基于K-wave的经颅超声聚焦仿真研究

由于颅骨形状不规则,声速、密度等声学参数分布不均匀,使用传统相控聚焦的方法进行经颅超声精确聚焦时会出现焦点偏移、焦点形状畸变、散焦的现象,时间反转法被认为是能够克服颅骨非均匀特性,实现经颅聚焦的有效手段。而利用传统有限元,有限差分法进行数值仿真时,往往需要划分十分精密的网格进行计算,耗费大量的时间。K空间伪谱法通过在空间域上进行傅里叶变换,时间域上进行有限差分的方法求解声波方程,能够在降低计算网格密度的同时保证计算精度。为了克服颅骨对聚焦超声造成的焦移影响,同时避免声学模型计算量过大的问题,本文使用Matlab K-wave开源工具箱,对食蟹猴颅骨CT数据进行三维声学建模,实现了基于时间反转法的经颅超声聚焦,讨论了时间反转法对于颅骨不规则形状及非均匀声速造成的焦移的补偿。仿真结果表明,K-wave在提高计算速度的同时能够服务于精准经颅超声聚焦,且相较于传统基于声时差法的相控聚焦方法,时间反转法在预设焦点位置,焦点强度更高,焦斑形状更为规则,聚焦效果更好。     

超声经颅多普勒血流分析仪距离选通误差校准方法的研究

文章以颅内血管分布为切入点,结合脉冲多普勒测量血流的原理,分析得出距离选通是超声经颅多普勒血流分析仪的重要计量性能参数,进而阐述采用弦线式测试件校准超声经颅多普勒血流分析仪距离选通参数的方法,并依据该方法对不同型号的超声经颅多普勒血流分析仪的距离选通参数进行校准,获得距离选通误差的测量结果,并以使用手册中公布的距离选通误差为标准要求,结合实际使用需求,对距离选通误差的测量结果进行计量确认,从而对本文的校准方法进行了实验验证。     

腔内高强度聚焦超声肿瘤治疗的实验研究

本文作者对于利用高强度聚焦超声（ＨＩＦＵ）进行肿瘤腔内治疗作了许多理论计算和试验工作,比较了两种换能器的聚焦特性并研制了一种既能监视又能治疗的高强度聚焦超声换能器,利用此换能器对人工模及活体肿瘤进行了一系列加热实验,验证了高强度聚焦超声治疗肿瘤的可行性。为加热治疗机的开发提供了依据。     

高强度聚焦超声肿瘤治疗系统专项技术研究

本文通过对高强度聚焦超声治疗基本原理介绍,对HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统实际工作几项特色专项技术HIFU声场分布参数测量、HIFU温度场测量、三维重建技术中任意方位切面图像浏览及边界轮廓的实现方法等进行讨论,介绍相关技术及方法.     

聚焦超声的辐射力计算与高强度聚焦超声功率测量实验

本文研究聚焦超声场的辐射力计算，应用几何声学方法，推导了聚焦超声作用于测试靶上的辐射力的通用公式，讨论全反射靶和全吸收靶上的辐射力，最后给出了应用辐射力法测量高强度聚焦超声装置的声功率的实例，其结果与量热法测量的声功率接近，偏差不大于３％。     

聚焦超声清洗机的仿真设计与实验研究

目前,超声清洗机通常是将一组换能器排布于平面式清洗槽底部,但用此方法会形成驻波现象,不利于超声清洗。文章提出了一种球面式聚焦超声清洗的方法,与普通超声清洗相比,该方法提高了超声清洗的效率。文章采用有限元COMSOL Multiphysics软件对清洗机内声场进行分析,得到三维模型内声压的分布情况;研制了聚焦超声清洗机,并通过薄膜腐蚀实验验证了清洗机内的声压分布情况;通过对比试验发现,聚焦超声清洗油污的速度比普通超声清洗提高了77.27%。通过薄膜腐蚀实验和超声清洗实验可知,聚焦超声清洗机内声场分布均匀,且声场内存在能量聚焦区域,清洗速率高于普通超声清洗机。     

