高频聚焦超声声场和温度场的仿真研究

为探究临床常用的7 MHz高频聚焦超声在多层生物组织中的声传播以及毫秒级时间内的生物传热规律问题,基于Westervelt方程和Pennes传热方程,使用有限元方法建立高频聚焦超声辐照多层组织的非线性热黏性声传播及传热模型。首先分析了线性模型和非线性模型之间的差异,然后在非线性模型下探究换能器的参数对声场和温度场的影响。仿真结果显示:在7 MHz频率下,当换能器输出声功率超过5 W时,声波传播的非线性效应不可忽视(p<0.05);当声功率从5 W增大到15 W时,非线性模型与线性模型预测的温度偏差从20%增加到34.703%;高频聚焦超声波的非线性行为比低频更加显著,基频能量向高次谐波转移的程度增大,声功率为10 W和15 W时4次谐波与基波之比分别达到7.33%和12.12%;高频换能器参数的改变对组织中声场和温度场分布的影响较大,换能器焦距从12 mm减小到11.2 mm,焦点处最高温度增加了77%。结果表明,7 MHz聚焦超声的非线性声传播需要考虑到4次谐波的影响。该文提出的多层组织非线性仿真模型可为高频聚焦超声换能器参数优化及制定安全、有效的术前治疗方案提供理论参考。

自易法测量矩形换能器超声功率研究

为能够精准且快捷地测量矩形换能器的声功率,探索一种基于自易校准技术测量矩形换能器超声功率的方法。首先利用自易校准方法中的电声互易原理,分析开路电压、第一回波电流与声功率之间的关系,推导出矩形换能器声功率自易测量计算的表达式,论述其中衍射系数的计算方法。然后使用自易法和辐射力天平法在不同激励电压下测量2个不同长宽比的矩形换能器,将2种方法所测超声功率分别与电功率、激励电压有效值的平方进行线性拟合,结果取得较好的一致性,并讨论该方法的适用范围。实验证明自易法用于矩形换能器超声功率测量具有可行性。

低强度聚焦超声缓解慢性软组织损伤疼痛的多中心研究

目的:探讨低强度聚焦超声(low-intensity focused ultrasound,LIFU)在慢性软组织损伤疼痛治疗中的有效性、安全性及短期疗效。方法:严格按照纳入标准筛选,186名进入本研究的慢性软组织损伤病人均连续10天内每日接受一次针对疼痛靶点的LIFU治疗,使用视觉模拟评分法(visual analogue scale,VAS)在治疗前及每次治疗后30 min,疗程结束后第3天、7天、14天、21天对损伤部位进行疼痛评分,分析疼痛在治疗前后的变化,并计算有效率以评价治疗效果;记录治疗期间及随访期间不良反应发生病例数,计算不良反应发生率以评价治疗安全性。结果:治疗期间和随访期间与治疗开始前相比VAS评分均明显下降(P<0.05)。但治疗第8、9、10次之间的VAS评分比较无统计学差异(P>0.05)。结论:结果提示LIFU在慢性软组织损伤的疼痛治疗中是安全有效的,并有一定的维持作用。

聚焦超声换能器电阻抗谱实时在线监测系统

高强度聚焦超声(HIFU)换能器作为聚焦超声消融手术(FUAS)系统的核心部件,其电阻抗谱是确定FUAS系统工作参数的重要参考依据,故对其进行实时在线监测具有重要意义。该文采用脉冲响应时域测量方法,将探测脉冲信号与HIFU换能器的工作时序相融合,并基于LabVIEW平台构建了一套HIFU换能器电阻抗谱实时在线监测系统,实现了对HIFU换能器电阻抗幅值与相位的高重复性及准确性的实时测量。通过对长时工作在大功率、高占空比条件下HIFU换能器电阻抗谱的实时在线监测,表明该监测系统可准确反应HIFU换能器的特征频率漂移、阻抗幅值和相位的非线性变化。这为HIFU换能器电阻抗谱实时在线监测及驱动参数优化调节提供了技术方案,对HIFU换能器的设计优化和能量损耗机制研究具有重要的应用价值。

