【摘 要】
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目的:针对聚焦超声消融浅表病变组织过程中缺乏有效的组织损伤监测手段问题,本研究基于收发一体高频聚焦超声换能器,探索并构建了一种超声治疗和超声脉冲回波信号检测系统,并利用该系统检测到的回波信号变化情况评估聚焦超声的消融效果。这有望为聚焦超声消融浅表组织提供一种有效的组织损伤检监测方案和途径。方法:首先对高频聚焦超声换能器进行声场仿真与实际声场扫描对比,得到该换能器的声场分布,并扫描其阻抗曲线和电声转
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目的:针对聚焦超声消融浅表病变组织过程中缺乏有效的组织损伤监测手段问题,本研究基于收发一体高频聚焦超声换能器,探索并构建了一种超声治疗和超声脉冲回波信号检测系统,并利用该系统检测到的回波信号变化情况评估聚焦超声的消融效果。这有望为聚焦超声消融浅表组织提供一种有效的组织损伤检监测方案和途径。方法:首先对高频聚焦超声换能器进行声场仿真与实际声场扫描对比,得到该换能器的声场分布,并扫描其阻抗曲线和电声转换效率测试,保证换能器良好的工作性能。随后通过k-wave工具包对超声脉冲回波信号的产生与传播过程进行理论仿真验证。然后以离体牛肝组织为实验材料,将治疗用超声换能器同时作为损伤检测传感器,构建集聚焦超声治疗与组织损伤监测一体化的超声脉冲回波信号检测系统。将获取的超声脉冲回波信号进行滤波,提取焦域范围内的回波信号包络,进而得到包络信号的积分值,用该积分数值大小来表征超声脉冲回波信号的强弱。用超声脉冲回波检测信号分别对辐照前、辐照间隙和辐照后焦域组织损伤进行检测,得到超声脉冲回波信号变化与组织损伤之间的关系。结果:1、该换能器具有良好的声场分布,轴向和径向旁瓣均较小,实际声场扫描结果与仿真声场相符合。换能器的谐振频率和反谐振频率分别为10.5MHz和11.7MHz。在9.4MHz到10MHz之间其电声转换效率在40%以上,最高可达45%,测量结果证明了该换能器能够适应各项实验研究。2、基于k-wave仿真工具箱,创建了超声脉冲回波信号的产生与传播模型,分析了超声信号在不同层介质之间的传播过程,得到了换能器最终接收到的超声脉冲回波信号。通过改变虚拟焦斑组织的声学参数,得到超声脉冲回波信号随组织变性的关系,当温度小于60℃时,焦域处的超声脉冲回波信号没有较明显变化,而当温度大于60℃时,随着温度持续升高,回波信号也随之增强;同时通过改变虚拟焦斑组织的大小得到了超声脉冲回波信号强度随焦斑的增大而增强的结论。实验结果为后续离体组织实验提供了理论依据。3、构建的超声治疗与组织损伤监测一体化的超声脉冲回波信号监测系统具有良好的灵敏性和稳定性,通过设置不同的辐照模式,超声脉冲回波信号变化均能够反映出组织损伤的变化情况,回波检测信号强度随辐照回合的增加而增大,轴向组织切面损伤面积也随之增大,在短时高功率的条件下,辐照一、二、三回合后靶组织损伤面积分别为0.395±0.01mm~2,0.811±0.019mm~2,1.327±0.065mm~2,当靶区组织产生极微小损伤时,也可通过超声脉冲回波信号进行判别,离体牛肝组织实验取得了良好结果。结论:针对当前聚焦超声消融浅表组织尚无有效损伤监测的迫切问题而开展研究,开发了集超声治疗和损伤监测于一体的超声脉冲回波信号检测系统,根据换能器接收的回波信号变化可以判断离体组织亚毫米级损伤的形成,且回波信号的强弱与离体组织损伤大小吻合度良好。这为聚焦超声治疗浅表组织提供了一种具有一定应用前景的损伤监测方案和手段。
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