 mm、焦距150 mm的凹球面聚焦超聲換能器,聲功率輸出50 W-410 W。借助高速攝像系統(tǒng)和被動空化采集系統(tǒng)( Passive Cavitation Detector,PCD)分別記錄不同聲功率、不同氧容量下聲場中氣泡的空間分布及其動力學特征;搭建暗室,使用 Nikon數(shù)字相機和光電倍增管系統(tǒng)(Ph
4、otomultiplier Tubes,PMT)分別記錄不同輸出聲功率、不同氧容量下多泡聲致發(fā)光(Multibubble Sonoluminescence,MBSL)的空間分布及發(fā)光強度。先固定氧容量3.0 mg/L,觀察不同輸出聲功率(50 W-410 W,間隔30 W)下,聚焦聲場中多泡空間分布、空化信號、多泡發(fā)光分布及發(fā)光強度變化;再在聲功率為140 W時,介質(zhì)水氧容量分別為2.5 mg/L、3.0 mg/L、3.5 mg/L下,
5、聚焦聲場中多泡空間分布、空化信號、多泡發(fā)光分布及發(fā)光強度變化。
?。?)球型聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場中多泡分布及聲致發(fā)光研究
本部分采用頻率446 kHz、直徑為650 mm、高度為433 mm的球形聚焦超聲換能器。利用數(shù)碼相機拍攝不同驅(qū)動電壓下,氧容量分別為3.0 mg/L、4.0 mg/L和4.5 mg/L下,聚焦聲場中的多泡分布和多泡聲致發(fā)光。利用MATLAB圖像處理功能對數(shù)碼相機拍攝得到的球形聚焦聲場中不同
6、輸出電壓下的多泡聲致發(fā)光分布圖進行預處理(去除背景噪聲及圖像灰度的二值化處理),選擇整個聲場范圍作為感興趣區(qū)域,計算預處理后的二值化數(shù)字圖片中發(fā)光區(qū)域的像素個數(shù),以此作為該輸出電壓下的聲致發(fā)光強度,統(tǒng)計不同氧容量介質(zhì)水中多泡發(fā)光強度隨輸出電壓變化情況。
(3)焦前放入生物組織后聚焦聲場中的多泡發(fā)光分布和生物組織損傷情況
調(diào)整介質(zhì)水氧容量為3.0 mg/L,將經(jīng)過脫氣處理的新鮮豬腹壁組織分別置于焦前3 cm、4 cm和
7、5 cm處。借助Nikon數(shù)碼相機拍攝不同輸出聲功率(50 W,140 W,230 W,320 W,410 W)下,焦前放入新鮮豬腹壁組織后聚焦聲場中的多泡發(fā)光分布,并觀察在不同HIFU聲功率下定點輻照30 s后豬皮膚組織的損傷情況。
結(jié)果:
(1)凹球面聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場中的多泡分布及聲致發(fā)光研究
先固定氧容量為3.0 mg/L,觀察不同輸出聲功率(50 W-410 W,間隔30 W)下聚焦聲場
8、中氣泡分布、空化信號、聲場中多泡發(fā)光空間分布及發(fā)光強度的變化。實驗發(fā)現(xiàn)當輸出聲功率較低(如50 W)時,由于液-氣界面強反射聚焦聲場是一個穩(wěn)定的駐波場,氣泡固定于駐波波腹處,PCD檢測結(jié)果中無明顯3-6 MHz寬帶噪聲,聲場中焦前區(qū)域最先出現(xiàn) MBSL,且多泡同樣以駐波場模式分布;增大聲功率(如140 W),聲輻射力作用逐漸凸顯出來,推動本固定于波腹處的氣泡向焦點方向移動,焦點處開始出現(xiàn)類似火花狀的氣泡團并向焦后生長,迅速消失,緊接著聲
9、場恢復駐波場,而氣泡所散射的聲信號開始出現(xiàn)高次諧波,寬帶噪聲在輻照一段時間后增幅明顯,聲場中發(fā)光區(qū)域逐漸向換能器表面擴大,焦點附近的發(fā)光也有所增強,在此之前聲場整體發(fā)光強度與輸出聲功率成正比;當輸出聲功率足夠大時(如350 W),氣泡團開始在焦域附近穩(wěn)定劇烈持續(xù)抖動并伴隨有人耳可聽的“嘶嘶”聲,焦域附近出現(xiàn)橢圓狀發(fā)光亮斑,空化信號檢測此時寬帶噪聲在輻照開始便出現(xiàn)并不時伴有瞬間高幅度沖擊狀信號,空化劇烈發(fā)生,氣泡團中氣泡間相互作用會阻礙氣
10、泡震蕩,進而降低聲場整體發(fā)光強度。
在固定輸出聲功率為140 W時,介質(zhì)水氧容量分別為2.5 mg/L、3.0 mg/L、3.5 mg/L下,觀察聚焦聲場中氣泡的動態(tài)分布變化、多泡發(fā)光空間分布及發(fā)光強度的變化。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),當介質(zhì)水氧容量較低(如2.5 mg/L)時,聚焦聲場中MBSL呈圓錐狀主要集中于焦前區(qū)域,發(fā)光強度較弱;焦點處散射聲信號頻譜分析表明空化信號主要集中于次諧波及二次諧波且無明顯寬帶噪聲。增大氧容量(如3.0
