凹球面聚焦超声换能器用于热疗时在人体内引起的瞬态温度场

本文引入了虚拟热源的概念,分析了边界条件对升温的影响及加热时间及温度场点位置的关系,详细研究了声源参数及生物组织特性参数对治疗区升温快慢的影响,比较了聚焦参数相同的册球面换在和高斯换能器声焦点的瞬态温度,所得结果对超声热疗的实施具有指导作用。     

高强度聚焦超声换能器声场的数值仿真与实验测量

目的 高强度聚焦超声(HIFU)肿瘤治疗过程中,HIFU换能器形成的声场分布是决定其治疗效果的关键因素之一,为了提高HIFU肿瘤治疗的安全性和可靠性,需要对HIFU换能器形成的声场进行预测.方法 采用时域有限差分(FDTD)法数值仿真水体内形成的声压分布与实验测量结果对比的研究方法,分析讨论了HIFU换能器在不同激励功...     

一种消除浅表组织病灶的微型线聚焦换能器声场的数值计算与仿真方法

目的:本文涉及一种消除浅表组织病灶的微型线聚焦超声声场的数值计算与仿真,通过计算得出声场的三维分布,同时研究柱面自聚焦换能器各个参数对声场的影响,以指导微型自聚焦换能器的设计。方法:本文通过建立三维直角坐标系,应用Rayleigh积分得出微型线聚焦超声换能器聚焦区域内每一点的声强表达式,运用C语言和matlab采用直接数值积分的方法对柱面聚焦超声换能器的声场进行了数值计算和仿真,得出声场的三维分布。结果:从声场的三维分布可以看出:按照本文给定的条件设计,微型线聚焦超声换能器展现出良好的聚焦性能,形成明显的焦域。和普通的柱面超声换能器相比,小型的柱面超声换能器形成的声场在z轴上的声场分布更均匀,x,y方向上衰减更快。结论:通过不同的参数对声场三维分布影响可以看出:微型线聚焦超声换能器的厚度,半径,张角和长度对聚焦的效果有明显影响。与给定的条件相比,选择较厚、半径和张角较大的换能器,能提高聚焦性能,而换能器的长度对聚焦效果影响不大。     

基于虚拟仪器技术的聚焦超声换能器电声转换效率自动测试系统

聚焦超声换能器是超声治疗设备的核心部件,电声转换效率是衡量其性能重要指标之一,实际工作中常以电声转换特性来确定治疗系统的工作频率和驱动参数,这对其测试系统的准确性、效率和便捷性提出很高的要求。为此,构建一套自动测试系统,采用基于定向耦合器的电功率计来测量换能器的输入电功率;运用辐射力天平测量换能器输出声功率;基于虚拟仪器技术开发上位机自动测试软件,实时采集和处理测量数据。基于所开发的自动测试系统,测试换能器在不同频率和驱动功率下的电声转换效率,采用变异系数对系统的稳定性进行分析,并与人工测试方法作对照。结果表明,测试系统具有较好的准确性,且单次测试时间可缩短5倍以上,在驱动功率分别为10、20和30 W情况下,自动测试系统(变异系数分别为4.06%、4.31%、4.65%)比人工测试(变异系数分别为4.14%、4.69%、5.83%)更稳定,满足测试系统应用需求。     

球面自聚焦换能器声场的焦域温度分布估计

利用声场叠加原理,对大口径球面自聚焦换能器的声场分布进行了模拟,以声强下降一半为界,确定了球面自聚焦换能器辐照组织的主要加热区域。从热量传递概念出发,对焦域内的分布和温度随时间的变化做了合理估计。结果表明：焦域内组织温度分布与声场分布类似;在一定时间和区域,组织温度可以迅速上升23℃以上,基本满足治疗要求。     

高强度聚焦超声脑肿瘤治疗焦域温度均匀分布调控的数值仿真研究

在高强度聚焦超声(HIFU)脑肿瘤治疗过程中需严格控制治疗温度。本研究通过调控相控换能器激励信号实现了焦域温度均匀分布的目的。首先,本文利用志愿者头部计算机断层扫描(CT)数据和82阵元相控换能器建立开颅HIFU治疗脑肿瘤的三维数值仿真模型,通过叠加聚焦于两个设定目标点的信号并调控两信号间激励时间差和幅值,研究其对HIFU焦域温度分布及焦域形状大小的调控。研究结果表明,两目标点间距离在一定范围内通过调节两激励信号的激励时间差和幅值可以实现焦域内温度均匀分布,同时可调控焦域形状和体积大小。本文研究的仿真结果或可为HIFU安全有效地应用于临床治疗提供理论方法和参考。     

