聚焦聲場(chǎng)中的多泡分布及聲致發(fā)光研究.pdf

1、研究背景：
　　高強(qiáng)度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，HIFU）提供了一個(gè)可精確聚焦治療腫瘤卻沒有皮膚切口的無(wú)創(chuàng)治療方法。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，HIFU技術(shù)已成功運(yùn)用于子宮肌瘤、前列腺癌、肝癌、胰腺癌、乳腺癌等良惡性腫瘤的臨床治療。空化效應(yīng)在HIFU治療中起著非常重要的作用，一方面，由于聲通道上皮膚毛孔、腸道等處含有氣體，在HIFU治療中容易生成空化泡，從而增強(qiáng)熱損傷和空化損傷，出現(xiàn)治療不

2、期望發(fā)生的一些毒副作用；另一方面，在焦點(diǎn)處出現(xiàn)可控的空化效應(yīng)可增強(qiáng)HIFU治療和超聲監(jiān)控。因而，急需加強(qiáng)HIFU聲場(chǎng)，包括焦前區(qū)、焦點(diǎn)和焦后區(qū)的空化研究。
　　目的：
　　借助聲致發(fā)光、被動(dòng)空化檢測(cè)（PCD）等手段，明確由凹球面聚焦超聲換能器和兩端開口的球形聚焦超聲換能器在不同聲功率下、不同氧容量的介質(zhì)水中產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)中活性多泡的活動(dòng)程度及空間分布信息，這對(duì)認(rèn)識(shí)焦前區(qū)/焦后區(qū)的毒副作用，以及焦點(diǎn)處的生物學(xué)效應(yīng)都具有重要的意

3、義。
　　方法：
　?。?）凹球面聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)中的多泡分布及聲致發(fā)光研究采用頻率446 kHz、直徑220 mm、焦距150 mm的凹球面聚焦超聲換能器，聲功率輸出50 W-410 W。借助高速攝像系統(tǒng)和被動(dòng)空化采集系統(tǒng)（ Passive Cavitation Detector，PCD）分別記錄不同聲功率、不同氧容量下聲場(chǎng)中氣泡的空間分布及其動(dòng)力學(xué)特征；搭建暗室，使用 Nikon數(shù)字相機(jī)和光電倍增管系統(tǒng)（Ph

4、otomultiplier Tubes，PMT）分別記錄不同輸出聲功率、不同氧容量下多泡聲致發(fā)光（Multibubble Sonoluminescence，MBSL）的空間分布及發(fā)光強(qiáng)度。先固定氧容量3.0 mg/L，觀察不同輸出聲功率（50 W-410 W，間隔30 W）下，聚焦聲場(chǎng)中多泡空間分布、空化信號(hào)、多泡發(fā)光分布及發(fā)光強(qiáng)度變化；再在聲功率為140 W時(shí)，介質(zhì)水氧容量分別為2.5 mg/L、3.0 mg/L、3.5 mg/L下，

5、聚焦聲場(chǎng)中多泡空間分布、空化信號(hào)、多泡發(fā)光分布及發(fā)光強(qiáng)度變化。
　?。?）球型聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)中多泡分布及聲致發(fā)光研究
　　本部分采用頻率446 kHz、直徑為650 mm、高度為433 mm的球形聚焦超聲換能器。利用數(shù)碼相機(jī)拍攝不同驅(qū)動(dòng)電壓下，氧容量分別為3.0 mg/L、4.0 mg/L和4.5 mg/L下，聚焦聲場(chǎng)中的多泡分布和多泡聲致發(fā)光。利用MATLAB圖像處理功能對(duì)數(shù)碼相機(jī)拍攝得到的球形聚焦聲場(chǎng)中不同

