体外冲击波碎石焦点区域声压分布的时域有限差分法仿真研究

目的:研究体外冲击波碎石(Extracorporeal shock wave lithotropisy,ESWL)治疗中不同厚度人体组织对ESWL焦点区域大小、位置和声压分布的影响,为ESWL治疗计划的制定提供理论依据。方法:以Reichenberger的ESWL水中实验为参照例,分别建立三维单一人体组织和多层复合人体组织仿真模型,用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)数值仿真法,数值仿真ESWL治疗中形成的焦点区域。结果:高强度聚焦超声波在人体脂肪、肌肉层中形成的实际焦点区域大小、位置和焦点区域声压分布随着人体脂肪、肌肉层厚度的变化而变化。结论:ESWL治疗过程中由于人体组织厚度的不同,高强度聚焦超声非线性传播而形成的焦距和最大声压不同,对于不同体态的患者在ESWL治疗时,应该采用不同的焦距设定方法。

体外冲击波碎石焦点附近声压分布的时域有限差分法数值解析

泌尿系统结石症是一种多发病。体外冲击波碎石(Extracorporealshockwavelithotropisy,ESWL)法是应用人体外发射的高强度脉冲超声波在人体内的焦点附近形成的冲击波破碎结石,被破碎的结石碎片随尿液排出体外的治疗泌尿系统结石症方法。由于这种治疗方法具有非创伤等优点而被广泛地应用于泌尿系统结石症的治疗。但是,ESWL治疗过程中有时会引发尿血、肾血肿等并发症,影响其治疗效果的主要因素之一为ESWL焦点附近形成的声压分布。在这里,利用作者等以前提出的时域有限差分(finitedifferencetimedomain,FDTD)超声波非线性传播的仿真方法,数值仿真ESWL超声波非线性传播过程,研究ESWL焦点附近声压的分布、焦点区域(焦区)的大小形状、高强度超声波形成的实际焦点位置。

高强度聚焦超声波治疗的现状及其展望

高强度聚焦超声波(high-intensityfocusedultrasound,HIFU)治疗具有非侵入性等特点,在临床治疗方面得到广泛应用。HIFU治疗的临床应用研究已成为众多研究者关注的热点。文章主要论述HIFU治疗的现状及其展望。

血流对高强度聚焦超声治疗时温度场影响的仿真实验

实验于2007-10/2008-07在天津医科大学生物医学工程系超声医学实验室完成。依据森田长吉等人提出的非线性传播的时域有限差分仿真方法,结合生物热传导方程,仿真计算高强度聚焦超声靶区温度的分布。结果显示有血管时聚焦区域内血管处的温升明显低于无血管时周边组织的温升;随着血管直径的增加,血管周边组织的最大温升降低,60℃以上的可治疗区域在减小。血管直径大小对血管周围组织的温升影响很大,在高强度聚焦超声肿瘤治疗时,应该考虑因治疗靶区不同管径血管对高强度聚焦超声温升的影响而导致不同的治疗效果。

HIFU经颅治疗中降低颅骨声压的仿真研究

研究颅骨超声治疗声压和温度预测问题,高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound,HIFU)经颅脑肿瘤治疗中,由于在颅骨处可能形成声压和温度较高的热点,引起颅骨及周边组织损伤。为解决上述问题,利用Westervelt声传播方程近似式及Pennes生物热传导方程,以凹球面八圆环相控换能器和人体头颅CT数据建立的仿真模型为例,结合时间反转法,分析讨论经颅HIFU形成的声压场和温度场。研究结果表明,降低热点声压及温升的同时可实现在颅内目标靶区中聚焦;在该数值仿真模型中,在凹球面八圆环相控换能器的一维可变焦范围内均可实现颅内聚焦和颅骨热点处声压和温升的降低。

体外冲击波碎石焦点区域声压分布的数字仿真研究

1980年,德国道尼尔(Dornier)公司研制了第一台体外冲击波碎石机,并应用于临床治疗。现在,体外冲击波碎石疗法(extracoipeal wave lithotripsy,ESWL)已成为治疗泌尿系统结石的首选方法。ESWL装置是根据人体的软组织与水体的声学特性相近而研究开发出来的一种破碎人体结石的设备,但是实际上人体软组织与水的声学参数不同,如声波传播速度、吸收系数、非线性特性系数等都不同。同时,不同的患者又具有不同的体质,实际在ESWL治疗中人体内形成的焦点区域大小、位置、声压大小及其分布各有差异。