基于磁共振温度图的高强度聚焦超声治疗热剂量研究

本实验研究基于磁共振T-Map的HIFU损伤组织的热剂量与实际凝固性坏死的关系。运用磁共振导航高强度聚焦超声治疗系统,使用1 MHz、焦距为150 mm、直径150 mm的聚焦超声换能器,定点辐照深度为20 mm的新鲜离体牛肝脏,辐照过程中用磁共振的测温序列采集各体素随时间变化的温度值并计算各体素的Eq43值,比较计算结果与发生凝固性坏死的Eq43参考阈值,判断该体素是否发生坏死。最后比较通过等效热剂量积分法得到的凝固性坏死面积和组织实际发生坏死的情况。结果表明基于磁共振T-Map的等效热剂量积分法得到的凝固性坏死的面积值能很好的反应实际发生凝固性坏死的情况,为HIFU治疗提供了一种新的判断凝固性坏死发生的方法,这种方法可以实时地反馈控制超声辐照剂量,提高了治疗的安全性。     

HIFU治疗中媒质特性对声聚焦影响的研究

目的:研究声衰减系数、声速、温度等媒质参数对声聚焦的影响。方法:用瑞利积分对凹球面自聚焦超声换能器进行声场模拟。结果及结论:媒质的特性参数不同,聚焦表现不同的特点。声衰减系数增大,焦斑向声源靠近,且焦斑缩短;声速越大,焦距越小,但焦区最大声压升高,焦斑的面积增大;温度变化不大时对声聚焦的影响不明显。     

超声引起的双层生物组织中的温度场研究

超声热疗在临床上得到了越来越广泛的应用,成为目前临床治疗的一种有效手段,但治疗中人体组织的温度测量是决定治疗成败的重要因素.基于超声的温度分布的无损测量是其中的一种方案,也成为医学超声研究的一个热点.采用有限差分的离散方法求解Pennes方程,从而得到了超声作为热源的情况下双层生物组织中的温度场.通过实验验证,说明该方法能较为准确地计算出超声热源情况下双层组织中的温升分布情况.同时讨论了各个参数对双层组织温度的影响,实验和计算结果发现初始声压和组织的热传导率对焦点温升的影响较大,组织的热容对焦点温升的影响很小,只有热传导率对焦点的位置有较大的影响.     

开口柱面换能器声场分析

目的:聚焦超声治疗妇科浅表组织疾病中存在聚焦换能器和定位探头同时放置的问题,在实际的治疗头设计中必须考虑放置B超探头对聚焦声场的影响,本文涉及一种开口柱面换能器聚焦超声声场的数值计算与仿真,通过计算得出声场的三维空间分布,同时研究柱面自聚焦换能器中不同开口形状、位置、面积大小对声场的影响,以指导开口换能器的实际设计。方法:本文通过建立三维直角坐标系,应用Rayleigh积分得出柱面换能器聚焦区域内每一点的声强表达式,运用C语言和matlab采用变步长辛卜生二重积分的方法对开口柱面聚焦超声换能器的声场进行了数值计算和仿真,得出声场的三维分布。结果:对开口的不同形状、大小、位置的声场分布仿真结果表明:不同开口形状都会使聚焦区域声压幅值下降,开口半径增大,声压表现为下降的趋势,Z轴向的声压在换能器的边缘较大,中间小。随着开口中心位置距原点的距离越大,Z轴向的声压分布越不均匀,而对聚焦位置影响不大。结论:通过不同开口参数对声场三维分布影响可以看出:柱面超声换能器的开口形状、位置、面积对聚焦区域的声压均有明显影响。与给定的条件相比,选择位置居中、面积较小、的换能器,能使聚焦性能得到提高,而换能器的开口形状对聚焦效果影响不大。     

高强度聚焦超声治疗剂量对组织温升影响的研究

测量了高强度聚焦超声(HIFU)定点辐照新鲜离体牛肝脏时，不同声强和辐照时间下的组织焦点温升。根据Pennes传热方程，从理论上分析了高强度聚焦超声定点辐照生物组织前后组织温度变化的规律，研究结果表明；一定的声强下，总有一个辐照闻值时间存在，当辐照时间超过辐照阐值时间后，温升缓慢，声强越大，辐照阐值时同出现得更早l组织焦点温升、相对累积热剂量随声强、辐照时间的增加而增大，当治疗剂量一定时，声强对组织焦点温升的影响大于辐照时间对组织焦点温升的影响。因此，HIFU最适治疗剂量应满足：适度的声强、辐照时间为该声强下的辐照阈值时间。     