6、輸出電壓下的多泡聲致發(fā)光分布圖進(jìn)行預(yù)處理（去除背景噪聲及圖像灰度的二值化處理），選擇整個(gè)聲場(chǎng)范圍作為感興趣區(qū)域，計(jì)算預(yù)處理后的二值化數(shù)字圖片中發(fā)光區(qū)域的像素個(gè)數(shù)，以此作為該輸出電壓下的聲致發(fā)光強(qiáng)度，統(tǒng)計(jì)不同氧容量介質(zhì)水中多泡發(fā)光強(qiáng)度隨輸出電壓變化情況。
　?。?）焦前放入生物組織后聚焦聲場(chǎng)中的多泡發(fā)光分布和生物組織損傷情況
　　調(diào)整介質(zhì)水氧容量為3.0 mg/L，將經(jīng)過脫氣處理的新鮮豬腹壁組織分別置于焦前3 cm、4 cm和

7、5 cm處。借助Nikon數(shù)碼相機(jī)拍攝不同輸出聲功率（50 W，140 W，230 W，320 W，410 W）下，焦前放入新鮮豬腹壁組織后聚焦聲場(chǎng)中的多泡發(fā)光分布，并觀察在不同HIFU聲功率下定點(diǎn)輻照30 s后豬皮膚組織的損傷情況。
　　結(jié)果：
　?。?）凹球面聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)中的多泡分布及聲致發(fā)光研究
　　先固定氧容量為3.0 mg/L，觀察不同輸出聲功率（50 W-410 W，間隔30 W）下聚焦聲場(chǎng)

8、中氣泡分布、空化信號(hào)、聲場(chǎng)中多泡發(fā)光空間分布及發(fā)光強(qiáng)度的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸出聲功率較低（如50 W）時(shí)，由于液-氣界面強(qiáng)反射聚焦聲場(chǎng)是一個(gè)穩(wěn)定的駐波場(chǎng)，氣泡固定于駐波波腹處，PCD檢測(cè)結(jié)果中無(wú)明顯3-6 MHz寬帶噪聲，聲場(chǎng)中焦前區(qū)域最先出現(xiàn) MBSL，且多泡同樣以駐波場(chǎng)模式分布；增大聲功率（如140 W），聲輻射力作用逐漸凸顯出來(lái)，推動(dòng)本固定于波腹處的氣泡向焦點(diǎn)方向移動(dòng)，焦點(diǎn)處開始出現(xiàn)類似火花狀的氣泡團(tuán)并向焦后生長(zhǎng)，迅速消失，緊接著聲

9、場(chǎng)恢復(fù)駐波場(chǎng)，而氣泡所散射的聲信號(hào)開始出現(xiàn)高次諧波，寬帶噪聲在輻照一段時(shí)間后增幅明顯，聲場(chǎng)中發(fā)光區(qū)域逐漸向換能器表面擴(kuò)大，焦點(diǎn)附近的發(fā)光也有所增強(qiáng)，在此之前聲場(chǎng)整體發(fā)光強(qiáng)度與輸出聲功率成正比；當(dāng)輸出聲功率足夠大時(shí)（如350 W），氣泡團(tuán)開始在焦域附近穩(wěn)定劇烈持續(xù)抖動(dòng)并伴隨有人耳可聽的“嘶嘶”聲，焦域附近出現(xiàn)橢圓狀發(fā)光亮斑，空化信號(hào)檢測(cè)此時(shí)寬帶噪聲在輻照開始便出現(xiàn)并不時(shí)伴有瞬間高幅度沖擊狀信號(hào)，空化劇烈發(fā)生，氣泡團(tuán)中氣泡間相互作用會(huì)阻礙氣