高强度聚焦超声治疗浅表组织的仿真研究

在浅表组织热消融手术中,难以实时监测靶组织的温度场变化,从而无法准确地判断其热消融面积,且治疗参数的选择和热剂量预测主要依赖于临床医生的经验判断。该文针对浅表组织热消融手术中的治疗参数选择和热计量预测问题,利用Kwave仿真工具包构建聚焦超声换能器三维仿真模型,结合Westervelt方程和Pennes生物传热方程通过有限元法计算换能器辐照域内声场和温度场分布,比较介质物理属性的均匀和非均匀分布条件在3种辐照模式条件下声场和温度场的差异性,并在此基础上预测换能器辐照区域靶组织凝固性坏死面积,为术前临床医生选择合适的治疗参数和热剂量预测提供参考。

基于双频HIFU换能器的振动声成像及其靶组织损伤区域检测研究

HIFU作为一种无创、无电离辐射的物理治疗技术已经被用于各种良、恶性实体肿瘤的治疗。但HIFU临床治疗依然面临一个关键问题:基于传统的超声影像依然不能对HIFU治疗后靶组织损伤的区域进行清晰成像。针对该问题,将振动声成像方法引入到HIFU治疗系统中,将常规单频激励的HIFU换能器改造成双频HIFU换能器,并利用该换能器进行双频HIFU治疗及靶组织损伤区域的振动声成像。基于该系统首先研究了不同频差对换能器聚焦性能和焦域尺寸的影响以及不同结构的仿体组织、不同成像深度对振动声成像质量的影响。然后,以仿体和离体组织作为HIFU辐照对象,开展了HIFU辐照靶组织损伤区域可视化的振动声成像实验。实验结果表明:不同结构和特性仿体组织的振动声成像对比度较好、空间分辨率较高。此外,当HIFU辐照仿体和离体组织后,基于该成像方式能够实现靶组织损伤区域的可视化,这有望为HIFU治疗后靶组织的损伤区域检测提供一种有应用前景的解决方案和途径,提高HIFU治疗的有效性和安全性。

生物组织内低频振动声信号特性仿真研究

振动声成像是一种新兴的超声成像方式,它是通过间接获取生物组织的声学和机械信息进行成像,同时弥补了传统超声医学成像分辨率不足的问题,具有潜在的临床应用价值。然而,目前振动声成像的组织对比度不高,其中一个重要原因是需要进一步明晰不同生物组织内的低频振动声信号特性,因此探究不同组织对低频声振动的敏感度和差异性极具价值。该文基于k-Wave声学仿真平台,通过构建扇形阵列双频聚焦超声的声传播仿真模型,计算并分析了共焦区的声辐射力大小及低频振动声信号的幅值特性。此外,考察了生物组织特性、双频聚焦超声换能器的张角大小、中心频率以及分瓣数对低频振动声信号幅值的影响。仿真研究结果表明:不同生物组织内低频振动声信号的幅值存在差异,与组织参数密不可分。使用大张角聚焦超声换能器可增大共焦区的动态声辐射力,进而提高超声激发声发射信号强度。此外,换能器中心频率的选取会影响超声激发声发射信号的强度;改变换能器分瓣数N的大小,超声激发声发射信号幅值的变化不明显。该研究为明晰不同生物组织内振动声成像的物理机制提供了理论支撑。

子宫腺肌病超声消融有效性及安全性研究

目的探讨超声消融子宫腺肌病的有效性和安全性。方法对重庆医科大学附属第一医院2007年3月至2008年9月期间78例以痛经为主伴有或不伴有经量增多的子宫腺肌病患者行超声消融治疗,评价患者对治疗的耐受性,定期随访治疗后症状变化,记录治疗后6个月内不良反应发生情况,增强MRI评价治疗前后病灶凝固性坏死情况。结果78例患者中疼痛评分4分以下者占84.6%,其中1例因血压升高不能缓解而终止治疗;具有完整随访资料的患者69例,随访时间(11.9±6.4)个月。治疗前后月经量评分和痛经评分降低,差异具有显著性(P<0.05);62例痛经症状得到不同程度缓解,总有效率89.9%;69例患者中22例(32%)发生不良反应,其中4例发生2种以上。27例次数不良反应中23例(85.1%)为SIRA类;4例(14.8%)SIRB类不良反应对症处理后均恢复;全部病例均无严重的不良事件发生,亦无住院时间延长或再次入院。60例增强MRI可见无灌注区域,凝固性坏死发生率为87.0%,无灌注区大小和病灶部位与不良反应发生均无相关性(P>0.05)。结论超声消融是一种安全有效的治疗方式,可成为子宫腺肌病可供选择的一种新型无创治疗方式。