高血脂对血细胞和血管内皮细胞的损伤

目的研究血清胆固醇 (cho)升高和氧化低密度脂蛋白 (OX -LDL)在血细胞和血管内皮细胞 (VEC)损伤中的作用。方法采用高胆固醇血症家兔模型研究血清cho对红细胞变形性 ,白细胞自发活化率及粘附分子 (CD11b/CD18)表达的影响。采用人脐静脉内皮细胞 (HUVEC)研究OX -LDL对VEC粘附分子 (ICAM -1、VCAM -1)和MCP-1表达的影响。结果动物模型的结果指出随着血清cho升高 ,红细胞变形性降低 ,白细胞SAR和CD11b/CD18表达增加。由HUVEC获得如下结果 :(1)培养的HUVEC能少量表达ICAM -1和MCP -1及蛋白 ;(2)OX -LDL可显著增强ICAM -1、MCP -1及蛋白表达。对VCAM -1表达无影响 ;(3)OX -LDL有细胞毒性 ,引起VEC形态异常。结论血清cho升高引起红细胞变形性降低 ,白细胞SAR升高 ,活化的白细胞通过释放超氧阴离子自由基 (O·2-)和蛋白酶 ,损伤VEC ,从而破坏内皮的完整性。因此 ,血清cho升高是AS和心、脑血管病的重要危险因素之一。     

放血增加自体骨髓基质干细胞浓度实验研究

目的:寻找提高骨髓基质干细胞浓度的方法。方法:随机取中国白兔5只,分别在干预前及干预后的第5、7、10天抽取耳缘静脉血进行网织红细胞检测;随机取中国白兔10只,于放血干预前后经股骨大转子抽取骨髓,分别进行离心前后的骨髓基质干细胞培养和计数。对结果进行分析,找出动员后骨髓基质干细胞增多最明显时间。结果:兔骨髓基质干细胞(MSCs)经放血动员后,细胞附壁数目增多,第5天最为明显,与应激前对比,有显著性差异(P<0.05)。结论:自体骨髓基质干细胞(MSCs)经放血动员和浓集后,干细胞数量明显增多。     

Elevation of Serum Chemotactic Factor Inactivator Activity in Rabbits Induced by Inflammation and Chemotactic Factor

Inflammatory mediators such as the vasoactive and chemotactic factors, which are formed during the activation of serum complement, are extremely potent biologic peptides and are thought to be under the rigid control of specific serum-derived regulators or inactivators, including the anaphylatoxin inactivator (AI) and the chemotactic factor inactivator (CFI). Our understanding of the biologic importance and implication of these regulators in inflammatory reactions is primarily based on in vitro observations, and there is only limited data on their in vivo importance. Previously, alterations in CFI and AI levels were detected in chronic inflammatory disease states, but no data on their activity or role during acute inflammatory reactions have been demonstrated. Here we demonstrate the elevation of serum CFI activity during acute inflammatory reactions in rabbits. Specifically, inflammatory reactions were induced in rabbits by intraperitoneal injections of 0.1% oyster glycogen. Rabbit serum CFI levels rose rapidly over the first 4 hours after glycogen injection, reaching levels 4-8 times higher than the preglycogen serum CFI levels. Additional studies demonstrated that acute elevations of serum CFI levels could also be induced in rabbits by intravenous infusion of activated rabbit serum or C5-derived chemotactic factors. Infusion of saline, albumin, or the synthetic chemotactic peptide f-Met-Leu-Phe did not cause elevation of the serum CFI levels in rabbits. Thus, we take these data to support our hypothesis that 1) CFI is a “hyperacute phase reactant” that is elevated during inflammatory reactions, and 2) that this elevation of serum CFI activity is probably triggered by the appearance of specific C5-derived chemotactic factors within the vasculature. These studies not only provide exciting new insights into the regulatory mechanisms involved in acute inflammatory reactions but suggest that novel approaches to antiinflammatory therapy may be forthcoming.     

Real-Time Prediction of Temperature Elevation During Robotic Bone Drilling Using the Torque Signal

Bone drilling is a surgical procedure commonly required in many surgical fields, particularly orthopedics, dentistry and head and neck surgeries. While the long-term effects of thermal bone necrosis are unknown, the thermal damage to nerves in spinal or otolaryngological surgeries might lead to partial paralysis. Previous models to predict the temperature elevation have been suggested, but were not validated or have the disadvantages of computation time and complexity which does not allow real time predictions. Within this study, an analytical temperature prediction model is proposed which uses the torque signal of the drilling process to model the heat production of the drill bit. A simple Green’s disk source function is used to solve the three dimensional heat equation along the drilling axis. Additionally, an extensive experimental study was carried out to validate the model. A custom CNC-setup with a load cell and a thermal camera was used to measure the axial drilling torque and force as well as temperature elevations. Bones with different sets of bone volume fraction were drilled with two drill bits (\(\emptyset\)1.8 mm and \(\emptyset\)2.5 mm) and repeated eight times. The model was calibrated with 5 of 40 measurements and successfully validated with the rest of the data (\({R^{2}}=0.9034,\, SEE=7.582\,^{\circ }\)C). It was also found that the temperature elevation can be predicted using only the torque signal of the drilling process. In the future, the model could be used to monitor and control the drilling process of surgeries close to vulnerable structures.