双频高强度聚焦超声换能器应用研究进展

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)消融实体肿瘤已在临床治疗中展示出良好的应用前景。HIFU消融肿瘤技术由于其使靶区肿瘤组织瞬时升温至60℃以上,产生不可逆性凝固性坏死,同时不影响靶区外正常组织而被广泛应用。目前治疗用超声主要使用单频率高强度聚焦超声,但其临床应用的主要限制是靶区组织消融时间较长,靶区外正常组织损伤风险较大。缩短靶区组织消融时间,对于提高HIFU治疗效率,更好地应用于临床较为关键。在总结HIFU换能器的特性和影响HIFU治疗因素的基础上,综述了应用不同类型的双频HIFU换能器强空化和缩短靶区组织消融时间等方面的研究进展。     

相控阵超声全聚焦成像算法的有限元仿真研究

基于超声相控阵基本理论和全聚焦成像算法(Total Focus Method,TFM),以30 mm厚的Q235钢板中的孔缺陷检测为研究对象,使用ABAQUS有限元软件,建立了相控阵TFM有限元检测模型。根据模拟结果,在MATLAB软件中编写了相控阵TFM成像算法。同时,采用超声多通道实验平台,对构建的TFM有限元检测模型和编写的相控阵TFM算法进行实验验证。实验结果与有限元模拟结果有较好的一致性。     

超声治疗中耦合液对声聚焦影响的研究

本文推导了凹球面聚焦换能器产生的声波经耦合液进入软组织后的声场计算公式，并对不同耦合液，耦合层厚度，温度对声聚焦的影响进行了研究，得到一一些对超声热疗具有指导意义的结果。     

动态聚焦超声换能器的研究与设计

介绍了为超声激活血卟啉抗肿瘤效应而研究的动态聚焦超声换能器。它是由６个等间距，等宽度的同心圆环和１个中心圆片组成的７元平面 能器阵。通过改变辐射孔径和每个阵元电激励信号的延迟时间，实现动态聚焦衣在各聚焦处声强度一致，导出了聚焦声场声压分布表达式，并设计出换能器的具体结构参数。     

超声阵列换能器设计及声场模拟

聚焦超声采用的聚焦方式有许多种,电子聚焦是其中之一,与其它聚焦方式相比,电子聚焦技术有很多优点,然而一些相互矛盾的条件对其设计有很大影响。通过用快速算法对阵元声场、以及频率对场的影响进行模拟,对阵列设计中的几个主要考虑方面进行了分析,提供了一般设计思路。采用伪逆矩阵算法,对变迹技术和多焦点技术进行计算机模拟,为焦域控制提供了新的思路,结果表明：将电子聚焦阵列换能器用于高强度聚焦超声治疗设备,比其它     

高强度聚焦超声(HIFU)技术迅速发展的五年

自2001年“首届高强度聚焦超声(HIFU)在医学中应用的国际学术交流会议”在我国重庆召开并同时成立了“国际超声治疗学会”五年来,HIFU技术得到了蓬勃发展!本文首先讨论了HIFU外科与传统超声热疗技术的本质区别,继而从HIFU工程研究、超声生物物理基础研究和HIFU技术的临床应用及国际学术发展等方面扼要地予以介绍以此展示我国科技工作者对国际HIFU发展的卓越贡献和面临的巨大挑战。     

Evaluation of polyvinyl alcohol cryogel as an acoustic coupling medium for low‐intensity transcranial focused ultrasound

Transcranial focused ultrasound (FUS) has emerged as a noninvasive neuromodulatory modality with exquisite depth penetration and spatial selectivity. Liquids, such as degassed water or mineral oil, are used as acoustic coupling media between the ultrasound‐generating transducer and the brain; however, they require a separate container that limits the spatial orientation of the transducers with respect to the sonication target. Nonliquid, gel‐like materials that do not require a housing container have been sought after as coupling media to overcome such limitations. Polyvinyl alcohol (PVA), when dissolved in water and undergone freeze–thaw cycle(s), forms a flexible hydrogel having a high level of acoustic transmission. To examine the feasibility of the PVA cryogel as the coupling material for transcranial FUS, the mechanical properties (in terms of its Young's modulus) and acoustic attenuation of the PVA cryogel were examined using different concentrations and number of freeze–thaw cycles. The cryogel with 6 or 7% (w/v) concentrations and two freeze–thaw cycles showed minimum pressure attenuation (on the order of 1%) across the different ultrasound frequencies (250–650 kHz). The cryogel was molded to fit around a single‐element FUS transducer and was applied to a head phantom, showing the flexibility in orienting the sonication paths at different angles and depths. The use of the cryogel did not alter the location and shape of acoustic focal profile compared to the one measured in the degassed water. The present work suggests that PVA cryogel may be used as an alternative acoustic coupling medium for low‐intensity FUS applications.     