64阵元高强度聚焦超声相控换能器的仿真研究

超声相控换能器具有焦距可调,多焦点聚焦的特性。以64阵元球面相控换能器为例,利用Westervelt声波非线性传播方程及时间反转法（TR）对64阵元圆形相控换能器在水中不同焦点处形成的焦域声压分布进行时域有限差分法（FDTD）仿真研究。研究结果表明,频率为0.5-0.8 MHz时自聚焦形成的焦距均小于球面几何焦距;单焦点聚焦时,随着焦点偏离声轴的距离增大,焦点处的最大声压逐渐降低,随着焦距增大,旁瓣与主瓣最大声强比值先减小后增大;频率为0.7MHz,双焦点聚焦时,在焦点间设定距离〉7mm的条件下,焦点间旁瓣很小,当焦点间距离≤2.5mm时,两焦域融合成单一焦域。

超声波在线监测卷式反渗透膜污染及清洗

应用超声时域反射法和信号拟合及量化模型在线监测卷式反渗透膜元件污染及清洗过程.实验采用三个2.25MHz高频聚焦探头和商业卷式反渗透膜组件,污染液为1.0g/L硫酸钙.清洗阶段包括纯水冲洗、浸洗与酸洗三部分.结果表明,超声信号能够穿透组件外壳而进入多层膜结构.观察发现随膜表面污染物沉积而超声信号发生系列有序变化.此外,随膜表面污染物沉积、结构变化以及污染层形成,声强不断减小至最低,后期趋于稳定.研究还发现,沿进料液流动方向,信号变化诱导期趋于变短,而且,污染物优先靠近出口处沉积;越靠近料液出口,信号变化幅度越大,污染越严重.这是由于沿轴向不断加剧的浓差极化所致.在清洗阶段,随着膜通量恢复超声信号变化表现出一致性.

高强度聚焦超声经颅脑肿瘤治疗焦域的仿真研究

为了研究脑组织和脑肿瘤组织在HIFU治疗时形成焦域的特性及坏死肿瘤组织、不同治疗剂量参数以及多次治疗时焦点间距和时间间隔对HIFU形成焦域的影响,本文以脑胶质瘤患者为例,利用患者头颅CT图像数据建立HIFU经颅治疗的仿真模型,基于Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程进行HIFU经颅治疗的仿真研究。结果表明,脑组织和脑肿瘤组织内形成HIFU焦域的差异较小,坏死肿瘤组织对HIFU温度场分布有较小影响;辐照声强越大,焦点温升达到同一温度所用时间越短,焦域长短轴越短,颅骨处温升越低;当焦点间距在一定范围内时,第一次辐照形成的温度场分布对第二个焦点温升达到同一温度所需时间影响较大;两次辐照时间间隔对颅骨处温升和两次聚焦形成60?C以上温度分布影响较小。

基于时间反转法的相控换能器声场的仿真研究

相控换能器具有焦距可调的优势。本文以82阵元相控换能器建立的3D数值仿真模型为例,基于时间反转法提取阵元的激励信号,利用时域有限差分(FDTD)法对Westervelt声波非线性传播方程进行声场数值仿真,研究不同阵元分布、焦点偏离声轴的距离、设定焦距大小对形成声场的影响,可调控范围及其消除旁瓣方法。研究结果表明,随机分布相控阵可明显降低声场中的旁瓣;随着偏离声轴距离的增加,主瓣声压幅值逐渐减小,旁瓣与主瓣的最大声强比值r逐渐增大,且沿声轴的可调控范围逐渐减小;随声轴方向上设定焦距的增加,主瓣声压幅值先增大后减小,r值先减小后增大;基于时间反转法的高声压旁瓣消除法可在一定程度上扩大相控阵声场的可调控范围。

