聚焦换能器焦域声场扫描路径规划及测量

聚焦换能器的焦域声压扫描是其声学特性计量的重要步骤,而传统的扫描路径测量效率较低,提出基于聚焦声场分布特征的扫描路径规划方法。首先给出了实验方案和原理,分析了聚焦换能器声场的焦域声场特性,然后对聚焦换能器进行有限元仿真分析,获得焦域声场的声压分布,根据声场同心圆分布特性,以焦点处为0 dB声压级,获得不同声压级对应区域作为水听器扫描特征区域。最后,搭建了实验系统,实验结果表明,-6 dB的焦域长度和宽度等参数均与理论值、传统机械测量机构的测量值一致,保证了测量精度并且有效提高了测量效率。

高强度聚焦超声生物学焦域温场研究

采用热电偶探针测温系统 ,研究了运用JC A型HIFU聚焦超声肿瘤治疗系统定点辐照新鲜离体牛肝脏的生物学焦域温场分布。研究结果表明 :焦域中心温度最高 ,温升可达 74 .4± 1.5℃。在空间上 ,远离焦点温升快速下降 ,Z轴有效温升宽度 12 .4mm ,X、Y轴有效温升宽度均为 5 .4mm。X、Y、Z轴有效温升宽度与生物学焦域大小一致。光镜下 ,生物学焦域与周围正常组织分界清楚。所以 ,在空间上 ,由生物学焦域中心向外缘 ,能量递减十分陡峭 ,具有“刀”的特征。高强度聚焦超声对深部组织定位损伤在空间上是精确的、有效的、安全的。

高强度聚焦超声形成生物学焦域的剂量学研究

目的 研究辐照剂量对高强度聚焦超声生物学焦域形状、大小的影响 ,探讨高强度聚焦超声 (highintensityfo cusedultrasound ,HIFU)形成生物学焦域的剂量学。方法 运用JC A型Haifu聚焦超声肿瘤治疗系统 ,使用 1.6MHz、焦距12 0mm聚焦超声换能器 ,以 7× 10 3～ 2 7.7× 10 3W cm2 、辐照时间 1～ 2 0s的剂量定点辐照深度为 2 0mm的新鲜离体牛肝脏 ,辐照结束后沿凝固性坏死最大面剖开 ,测量生物学焦域的长、短轴和体积。结果 HIFU生物学焦域不等于声焦域。随着声强和辐照时间的增加 ,HIFU生物学焦域体积增加 ,其形态亦由椭圆体演变成圆锥体 ,且当声强增加时 ,圆锥体HIFU生物学焦域出现的更早。当声强一定 ,随着辐照时间的增加 ,HIFU生物学焦域形态指数 (K)逐渐减小。结论 辐照剂量影响HIFU生物学焦域的形状和大小 。

高强度聚焦超声肝脏生物学焦域及超声监控

目的 探讨在相同声强作用下 ,高强度聚焦超声经体外辐照肝脏形成的生物学焦域体积大小与辐照深度和辐照时间的关系。同时探讨超声显像法实时监控生物学焦域的图像变化规律。方法 采用重庆医科大学医学超声工程研究所自主研制的JC A型HIFU肿瘤治疗系统 ( 1MHz ,5 5 0 0W·cm-2 ) ,对 18只山羊的肝脏组织进行体外定点脉冲辐照 ,辐照深度为距皮肤 3cm和 4cm ,辐照时间为 5s、10s、15s和 2 0s。辐照过程中系列测量靶区超声灰度和强回声区面积的变化。辐照后 3～ 5天处死动物 ,剖腹观察并测量所形成的肝脏HIFU生物学焦域的体积。结果 肝脏经体外HIFU辐照后即刻 ,靶区内出现明显的回声增强并随观测时间延长而逐渐降低。强回声区面积随辐照时间增加而增大。辐照时间为 5s、10s、15s和 2 0s ,辐照深度为 3cm时 ,形成的生物学焦域体积分别为 ( 85± 2 8.0 )mm3 、( 2 74± 5 5 .0 )mm3 、( 4 10± 90 .0 )mm3 和 ( 694± 13 1.0 )mm3 ;而辐照深度为 4cm时 ,肝脏HIFU生物学焦域体积则分别为 :( 63± 7.0 )mm3 、( 167± 2 5 .0 )mm3 、( 2 73± 5 6.0 )mm3 和 ( 4 72± 10 4.0 )mm3 。结论 在相同辐照声强作用下 ,肝脏HIFU生物学焦域体积随辐照时间的增加而增加 ,随辐照深度的增加而减小。

生物学焦域的概念及在高强度聚焦超声切除组织中的作用

本实验研究和比较了高强度聚焦超声(HIFU)所致体内深部组织凝固性坏死灶的形状和大小.结果显示参照同样的治疗参数,HIFU所致凝固性坏死灶的大小和形状在体内和体外有较大的差异.体内体积与治疗参数、靶组织的结构、功能和运动有密切关系.与物理学焦域比较,凝固性坏死灶体积亦可能命名为HIFU的生物学焦域.

