實(shí)驗名稱(chēng)：基于連續式自感知超聲的焦域損傷實(shí)時(shí)監測

　　實(shí)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(guò)B超影像特征來(lái)判斷焦域凝固性壞死的形成，但B超影像通常會(huì )受到空化/沸騰泡的影響，依靠臨床醫生的主觀(guān)經(jīng)驗更不可靠；HIFU的損傷實(shí)時(shí)監測是目前的一大研究熱點(diǎn)，也是迫切需要解決方案的關(guān)鍵問(wèn)題。已有研究利用HIFU換能器兩端的電壓信號的幅值來(lái)監測空化泡的活動(dòng)，通過(guò)HIFU換能器來(lái)實(shí)現HIFU輻照的自感知監測具有實(shí)時(shí)性好、成本低、易于融合的優(yōu)點(diǎn)，只需在HIFU換能器輸出的過(guò)程中提取驅動(dòng)電壓與電流信號并對其頻域與時(shí)域進(jìn)行分析，開(kāi)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(shí)驗。

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

　　圖一實(shí)驗原理圖

　　實(shí)驗過(guò)程：本實(shí)驗的離體牛肝放置在一個(gè)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(huán)境帶有包膜的牛肝表面正對HIFU換能器；使用ATG-2021B驅動(dòng)換能器，在B超的引導下，選擇不同的輻照點(diǎn)使用聲功率為60W的連續波持續作用于離體牛肝組織，觀(guān)察GUI界面中HIFU換能器驅動(dòng)電壓、電流的相位差，當相位差出現大幅波動(dòng)時(shí)，停止治療；保存輻照前與輻照結束后的B超圖像，并觀(guān)察前后的灰度有有無(wú)變化，與該方案的準確性進(jìn)行對比；輻照結束后，將離體牛肝沿聲軸方向按薄片切開(kāi)，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(gè)采集通道上，在開(kāi)啟HIFU換能器的輸出前運行采集程序；對采集到的數據進(jìn)行標準差計算，觀(guān)察整個(gè)輻照過(guò)程中的標準差的變化趨勢；對離體牛肝組織進(jìn)較行長(cháng)時(shí)間輻照，直至B超出現灰度變化時(shí)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(jìn)行對比，觀(guān)察到發(fā)生空化時(shí)換能器的背景噪聲能量的變化。

　　實(shí)驗結果：隨著(zhù)輻照回合的增加，電壓與電流的相位出現由小幅波動(dòng)到大幅波動(dòng)的變化過(guò)程，如圖二(a)所示。此時(shí)停止輻照可見(jiàn)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(jiàn)后者相位出現大幅波動(dòng)，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(jìn)行標準差分析，如圖二(c)所示，可見(jiàn)相位的波動(dòng)大小呈上升趨勢。

　　圖二HIFU輻照中(無(wú)空化時(shí))相位變化趨勢

　　(a)HIFU輻照過(guò)程中相位變化過(guò)程

　　(b)損傷前與損傷后相位波動(dòng)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(shí)(b)空化時(shí)

　　圖四為出現空化時(shí)相位變化趨勢圖，可見(jiàn)當輻照中出現空化時(shí)，相位相對無(wú)空化時(shí)會(huì )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(jiàn)遠大于未發(fā)生空化時(shí)的波動(dòng)大小，且波動(dòng)范圍增大；切開(kāi)牛肝可見(jiàn)明顯機械損傷，如圖三(b)所示。

　　圖四HIFU輻照中出現空化時(shí)相位變化趨勢

　　（a）HIFU輻照過(guò)程中相位變化過(guò)程

　　(b)損傷前與損傷后相位波動(dòng)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(shí)驗中，焦域出現壞死前和壞死后的相位波動(dòng)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(huì )出現相對較大的波動(dòng)。基于該系統可穩定地檢測出HIFU輻照過(guò)程中的損傷，而此過(guò)程中B超無(wú)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(guò)度治療導致的大面積損傷。

　　圖五HIFU治療中焦域出現壞死前與壞死后相位標準差對比

　　圖六該系統所檢測出的離體牛肝組織損傷圖

　　圖：ATG-2021B功率信號源指標參數

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