10、泡震蕩，進(jìn)而降低聲場(chǎng)整體發(fā)光強(qiáng)度。
　　在固定輸出聲功率為140 W時(shí)，介質(zhì)水氧容量分別為2.5 mg/L、3.0 mg/L、3.5 mg/L下，觀察聚焦聲場(chǎng)中氣泡的動(dòng)態(tài)分布變化、多泡發(fā)光空間分布及發(fā)光強(qiáng)度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)介質(zhì)水氧容量較低（如2.5 mg/L）時(shí)，聚焦聲場(chǎng)中MBSL呈圓錐狀主要集中于焦前區(qū)域，發(fā)光強(qiáng)度較弱；焦點(diǎn)處散射聲信號(hào)頻譜分析表明空化信號(hào)主要集中于次諧波及二次諧波且無(wú)明顯寬帶噪聲。增大氧容量（如3.0

11、mg/L）后，多泡發(fā)光范圍向著換能器表面明顯生長(zhǎng)且發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)；空化信號(hào)頻譜圖表現(xiàn)為高次諧波滋生，而在輻照開始時(shí)并無(wú)明顯的寬帶噪聲，隨著輻照時(shí)間的延長(zhǎng)，寬帶噪聲在某一時(shí)刻突然增幅明顯。當(dāng)氧容量增大到3.5 mg/L時(shí)，聚焦聲場(chǎng)中MBSL發(fā)光范圍不再局限于焦前及焦點(diǎn)區(qū)域，此時(shí)在焦后區(qū)域的液-氣界面處出現(xiàn)圓盤狀發(fā)光區(qū)域，而焦前區(qū)域的多泡發(fā)光強(qiáng)度明顯減弱；焦點(diǎn)氣泡所散射出來(lái)的聲信號(hào)頻譜圖仍然表現(xiàn)為高次諧波滋生，且聲波作用過程中寬帶噪聲出現(xiàn)明顯

12、增幅所需的輻照時(shí)間有所縮短。
　　（2）球型聚焦超聲換能器產(chǎn)生的聚焦聲場(chǎng)中多泡分布及聲致發(fā)光研究
　　固定氧容量為3.0 mg/L時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電壓較小（20 V-90 V）時(shí)，可觀察到聚焦超聲輻照前本自由擴(kuò)散于容器中的氣泡在駐波場(chǎng)的作用下，嵌入聲波的波腹處進(jìn)行微弱的收縮振蕩，此時(shí)可看到聚焦聲場(chǎng)中的氣泡分布及多泡發(fā)光空間分布均表現(xiàn)為典型的駐波場(chǎng)。此后繼續(xù)增大驅(qū)動(dòng)電壓（如90 V）時(shí)，聲場(chǎng)中的氣泡在輻射力的作用下聚集于球心處，對(duì)聚

13、焦聲場(chǎng)中多泡發(fā)光分布的檢測(cè)及記錄發(fā)現(xiàn)此時(shí)聚焦聲場(chǎng)發(fā)光區(qū)域由典型的駐波場(chǎng)變?yōu)閮蓚€(gè)區(qū)域（Y方向呈駐波分布的一束發(fā)光點(diǎn)群和距離球心處一定距離呈放射狀的環(huán)形光圈），且隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大（90 V-300 V），外層放射狀環(huán)形光圈不斷向換能器內(nèi)壁逼近。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增大到310 V時(shí)，球心處出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)的氣泡團(tuán)，且伴隨人耳可聽的“嘶嘶”聲。此時(shí)聲場(chǎng)中剩下球心處的微弱的圓形發(fā)光區(qū)域，此后增大輸出電壓，聚焦聲場(chǎng)中多泡聲致發(fā)光變化不大。
　　介質(zhì)水的

14、氧容量分別為3.0 mg/L、4.0 mg/L及4.5 mg/L，觀察球形型聚焦聲場(chǎng)中發(fā)光強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電壓的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明當(dāng)驅(qū)動(dòng)聲壓較低（20 V-110 V）時(shí)，氧容量較大一組（4.5 mg/L）的發(fā)光強(qiáng)度大于其他氧容量組。增大驅(qū)動(dòng)電壓后，氧容量較小一組（3.0 mg/L）的發(fā)光強(qiáng)度大于相對(duì)其他兩組。
　　（3）焦前放入生物組織后聚焦聲場(chǎng)中的多泡發(fā)光分布和生物組織損傷情況
　　固定介質(zhì)水氧容量為3.0 mg/L，焦前

