聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究

发布时间：2017-09-25 23:03

  本文关键词：聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究

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【摘要】：研究背景高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)提供了一个可精确聚焦治疗肿瘤却没有皮肤切口的无创治疗方法。经过几十年的发展,HIFU技术已成功运用于子宫肌瘤、前列腺癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌等良恶性肿瘤的临床治疗。空化效应在HIFU治疗中起着非常重要的作用,一方面,由于声通道上皮肤毛孔、肠道等处含有气体,在HIFU治疗中容易生成空化泡,从而增强热损伤和空化损伤,出现治疗不期望发生的一些毒副作用;另一方面,在焦点处出现可控的空化效应可增强HIFU治疗和超声监控。因而,急需加强HIFU声场,包括焦前区、焦点和焦后区的空化研究。目的借助声致发光、被动空化检测(PCD)等手段,明确由凹球面聚焦超声换能器和两端开口的球形聚焦超声换能器在不同声功率下、不同氧容量的介质水中产生的聚焦声场中活性多泡的活动程度及空间分布信息,这对认识焦前区/焦后区的毒副作用,以及焦点处的生物学效应都具有重要的意义。方法(1)凹球面聚焦超声换能器产生的聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究采用频率446 kHz、直径220 mm、焦距150 mm的凹球面聚焦超声换能器,声功率输出50 W-410 W。借助高速摄像系统和被动空化采集系统(Passive Cavitation Detector,PCD)分别记录不同声功率、不同氧容量下声场中气泡的空间分布及其动力学特征;搭建暗室,使用Nikon数字相机和光电倍增管系统(photomultipliertubes,pmt)分别记录不同输出声功率、不同氧容量下多泡声致发光(multibubblesonoluminescence,mbsl)的空间分布及发光强度。先固定氧容量3.0mg/l,观察不同输出声功率(50w-410w,间隔30w)下,聚焦声场中多泡空间分布、空化信号、多泡发光分布及发光强度变化;再在声功率为140w时,介质水氧容量分别为2.5mg/l、3.0mg/l、3.5mg/l下,聚焦声场中多泡空间分布、空化信号、多泡发光分布及发光强度变化。(2)球型聚焦超声换能器产生的聚焦声场中多泡分布及声致发光研究本部分采用频率446khz、直径为650mm、高度为433mm的球形聚焦超声换能器。利用数码相机拍摄不同驱动电压下,氧容量分别为3.0mg/l、4.0mg/l和4.5mg/l下,聚焦声场中的多泡分布和多泡声致发光。利用matlab图像处理功能对数码相机拍摄得到的球形聚焦声场中不同输出电压下的多泡声致发光分布图进行预处理(去除背景噪声及图像灰度的二值化处理),选择整个声场范围作为感兴趣区域,计算预处理后的二值化数字图片中发光区域的像素个数,以此作为该输出电压下的声致发光强度,统计不同氧容量介质水中多泡发光强度随输出电压变化情况。(3)焦前放入生物组织后聚焦声场中的多泡发光分布和生物组织损伤情况调整介质水氧容量为3.0mg/l,将经过脱气处理的新鲜猪腹壁组织分别置于焦前3cm、4cm和5cm处。