高强度聚焦超声的生物学焦域研究

研究高强度聚焦超声(HIFU)在组织内能量的存积规律及表达方式.用JC型聚焦超声肿瘤治疗系统将超声波聚焦,辐照离体的牛肝、肾、肌肉组织和活体的猪肝、肾、肌肉组织,观察单点凝固性坏死的形成和体积变化规律.无论离体、活体组织的凝固性坏死点的形态和体积均不同于声学焦域;如果声强为7×103～25.4×103W/cm2,辐照时间为0～20s,则凝固性坏死点的体积为0～2000 mm3;同一剂量辐照下,不同组织结构、不同功能状态、不同组织深度所形成的单点凝固性坏死的体积不同.整块肿瘤的凝固是由一个一个小点状的凝固性坏死组合而成.把这个点状的凝固性坏死范围叫做HIFU的生物学焦域.生物学焦域是HIFU切除肿瘤的基本单元.它是声学焦域、声强、辐照时间、治疗深度、组织结构及功能状态的函数.

生物学焦域概念及HIFU治疗剂量的研究

目的:探讨HIFU的生物学焦域形态及变化规律及其在HIFU治疗剂量研究中的作用.方法:观察离体牛肝、肾、肌肉组织及活体猪肝、肾、腿的生物学焦域形态及变化规律.结果:本研究发现,生物学焦域形态可为椭圆形,长轴与短轴比为2～3:1,它可以小于、等于或大于声学焦域;通过点、线、面、体的组合,可以达到对不同大小、形状的组织进行完全性覆盖的目的.HIFU的生物学焦域受到许多因素的影响,其中组织结构、功能与辐照深度的影响尤为明显.结论:生物学焦域是以声学焦域的形态、大小为基础,是声强、辐照时间、辐照深度、组织结构及功能状态(血液灌注速率、生理性位移等)的函数.这为体外"切除”肿瘤提供了基本单元,也是HIFU治疗剂量学的理论基础.肿瘤防治杂志,2001,8(特)

超声消融剂量与生物学焦域特征

目的了解超声消融剂量与其产生的生物学焦域特征之间的关系。方法以JC型聚焦超声肿瘤治疗系统(治疗头频率1.6MHz)定点辐照方式消融离体牛肝组织,消融深度固定为20mm。声功率为60～200W,对应每级声功率,消融时间分别为1～20s。相同剂量重复3次。消融毕观察靶区形态特征,测量坏死区域长、宽径,计算形态指数和面积。结果生物学焦域形态具有多样性,形态指数随消融剂量增大而变小。生物学焦域与超声消融剂量之间存在正相关关系(y=0.0164X1.0591,R2=0.9238,P<0.05)。结论了解超声消融剂量与生物学焦域之间的关系有利于消融过程中选择消融剂量。

高强度聚焦超声在肿瘤治疗中的焦域模型

高强度聚焦超声 (High intensity focused ultrasound,HIFU)技术作为一种新兴的肿瘤微创外科治疗技术 ,正日益引起人们的高度重视。尤其是相对于某些浅表肿瘤 ,如乳腺癌 ,HIFU技术可以在保证治疗效果的同时 ,最大限度的减低治疗过程对患者的伤害。本文根据细胞热致死理论 ,利用 Ω值表达式法对 HIFU治疗过程中的焦域形成进行了仿真数学模型的建立 ,并通过非相干多元阵自聚焦系统建立实验模型进行试验 ,结果表明本文提出的焦域模型对实际加热过程的模拟是可靠的 。

HIFU治疗系统焦域温度的检测方法

高强度聚焦超声(HIFU)是近年来迅速发展的肿瘤治疗技术,随着技术的不断成熟,临床应用也越来越广泛,其治疗原理是将高强度的超声能量聚焦在靶区肿瘤组织,焦点区域在极短的时间内产生高温,从而使肿瘤组织发生凝固性坏死,达到治疗目的。HIFU作为一种热消融疗法,需要有良好的温度测量技术来保证治疗的安全和疗效。该文针对目前国内外已有的焦域温度检测方法做简单阐述。

聚焦超声换能器焦距与直径比值对高强度聚焦超声透过条状障碍物的生物学焦域的影响

目的探讨聚焦超声换能器的物理参数换能器焦距与直径的比值(f-number)对高强度聚焦超声(HIFU)透过条状障碍物的生物学焦域的影响。方法分别选用f-number为0.65(1.0-200-130)和f-number为0.85(1.0-200-170)型换能器在离体牛肝中进行HIFU辐照。将肋骨置于换能器与焦平面之间,HIFU声束轴线在B超的引导下,分别沿肋间隙正中聚焦、肋骨边缘聚焦和正对肋骨聚焦。在每种聚焦方式下,肋骨置于距焦平面3、6、9 cm处。HIFU声束透过肋骨聚焦,在牛肝中的辐照深度为20 mm,辐照功率250 W,辐照时间10 s;辐照方式采用定点辐照。辐照结束后切开牛肝,观察和记录生物学焦域的形成率与体积。结果在其他辐照参数相同的情况下,f-number为0.65透过肋骨后生物学焦域的形成率和体积均较f-number为0.85时大(除f-number为0.85正对肋骨聚焦,肋骨距焦平面3 cm外)。结论聚焦超声换能器f-number不同,HIFU透过肋骨所形成的生物学焦域形成率与体积不同。