微泡对高强度聚焦超声声压场影响的仿真研究

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗焦域具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU形成声压场的影响尚不清楚。本文基于气液混合声波传播方程、Keller气泡运动方程、时域有限差分(FDTD)法和龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入声压、激励频率、气泡初始空隙率和气泡初始半径对HIFU形成声压场的影响。研究结果表明,随着输入声压的增大,焦点处声压升高但焦点处最大声压与输入声压的比值减小,焦点位置几乎不变;随着激励频率和气泡初始半径的增大,焦点处声压升高且焦点位置向远离换能器方向移动;随着气泡初始空隙率的增大,焦点处声压降低且焦点位置向换能器方向移动。

超声图像诊断技术的发展及应用现状

超声图像诊断技术是临床诊断中应用最广泛的图像诊断技术之一,其快速发展促进了临床诊断水平的进一步提高。主要论述超声图像诊断技术的发展历史和A型、M型、B型超声诊断技术、超声多普勒成像技术、三维成像技术以及谐波成像技术及其临床应用现状。

微泡对高强度聚焦超声焦域影响的研究

微泡对高强度聚焦超声(HIFU)治疗具有增效作用,而HIFU治疗中不同声学条件下微泡对HIFU治疗焦域的影响尚不清楚。本文基于声传播方程、Yang-Church气泡运动方程、生物热传导方程、时域有限差分法(FDTD)、龙格-库塔(RK)法数值仿真研究输入功率、激励频率和气泡初始半径对HIFU在含气泡体模中形成焦域的影响,并利用含Sono Vue造影剂的仿组织体模研究进行实验验证。结果表明,增大输入功率、气泡初始半径和升高激励频率均可增大焦域,随着输入功率的增大,焦域形状可能发生变化,而随着激励频率升高和气泡初始半径的增大,焦域会向远离换能器的方向移动。

血流对HIFU肿瘤治疗影响的数值仿真研究

在高强度聚焦超声治疗肿瘤问题的研究中,高强度聚焦超声(high-intensity focused ultrasound,HIFU)治疗大血管周边的肝肿瘤时,血流对HIFU形成可治疗焦域的影响难以预测和实时监控,可能导致肿瘤组织残留或者血管的损伤等临床治疗问题。为了预测大血管对HIFU肝肿瘤治疗的影响,以HIFU治疗血管周边肿瘤为例建立三维仿真模型,利用Westervelt声传播方程及Pennes生物热传导方程,用时域有限差分法数值仿真HIFU治疗形成的温度场。仿真结果表明,当大血管位于目标治疗区域附近时,血管位置对60℃以上可治疗焦域的形状、大小及位置均有显著影响,但血流速度的影响很小。而当血管位于目标治疗区域内部时,血流速度对可治疗焦域的影响不可忽略。上述研究结果可为HIFU实际临床治疗提供理论数据和参考依据。

骨骼对于高强度聚焦超声聚焦影响的实验研究

目的:测定高强度聚焦超声(HIFU)经过羊肩胛或人体离体颅骨形成的声压场及焦域,研究骨骼对HIFU聚焦的影响。方法:单阵元换能器发射超声波,经羊肩胛骨或者人体颅骨聚焦,通过水听器测量形成声场,通过含蛋清仿组织体模测量不同辐照条件形成的焦域大小。结果:羊肩胛骨及人体颅骨均可对声压造成极大的衰减;经骨骼后在激励功率达80 W时焦点声压与纯水中激励功率2 W相近,羊肩胛骨激励条件250 W、辐照时间3 min下可使仿体组织产生焦域;颅骨则在最大强度300 W、5 min下无焦域产生。结论:HIFU经骨骼聚焦时,增大输入功率或辐照时间,焦域体积增大。在单阵元换能器辐照环境下,经骨骼聚焦困难,焦点声压较低,形成焦域较小或无焦域形成,增大时间骨骼易产生热损伤。