借助nikon数码相机拍摄不同输出声功率(50w,140w,230w,320w,410w)下,焦前放入新鲜猪腹壁组织后聚焦声场中的多泡发光分布,并观察在不同hifu声功率下定点辐照30s后猪皮肤组织的损伤情况。结果(1)凹球面聚焦超声换能器产生的聚焦声场中的多泡分布及声致发光研究先固定氧容量为3.0mg/l,观察不同输出声功率(50w-410w,间隔30w)下聚焦声场中气泡分布、空化信号、声场中多泡发光空间分布及发光强度的变化。实验发现当输出声功率较低(如50w)时,由于液-气界面强反射聚焦声场是一个稳定的驻波场,气泡固定于驻波波腹处,pcd检测结果中无明显3-6mhz宽带噪声,声场中焦前区域最先出现mbsl,且多泡同样以驻波场模式分布;增大声功率(如140w),声辐射力作用逐渐凸显出来,推动本固定于波腹处的气泡向焦点方向移动,焦点处开始出现类似火花状的气泡团并向焦后生长,迅速消失,紧接着声场恢复驻波场,而气泡所散射的声信号开始出现高次谐波,宽带噪声在辐照一段时间后增幅明显,声场中发光区域逐渐向换能器表面扩大,焦点附近的发光也有所增强,在此之前声场整体发光强度与输出声功率成正比;当输出声功率足够大时(如350w),气泡团开始在焦域附近稳定剧烈持续抖动并伴随有人耳可听的“嘶嘶”声,焦域附近出现椭圆状发光亮斑,空化信号检测此时宽带噪声在辐照开始便出现并不时伴有瞬间高幅度冲击状信号,空化剧烈发生,气泡团中气泡间相互作用会阻碍气泡震荡,进而降低声场整体发光强度。在固定输出声功率为140w时,介质水氧容量分别为2.5mg/l、3.0mg/l、3.5mg/l下,观察聚焦声场中气泡的动态分布变化、多泡发光空间分布及发光强度的变化。实验结果发现,当介质水氧容量较低(如2.5mg/l)时,聚焦声场中mbsl呈圆锥状主要集中于焦前区域,发光强度较弱;焦点处散射声信号频谱分析表明空化信号主要集中于次谐波及二次谐波且无明显宽带噪声。增大氧容量(如3.0mg/l)后,多泡发光范围向着换能器表面明显生长且发光强度增强;空化信号频谱图表现为高次谐波滋生,而在辐照开始时并无明显的宽带噪声,随着辐照时间的延长,宽带噪声在某一时刻突然增幅明显。当氧容量增大到3.5mg/l时,聚焦声场中mbsl发光范围不再局限于焦前及焦点区域,此时在焦后区域的液-气界面处出现圆盘状发光区域,而焦前区域的多泡发光强度明显减弱;焦点气泡所散射出来的声信号频谱图仍然表现为高次谐波滋生,且声波作用过程中宽带噪声出现明显增幅所需的辐照时间有所缩短。(2)球型聚焦超声换能器产生的聚焦声场中多泡分布及声致发光研究固定氧容量为3.0mg/l时,在驱动电压较小(20v-90v)时,可观察到聚焦超声辐照前本自由扩散于容器中的气泡在驻波场的作用下,嵌入声波的波腹处进行微弱的收缩振荡,此时可看到聚焦声场中的气泡分布及多泡发光空间分布均表现为典型的驻波场。此后继续增大驱动电压(如90v)时,声场中的气泡在辐射力的作用下聚集于球心处,对聚焦声场中多泡发光分布的检测及记录发现此时聚焦声场发光区域由典型的驻波场变为两个区域(y方向呈驻波分布的一束发光点群和距离球心处一定距离呈放射状的环形光圈),且随着驱动电压的增大(90v-300v),外层放射状环形光圈不断向换能器内壁逼近。当驱动电压增大到310v时,球心处出现剧烈抖动的气泡团,且伴随人耳可听的“嘶嘶”声。此时声场中剩下球心处的微弱的圆形发光区域,此后增大输出电压,聚焦声场中多泡声致发光变化不大。介质水的氧容量分别为3.0mg/l、4.0mg/l及4.5mg/l,观察球形型聚焦声场中发光强度随驱动电压的变化趋势。研究结果表明当驱动声压较低(20v-110v)时,氧容量较大一组(4.5mg/l)的发光强度大于其他氧容量组。增大驱动电压后,氧容量较小一组(3.0mg/l)的发光强度大于相对其他两组。