實(shí)驗(yàn)名稱：基于連續(xù)式自感知超聲的焦域損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測

　　實(shí)驗(yàn)原理：HIFU損傷形成的監(jiān)測對于治療的精準(zhǔn)性和可調(diào)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(huì)受到空化/沸騰泡的影響，依靠臨床醫(yī)生的主觀經(jīng)驗(yàn)更不可靠；HIFU的損傷實(shí)時(shí)監(jiān)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)鍵問題。已有研究利用HIFU換能器兩端的電壓信號的幅值來監(jiān)測空化泡的活動(dòng)，通過HIFU換能器來實(shí)現(xiàn)HIFU輻照的自感知監(jiān)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換能器輸出的過程中提取驅(qū)動(dòng)電壓與電流信號并對其頻域與時(shí)域進(jìn)行分析，開展了基于自感知超聲監(jiān)測系統(tǒng)在離體牛肝組織中的損傷監(jiān)測實(shí)驗(yàn)。

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

　　圖一實(shí)驗(yàn)原理圖

　　實(shí)驗(yàn)過程：本實(shí)驗(yàn)的離體牛肝放置在一個(gè)內(nèi)徑114mm×100mm×120mm的聚甲基丙乙烯甲酯有機(jī)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(qū)動(dòng)換能器，在B超的引導(dǎo)下，選擇不同的輻照點(diǎn)使用聲功率為60W的連續(xù)波持續(xù)作用于離體牛肝組織，觀察GUI界面中HIFU換能器驅(qū)動(dòng)電壓、電流的相位差，當(dāng)相位差出現(xiàn)大幅波動(dòng)時(shí)，停止治療；保存輻照前與輻照結(jié)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(zhǔn)確性進(jìn)行對比；輻照結(jié)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(gè)采集通道上，在開啟HIFU換能器的輸出前運(yùn)行采集程序；對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算，觀察整個(gè)輻照過程中的標(biāo)準(zhǔn)差的變化趨勢；對離體牛肝組織進(jìn)較行長時(shí)間輻照，直至B超出現(xiàn)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(jì)算背景噪聲的能量，即均方根值：

　　并與未出現(xiàn)灰度變化的對照組的背景噪聲進(jìn)行對比，觀察到發(fā)生空化時(shí)換能器的背景噪聲能量的變化。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著輻照回合的增加，電壓與電流的相位出現(xiàn)由小幅波動(dòng)到大幅波動(dòng)的變化過程，如圖二(a)所示。此時(shí)停止輻照可見焦域出現(xiàn)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(xiàn)大幅波動(dòng)，且后者的標(biāo)準(zhǔn)差要遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)差分析，如圖二(c)所示，可見相位的波動(dòng)大小呈上升趨勢。

　　圖二HIFU輻照中(無空化時(shí))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(dòng)對比

　　(c)輻照期間每回合的相位標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)空化時(shí)相位變化趨勢圖，可見當(dāng)輻照中出現(xiàn)空化時(shí)，相位相對無空化時(shí)會(huì)出現(xiàn)更大的變化幅度，其相位標(biāo)準(zhǔn)差最大可達(dá)3.43，對比圖四(a)與圖二(a)可見遠(yuǎn)大于未發(fā)生空化時(shí)的波動(dòng)大小，且波動(dòng)范圍增大；切開牛肝可見明顯機(jī)械損傷，如圖三(b)所示。

　　圖四HIFU輻照中出現(xiàn)空化時(shí)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(dòng)對比

　　(c)輻照期間每回合的相位標(biāo)準(zhǔn)差變化

　　在HIFU離體牛肝實(shí)驗(yàn)中，焦域出現(xiàn)壞死前和壞死后的相位波動(dòng)強(qiáng)度有明顯變化，如圖五所示，在出現(xiàn)壞死前相位標(biāo)準(zhǔn)差在0.5左右，而出現(xiàn)壞死后其標(biāo)準(zhǔn)差可達(dá)1.0以上，與壞死前相比會(huì)出現(xiàn)相對較大的波動(dòng)。基于該系統(tǒng)可穩(wěn)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(tǒng)為監(jiān)控所檢測出的損傷，與B超監(jiān)控相比，可有效避免由于過度治療導(dǎo)致的大面積損傷。

　　圖五HIFU治療中焦域出現(xiàn)壞死前與壞死后相位標(biāo)準(zhǔn)差對比

　　圖六該系統(tǒng)所檢測出的離體牛肝組織損傷圖

　　圖：ATG-2021B功率信號源指標(biāo)參數(shù)

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