聚焦超声的辐射力计算与高强度聚焦超声功率测量实验

研究聚焦超声场的辐射力计算。应用几何声学方法,推导了聚焦超声作用于测试靶上的辐射力通用公式,讨论了全反射靶和全吸收靶上的辐射力。最后给出了应用辐射力法测量高强度聚焦超声装置的声功率的实例,其结果与良热法测得的声功率接近,偏差不大于3%。     

Pulsed focused ultrasound can improve the anti-cancer effects of immune checkpoint inhibitors in murine pancreatic cancer

Pulsed high-intensity focused ultrasound (pHIFU) uses acoustic pressure to physically disrupt tumours. The aim of this study was to investigate whether pHIFU can be used in combination with immune checkpoint inhibitors (ICIs) to enhance survival of tumour-bearing animals. Murine orthotopic pancreatic KPC tumours were exposed both to a grid of pHIFU lesions (peak negative pressure = 17 MPa, frequency = 1.5 MHz, duty cycle = 1%, 1 pulse s⁻¹, duration = 25 s) and to anti-CTLA-4/anti-PD-1 antibodies. Acoustic cavitation was detected using a weakly focused passive sensor. Tumour dimensions were measured with B-mode ultrasound before treatment and with callipers post-mortem. Immune cell subtypes were quantified with immunohistochemistry and flow cytometry. pHIFU treatment of pancreatic tumours resulted in detectable acoustic cavitation and increased infiltration of CD8⁺ T cells in the tumours of pHIFU and pHIFU + ICI-treated subjects compared with sham-exposed subjects. Survival of subjects treated with pHIFU + ICI was extended relative to both control untreated subjects and those treated with either pHIFU or ICI alone. Subjects treated with pHIFU + ICI had increased levels of CD8⁺IFNγ⁺ T cells, increased ratios of CD8⁺IFNγ⁺ to CD3⁺CD4⁺FoxP3⁺ and CD11b⁺Ly6G⁺ cells, and decreased CD11c^high cells in their tumours compared with controls. These results provide evidence that pHIFU combined with ICI may have potential for use in pancreatic cancer therapy.     

非侵入式超声塑形及其实现的关键技术

非侵入式超声塑形是最近几年刚刚兴起的技术,使用特殊的换能器产生高能量聚焦超声波作用于人体脂肪层,利用超声波的空化效应破坏脂肪细胞膜,游离的脂肪通过人体代谢系统排除体外,从而达到塑形的目的。此项技术具有安全无创等优点。简要讨论了非侵入式超声塑形的物理机理、工作参数、实际系统的构成和工作原理,重点介绍了其中的两项关键技术：超声塑形系统中的发射换能器和频率跟踪技术的应用。     

红外热成像聚焦超声声场测量方法综述

基于红外热成像技术对聚焦超声声场进行快速、定量测量的方法具有扫描速度快、空间分辨率高、适用频率范围广等优点。但是由于红外线的穿透能力限制,在红外摄像仪和超声吸收体之间需要一个空气层,因此使得超声吸收体内部声场较为复杂,目前已有三种模型对此进行描述,且都得到了相应的实验验证。本文通过分析基于三种模型的超声吸收体内部声场分布和声强估计方法,对其进行了较为详细的描述。为进一步研究该项技术提供了理论参考依据。     

我国聚焦超声治疗技术的迅速崛起与展望

治疗超声技术被推选为当今世界的前沿科学技术。高强聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound,HIFU）技术被认为是21世纪治疗肿瘤的新技术,已被成功地用于临床＂消融＂多种肿瘤。我国在使用聚焦超声技术治疗妇科外阴白色病、宫颈炎等也取得巨大成功,引起广泛重视。但这些新的治疗技术仍有很大的发展空间。并且指出了存在的问题和面临的挑战,以及为确保我国在这一领域的领先地位需要采取的应对措施。