子宫肌瘤超声消融与MRI信号特征关系的研究

目的探讨超声消融子宫肌瘤后磁共振信号变化的特征。方法65例患者共80个肌瘤在超声消融前1周及消融后4～8周行MRI检查,比较消融区消融前后T1加权/T2加权信号变化。结果增强扫描:治疗前灌注率98.8%(79/80),治疗后灌注率8.8%(7/80)。T1加权:消融前高、等、低信号分别占1.2%、91.3%和7.5%;消融后依次占83.8%、16.2%、0;消融后高信号肌瘤消融率100%(67/67),等信号肌瘤消融率46.2%(6/13),消融率差异显著(P<0.05);信号变化(均变成高信号)66个肌瘤,消融率100%(66/66),信号不变14个肌瘤,消融率50%(7/14),消融率差异显著(P<0.05)。T1加权高信号区域体积与消融体积直线相关(r=0.93,P<0.05)。T2加权信号变化与消融没有明显相关性(P>0.05)。结论超声消融子宫肌瘤后早期MRI的T1加权高信号,可成为判断肌瘤出现凝固性坏死的标准之一。

咪唑安定-芬太尼镇静镇痛在超声消融子宫肌瘤中的应用研究

目的:探讨枸橼酸芬太尼复合咪唑安定用于超声消融子宫肌瘤的安全性和有效性。方法:71例子宫肌瘤患者在超声消融过程中给予枸橼酸芬太尼和咪唑安定镇静镇痛,观察用药前后生命体征,及ramsay镇静深度评级和疼痛程度评分。结果:①ramsay评级为3.41±0.68(1～4级);②疼痛评分3.6±0.9(1～8分),81.7%(58/71)评分小于4分;③用药前后平均动脉压、心率差异无统计学意义(P>0.05),血氧饱和度、呼吸频率略有下降,差异有统计学意义(P<0.05),但仍在正常范围。结论:枸橼酸芬太尼复合咪唑安定镇静镇痛方案用于超声消融子宫肌瘤能达到良好的镇静镇痛效果,是安全、有效的。

复方辣椒碱超声灸疗纳米乳凝胶剂的研究

目的研究药物超声灸疗纳米乳凝胶剂的制备工艺。方法以复方辣椒碱乳膏(辣椒碱、薄荷脑、樟脑、冬青油)为模型药物,HLB法制备纳米乳,再制备复方辣椒碱纳米乳凝胶。采用伪三元相图对纳米乳中的表面活性剂与助表面活性剂进行优选;用正交设计对凝胶剂中的透皮促渗剂进行优选;采用Franz扩散池,进行体外经皮渗透考察;并对超声作用条件进行考察。结果以处方药物与氮酮的混合物为纳米乳油相,吐温80为表面活性剂,1,2-丙二醇为助表面活性剂(KM=3∶1),纳米乳平均粒径17.2 nm;透皮促渗剂为:1%氮酮+20%丙二醇+20%甘油+1%PEG400;超声最优条件为1.5 W(305 kHz),作用时间为3 min。体外透皮释放曲线显示,超声作用纳米乳凝胶前2 h累积渗透量为无超声作用下的2倍以上,24 h的累积渗透量约为无超声作用下的3.5倍。结论体外试验显示,制备的复方辣椒碱纳米乳凝胶在超声波的辅助作用下,释药快而持久,兼具速效与缓释的双重作用,优于普通乳剂。

