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研究背景高强度聚焦超声（High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU）因其非侵入性、靶向性、无辐射等特点被广泛应用于临床肿瘤消融手术,随着临床应用于科学研究的深入,HIFU技术正逐渐被医生和患者所接受。由于HIFU的非侵入性,治疗过程中的损伤情况无法实时直接观测,治疗过程中的焦域实时监测是聚焦超声临床治疗所面临和急需解决的关键问题,目前HIFU所使用的引导和监测的方法主要包括MRI和超声,MRI具有良好的空间分辨率和温度映射,在组织识别上具有较好的优势,但其成本高,实时性较差,限制其在HIFU治疗中的发展。相反,超声因其经济性、便携性和较好的时间分辨率使其成为HIFU治疗的普选解决方案,临床中常依据B超影像和主观经验的灰度变化来评判治疗效果,但传统B超出现的强回声大多都是由空化与沸腾泡造成的强反射引起的,无法准确地监测治疗状态。HIFU治疗的损伤监测是一大研究热点,但目前还未出现可有效应用于临床的方法,因此,HIFU治疗技术亟待新的靶组织监控手段和方案。研究目的针对HIFU的治疗不足或过度治疗以及靶组织损伤状态的不可监视等问题,基于现有的聚焦超声治疗平台构建脉冲式与连续式自感知超声监测系统,依靠HIFU治疗过程中组织声阻抗与声负载变化利用HIFU换能器进行辐照过程中的自监测,为HIFU治疗提供一种轻化、简单和高效的监控方案,以提升HIFU的安全性与稳定性。方法1.HIFU辐照过程中的脉冲式自感知超声监测系统的搭建与实验研究首先通过k-wave仿真工具包开展基于HIFU换能器焦域回波信号接收仿真实验,探究HIFU换能器的自聚焦发射与焦域散射信号接收的过程,验证HIFU换能器对于焦域散射信号的接收性能。其次,在现有HIFU治疗设备上,开发了基于HIFU换能器的脉冲超声发射和回波信号接收软硬件系统,建立回波采集与HIFU治疗一体化的控制系统,实现在HIFU辐照前、辐照间歇及辐照后使用HIFU换能器发射脉冲检测波并采集焦域的散射回波信号,并在不同介质中标定其对焦域散射信号的接收性能。最后,利用该系统在HIFU辐照过程中使用换能器接收到的来自焦域的散射回波信号的幅值特征进行损伤判别,探究回波幅值与损伤之间的内在联系,初步构建了焦域组织凝固性坏死的评价方法。2.HIFU辐照过程中的连续式自感知超声监测系统的搭建与实验研究压电换能器的阻抗会受到声负载变化的影响,通过电压与电流传感器实现HIFU换能器驱动电压与电流信号的在线检测,并基于MATLAB开发环境建立数据采集与处理系统用于实时采集控制与特征信息运算,使用互相关算法提取换能器电压与电流信号的相位角,通过相位角来间接反应换能器阻抗的变化。首先,在换能器焦域处放置不同的介质以改变声传播路径的声负载,基于该系统探究在不同声负载下HIFU换能器阻抗角的变化趋势及换能器对声负载变化的感知灵敏性。其次,开展在离体牛肝组织中的辐照过程中焦域损伤的评判实验,探究损伤的形成与换能器阻抗角间的内在规律,初步构建基于连续式自感知超声的凝固性坏死监测方案。结果1.通过仿真与实验表明,利用HIFU换能器发射脉冲检波可采集到来自焦域的散射回波信号,且由于不同界面的散射信号到达换能器表面的时间不同,在叠加后会相互抵消,而焦域处的信号到达各阵元的相位相同,叠加后则增强。2.构建了脉冲式与连续式自感知超声监测平台。在脉冲式中,实现了HIFU治疗与自监测的一体化,通过在HIFU辐照的间隙通过治疗换能器发射检测脉冲波并同时接收焦域的散射信号来感知焦域的变化。在连续式中,搭建了HIFU换能器驱动电压与电流信号的在线实时监测系统,通过电信号的相位角可较好的反应声负载的变化,进而实现HIFU治疗过程中的焦域损伤实时在线监测。3.在离体牛肝组织中,随着HIFU辐照的进行,焦域散射回波幅值逐渐增大,此时切开组织可见焦域处出现凝固性坏死。4.在换能器焦域处放置水、牛肝和铁板,可见在不同的声负载下换能器阻抗角的稳定性出现不同的变化趋势,当焦域处为牛肝时,其阻抗角的波动较小,而在去除牛肝后,阻抗角则出现大幅波动;在放入铁板后,则较水和牛肝出现更大幅的波动。5.随着HIFU辐照的进行,HIFU换能器驱动电压与电流信号的相位角会出现由相对稳定到大幅波动的过程,此时停止治疗可见焦域处出现损伤,而B超图像没有任何变化。6.以短时间辐照且未出现空化的驱动电压信号为对照组,滤除基波与高次谐波后计算背景噪声能量,与长时间辐照至B超出现灰度高亮的数据进行对比,可见两者的背景噪声能量强度不同,这表明空化声发射信号也会影响到换能器背景噪声的变化。结论1.基于HIFU换能器构建的脉冲式与连续式自感知超声监测系统,可与现有的HIFU治疗设备完好结合,将治疗换能器同时用于治疗与监控,可实现HIFU治疗间隙或治疗过程中的焦域损伤形成的自监测。2.基于脉冲式自感知超声,依靠HIFU换能器接收到的焦域散射回波信号,通过分析其幅值的变化可较好地检测到凝固性坏死的发生,与B超影像相比,该方案能够有效、直观地对靶组织损伤进行评判,有着较好的额灵敏度。3.HIFU换能器焦域附近的声负载的变化可引起换能器驱动电压与电流信号的相位差的稳定性,在不同的声负载下,换能器的相位角会出现不同的波动趋势。4.HIFU换能器驱动电压与电流信号的相位角的波动趋势与HIFU损伤之间存在较好的联系,随着HIFU的辐照,当焦域出现一定程度的损伤时,换能器的阻抗角会出现由相对平稳到大幅波动的变化过程,而此过程中B超影像无名明显变化,基于连续式自感知超声监测系统具有实时性好、灵敏度高的特点。5.空化声发射信号可导致HIFU换能器驱动信号宽带噪声的变化,HIFU换能器不仅有着的良好的发射效率,还具备一定的接收性能,这为HIFU治疗中空化活动的监测提供了一种更为简单、低沉本的自感知方式,无需其他的传感器,使用治疗探头即可实现HIFU治疗过程中的空化监测,为下一步自感知超声在HIFU治疗过程中的空化表征研究奠定了基础。