球形集声器在生物组织中形成的组织损伤&#8

发布时间：2022-10-09 23:04 热度：

　　耿昊1)范庭波1)2)张喆1)屠娟1)郭霞生1)李发琪3)章东1)4)y1)(南京大学声学所,近代声学教育部重点实验室,南京210093)2)(江苏医疗器械检验研究所,南京210012)

　　球形集声器可在亚波长焦域内形成高强度声压,在高强度聚焦超声治疗中具有潜在应用前景.本文结合非线性声传播理论及生物传热学理论,研究球形集声器在生物组织中形成的组织损伤.实验中采用430kHz,内径为240mm的球形集声器对肝组织作用,结果表明:集声器表面声压为53kPa时作用2s,可以形成小于波长尺度的组织损伤.理论计算结果与实验结果符合得较好,并且理论模型可优化球形集声器的开口孔径.研究结果表明,球形集声器可应用于肿瘤的精细超声治疗.

　　关键词:球形集声器,组织损伤,高强度聚焦超声

　　PACS:43.25.+y,43.80.+pDOI:10.7498/aps.63.044301

　　1引言

　　高强度聚焦超声(highintensityfocusedultrasound,HIFU)作为一种新兴非侵入性靶向肿瘤治疗技术,已经成为医学超声的研究热点[1;2].HIFU将体外超声能量聚集到体内靶组织,在短时间内提高靶组织温度至70◦C以上,使肿瘤组织出现凝固性坏死;并且超声路径上焦区外辐射声压强度较低,对正常组织的损伤较小,从而实现无创治疗.传统的HIFU聚焦形式有:透镜式[3]、相控阵[4]和球壳式[5]等.但受到声波衍射效应的影响,HIFU聚焦精度受到限制,形成的焦域尺寸取决于F数,一般沿声轴方向小于10个波长,垂直声轴方向为1—2个波长.如何在保证聚焦强度的前提下提高声聚焦精度,是当前HIFU技术发展的重点研究方向之一.

　　近年来,众多研究者基于Bragg散射、声子晶体及超材料等方法提出了超声聚焦方法,以克服声波衍射效应的影响,实现亚波长成像[6;7].但这些方法不能提供高声强应用于超声治疗.新型的球形集声器[8]通过两个尺寸相同、位置相对的半球换能器构成一个球面驻波聚焦腔(此时换能器的表面同时为超声波的发射面和强反射面),聚焦声场由球面直接辐射的声波和经球面多次反射声波叠加而成;当球心处直接聚焦的声波和各次反射的声波相位相同时,可在球心形成很高的声压,并且焦域精度得到提升.

　　本文理论及实验研究430kHz,内径为240mm的球形集声器在生物组织中形成的组织损伤.理论建模中,采用Westervelt方程[9]描述非线性声波传播,Pennes生物传热方程[10]描述组织中的温度变化,以及热剂量方程定量判断组织热损伤[11;12].实验研究中,将新鲜猪肝组织放入球形腔换能器焦点处,研究损伤形状和大小,并与数值仿真进行比较.最后,基于建立的理论模型讨论了球形集声器的开口优化,通过比较不同开口直径的球形集声器在相同条件下所造成的组织损伤大小,优化开口尺寸.

　　2理论模型

　　2.1非线性声学模型

　　图1为在轴对称柱坐标下,球形集声器的结构参数和层状组织的分布示意图.其中Z轴为轴向坐标轴,R轴为径向坐标轴;D为球形腔换能器的口径,a为曲率,L为球壳开口的直径,声源表面振动速度为u0;介质I为水,介质II为立方体形状的肝组织,边长为l.球形腔内的声场由压电陶瓷直接发射的超声波和经过球面多次反射的超声波叠加而成,令直达波和反射波同相叠加,在球心处可以获得较高声

　　3结果与讨论

　　3.1实验系统及样品制备

　　实验中使用的球形集声器的内半径为a=120mm,开口L=100mm,超声发射频率为430kHz,发射电功率为200W(声源声压约53kPa).组织样品来自于屠宰场猪的新鲜肝组织,存放在0.9%的生理盐水中,切割为40mm×40mm×40mm立方体以供超声作用,所有的实验在23◦C下两小时内完成.实验在除气水中进行,在球形集声器球心位置放置组织样品,超声作用时间为2s.超声作用后,取出样品,分别沿平行于z轴方向和垂直于z轴方向经过样品中心进行切片,采用Photoshop软件定量分析组织损伤大小.

　　3.2组织损伤实验结果

　　图2为典型样品的平行于z轴方向和垂直于z轴方向的组织损伤图片.图2(a)近似为椭圆形,长轴长约2.3mm,垂直于z轴方向,短轴长约1.9mm,平行于z轴方向;图2(b)为z轴方向形成的损伤,近似为圆形,直径约2.5mm.可以看出,损伤范围集中在很小区域.由于430kHz声波的波长约3.49mm,说明球形集声器可以产生小于波长的组织损伤.

　　3.3数值仿真

　　本文针对实验参数,根据非线性方程Westwelt及生物传热学方程进行了声场及组织损伤的数值仿真.图3为球形集声器产生的沿z轴方向及焦平面上沿r方向的归一化声压分布,其中实线为归一化正声压(p+),虚线为归一化负声压(p−).图中声压以换能器表面声压P0=53kPa对球形腔内声场进行归一化处理.球形腔焦点处正声压增益为378.66,负声压增益为310.71,正压增益明显大于负压增益,表明焦点附近有很强的非线性效应,波形产生畸变.图4为经对数处理后球形集声器焦域附近的正声压及负声压二维分布.图中正声压和负声压的−6dB聚焦区域均呈椭圆形,正声压区域沿z轴方向约1.93mm,沿r轴方向约2.46mm;负声压区域沿z轴方向约2.22mm,沿r方向约2.7mm.正声压焦域略小于负声压焦域,两者均集中在较小的区域.

　　将通过非线性声场模型计算得到的声场分布,代入传热学模型和组织热损伤模型中,可以模拟出组织损伤分布.图5为样品组织在声源声压53kPa时球形集声器作用2s后产生的组织损伤.在平行于z轴方向的切面,损伤呈椭圆形,其中长轴沿r轴,长约2.8mm,短轴沿z轴,长约2.3mm;在垂直于z轴方向的切面,损伤呈圆形,其直径长约2.8mm.与图2的实验结果相比,数值仿真结果略大,但形状一致.说明通过Westervelt方程和Pennes方程建立的球形集声器的组织损伤理论模型,可以较好地预测球形集声器对组织产生的热损伤的形状和大小.

　　4结论

　　本文结合描述非线性声场的Westervelt方程及描述超声热效应下组织温度变化的Pennes方程,建立了球形集声器产生组织损伤的热损伤模型.利用球形集声器对肝组织样品组织进行实验照射,将损伤部位切片,并与热损伤模型理论的计算结果进行对比,实验结果和理论计算符合较好,表明建立的球形集声器的组织损伤模型的可行性.理论计算和实验结果表明:球形集声器可以在球心处产生比波长尺度小的组织损伤,并且开口孔径的优化可进一步提高球形集声器的聚焦精度.

　　参考文献

　　[1]SunJM,YuJ,GuoXS,ZhangD2013ActaPhys.Sin.62054301(inChinese)[孙健明,于洁,郭霞生,章东2013物理学报62054301]

　　[2]XuF,LuMZ,WanMX,FangF2010ActaPhys.Sin.591349(inChinese)[徐丰,陆明珠,万明习,方飞2010物理学报591349]

　　[3]FanTB,LiuZB,ChenT,LiFQ,ZhangD2011Med.Phys.385033