超声消融邻近骶尾部子宫肌瘤的临床策略及其安全性的随机对照研究

目的:比较2种不同声束投照模式下邻近骶尾骨子宫肌瘤超声消融(Ultrasound ablation,UA)治疗的临床安全性。方法:2008年9月至2009年7月在重庆医科大学附属第一医院接受子宫肌瘤UA治疗患者,MRI影像显示主要肌瘤边缘到骶尾骨距离小于30 mm患者共92例。患者随机分为2组,研究组47例,接受倾斜式声束投照模式下UA治疗;对照组45例,在垂直式声束投照模式下接受UA治疗。研究随访期6个月,观察2组患者不良反应、术中VAS评分及消融率等指标,相关的不良反应评价参照国际介入放射治疗学会SIR标准。结果:92例患者均完成一次性UA治疗。2组患者均未出现主要并发症(SIR C-F级),对照组患者次要并发症发生率(SIR A-B级)显著高于研究组(53.3%vs 36.2%;RR 1.71[1.03-2.82],P<0.05)。研究组及对照组VAS分值分别为(2.9±1.4)及(3.6±1.8),差异有统计学意义(P<0.05)。治疗后1月内MRI显示研究组及对照组肌瘤平均消融率分别为(80.9±18.9)%及(75.3±18.2)%,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:UA治疗邻近骶尾部子宫肌瘤疗效确切,无严重不良反应。倾斜式声束投照的临床治疗策略降低患者不适反应,提高术中耐受性及安全性,有效提高消融效果。

高强度聚焦超声辐照离体组织靶区无灰度变化有坏死现象的研究

目的研究高强度聚焦超声(HIFU)辐照离体组织靶区时声像图无灰度变化而有坏死的现象。方法应用HIFU辐照新鲜离体牛肝组织,辐照剂量分别为2500,3000,3750,4200J,每个剂量又分为10个辐照功率时间组。超声实时监控HIFU辐照全过程,辐照结束后即刻采集靶区声像图,运用灰度测量软件读取靶区灰度值;重复实验5次。计算灰度增强出现几率。结果总剂量为2500J时,所有的功率时间组均未出现灰度增强;总剂量为3000J时,声功率≥200W出现灰度增强;总剂量为3750J时,声功率≥150W出现灰度增强;总剂量为4200J时,声功率≥120W出现灰度增强。经病理检查证实,各剂量组中,除2500J组辐照参数50W/50s和60W/41s未出现损伤外,其余均出现凝固性坏死。结论组织凝固性坏死后,声像图上多数有灰度增加,但部分没有灰度变化;声像图上显示的HIFU辐照后即刻的灰度增加并不是组织凝固性坏死的直接表现,提示在临床应用时,不要过分依赖声像图变化判断治疗效果。

手术与高强度聚焦超声对腹壁瘢痕子宫内膜异位症治疗疗效初步对比研究

目的对比高强度聚焦超声(HIFU)与手术对腹壁瘢痕子宫内膜异位症治疗疗效。方法回顾性分析54例子宫内膜异位症患者,其中,29例纳入手术治疗组,25例纳入HIFU治疗组,对比两组临床有效率,并发症及复发率。结果手术治疗组和HIFU治疗组患者一般情况及临床特征具可比性,临床有效率,并发症率和复发率分别为100.0%和92.0%,13.8%和4.0%,17.9%和12.0%,差异均无统计学意义(P>0.05)。结论 HIFU在腹壁瘢痕子宫内膜异位症的治疗上具有安全性及有效性。

MRI监控高强度聚焦超声联合SonoVue损伤山羊肝脏组织的增效研究

目的采用MRI测温探讨高强度聚焦超声(HIFU)联合SonoVue损伤山羊肝脏组织的增效作用。方法选取南江黄羊6只,于MRI监控下对山羊肝脏进行HIFU定点辐照,辐照频率为1.0MHz、辐照深度30mm、声功率250 W、辐照时间15s。采用自身对照,于同一层面肝脏组织上选择两个辐照点,分别为HIFU联合生理盐水(0.03ml/kg)组(对照组)和HIFU联合SonoVue(0.03ml/kg)组(实验组)。在HIFU辐照过程中观测焦点处的温升情况,比较实验组和对照组的初始辐照阶段温升率、辐照过程中达到的最高温度、辐照结束后温度>56℃的区域;比较实验组与对照组凝固性坏死情况,并对实验组靶区做组织病理学检查。结果实验组初始辐照阶段温升率、辐照过程中达到的最高温度、辐照结束后温度>56℃区域的面积均大于对照组(P均<0.05);实验组靶区为完整的凝固性坏死,且凝固性坏死体积大于对照组(P<0.05)。结论超声造影剂SonoVue能够用于增强HIFU对山羊肝脏组织的损伤作用,这与微泡增强HIFU热效应有关。