(3)焦前放入生物组织后聚焦声场中的多泡发光分布和生物组织损伤情况固定介质水氧容量为3.0mg/l,焦前不同位置(3cm,4cm,5cm)处放置新鲜猪腹壁组织时,在输出声功率分别为50w、230w和410w时聚焦声场中多泡发光的空间分布及组织损伤情况。实验结果可看到由于组织界面对气泡的阻挡作用使得多泡发光区域主要集中于猪皮肤表面和换能器表面之间且呈圆锥状分布。当猪腹壁组织距离焦点3cm,输出声功率为320w和410w时,在皮肤组织上可观察到圆形的热损伤。结论(1)在凹球面聚焦超声换能器中,固定介质水氧容量为3.0mg/l,当输出功率较低时由于液-气界面对声场的强反射,使得声场呈现为典型的驻波场。介质水中的气泡受声场作用固定于波腹处,且此时焦前区域开始出现多泡声致发光,发光也呈驻波场模式分布,且随着输出声功率的逐渐增大焦前发光区域向换能器方向生长。当输出声功率足够大时,聚焦声场中焦点位置附近出现剧烈抖动的气泡团,且伴随人耳可听的“嘶嘶”声,同时气泡团的出现显著减弱了声场整体发光强度;(2)在凹球面聚焦超声换能器中,固定输出声功率为140w,在一定程度上提高介质水氧容量,可促进声场中的空化泡的活动,进而增强聚焦声场中的声致发光;(3)在球型聚焦超声换能器中,固定介质水的氧容量为3.0 mg/L,当驱动电压较低时,多泡发光区域呈驻波场模式,且随着输出电压的增大,多泡发光由典型的驻波场变为两个区域(Y方向呈驻波分布的一束发光点群和距离球心处一定距离呈放射状的环形光圈),且随着驱动电压的增大,外层放射状环形光圈不断向换能器内壁逼近。当驱动电压足够大时,球心处出现剧烈抖动的气泡团,且伴随人耳可听的“嘶嘶”声,同时气泡团的出现显著减弱了声场整体发光强度;(4)在球型聚焦超声换能器中,在低驱动电压输出时,提高介质水氧容量,可降低空化阈值促进声场中的空化活动,提高聚焦声场中多泡发光强度。而在高驱动电压输出时,提高介质水氧容量,声束路径上存在的气泡对声波的衰减作用更加明显,此时降低介质水的氧容量,声场多泡发光更强;(5)在凹球面聚焦超声换能器的焦前区域放置生物组织时,固定介质水氧容量为3.0 mg/L,在输出声功率较低时,生物组织对声波能量的衰减导致焦点附近声压不满足声致发光发生条件。提高输出声功率时,声场中发光区域主要集中于猪皮表面附近。当输出声功率为320 W和410 W,皮肤距离焦点3 cm时开始出现热损伤。
【关键词】：聚焦声场 多泡声致发光 气泡动力学 光电倍增管
【学位授予单位】：重庆医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R454.3
【目录】：

• 英汉缩略语名词对照5-6
• 中文摘要6-11
• ABSTRACT11-17
• 前言17-22
• 参考文献19-22
• 第一部分 凹球面聚焦超声换能器产生的聚焦声场中多泡分布及声致发光研究22-46
• 1 材料和方法23-27
• 2 实验结果27-38
• 3 讨论38-41
• 4 小结41-42
• 参考文献42-46
• 第二部分 球型聚焦超声换能器产生的聚焦声场中多泡分布及声致发光研究46-59
• 1 材料和方法47-49
• 2 结果49-54
• 3 讨论54-55
• 4 小结55-56
• 参考文献56-59
• 第三部分 焦前放入生物组织后聚焦声场中的多泡发光分布和生物组织损伤情况59-67
• 1 材料和方法60-61
• 2 结果61-63
• 3 讨论63-64
• 4 小结64-65
• 参考文献65-67
• 全文总结及展望67-69
• 文献综述69-75
• 参考文献72-75
• 致谢75-76
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：920049