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研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)是一种治疗良恶性肿瘤的微无创方法。它是把体外低能量的超声聚焦到体内,焦点处组织吸收超声能量发生不可逆的凝固性坏死,而又不损害靶区以外的正常组织。然而,现有的行波聚焦方式(透镜式、相控阵和球壳式等)在行波场中形成的焦域在声轴线上为10个波长,垂直声轴线为1~2个波长,且对连续波而言焦点处声压达到107Pa。这对进一步实现更安全、更有效、更高效的治疗提出了挑战。两端开口的球形聚焦集声器的内表面既是声波的发射面也是声波的反射面。当球心处声波和反射的声波相位相同时,将在球心形成较大声压的驻波。空化泡群在驻波场中被约束在球心。因此,球形集声器可以在亚波长的焦域内实现高声压。这对提高HIFU精准、高效地消融具有潜在应用价值。此外,随着静水压力的增加,空化阈值会增加,焦点处空化泡群的活动情况会越剧烈。据文章报道:静水压力为30MPa时,崩溃时气泡中心的压力达到了4400GPa并维持了35ps,密度约为水的8倍,而温度更是达到了200,000K。静水压力是20MPa时,崩溃时气泡中心的压力达到了250GPa而温度更是达到了100,000K。而且随着静水压力的增加,空化泡群具有的能量越大。静水压力是10MPa时切断直径是0.9mm的钢丝只需要几秒。静水压力是20MPa时切断直径是0.9mm的钢丝不到半秒。这使得我们对声空化现象有了新的认识。如果能够在时间上和空间上把这种能量用于医学领域和工业领域,将会提高超声领域在临床的适用范围和促进工业发展。为了研究在不同静水压力下两端开口的球形集声器中焦点处空化泡群的活动情况。本文第一部分通过Nikon相机拍摄不同静水压力下空化泡群的活动,研究静水压力对空化泡群活动范围的影响。第二部分采用em ICCD和光谱仪研究空化泡群的声致发光强度,阐明静水压力对空化泡群活动程度的影响。目的本文主要阐明不同静水压力、不同驱动功率下球形聚焦集声器焦点处可约束多泡的活动和声致发光情况,加深对声空化现象的认识。方法1.本部分采用频率0.6MHz、直径500mm、开口256mm、高度474mm的两端开口的球形集声器。通过Nikon数字相机快速拍摄不同静水压力(介质水的溶气量是0.91mg/L),不同驱动功率1000W、2000W和3000W下,球形集声器焦点处空化泡群的活动情况。利用Matlab对数码相机拍得的照片进行处理,并与标尺进行对比得到空化泡群的面积。在暗室环境下,Nikon相机拍摄不同静水压力(介质水的溶气量是0.91mg/L)、不同驱动功率1000W、2000W和3000W下空化泡群的发光情况。2.本部分采用球形集声器的参数同上。通过em ICCD相机拍摄不同静水压力(介质水的溶气量是0.91mg/L)、不同驱动功率1000W、2000W和3000W下焦点处的多泡发光(Multi-bubble Sonoluminescence,MBSL)。通过系统自带的Lightfield软件测量多泡发光强度。利用Matlab对em ICCD拍得的图像进行灰度化、二值化和去噪,并统计焦点处像素点个数反映空化泡群发光区域随静水压力的变化。根据弧度公式算得不同静水压力下多泡发光的弧度,以期反映静水压力对空化泡群多泡发光形状的影响。通过软件Origin对发光区域的数据进行平面和三维显示,反映空化泡群剧烈活动的能量分布和能量变化。3.本部分采用球形集声器的参数同上。通过光谱仪拍摄驱动功率为2000W、不同静水压力(介质水的溶气量是0.91mg/L)下和静水压力是3.3MPa,不同驱动电压下焦点处多泡声致发光的光谱。在一定波长范围内,对光谱曲线进行积分得到光强面积,以期反映空化泡群的活动情况。结果1.静水压力从0.1MPa加压至10MPa,空化泡群的活动面积逐渐减小。静水压力为0.1MPa时,空化泡群的面积最大,呈“烟花状”;静水压力为10MPa时,空化泡群的面积最小,呈“点状”;静水压力从2MPa增加至10MPa,空化泡群的面积变化不明显。静水压力一定时,随着驱动功率增加,空化泡群的面积逐渐增大。常压下,驱动功率越大,在液体中形成的空化泡群面积越大。在暗室环境下,当驱动功率相同时,静水压力越大,焦点处的发光区域越明显。静水压力一定时,驱动功率越大,多泡发光越明显,越容易出现声致发光。2.驱动功率一定时,静水压力从0.1MPa增加至10MPa,空化泡群的平均发光强度逐渐增强,发光形状逐渐趋于一个圆且发光区域逐渐变大,空化泡群的能量分布越密集。在空化泡群的中心不是活动最剧烈。静水压力一定时,随着驱动功率增加,空化泡群的发光强度逐渐增强且发光区域逐渐变大。3.驱动功率2000W时,静水压力越大,光谱曲线的光强积分面积越大,这说明静水压力增强球形集声器焦点处可约束的多泡声致发光强度。静水压力一定时,驱动功率越大,光谱曲线的光强积分面积越大,焦点处可约束的多泡声致发光强度越强。结论1.驱动功率一定时,随着静水压力的增加,空化泡群的活动范围逐渐减小,多泡声致发光的范围逐渐变大,多泡声致发光区域逐渐趋于圆,多泡声致发光的强度逐渐增强,空化泡群具有的能量越高且分布越密集。在一定波长范围内,对光谱曲线进行面积积分反映多泡声致发光产生的光子能量增加。2.静水压力一定时,随着驱动功率的增加,空化泡群的活动范围逐渐变大,多泡声致发光的范围逐渐变大,多泡声致发光的强度逐渐增强,多泡声致发光区域趋于圆。静水压力越大,不同驱动功率对空化泡群活动范围的影响很小。在一定波长范围内,对光谱曲线进行面积积分反映多泡声致发光产生的光子能量增加。