新型高强度聚焦超声乳化柴油的研究

采用高强度聚焦超声新技术对柴油乳化进行了研究。实验选择Span80和Tween80两种乳化剂按不同比例进行复配,乳化剂用量(质量分数)为0.9%,含水率为9%。实验结果表明,球形超声聚焦设备不但可以为乳化提供较高能量,而且可以产生强烈的空化和搅拌。高速摄影显示,空化效应和界面不稳定性是这种球形高强度聚焦超声产生乳化的机制。实验结果显示,最佳HLB值为5.4,最佳输入电功率为950 W,乳化300 s就可以得到比较稳定的柴油乳液。乳液粒径可以达到0.5μm,且分布均匀,稳定时间在6个月以上。通过对比,高强度聚焦超声的乳化效果和乳化效率明显优于变幅杆式超声发生器和磁力搅拌器,为柴油乳化提供了一个具有重要意义的乳化方式。

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。

高强度聚焦超声间歇式治疗中焦域温度分布的仿真研究

探究不同治疗深度、组织类型和治疗模式对高强度聚焦超声焦域温度场的影响。采用有限元法建立高强度聚焦超声辐照组织的二维轴对称仿真模型,通过Westervelt方程和Pennes生物热传导方程计算高强度聚焦超声焦域的声场和温度场分布。仿真结果表明:随着治疗深度的增加,焦域内温度逐渐降低,有效温升面积减小;不同组织类型在相同条件下的焦域温度不同,但焦域形状差别不大;单次治疗时间长、治疗时间间隔短的模式焦域温升速率快,有效温升面积区域大。焦域温度是高强度聚焦超声肿瘤治疗中判断治疗有效性和安全性的重要因素之一,该文通过数值仿真法,实现了预测高强度聚焦超声间歇式治疗模式下焦域组织温度场分布,有望为制定安全、有效的高强度聚焦超声术前治疗方案提供理论参考。

磁共振引导高强度聚焦超声消融犬肾上腺的可行性研究

目的探讨磁共振(magnetic resonance imaging,MRI)引导高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)体外消融肾上腺的可行性。方法 16只体质量9～13 kg的健康杂种犬,随机分为对照组(n=4)、相对低能量HIFU消融组(声功率200 W组,n=6)、相对高能量HIFU消融组(声功率400 W组,n=6),在MRI引导下消融左侧肾上腺。术后利用MRI增强造影,观察肾上腺消融情况以及周围脏器损伤情况。术后每天动态监测各组血液中皮质醇、醛固酮激素的含量。5 d后处死实验犬,对左侧肾上腺进行大体及病理学观察,评估200、400 W声功率下肾上腺消融面积以及消融比的差异。结果 HIFU消融术后犬生命体征平稳,MRI增强造影可见消融区域肾上腺信号明显减低,周围脏器组织未见明显信号异常。大体观察可见左侧肾上腺头部和尾部出血、肿胀及部分液化,消融区域皮肤及肾上腺周围脏器均未见明显损伤。病理检查可见消融区域肾上腺出现凝固性坏死灶,与周围组织分界清楚。400 W组消融灶数量要明显多于200 W组的消融灶。200 W组消融灶面积为(1.8±0.3)cm2,消融比率为(40.3±18.1)%;400 W组消融灶面积为(2.7±0.6)cm2,消融比率为(60.3±23.3)%,2组间消融面积和消融比率差异有统计学意义(P<0.05)。术后第1天与对照组相比,血液中皮质醇及醛固酮出现一过性升高,第2天开始出现下降趋势,第4～5天趋于稳定。2声功率组激素含量从第3天开始均与对照组存在统计学差异(P<0.05)。结论 MRI引导HIFU技术可以实现活体动物肾上腺消融,消融范围可控,在肾上腺疾病外科无创治疗方面可能有应用前景。