超聲激發(fā)高強(qiáng)度聚焦超聲所致沸騰氣泡散射聲信號的研究.pdf

1、研究背景：
　　高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound）已被廣泛用于子宮肌瘤、肝癌、乳腺癌、胰腺癌、前列腺癌以及腎臟腫瘤等良/惡性實體腫瘤的無創(chuàng)治療。其治療原理是采用一定聚焦方式將體外低能量超聲聚焦到體內(nèi)形成一個能量高度集中的區(qū)域，通過熱、空化等機(jī)制使該區(qū)域內(nèi)組織產(chǎn)生不可逆凝固性壞死，而對焦域外組織不產(chǎn)生影響。當(dāng)HIF U作用于組織時會在其焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生空化和（或）沸騰氣泡，氣泡的產(chǎn)生會影

2、響聲波的非線性傳播，進(jìn)而影響溫度場。因此，空化/沸騰氣泡的檢測和控制成為研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文第一部分結(jié)合現(xiàn)有研究報道的空化和沸騰氣泡的檢測手段，控制HIF U作用于新鮮離體牛肝組織，分別獲得不同的輻照參數(shù)實現(xiàn)三種輻照方式：1）單純熱損傷；2）單純空化損傷；3）空化和沸騰同時發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，論文第二部分分別探究氣泡對B超的散射1—3MHz寬帶聲信號（以下簡稱“1—3 MHz寬帶聲散射信號”）與多普勒快速閃爍偽影（Twink ling

3、Artifact，TA）實現(xiàn)HIFU所致空化/沸騰氣泡檢測。
　　目的：
　　通過控制HIF U輻照參數(shù)獲得單純熱損傷、單純空化損傷、空化和沸騰同時發(fā)生的三種輻照方式，在此基礎(chǔ)上探索使用1—3MHz寬帶聲散射信號和多普勒快速閃爍偽影分別實現(xiàn)HIF U所致沸騰氣泡、空化和沸騰氣泡的檢測，為檢測、研究和認(rèn)識 HIF U聲場中空化/沸騰氣泡提供一種新的手段。
　　方法：
　　1.單純熱損傷、單純空化損傷、空化和沸騰同時

4、發(fā)生輻照方式的實現(xiàn)
　　采用0.94MHz的HIFU輻照新鮮離體牛肝組織，輻照過程中同步使用P C D、熱電偶與B超分別檢測5—10MHz寬帶噪聲、溫升以及強(qiáng)回聲，通過調(diào)節(jié)HIF U輻照參數(shù)（聲強(qiáng)、脈沖重復(fù)頻率、占空比和時間），分別實現(xiàn)單純熱損傷、單純空化損傷、空化和沸騰同時發(fā)生的輻照方式。
　　2. B超激發(fā)HIF U所致沸騰氣泡1—3 MHz寬帶聲散射信號的研究
　　使用HIFU參數(shù)：1）單純熱損傷：焦點(diǎn)ISAL5

5、30 W/cm2，連續(xù)波，輻照時間80s；2）單純空化損傷：焦點(diǎn)ISAL4820 W/cm2，脈沖波（PRF和占空比分別為4 Hz和2％），輻照時間30 s；3）空化和沸騰同時發(fā)生：焦點(diǎn)ISAL2890 W/cm2，脈沖波（PRF和占空比分別為4 Hz和50%），輻照時間20 s。分別使用上述三種輻照參數(shù)的HIF U作用于新鮮離體牛肝組織，過程中同步使用中心頻率3.5 MHz的B超檢測強(qiáng)回聲，熱電偶測量焦域處溫升，通過與 B超探頭垂直放

6、置的寬帶換能器（中心頻率5 MHz）檢測氣泡對B超聲束的散射并量化為1—3 MHz寬帶聲散射信號的檢測。按下述要求分析相應(yīng)的數(shù)據(jù)：
　　（1）通過分析單純熱損傷時輻照過程中及結(jié)束后的散射信號與溫度、強(qiáng)回聲、超諧波（4、5、6次諧波）之間的時序關(guān)系，確定1—3 MHz寬帶聲散射信號與沸騰氣泡產(chǎn)生起始時間的時序關(guān)系及其活動規(guī)律；
　?。?）對比單純空化、空化和沸騰同時發(fā)生兩組的聲散射結(jié)果，區(qū)分空化與沸騰對1—3MHz寬帶聲散射信

7、號的貢獻(xiàn)；
　?。?）對比沸騰發(fā)生時B超工作與不工作下1—3 MHz寬帶聲信號的檢測結(jié)果，確定1—3MHz寬帶聲信號的來源；
　?。?）各輻照方式下分別檢測來至焦點(diǎn)區(qū)域的脈沖回波信號，進(jìn)一步確證使用1—3 MHz寬帶聲散射信號檢測HIF U所致沸騰氣泡的可行性。
　　3.多普勒激發(fā)HIF U所致空化/沸騰氣泡快速閃爍偽影活動規(guī)律的研究
　　分別使用所獲得參數(shù)的HIF U作用于新鮮離體牛肝組織，采用彩色多普勒模式的

