高強(qiáng)度聚焦超聲臨界劇烈空化聲壓的檢測(cè).pdf

1、高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，簡(jiǎn)稱HIFU）是近年來(lái)新興的一種無(wú)創(chuàng)治療腫瘤的新技術(shù)，目前已應(yīng)用于多項(xiàng)腫瘤的臨床治療。HIFU治療腫瘤的機(jī)制主要包括空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)?？栈?yīng)在焦域處產(chǎn)生的空化泡群在HIFU治療過(guò)程中起著非常重要的作用，一方面它能夠使靶區(qū)溫度得到升高，一定程度上提高了治療效率;但另一方面空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡群會(huì)對(duì)聲波進(jìn)行散射，阻礙了聲波的傳播，使得損傷位置變寬

2、同時(shí)向聲源方向擴(kuò)展，損傷形狀由分布均勻的“雪茄形”變成“蝌蚪形”，對(duì)治療精度產(chǎn)生影響。因此對(duì)于HIFU空化場(chǎng)的研究不但可以揭示其作用機(jī)理，同時(shí)也能夠控制空化效應(yīng)進(jìn)而達(dá)到對(duì)其進(jìn)行利用的目的。
　　空化效應(yīng)分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。在相關(guān)實(shí)際應(yīng)用中主要為瞬態(tài)空化，液體中有大量的空化泡發(fā)生內(nèi)爆，從而達(dá)到應(yīng)用目的。由于液體中存在著大量的空化核，這些空化核的半徑各不相同，且服從一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，因此對(duì)于每一種半徑的空化核發(fā)生內(nèi)爆時(shí)所需的聲壓的

3、大小也不同。只有聲壓超過(guò)一定閾值時(shí)，液體中才會(huì)有大量的空化泡發(fā)生內(nèi)爆，整個(gè)空化場(chǎng)內(nèi)空化泡的活動(dòng)復(fù)雜。目前的理論計(jì)算和實(shí)際檢測(cè)方法對(duì)于大量空化泡發(fā)生內(nèi)爆時(shí)的臨界聲壓的檢測(cè)存在一些問(wèn)題，理論計(jì)算只能得到一種空化半徑條件下的空化泡發(fā)生內(nèi)爆時(shí)的臨界聲壓，而目前的定量檢測(cè)的方法在高聲壓條件下會(huì)對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生干擾，損壞傳感器等。因此本文提出了劇烈空化的概念，所謂劇烈空化是指液體中所存在的大量空化泡在一定的超聲波作用下發(fā)生內(nèi)爆的現(xiàn)象，發(fā)生劇烈空化時(shí)整個(gè)空

4、化區(qū)域內(nèi)空化泡的活動(dòng)復(fù)雜劇烈，能夠用肉眼觀察劇烈空化區(qū)域與其他區(qū)域的液體透明度具有明顯的差別，并出現(xiàn)較大的聲響。相應(yīng)的對(duì)于具體液體在確定的條件下，只有聲壓超過(guò)某一數(shù)值，才能發(fā)生劇烈空化，將這一特定聲壓值稱為臨界劇烈空化聲壓，也就是發(fā)生劇烈空化時(shí)的閾值聲壓?；诖耍疚奶岢隽诉\(yùn)用聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)來(lái)對(duì)發(fā)生劇烈空化時(shí)的臨界聲壓進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)運(yùn)用高速攝影裝置對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲焦域處的空化泡群進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀察。主要做了以下幾方面的工作:
　　(1)

5、首先提出了劇烈空化的概念，然后通過(guò)高速攝影裝置研究了高強(qiáng)度聚焦超聲焦域處發(fā)生劇烈空化時(shí)空化泡群的產(chǎn)生、其結(jié)構(gòu)的變化，以及驅(qū)動(dòng)功率對(duì)空化泡群整體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:在一定時(shí)間內(nèi)，當(dāng)功率低于某一特定值時(shí)，焦域處不會(huì)發(fā)生劇烈空化，即不能產(chǎn)生可觀察的空化泡群;當(dāng)功率達(dá)到該特定值時(shí)，焦域處開始發(fā)生劇烈空化，并伴隨聲響?？栈萑鹤钤缭诮裹c(diǎn)附近產(chǎn)生，每次空化過(guò)程開始和結(jié)束時(shí)空化泡群的變化規(guī)律基本相同，中間過(guò)程的變化情況隨著施加在換能器上的電功率的不

6、同而變化;各種功率條件下，不同形態(tài)的空化泡群的出現(xiàn)的次數(shù)在整個(gè)空化過(guò)程內(nèi)的比重不同，小功率時(shí)，發(fā)生連續(xù)空化的次數(shù)較少，空化持續(xù)時(shí)間較短;隨著功率的增加，發(fā)生連續(xù)空化的次數(shù)先是增加再減少，最后連續(xù)空化，空化持續(xù)時(shí)間的平均值逐漸增大，相鄰空化周期間的平均間隔時(shí)間逐漸減小。
　　(2)本文提出了臨界劇烈空化聲壓的概念，為檢測(cè)液體中發(fā)生劇烈空化時(shí)的臨界聲壓的大小，提出了一種基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)對(duì)臨界劇烈空化聲壓進(jìn)行檢測(cè)的方法。根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布

7、的時(shí)間變化規(guī)律確定劇烈空化的發(fā)生，通過(guò)光線最大偏轉(zhuǎn)距離與焦點(diǎn)峰值聲壓的關(guān)系，可非介入地檢測(cè)臨界劇烈空化聲壓值，重復(fù)性高。
　　(3)通過(guò)分析液體中氣泡分布及變化規(guī)律，以及空化閾值聲壓隨外界環(huán)境壓強(qiáng)的變化規(guī)律對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，證實(shí)了該方法檢測(cè)臨界劇烈空化聲壓的可行性。
　　本文提出了基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)檢測(cè)液體臨界劇烈空化聲壓的方法，操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性高同時(shí)具有一定的可行性;同時(shí)運(yùn)用高速攝影裝置對(duì)高強(qiáng)度聚焦超聲焦域處的空化泡群進(jìn)行