任意波聚焦相控阵超声系统研究及双频溶栓应用
发布时间：2020-10-09 09:41
超声具有非侵入式、分辨率高、无副作用等特点,成为了一种重要的医学成像手段,广泛应用于临床诊断。由于超声的优越性,近年来越来越多的学者将超声引入到医学治疗领域,并且得到了广泛的应用。就治疗超声而言,根据聚焦超声剂量的不同,可以分为高强度聚焦超声和低强度聚焦超声。高强度聚焦超声通常应用于肿瘤消融以及溶栓。低强度超声则应用于神经调控、血脑屏障打开以及靶向给药。目前,相关研究工作都是基于单一频率单阵元换能器超声系统或单一频率阵列式换能器超声系统完成的。然而,已有一些文献报道双频率超声可以提高超声治疗效果。但由于当前电子激励系统的限制,双频超声在实验设计上受到诸多限制,研究较少。因此,本课题提出一种面向超声治疗应用的双频阵列式超声系统,便于实施新型的双频超声激励序列,以达到更好的治疗效果。具体而言,本课题开展了如下工作:1)相对于单阵元超声换能器,阵列超声换能器可以通过电子扫描的方式改变焦点位置,其应用范围较广。本文从实际应用角度出发,设计了一种128通道任意波相控阵聚焦超声系统。基于本系统,可以实现双频率超声激励,以及其他新型的激励序列。从电子学性能和声场方面进行了测试工作,验证了系统的性能。将本超声系统与联影磁共振设备协同工作,验证了磁兼容的性能。2)大规模超声阵列系统,可以形成更复杂的声场。尤其是在经颅聚焦超声应用中,可以抑制颅内驻波形成。优势非常明显。为此,本课题提出一种基于光纤时钟同步的方法,来扩展相控阵列的规模。通过光纤时钟同步器,可以将多个128通道任意波相控阵聚焦超声子系统级联起来,协同工作,发挥大规模超声阵列系统的优势。3)为了验证系统的性能,在均匀介质中开展了单焦点聚焦以及动态聚焦实验。此外,还利用声场扫描设备,定量测量了声场分布情况。4)在超声治疗应用层面,本文开展了双频率超声溶栓实验,探究了不同激励参数(如脉冲重复频率、占空比、能量)对溶栓效率的影响。经过大量的对比实验,发现双频超声相对单频超声溶栓效率可以提高大约30%,治疗时间可以减半。综上所述,本课题提出了一种面向超声治疗应用的双频阵列超声系统,并利用光纤时钟同步器扩展了换能器的阵元规模,发挥了大规模超声阵列系统的优势。基于本课题设计的超声系统,实现了新型的双频超声激励序列,降低了溶栓治疗中的超声剂量,显著提高超声溶栓的治疗效果。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB559
【部分图文】：
技术向前继续推进了一步，为临床患者接受高质量的 HIFU 治疗提供了必要的技术保障。图1.1 Insightec MRgFUS一体设备Figure1.1 Insightec MRgFUS integrated machineHIFU 技术除了在肿瘤消融领域的应用，还被应用于溶栓，为心血管疾病探索出一种新型的治疗手段。(Maxwell, Cain, Duryea et al., 2009a)开展了超声离体溶栓试验，(Wright, Hynynen and Goertz,2012)开展了在体超声溶栓试验。试验结果均表明，超声的空化效应能够在较短时间内，将血管中的血块粉碎成微小颗粒。同溶栓药物相比，该技术治疗时间可以大大缩短，另外，超声是一种无创的治疗手段，外科介入的治疗手段，需要植入血管支架，有着大出血的潜在风险。(Liuand Hsieh, 2009)采用双频率信号（信号 1 的频率为 83KHz，信号 2 的频率范围：170KHz—290KHz）同时激励单阵元换能器，获得了更强的空化效应。(Suo,Guo,Lin et al., 2015)采用单阵元双频超声溶栓
图1.2分离式聚焦超声示意图Figure1.2 Schematic diagram of discrete focused ultrasound通过文献研究发现，一方面，当前 FUS 驱动系统设计上一个明显的缺陷在于的换能器通道数上都处于一个较小的规模，并且，系统设计上并没有考虑扩需求，后期扩展无法实现或者较难实现。而(Song,Pulkkinen,Huangetal.,2012的研究结果表明，增加 FUS 通道数，是一种降低超声跨颅热损失、降低、颅内驻波形成的重要手段。而另一方面，当前的 FUS 驱动系统驱动波形较一（方波、正弦波等），而实际上，超声换能器在频率带宽范围内，均可以的实现电声转化。若采用 2 种或多种频率接近的激励信号同时激励超声换能形成新型的激励序列 ，在诸如血脑屏障的打开、聚焦区域的热消融等应用以获得更好的效果。当前现有的技术，多是利用单一的正弦波或者方波激励
第 2 章 相控阵超声系统的硬件设计图2.2任意波形发生器框图Figure2.2 the block diagram of arbitrary waveform generator开始
本文编号：2833529
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB559
【部分图文】：
技术向前继续推进了一步，为临床患者接受高质量的 HIFU 治疗提供了必要的技术保障。图1.1 Insightec MRgFUS一体设备Figure1.1 Insightec MRgFUS integrated machineHIFU 技术除了在肿瘤消融领域的应用，还被应用于溶栓，为心血管疾病探索出一种新型的治疗手段。(Maxwell, Cain, Duryea et al., 2009a)开展了超声离体溶栓试验，(Wright, Hynynen and Goertz,2012)开展了在体超声溶栓试验。试验结果均表明，超声的空化效应能够在较短时间内，将血管中的血块粉碎成微小颗粒。同溶栓药物相比，该技术治疗时间可以大大缩短，另外，超声是一种无创的治疗手段，外科介入的治疗手段，需要植入血管支架，有着大出血的潜在风险。(Liuand Hsieh, 2009)采用双频率信号（信号 1 的频率为 83KHz，信号 2 的频率范围：170KHz—290KHz）同时激励单阵元换能器，获得了更强的空化效应。(Suo,Guo,Lin et al., 2015)采用单阵元双频超声溶栓
图1.2分离式聚焦超声示意图Figure1.2 Schematic diagram of discrete focused ultrasound通过文献研究发现，一方面，当前 FUS 驱动系统设计上一个明显的缺陷在于的换能器通道数上都处于一个较小的规模，并且，系统设计上并没有考虑扩需求，后期扩展无法实现或者较难实现。而(Song,Pulkkinen,Huangetal.,2012的研究结果表明，增加 FUS 通道数，是一种降低超声跨颅热损失、降低、颅内驻波形成的重要手段。而另一方面，当前的 FUS 驱动系统驱动波形较一（方波、正弦波等），而实际上，超声换能器在频率带宽范围内，均可以的实现电声转化。若采用 2 种或多种频率接近的激励信号同时激励超声换能形成新型的激励序列 ，在诸如血脑屏障的打开、聚焦区域的热消融等应用以获得更好的效果。当前现有的技术，多是利用单一的正弦波或者方波激励
第 2 章 相控阵超声系统的硬件设计图2.2任意波形发生器框图Figure2.2 the block diagram of arbitrary waveform generator开始
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 ;The clock system for LHAASO WCDA based on reduced White Rabbit[J];Nuclear Science and Techniques;2012年04期
相关博士学位论文 前1条
1 李成;大型物理实验装置高精度时间同步技术研究[D];中国科学技术大学;2012年
本文编号：2833529
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/2833529.html