8、 B超同步檢測輻照過程中以及輻照結(jié)束后的快速閃爍偽影與強(qiáng)回聲，分別分析各輻照下的偽影及強(qiáng)回聲變化，確定快速閃爍偽影隨空化/沸騰氣泡的活動規(guī)律。
　　結(jié)果：
　　1.采用連續(xù)波、ISAL530 W/cm2、輻照時間80 s，ISAL4820 W/cm2、脈沖波（PRF和占空比分別為4 Hz、2%）、輻照時間30 s，ISAL2890 W/cm2脈沖波（P RF和占空比分別為4 Hz、50%）、輻照時間20 s分別輻照離體牛肝組

9、織可實現(xiàn)單純熱損傷、單純空化損傷、空化和沸騰同時發(fā)生的輻照方式。
　　2.采用單純熱損傷的輻照參數(shù)，輻照過程中溫升達(dá)到沸騰空化閾值后，1—3 MHz寬帶聲散射信號與高次諧波成分同時出現(xiàn)階躍性升高；輻照結(jié)束后隨著溫度的下降，強(qiáng)回聲面積減小，聲散射信號幅度逐漸降低并以T=0.05 s周期性變化，最終強(qiáng)回聲面積減小至輻照前水平的同時聲散射信號幅度降低到背景噪聲水平。
　　3.對比單純空化、空化和沸騰同時發(fā)生兩組的B超聲散射結(jié)果發(fā)現(xiàn)

10、，“o n”階段兩組由于空化作用皆處于較高水平；未受HIF U作用的“o ff”階段以及輻照結(jié)束后，單純空化損傷組未檢測到1—3 MHz寬帶聲散射信號，而空化與沸騰同時發(fā)生組則可檢測到且以T=0.05 s周期性變化。
　　4.對比B超工作與不工作下的聲散射結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沸騰氣泡存在時只有在B超工作下才可檢測到1—3MHz寬帶聲信號。
　　5.脈沖回波的檢測結(jié)果可見，只有在沸騰發(fā)生組輻照結(jié)束即刻才可見來至焦點(diǎn)區(qū)域的脈沖回波信號，

11、與B超工作下的聲散射結(jié)果一致。
　　6. HIF U輻照過程中沸騰發(fā)生時，“off”階段可見TA的存在，隨著輻照時間的延長 TA的面積呈增大的趨勢直至輻照結(jié)束；輻照結(jié)束后，TA的存在時間遠(yuǎn)小于強(qiáng)回聲的存在時間；TA存在的整個過程中其面積始終大于強(qiáng)回聲并覆蓋強(qiáng)回聲區(qū)域。
　　7.當(dāng)只產(chǎn)生空化氣泡而未發(fā)生沸騰時，輻照過程中明顯檢測到TA的存在但未見回聲增強(qiáng)，輻照結(jié)束后TA立即消失。
　　結(jié)論：
　　1.采用連續(xù)波、I

12、SAL530 W/cm2、輻照時間80 s，ISAL4820 W/cm2、脈沖波（PRF和占空比分別為4 Hz、2%）、輻照時間30 s，ISAL2890 W/cm2脈沖波（P RF和占空比分別為4 Hz、50%）、輻照時間20 s分別輻照離體牛肝組織可實現(xiàn)單純熱損傷、單純空化損傷、空化和沸騰同時發(fā)生的輻照方式。
　　2.分別在單純熱損傷、單純空化損傷、空化和沸騰同時發(fā)生的輻照下結(jié)合1—3 MHz寬帶聲散射信號進(jìn)行采集，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

13、1）輻照過程中若只發(fā)生沸騰空化，1—3MHz寬帶聲散射信號可以準(zhǔn)確地檢測出HIF U所致沸騰氣泡產(chǎn)生的起始時刻；2）對比單純空化、空化和沸騰同時發(fā)生兩組的聲散射結(jié)果可以排除空化對1—3MHz寬帶聲散射信號的貢獻(xiàn)；3）沸騰發(fā)生時對比B超工作與不工作下的檢測結(jié)果說明1—3MHz寬帶聲信息的來源為焦點(diǎn)區(qū)域沸騰氣泡對聲波的散射作用；4）脈沖回波的檢測結(jié)果與B超聲散射結(jié)果一致，進(jìn)一步驗證了借助B超聲散射信息實現(xiàn)HIF U所致沸騰氣泡檢測的有效性。

14、
　　綜上說明，當(dāng)輻照過程中發(fā)生沸騰時，輻照結(jié)束后沸騰氣泡的活動規(guī)律可以結(jié)合強(qiáng)回聲與1—3MHz寬帶聲散射信號的檢測進(jìn)行表征，特別是用于單純熱損傷輻照時還能準(zhǔn)確地檢測出 HIF U所致沸騰氣泡產(chǎn)生的起始時刻。
　　3.輻照過程中可通過 TA檢測沸騰氣泡的發(fā)生，輻照結(jié)束后也能反映其溶解過程；當(dāng)使用脈沖進(jìn)行輻照時，“o ff”階段TA對空化泡具有很強(qiáng)的分辨能力可用于HIF U輻照過程中空化氣泡的檢測。表明TA可用于HIF U所致