血管对高强度聚焦超声焦域影响的体模实验研究

目的:通过含蛋清的仿组织体模模拟血管,实验研究血流、血管位置及管径对高强度聚焦超声(HIFU)形成焦域的影响。方法:以模拟血液流动的仿组织体模血管模型为对象,在水槽进行HIFU辐照实验,分析一定超声治疗剂量条件下不同血流、血管位置和管径对血管周边形成变色焦域体积的影响及其变化规律。结果:血流对HIFU焦域有一定的冷却效应;焦点与血管距离越近,焦域受血管影响越明显;直径2 mm血管在声轴上且位于焦点之后时与焦点的距离大于3 mm,血管位于焦点之前且距离大于8 mm,血管对HIFU焦域的影响可以忽略不计;直径2 mm血管中心垂直偏离声轴大于3 mm时,血管对焦域的影响同样也可以不予考虑;管径越大在其周边形成的焦域体积越小。结论:血管与焦点的相对距离越远,血管对HIFU焦域的影响越小,当血管远离焦点一定距离时其影响可以忽略不计。

多通道超声相控阵驱动控制系统设计

低强度经颅聚焦超声是一种利用脉冲聚焦超声调控脑神经元的治疗技术。为抑制人颅骨的非均质性和个体结构差异影响,须对多阵元相控阵聚焦换能器的各阵元进行参数调控实现经颅精准定位聚焦,各阵元参数调控需通过相位控制和驱动电路系统来实现。该文设计并搭建了一种基于直接数字式频率合成技术的多通道相位、幅值独立可调的相控驱动系统。实测结果表明,可实现正弦波和方波高精度相控输出,输出信号电压峰峰值在0-37.5 V可调,相位分辨率为0.1°,延时误差小于1 ns,可满足多阵元相控阵聚焦换能器驱动及其所需相位分辨率的需要。

经颅超声刺激人脑海马的数值仿真研究

颞叶癫痫、阿尔兹海默症等神经系统疾病与大脑海马的异常放电相关。近年兴起的经颅超声刺激治疗脑疾病具有无创、能深入脑组织和可调控海马神经元放电的特点。该文基于128阵元相控阵换能器、人头颅CT数据、水体建立超声经颅刺激海马数值仿真模型,数值仿真优选适应于海马刺激的换能器结构参数,并结合电容模型,探究超声声学参数对海马神经元放电的影响。结果表明曲率半径90 mm、开口半径56 mm、阵元半径2.0 mm、频率0.9 MHz的128阵元相控超声换能器可形成适应于刺激人脑海马大小的焦域;且在超声频率为0.9 MHz时对海马神经元放电有较好的抑制作用;在较小的占空比和较低的空间峰值时间平均声强条件下对神经元放电有较好的抑制作用。

HIFU热疗生物学焦域温场的研究及其现状(综述)

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound,HIFU)热疗是利用超声的易聚焦性、生物体内穿透性强等物理特性,将超声波发生器发射出的低能量超声波聚焦于人体内肿瘤组织处,在焦点处产生的瞬态高温效应(>65℃)、空化效应、机械效应和声化学效应的作用下,使靶区肿瘤组织凝固性坏死的肿瘤治疗方法。由于这种治疗方法具有非创伤性、不易引起癌细胞转移、病人痛苦小、治疗后康复快等优点而被应用于临床。现在,HIFU热疗研究也是众多研究者关注的热点。

相控阵激励信号对经颅HIFU焦域影响的仿真研究

目的:研究相控阵激励信号对高强度聚焦超声(HIFU)经颅骨聚焦形成焦域的影响,解决HIFU经颅聚焦焦点偏离并对颅骨及其周边组织造成热损伤的问题。方法:基于时间反转法提出利用互相关关系调制阵元激励信号相位及幅值的方法,根据临床实际建立人头颅CT数据和相控阵的三维头颅数值仿真模型,以时域有限差分法数值仿真HIFU经颅形成的声压及温度场,分析相控阵激励信号对HIFU经颅形成焦域的影响。结果:通过调制相控阵激励信号的相位,可使HIFU在设定焦点处聚焦;通过调制激励信号的幅值,可使焦点处最大声压和最高温度升高;通过调制不同环阵元激励信号的幅值,可降低聚焦时颅骨处的温度。结论:调制相控阵激励信号可实现经颅HIFU精准高效聚焦,增大在焦点处的声能量聚积;调制不同环阵元激励信号的幅值,可降低颅骨的温度,防止对颅骨周边组织造成热损伤。