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ATG-2021B功率信號源在聚焦超聲焦域組織損傷監測研究中的應用

作者：Aigtek 閱讀數：0 發布時間：2024-03-14 15:42:52

　　實驗名稱：基于連續式自感知超聲的焦域損傷實時監測

　　實驗原理：HIFU損傷形成的監測對于治療的精準性和可調控性非常重要，聚焦超聲的臨床治療中常依靠在治療的間隙通過B超影像特征來判斷焦域凝固性壞死的形成，但B超影像通常會受到空化/沸騰泡的影響，依靠臨床醫生的主觀經驗更不可靠；HIFU的損傷實時監測是目前的一大研究熱點，也是迫切需要解決方案的關鍵問題。已有研究利用HIFU換能器兩端的電壓信號的幅值來監測空化泡的活動，通過HIFU換能器來實現HIFU輻照的自感知監測具有實時性好、成本低、易于融合的優點，只需在HIFU換能器輸出的過程中提取驅動電壓與電流信號并對其頻域與時域進行分析，開展了基于自感知超聲監測系統在離體牛肝組織中的損傷監測實驗。

　　測試設備：ATG-2021B功率信號源、超聲換能器、MATLAB軟件開發平臺、聲輻射力天秤、示波器、牛肝組織

　　圖一實驗原理圖

　　實驗過程：本實驗的離體牛肝放置在一個內徑114mm×100mm×120mm的聚甲基丙乙烯甲酯有機玻璃盒子中，盒子底部面向HIFU換能器方向。為了盡量接近臨床環境帶有包膜的牛肝表面正對HIFU換能器；使用ATG-2021B驅動換能器，在B超的引導下，選擇不同的輻照點使用聲功率為60W的連續波持續作用于離體牛肝組織，觀察GUI界面中HIFU換能器驅動電壓、電流的相位差，當相位差出現大幅波動時，停止治療；保存輻照前與輻照結束后的B超圖像，并觀察前后的灰度有有無變化，與該方案的準確性進行對比；輻照結束后，將離體牛肝沿聲軸方向按薄片切開，并尋找最大損傷界面，使用生理鹽水擦洗后拍照存檔。

　　將電壓與電流探頭分別連接在Pico的兩個采集通道上，在開啟HIFU換能器的輸出前運行采集程序；對采集到的數據進行標準差計算，觀察整個輻照過程中的標準差的變化趨勢；對離體牛肝組織進較行長時間輻照，直至B超出現灰度變化時停止功率源的輸出，將換能器的電壓信號分別濾除基波、2-5次諧波后使用如下式子計算背景噪聲的能量，即均方根值：

　　并與未出現灰度變化的對照組的背景噪聲進行對比，觀察到發生空化時換能器的背景噪聲能量的變化。

　　實驗結果：隨著輻照回合的增加，電壓與電流的相位出現由小幅波動到大幅波動的變化過程，如圖二(a)所示。此時停止輻照可見焦域出現損傷，且損傷面積較小如圖三(a)所示。圖二(b)為第二回合與最后一回合的相位圖，從圖中可以見后者相位出現大幅波動，且后者的標準差要遠大于前者（分別為0.33和1.81）；對每一治療回合的相位進行標準差分析，如圖二(c)所示，可見相位的波動大小呈上升趨勢。

　　圖二HIFU輻照中(無空化時)相位變化趨勢

　　(a)HIFU輻照過程中相位變化過程

　　(b)損傷前與損傷后相位波動對比

　　(c)輻照期間每回合的相位標準差變化

　　圖三牛肝損傷(a)未空化時(b)空化時

　　圖四為出現空化時相位變化趨勢圖，可見當輻照中出現空化時，相位相對無空化時會出現更大的變化幅度，其相位標準差最大可達3.43，對比圖四(a)與圖二(a)可見遠大于未發生空化時的波動大小，且波動范圍增大；切開牛肝可見明顯機械損傷，如圖三(b)所示。

　　圖四HIFU輻照中出現空化時相位變化趨勢

　　（a）HIFU輻照過程中相位變化過程

　　(b)損傷前與損傷后相位波動對比

　　(c)輻照期間每回合的相位標準差變化

　　在HIFU離體牛肝實驗中，焦域出現壞死前和壞死后的相位波動強度有明顯變化，如圖五所示，在出現壞死前相位標準差在0.5左右，而出現壞死后其標準差可達1.0以上，與壞死前相比會出現相對較大的波動。基于該系統可穩定地檢測出HIFU輻照過程中的損傷，而此過程中B超無明顯變化，圖六展示了以該系統為監控所檢測出的損傷，與B超監控相比，可有效避免由于過度治療導致的大面積損傷。