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ATG-2021B功率信号源在聚焦超声焦域组织损伤监测研究中的应用

作者：Aigtek 阅读数：0 发布时间：2024-04-24 18:20:10

　　实验名称：基于连续式自感知超声的焦域损伤实时监测

　　实验原理：HIFU损伤形成的监测对于治疗的精准性和可调控性非常重要，聚焦超声的临床治疗中常依靠在治疗的间隙通过B超影像特征来判断焦域凝固性坏死的形成，但B超影像通常会受到空化/沸腾泡的影响，依靠临床医生的主观经验更不可靠；HIFU的损伤实时监测是目前的一大研究热点，也是迫切需要解决方案的关键问题。已有研究利用HIFU换能器两端的电压信号的幅值来监测空化泡的活动，通过HIFU换能器来实现HIFU辐照的自感知监测具有实时性好、成本低、易于融合的优点，只需在HIFU换能器输出的过程中提取驱动电压与电流信号并对其频域与时域进行分析，开展了基于自感知超声监测系统在离体牛肝组织中的损伤监测实验。

　　测试设备：ATG-2021B功率信号源、超声换能器、MATLAB软件开发平台、声辐射力天秤、示波器、牛肝组织

　　图一实验原理图

　　实验过程：本实验的离体牛肝放置在一个内径114mm×100mm×120mm的聚甲基丙乙烯甲酯有机玻璃盒子中，盒子底部面向HIFU换能器方向。为了尽量接近临床环境带有包膜的牛肝表面正对HIFU换能器；使用ATG-2021B驱动换能器，在B超的引导下，选择不同的辐照点使用声功率为60W的连续波持续作用于离体牛肝组织，观察GUI界面中HIFU换能器驱动电压、电流的相位差，当相位差出现大幅波动时，停止治疗；保存辐照前与辐照结束后的B超图像，并观察前后的灰度有有无变化，与该方案的准确性进行对比；辐照结束后，将离体牛肝沿声轴方向按薄片切开，并寻找最大损伤界面，使用生理盐水擦洗后拍照存档。

　　将电压与电流探头分别连接在Pico的两个采集通道上，在开启HIFU换能器的输出前运行采集程序；对采集到的数据进行标准差计算，观察整个辐照过程中的标准差的变化趋势；对离体牛肝组织进较行长时间辐照，直至B超出现灰度变化时停止功率源的输出，将换能器的电压信号分别滤除基波、2-5次谐波后使用如下式子计算背景噪声的能量，即均方根值：

　　并与未出现灰度变化的对照组的背景噪声进行对比，观察到发生空化时换能器的背景噪声能量的变化。

　　实验结果：随着辐照回合的增加，电压与电流的相位出现由小幅波动到大幅波动的变化过程，如图二(a)所示。此时停止辐照可见焦域出现损伤，且损伤面积较小如图三(a)所示。图二(b)为第二回合与最后一回合的相位图，从图中可以见后者相位出现大幅波动，且后者的标准差要远大于前者（分别为0.33和1.81）；对每一治疗回合的相位进行标准差分析，如图二(c)所示，可见相位的波动大小呈上升趋势。

　　图二HIFU辐照中(无空化时)相位变化趋势

　　(a)HIFU辐照过程中相位变化过程

　　(b)损伤前与损伤后相位波动对比

　　(c)辐照期间每回合的相位标准差变化

　　图三牛肝损伤(a)未空化时(b)空化时

　　图四为出现空化时相位变化趋势图，可见当辐照中出现空化时，相位相对无空化时会出现更大的变化幅度，其相位标准差最大可达3.43，对比图四(a)与图二(a)可见远大于未发生空化时的波动大小，且波动范围增大；切开牛肝可见明显机械损伤，如图三(b)所示。

　　图四HIFU辐照中出现空化时相位变化趋势

　　（a）HIFU辐照过程中相位变化过程

　　(b)损伤前与损伤后相位波动对比

　　(c)辐照期间每回合的相位标准差变化

　　在HIFU离体牛肝实验中，焦域出现坏死前和坏死后的相位波动强度有明显变化，如图五所示，在出现坏死前相位标准差在0.5左右，而出现坏死后其标准差可达1.0以上，与坏死前相比会出现相对较大的波动。基于该系统可稳定地检测出HIFU辐照过程中的损伤，而此过程中B超无明显变化，图六展示了以该系统为监控所检测出的损伤，与B超监控相比，可有效避免由于过度治疗导致的大面积损伤。