医学超声关键技术研究和进展(三) 超声微泡分子成像与治疗以及声孔效应

新的医学超声技术在不断涌现,并且从诊断领域跨入了治疗领域。超声微泡制备技术的快速发展使得它在超声分子成像以及药物输送的作用日趋重要。该文将从超声微泡分子成像与治疗技术和声孔效应方面进行简述和探讨。

基于宽带检测放疗X-光光声效应仿体实验

目的：搭建一个宽带检测的单振元光声信号采集系统采集仿体的光声信号,探讨不同介质X-光光声信号差异和人体切片体模光声信号的去噪方法。方法：带宽为0.10～1.00 MHz的单振元宽带换能器垂直于X-光照射方向在样本一侧采集超声信号,超声信号通过34 d B带宽为0.05～5.00 MHz的前置放大器放大后由数字采集卡（采样率=40.00 MHz）采集并存储到计算机中。首先通过光声信号在整体包络、信号强度、振荡趋势、上下包络所围成的面积等方面差异对4种仿体进行分析。另外对人体切片模体的X-光声信号在有限长单位冲激响应低通滤波的基础上进行小波平移不变量去噪与只对模体光声信号进行小波平移不变量去噪,比较这两种去噪方式的效果。结果：不同仿体光声信号有差异,这种差异与物质的成分和比例相关。对人体切片体模光声信号通过Db3小波基进行5层分解的小波平移不变量去噪,比有限长单位冲激响应低通滤波能更好地提高信号信噪比。结论：利用6 MV医用直线加速器的短脉冲X-光光声信号对介质的差异性及小波去噪有助于提高其对放疗的研究与应用价值。

任意三角形和六边形超声阵元及其高填充率阵列的声场仿真研究

为提高超声设备中二维相控阵列聚焦换能器的面积填充率,提升聚焦区域的超声能量和治疗效率,本研究利用空间脉冲响应理论对任意三角形阵元进行声场计算,通过对三角形阵元进行二维平面旋转完成了六边形阵元声场仿真,并通过对六边形阵元进行三维空间旋转实现了球面阵列聚焦换能器声场仿真。仿真结果显示,六边形7阵元球面填充率提高了6.1%,其-6 dB焦域横向宽度为2.0 mm、纵向长度为30.1 mm;19阵元球面填充率提高了5.5%,其-6 dB焦域横向宽度为1.2 mm、纵向长度为9.8 mm,可实现高精度超声治疗。本研究可为任意三角形和六边形及不规则形状阵元声场仿真提供新方法,且为高填充率的球面聚焦超声换能器设计提供新思路。

X射线光声成像的信号检测与仿真

通过理论仿真和实验检测结果,分析由医用直线加速器产生的X射线照射铅块所产生的光声信号特性.使用光电二极管搭建一个光电检测电路,检测到医用直线加速器所产生的脉冲X射线的光脉冲宽度约为4μs.采用K-wave工具包仿真分析脉冲宽度为几个微秒的光脉冲所产生的光声信号.搭建了一个光声信号检测系统,对比分析分别使用Olypus V301商用探头与自制的PZT-4陶瓷换能器时的检测性能.结果表明,两款探头都检测到了光声信号,V301商用探头检测结果与理论仿真波形一致性较好,但信噪比低,而本研究设计的PZT-4检测灵敏度高,但检测到的信号波形与理论仿真结果偏差较大.两款探头在检测脉冲宽度为4μs的X射线脉冲所产生的声信号时都存在不足,为更好的检测该光声信号,需设计一款中心频率在70 kHz附近、带宽较宽、检测灵敏度较高的探头.

基于机器人操作系统的机械臂辅助超声扫描系统研究

本研究提出了一种基于机器人操作系统(robot operating system,ROS)的机械臂辅助超声扫描系统,旨在减轻超声医生的劳动强度,降低对操作者的依赖,标准化扫查流程,提高扫描操作的准确度和效率。系统由ROS、Kinect V2视觉传感器、六轴机械臂和超声采集装置等硬件平台组成。本系统首先利用Kinect V2实时获取场景的RGB彩色和深度图像,经内外参标定、配准后形成RGB-点云数据用以充分描述三维空间信息。通过对点云进行去噪、分割、表面法向量分析和运动轨迹提取等系列处理,再经由坐标系统转换,本系统即可进行机械臂坐标系统下的路径规划,进而引导机械臂持超声探头到指定区域的表面实施扫描动作,完成超声影像的实时采集。结果表明,基于ROS搭建系统平台,结合Kinect V2视觉导航,本系统可引导机械臂夹持超声探头较快速、较准确、较稳定地到达待扫查区域,实现自主的超声图像采集。

刚性微管内微泡动力学行为的有限元数值分析

本文建立了超声激励下微管内微泡的有限元数值分析方法。计算结果表明微管内微泡的振动受到一定程度的限制。微泡的有效半径膨胀率和振动频率随着微管半径的减小而减小。同时,微管内微泡的形变为非球形,且程度随着入射声压幅值的增大而变得明显。因此,微管内的微泡动力学行为不同于无限大液体中。