15、不同位置（3 cm，4 cm，5 cm）處放置新鮮豬腹壁組織時(shí)，在輸出聲功率分別為50 W、230 W和410 W時(shí)聚焦聲場(chǎng)中多泡發(fā)光的空間分布及組織損傷情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看到由于組織界面對(duì)氣泡的阻擋作用使得多泡發(fā)光區(qū)域主要集中于豬皮膚表面和換能器表面之間且呈圓錐狀分布。當(dāng)豬腹壁組織距離焦點(diǎn)3 cm，輸出聲功率為320 W和410 W時(shí)，在皮膚組織上可觀察到圓形的熱損傷。
　　結(jié)論：
　?。?）在凹球面聚焦超聲換能器中，固定介

16、質(zhì)水氧容量為3.0 mg/L，當(dāng)輸出功率較低時(shí)由于液-氣界面對(duì)聲場(chǎng)的強(qiáng)反射，使得聲場(chǎng)呈現(xiàn)為典型的駐波場(chǎng)。介質(zhì)水中的氣泡受聲場(chǎng)作用固定于波腹處，且此時(shí)焦前區(qū)域開始出現(xiàn)多泡聲致發(fā)光，發(fā)光也呈駐波場(chǎng)模式分布，且隨著輸出聲功率的逐漸增大焦前發(fā)光區(qū)域向換能器方向生長(zhǎng)。當(dāng)輸出聲功率足夠大時(shí)，聚焦聲場(chǎng)中焦點(diǎn)位置附近出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)的氣泡團(tuán)，且伴隨人耳可聽的“嘶嘶”聲，同時(shí)氣泡團(tuán)的出現(xiàn)顯著減弱了聲場(chǎng)整體發(fā)光強(qiáng)度；（2）在凹球面聚焦超聲換能器中，固定輸出聲功

17、率為140 W，在一定程度上提高介質(zhì)水氧容量，可促進(jìn)聲場(chǎng)中的空化泡的活動(dòng)，進(jìn)而增強(qiáng)聚焦聲場(chǎng)中的聲致發(fā)光；
　?。?）在球型聚焦超聲換能器中，固定介質(zhì)水的氧容量為3.0 mg/L，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓較低時(shí)，多泡發(fā)光區(qū)域呈駐波場(chǎng)模式，且隨著輸出電壓的增大，多泡發(fā)光由典型的駐波場(chǎng)變?yōu)閮蓚€(gè)區(qū)域（Y方向呈駐波分布的一束發(fā)光點(diǎn)群和距離球心處一定距離呈放射狀的環(huán)形光圈），且隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增大，外層放射狀環(huán)形光圈不斷向換能器內(nèi)壁逼近。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓足夠大時(shí)，

18、球心處出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)的氣泡團(tuán)，且伴隨人耳可聽的“嘶嘶”聲，同時(shí)氣泡團(tuán)的出現(xiàn)顯著減弱了聲場(chǎng)整體發(fā)光強(qiáng)度；
　?。?）在球型聚焦超聲換能器中，在低驅(qū)動(dòng)電壓輸出時(shí)，提高介質(zhì)水氧容量，可降低空化閾值促進(jìn)聲場(chǎng)中的空化活動(dòng)，提高聚焦聲場(chǎng)中多泡發(fā)光強(qiáng)度。而在高驅(qū)動(dòng)電壓輸出時(shí)，提高介質(zhì)水氧容量，聲束路徑上存在的氣泡對(duì)聲波的衰減作用更加明顯，此時(shí)降低介質(zhì)水的氧容量，聲場(chǎng)多泡發(fā)光更強(qiáng)；
　　（5）在凹球面聚焦超聲換能器的焦前區(qū)域放置生物組織時(shí)，固