球面自聚焦换能器声场的焦域温度分布估计

利用声场叠加原理 ,对大口径球面自聚焦换能器的声场分布进行了模拟 ,以声强下降一半为界 ,确定了球面自聚焦换能器辐照组织的主要加热区域。从热量传递概念出发 ,对焦域内的温度分布和温度随时间的变化做了合理估计。结果表明 :焦域内组织温度分布与声场分布类似 ;在一定时间和区域内 ,组织温度可以迅速上升 2 3℃以上 。

C形纵剖面部分球冠换能器结构对声焦域的影响

在球带腔形聚焦超声换能器的基础上,设计一种C形纵剖面部分球冠聚焦超声换能器,研究其结构参数变化对声焦域形态的影响。通过建立的有限元仿真模型,分别讨论了换能器的球带高度和聚焦夹角与焦域形态的变化关系。结果表明,球带高度越高、聚焦夹角越大,其焦域尺寸越小,焦域长轴与短轴的比值越低,焦域趋近于圆形,尤其是当球带高度为1.6F(F为焦距)、聚焦夹角≥210°时,其焦域三轴尺寸均可达到亚波长尺度。为验证仿真结果的正确性,设计制作了一个可改变聚焦夹角的换能器并进行了测试,实验与仿真结果大致相符。设计的换能器相对于传统行波换能器,焦域形态得到了明显改善,能够压缩焦域长短轴之比,有效提高聚焦精度,为改善聚焦超声换能器焦域形态提供了一种设计方法。

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。

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。

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。

变厚度聚焦换能器对声焦域轴向长度影响的研究

针对不同厚度的病变组织,改变声焦域轴向长度能提高高强度聚焦超声在临床治疗过程中的安全性和有效性。基于多频超声波叠加原理,该文提出了变厚度(多频)聚焦换能器,并设计了两种类型变厚度聚焦换能器。根据瑞利积分法推导了变厚度聚焦换能器声场,计算和分析了变厚度聚焦换能器的声焦域轴向长度,并与等厚度(单频)聚焦换能器声焦域轴向长度进行对比。结果显示,变厚度聚焦换能器中心到边缘的厚度变化趋势与声焦域轴向长度变化相关,中间薄两边厚换能器声焦域轴向长度缩短,中间厚两边薄换能器声焦域轴向长度变长,且实验验证了理论的正确性。研究结果可为变厚度聚焦换能器声场研究和高强度聚焦超声的临床治疗提供参考。

仿生物组织模型对高强度聚焦超声焦域影响的研究

运用有限元仿真分析了生物组织声学特性对高强度聚焦超声(HIFU)焦域的影响,为HIFU治疗安全性和可靠性提供理论依据。应用超声传播方程以及频域有限元算法(FEM)仿真HIFU治疗过程中因组织特性和厚度引起的焦域变化,并制作仿生物组织模型,进行实验验证焦域变化,分析讨论组织特性和厚度对聚焦区域、位置的影响。结果表明:随着声速增大,焦域尺寸不变,焦域向换能器一侧靠近;随着厚度增大,焦域尺寸基本不变,如果组织声速大于水的声速,则焦域向换能器一侧靠近;如果组织声速小于水的声速,则焦域向远离换能器一侧移动。

HIFU治疗中生物组织对声学焦域及声的非线性影响的研究

生物分层组织是高强度聚焦超声治疗中最常见的声通道组织。通过研究生物组织对声学焦域的影响,可以为高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗安全性和可靠性提供理论依据。基于Westervelt方程,利用频域和时域有限元算法仿真HIFU治疗过程中超声透过分层组织后的焦域变化,并用新鲜离体猪肉组织进行实验验证。结果表明:生物组织声学特性的差异性和结构的不均一性使HIFU的声学焦域位置发生改变,尤其在声焦平面内,相对2.5 mm的焦域宽度,1 mm的偏移量将会对HIFU治疗精准性产生影响;声通道中存在生物组织,超声声束不会发生扩散,没有散焦现象,焦域宽度维持在2.38~2.79 mm范围内;HIFU透射生物组织,声学焦域的非线性有明显的减弱,谐波次数越高,衰减程度越大,实验中基波声衰减值为9.97 dB,二次谐波声衰减值为22.33 dB,三次谐波声衰减值为28.05 dB,四次谐波声衰减值为31.06 dB,五次谐波已衰减消失。

超声治疗生物体焦域温度理论研究

本文研究了在凹球面聚焦换能器作用下,一生物体软组织的温度升高情况。通过生物热传导方程,运用分离变量的方法,推导出了超声作用于生物软组织,焦域温度随时间变化的解析解形式。并通过实验模拟出软组织内焦域温度随时间的变化情况。