基于量热法的高强度聚焦超声功率测量和双频共焦增效研究

论文摘要

高强度聚焦超声(HIFU)越来越多的用于临床肿瘤的治疗。HIFU声功率是关系到临床治疗效果的关键剂量参数。HIFU设备声功率准确的测量对于避免治疗中的副作用和保证靶区肿瘤细胞在合适的超声强度下完全消融都非常重要。由于HIFU声场是高度聚焦的强声场,导致准确声输出功率的实际测量困难。本文研制了一种新型基于量热法原理的HIFU功率测量装置,并提出了一种提高治疗效率的双频共焦HIFU技术。从声功率测量的方法入手,概述了各种超声功率测量方法的原理及装置,包括有辐射力法,互易法,热学法,声光衍射法,水听器扫查声场测量法,全息摄影法等。介绍了各种测量方法特点以及在测量中应该注意的问题。目前,辐射力法被认为声功率小于20W的理想声场条件下最准确的声功率测量方法。HIFU换能器功率通常在200W以上,声场中非线性的干扰因素明显增加造成辐射力法HIFU声功率测量中许多实际问题。采用全吸收靶辐射力法对HY2900型聚焦超声肿瘤系统换能器不同增益条件下的声功率进行了实际测量。测量结果表明所得声功率与换能器驱动电压平方之间相关性较好。测量中存在靶受力不稳定,重复测量值之间有一定的差别等现象。分析实验中造成测量误差的可能原因:高强度聚焦超声可以造成局部瞬时温度升高,甚至导致在焦点处水蒸气爆发;聚焦超声声场中产生声流、空化等非线性效应作用于吸收靶;吸收靶吸收热量;换能器声轴与靶中心轴偏离;电子天平本身有一定的误差;杠杆机构的传递损失,靶的不完善性等。结合实际测量经验总结了注意事项。利用量热法的基本原理,采用144个热电偶并联测量平均温升技术,研制了一种新型基于量热法的高强度聚焦超声声功率测量装置。介绍了热电偶并联测温的原理,对测量装置中所用热电偶进行了测试校正,结果表明自制热电偶测量误差较小,测量结果可信。对瞬时量热法测量声功率的原理以及计算方法进行了叙述。针对大功率聚焦超声的特点对量热法声功率测量装置进行了设计,采用了小容器,小声窗,锥形容器底部,进油/排气孔,空间平均放置测温热电偶的设计方法。采用该测量装置对HY2900型高强度聚焦超声换能器声功率进行了实际测量,与前一章辐射力法的测量结果进行了对比,并分析了本装置测量中出现误差的可能原因。实际测量的声功率与驱动电压平方之间线性度好,与辐射力法测量结果接近,测量可重复性强,方法简便快捷,可以作为高强度聚焦超声声功率测量切实可行的方法。结合实际测量经验,对本装置的改进和测量中需要注意的事项进行了阐述。针对当前HIFU治疗中单次辐照毁损灶体积小的问题,引入了一种新型双频共焦HIFU技术。实验设备既可以在双频模式下,也可以在单频模式下工作。在仿组织透明体模中对比了双频和传统单频模式下产生毁损灶的大小,探讨双频共焦HIFU增强组织超声能量沉积、提高HIFU治疗效率的可能性。采用的仿组织体模为聚丙烯酰胺凝胶和蛋清混合物,蛋清用于温度敏感指示剂。分别用双频共焦和单频模式HIFU对仿组织体模进行不同时间辐照,测量HIFU毁损灶的长度和直径。结果显示,相同声功率相同辐照时间下,双频HIFU产生的毁损灶显著大于单频模式所致毁损灶。双频共焦HIFU比传统单频HIFU形成更大毁损灶的可能解释就是增强了介质内的空化效应。空化阈值随声波的频率而降低,双频模式下存在的差频声场作为低频声波可以极大的增强空化效应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 第一章 超声声功率测量
• 1.1 超声功率测量的意义
• 1.2 声功率测量方法的分类与原理
• 1.3 辐射力法
• 1.4 光学法
• 1.5 热学方法
• 1.5.1 瞬时法
• 1.5.2 恒流－置换式量热计
• 1.5.3 牛角形量热计
• 1.6 水听器扫查声场测量法
• 1.7 全息摄影法
• 1.8 互易法
• 1.9 参考文献
• 第二章 辐射力法高强度聚焦超声功率测量
• 2.1 高强度聚焦超声简介
• 2.1.1 高强度聚焦超声的发展
• 2.1.2 HIFU 技术对组织损伤的物理机制
• 2.1.2.1 HIFU 技术对组织的效应
• 2.1.2.2 HIFU 的物理机制
• 2.2 辐射力法高强度聚焦超声功率测量的计算
• 2.3 高强度聚焦超声功率的实际测量
• 2.3.1 实验仪器及材料
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 测量结果
• 2.3.4 结果分析
• 2.4 小结
• 2.5 参考文献
• 第三章 基于量热法的高强度聚焦超声声功率测量新方法的研究
• 3.1 前言
• 3.2 系统设计
• 3.2.1 总体设计
• 3.3 热电偶的连接及空间位置
• 3.3.1 热电偶测温原理
• 3.3.2 铜－康铜热电偶的校准
• 3.3.2.1 校准设备
• 3.3.2.2 校准原理
• 3.3.2.3 校准步骤
• 3.3.2.4 测量结果
• 3.3.2.5 结论
• 3.3.3 热电偶的并联
• 3.4 声功率测量原理
• 3.5 实际测量与使用
• 3.5.1 实验材料与仪器
• 3.5.2 测量方法
• 3.5.3 测量结果
• 3.5.4 讨论
• 3.6 本装置改进构想与 HIFU 声功率测量时的注意事项
• 3.6.1 超声辐射时间的选取
• 3.6.2 容器的选择
• 3.6.3 容器体积的选取
• 3.6.4 容器锥形底角度的选取
• 3.6.5 热电偶分布位置
• 3.6.6 测温软件（或仪表）的改进
• 3.6.7 顶层蓖麻油与水的热交换问题的处理
• 3.6.8 蓖麻油的处理
• 3.6.9 声窗薄膜位置
• 3.7 小结
• 3.8 参考文献
• 第四章 双频共焦高强度超声对仿组织体模毁损灶的影响
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 聚丙烯酰胺凝胶的制作和声学参数测量
• 4.2.2 实验设置
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 结果
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 4.6 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录