高強度聚焦超聲臨界劇烈空化聲壓的檢測.pdf

1、高強度聚焦超聲（High Intensity Focused Ultrasound，簡稱HIFU）是近年來新興的一種無創(chuàng)治療腫瘤的新技術(shù)，目前已應(yīng)用于多項腫瘤的臨床治療。HIFU治療腫瘤的機制主要包括空化效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械效應(yīng)?？栈?yīng)在焦域處產(chǎn)生的空化泡群在HIFU治療過程中起著非常重要的作用，一方面它能夠使靶區(qū)溫度得到升高，一定程度上提高了治療效率;但另一方面空化效應(yīng)產(chǎn)生的空化泡群會對聲波進行散射，阻礙了聲波的傳播，使得損傷位置變寬

2、同時向聲源方向擴展，損傷形狀由分布均勻的“雪茄形”變成“蝌蚪形”，對治療精度產(chǎn)生影響。因此對于HIFU空化場的研究不但可以揭示其作用機理，同時也能夠控制空化效應(yīng)進而達到對其進行利用的目的。
　　空化效應(yīng)分為穩(wěn)態(tài)空化和瞬態(tài)空化。在相關(guān)實際應(yīng)用中主要為瞬態(tài)空化，液體中有大量的空化泡發(fā)生內(nèi)爆，從而達到應(yīng)用目的。由于液體中存在著大量的空化核，這些空化核的半徑各不相同，且服從一定的統(tǒng)計學(xué)分布，因此對于每一種半徑的空化核發(fā)生內(nèi)爆時所需的聲壓的

3、大小也不同。只有聲壓超過一定閾值時，液體中才會有大量的空化泡發(fā)生內(nèi)爆，整個空化場內(nèi)空化泡的活動復(fù)雜。目前的理論計算和實際檢測方法對于大量空化泡發(fā)生內(nèi)爆時的臨界聲壓的檢測存在一些問題，理論計算只能得到一種空化半徑條件下的空化泡發(fā)生內(nèi)爆時的臨界聲壓，而目前的定量檢測的方法在高聲壓條件下會對聲場產(chǎn)生干擾，損壞傳感器等。因此本文提出了劇烈空化的概念，所謂劇烈空化是指液體中所存在的大量空化泡在一定的超聲波作用下發(fā)生內(nèi)爆的現(xiàn)象，發(fā)生劇烈空化時整個空

4、化區(qū)域內(nèi)空化泡的活動復(fù)雜劇烈，能夠用肉眼觀察劇烈空化區(qū)域與其他區(qū)域的液體透明度具有明顯的差別，并出現(xiàn)較大的聲響。相應(yīng)的對于具體液體在確定的條件下，只有聲壓超過某一數(shù)值，才能發(fā)生劇烈空化，將這一特定聲壓值稱為臨界劇烈空化聲壓，也就是發(fā)生劇烈空化時的閾值聲壓?；诖?，本文提出了運用聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)來對發(fā)生劇烈空化時的臨界聲壓進行檢測，同時運用高速攝影裝置對高強度聚焦超聲焦域處的空化泡群進行了實驗觀察。主要做了以下幾方面的工作:
　　(1)

5、首先提出了劇烈空化的概念，然后通過高速攝影裝置研究了高強度聚焦超聲焦域處發(fā)生劇烈空化時空化泡群的產(chǎn)生、其結(jié)構(gòu)的變化，以及驅(qū)動功率對空化泡群整體結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:在一定時間內(nèi)，當(dāng)功率低于某一特定值時，焦域處不會發(fā)生劇烈空化，即不能產(chǎn)生可觀察的空化泡群;當(dāng)功率達到該特定值時，焦域處開始發(fā)生劇烈空化，并伴隨聲響。空化泡群最早在焦點附近產(chǎn)生，每次空化過程開始和結(jié)束時空化泡群的變化規(guī)律基本相同，中間過程的變化情況隨著施加在換能器上的電功率的不

6、同而變化;各種功率條件下，不同形態(tài)的空化泡群的出現(xiàn)的次數(shù)在整個空化過程內(nèi)的比重不同，小功率時，發(fā)生連續(xù)空化的次數(shù)較少，空化持續(xù)時間較短;隨著功率的增加，發(fā)生連續(xù)空化的次數(shù)先是增加再減少，最后連續(xù)空化，空化持續(xù)時間的平均值逐漸增大，相鄰空化周期間的平均間隔時間逐漸減小。
　　(2)本文提出了臨界劇烈空化聲壓的概念，為檢測液體中發(fā)生劇烈空化時的臨界聲壓的大小，提出了一種基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)對臨界劇烈空化聲壓進行檢測的方法。根據(jù)遠場光斑分布

7、的時間變化規(guī)律確定劇烈空化的發(fā)生，通過光線最大偏轉(zhuǎn)距離與焦點峰值聲壓的關(guān)系，可非介入地檢測臨界劇烈空化聲壓值，重復(fù)性高。
　　(3)通過分析液體中氣泡分布及變化規(guī)律，以及空化閾值聲壓隨外界環(huán)境壓強的變化規(guī)律對測量結(jié)果進行標(biāo)定，證實了該方法檢測臨界劇烈空化聲壓的可行性。
　　本文提出了基于聲光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)檢測液體臨界劇烈空化聲壓的方法，操作簡單、重復(fù)性高同時具有一定的可行性;同時運用高速攝影裝置對高強度聚焦超聲焦域處的空化泡群進行