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复频聚焦超声换能器及其辐射声场激活血卟啉化学效应的研究

石焕文  
【摘要】:恶性肿瘤是一种直接威胁人类生命安全的疾病,对肿瘤,尤其是恶性 肿瘤的诊治是当前国内外研究的重要课题。采用超声方法抑制肿瘤生长 和破坏肿瘤细胞,目前已成为热点问题。由于超声与光相比有较强的穿 透性,且易聚焦,因此用超声治疗深层组织肿瘤有着诱人的应用前景。 在多种超声治疗肿瘤的方法(高强度聚焦超声(HIFU)外科、超声热疗法、 声动力学疗法)中,由于前两种方法应用于临床的缺陷和困难,以及第三 种方法中光敏物质(卟啉衍生物、占吨衍生物)的选择聚集性,使声动力学 疗法倍受人们的青睐。国内外许多学者,尤其是日本学者S.Umemura和 N.Yumita在这方面做了大量的研究工作,取得了一些初步研究成果。但 这些研究都是局限在肿瘤细胞悬浮液和小动物活体移植肿瘤细胞方面, 离临床应用还有相当大的距离。为了推动这一方法向临床应用迈进,能 高效、方便地激活光敏物质达到治疗人体肿瘤的目的,在国内外研究的 基础上,结合国家自然科学基金项目,本文设计了复频聚焦换能器,并 对其性能进行了研究,用化学方法检测了这种换能器辐射声场激活血卟 啉的效率。 作者设计了400kHz+800kHz,400kHz+1.2MHz两个复频聚焦换能 器,从声压辐射公式出发,推导并用数值方法计算了这两个换能器产生 的各个频率超声场的轴向声压分布,从而确定了焦区位置。在具有精密 三维定位系统的消声水槽中对这两个换能器辐射声场的特性进行了研 究。两个换能器各自焦区的理论值与实验值符合较好,而且同一换能器 不同频率超声的焦区位置也基本重合,能达到两种频率超声迭加的目 的。另外用频谱仪测定了换能器焦区声场的频谱,观察到了声散射声现 象。从气泡方程和定向扩散理论出发,用数值方法求解了基频超声与谐 波迭加加强声空化效应的最佳条件。在超声激活血卟啉效应的实验中, 建立了一套声动力学声化学辐照血卟啉的实验装置,研究了超声激活血 卟啉的效率与声参量(强度、频率、作用时间)及血卟啉浓度之间的关系, 寻找了最佳参数范围,并作了单、复频超声激活效率的对比研究。通过 计算和大量实验研究;得到的主要结论如下: 1.用数值方法求解的基频超声和谐波迭加加强声空化的最佳条件 是:在和声强保持一定的条件下,二次谐波与基波迭加的最佳条件为, 二次谐波的相位(即二次谐波相对于基波的相位差)■=π,两种声波的振幅 比 α_2/α_1=1.0,这一结论与文献[1]的实验结论相符。对于三次谐波与基波 的迭加,三次谐波的相位(也即三次谐波相对于基波的相位差冲一0,两种 声波的振幅比 a/a;叫刀,这一结论还有待于实验的证实。 2.研究和设计了能产生声散射声的复频聚焦超声换能器。对于 400kHz+800kHz复频换能器,焦区出现在距声透镜4.4cm处,与理论值 4.Zcm符合较好,焦区直径分另为 0.58cm(400kHz)、0.64cm(800kHz);对 于400kHz+1.ZMHz复频换能器,焦区出现在距声透镜4.scm处,也与理 论值4.gcm 符合较好,焦 区直径分别 为0.52cm(400kHz)、 0.50cm(1.ZMHz)。另外用水听器对焦区声场进行了定标,实验发现,焦 区声强与功率放大器输人电压平方近似成正比关系,这一点与用声功率 计测到的数据关系一致。在频谱分析中,复频激发时不仅产生了人土人 声信号,而且还产生了 Zf、2f2、3f、3f2、3f+人(或ZfZ+f)信 号,这就从实验上证实了声散射声现象的存在。 3.研究了超声激活血叶琳的化学效应。首次用1,3一二苯基异苯并峡 哺的消耗量检测了超声激活血叶咐的效率。实验中发现,在本文条件下 激活效率与作用时间、超声强度呈正相关关系。血叶琳浓度有一个最佳 值,在 50ug/ml 的左右,不同频率超声激活血叶琳效率的关系是 400kHZ<800kHZ<1.ZMHZ。在相同辐照条件下,两种血叶琳(HPD(带ZHCI) 和 HPD(Free Base))的激活效率相当。在血叶琳浓度为 50ug hl 400kHz、800kHz超声强度为 1.OW/cm’,1.ZMHz超声强度为 5.0 W儿m‘条件下,最佳作用时间在60-805之间。在辐照时间为605固定不 变条件下,不同频率超声的激活效率快速增长区在不同强度范围内。作 单、复频 fL较发现,400kHz+l.ZMHz(强度分别为 l.0 W/cm’,5.OW/cm’) 比 400kHZ+800kHZ(强度都为 1.OW儿m勺复频激活血叶琳增强效果要高 些,在辐照时间为 60s,血叶琳浓度为 50ng/ml条件下,前者最多是单 频作用效果之和的1.4倍,而后者最多是单频作用效果之和的1二倍。最 后指出了提高复频增强效果的途径是:一)提高两列要迭加的超声波的声 强。口)用分频器实现两路电信号频率严格成倍数关系,从而达到声信号 按最佳相位迭加的目的。o)复频迭加增强效果的频率效应也不能忽略。 以上研究在国内尚属首次,在国外文献中亦未见报道。这一研究为后 期的离体、活体实验提供了重要的参数,为推动声动力学疗法的发展也 具有一定的重要意义。


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