11、mg/L)后,多泡發(fā)光范圍向著換能器表面明顯生長且發(fā)光強度增強;空化信號頻譜圖表現(xiàn)為高次諧波滋生,而在輻照開始時并無明顯的寬帶噪聲,隨著輻照時間的延長,寬帶噪聲在某一時刻突然增幅明顯。當氧容量增大到3.5 mg/L時,聚焦聲場中MBSL發(fā)光范圍不再局限于焦前及焦點區(qū)域,此時在焦后區(qū)域的液-氣界面處出現(xiàn)圓盤狀發(fā)光區(qū)域,而焦前區(qū)域的多泡發(fā)光強度明顯減弱;焦點氣泡所散射出來的聲信號頻譜圖仍然表現(xiàn)為高次諧波滋生,且聲波作用過程中寬帶噪聲出現(xiàn)明顯
12、增幅所需的輻照時間有所縮短。
?。?)球型聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場中多泡分布及聲致發(fā)光研究
固定氧容量為3.0 mg/L時,在驅(qū)動電壓較?。?0 V-90 V)時,可觀察到聚焦超聲輻照前本自由擴散于容器中的氣泡在駐波場的作用下,嵌入聲波的波腹處進行微弱的收縮振蕩,此時可看到聚焦聲場中的氣泡分布及多泡發(fā)光空間分布均表現(xiàn)為典型的駐波場。此后繼續(xù)增大驅(qū)動電壓(如90 V)時,聲場中的氣泡在輻射力的作用下聚集于球心處,對聚
13、焦聲場中多泡發(fā)光分布的檢測及記錄發(fā)現(xiàn)此時聚焦聲場發(fā)光區(qū)域由典型的駐波場變?yōu)閮蓚€區(qū)域(Y方向呈駐波分布的一束發(fā)光點群和距離球心處一定距離呈放射狀的環(huán)形光圈),且隨著驅(qū)動電壓的增大(90 V-300 V),外層放射狀環(huán)形光圈不斷向換能器內(nèi)壁逼近。當驅(qū)動電壓增大到310 V時,球心處出現(xiàn)劇烈抖動的氣泡團,且伴隨人耳可聽的“嘶嘶”聲。此時聲場中剩下球心處的微弱的圓形發(fā)光區(qū)域,此后增大輸出電壓,聚焦聲場中多泡聲致發(fā)光變化不大。
介質(zhì)水的
14、氧容量分別為3.0 mg/L、4.0 mg/L及4.5 mg/L,觀察球形型聚焦聲場中發(fā)光強度隨驅(qū)動電壓的變化趨勢。研究結(jié)果表明當驅(qū)動聲壓較低(20 V-110 V)時,氧容量較大一組(4.5 mg/L)的發(fā)光強度大于其他氧容量組。增大驅(qū)動電壓后,氧容量較小一組(3.0 mg/L)的發(fā)光強度大于相對其他兩組。
?。?)焦前放入生物組織后聚焦聲場中的多泡發(fā)光分布和生物組織損傷情況
固定介質(zhì)水氧容量為3.0 mg/L,焦前
15、不同位置(3 cm,4 cm,5 cm)處放置新鮮豬腹壁組織時,在輸出聲功率分別為50 W、230 W和410 W時聚焦聲場中多泡發(fā)光的空間分布及組織損傷情況。實驗結(jié)果可看到由于組織界面對氣泡的阻擋作用使得多泡發(fā)光區(qū)域主要集中于豬皮膚表面和換能器表面之間且呈圓錐狀分布。當豬腹壁組織距離焦點3 cm,輸出聲功率為320 W和410 W時,在皮膚組織上可觀察到圓形的熱損傷。
結(jié)論:
?。?)在凹球面聚焦超聲換能器中,固定介
16、質(zhì)水氧容量為3.0 mg/L,當輸出功率較低時由于液-氣界面對聲場的強反射,使得聲場呈現(xiàn)為典型的駐波場。介質(zhì)水中的氣泡受聲場作用固定于波腹處,且此時焦前區(qū)域開始出現(xiàn)多泡聲致發(fā)光,發(fā)光也呈駐波場模式分布,且隨著輸出聲功率的逐漸增大焦前發(fā)光區(qū)域向換能器方向生長。當輸出聲功率足夠大時,聚焦聲場中焦點位置附近出現(xiàn)劇烈抖動的氣泡團,且伴隨人耳可聽的“嘶嘶”聲,同時氣泡團的出現(xiàn)顯著減弱了聲場整體發(fā)光強度;(2)在凹球面聚焦超聲換能器中,固定輸出聲功
17、率為140 W,在一定程度上提高介質(zhì)水氧容量,可促進聲場中的空化泡的活動,進而增強聚焦聲場中的聲致發(fā)光;
?。?)在球型聚焦超聲換能器中,固定介質(zhì)水的氧容量為3.0 mg/L,當驅(qū)動電壓較低時,多泡發(fā)光區(qū)域呈駐波場模式,且隨著輸出電壓的增大,多泡發(fā)光由典型的駐波場變?yōu)閮蓚€區(qū)域(Y方向呈駐波分布的一束發(fā)光點群和距離球心處一定距離呈放射狀的環(huán)形光圈),且隨著驅(qū)動電壓的增大,外層放射狀環(huán)形光圈不斷向換能器內(nèi)壁逼近。當驅(qū)動電壓足夠大時,
18、球心處出現(xiàn)劇烈抖動的氣泡團,且伴隨人耳可聽的“嘶嘶”聲,同時氣泡團的出現(xiàn)顯著減弱了聲場整體發(fā)光強度;
?。?)在球型聚焦超聲換能器中,在低驅(qū)動電壓輸出時,提高介質(zhì)水氧容量,可降低空化閾值促進聲場中的空化活動,提高聚焦聲場中多泡發(fā)光強度。而在高驅(qū)動電壓輸出時,提高介質(zhì)水氧容量,聲束路徑上存在的氣泡對聲波的衰減作用更加明顯,此時降低介質(zhì)水的氧容量,聲場多泡發(fā)光更強;
(5)在凹球面聚焦超聲換能器的焦前區(qū)域放置生物組織時,固
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