高强度聚焦超声临界剧烈空化声压的检测

【摘要】：高强度聚焦超声（High Intensity Focused Ultrasound，简称HIFU）是近年来新兴的一种无创治疗肿瘤的新技术，目前已应用于多项肿瘤的临床治疗。HIFU治疗肿瘤的机制主要包括空化效应、热效应和机械效应。空化效应在焦域处产生的空化泡群在HIFU治疗过程中起着非常重要的作用，一方面它能够使靶区温度得到升高，一定程度上提高了治疗效率；但另一方面空化效应产生的空化泡群会对声波进行散射，阻碍了声波的传播，使得损伤位置变宽同时向声源方向扩展，损伤形状由分布均匀的“雪茄形”变成“蝌蚪形”，对治疗精度产生影响。因此对于HIFU空化场的研究不但可以揭示其作用机理，同时也能够控制空化效应进而达到对其进行利用的目的。 空化效应分为稳态空化和瞬态空化。在相关实际应用中主要为瞬态空化，液体中有大量的空化泡发生内爆，从而达到应用目的。由于液体中存在着大量的空化核，这些空化核的半径各不相同，且服从一定的统计学分布，因此对于每一种半径的空化核发生内爆时所需的声压的大小也不同。只有声压超过一定阈值时，液体中才会有大量的空化泡发生内爆，整个空化场内空化泡的活动复杂。目前的理论计算和实际检测方法对于大量空化泡发生内爆时的临界声压的检测存在一些问题，理论计算只能得到一种空化半径条件下的空化泡发生内爆时的临界声压，而目前的定量检测的方法在高声压条件下会对声场产生干扰，损坏传感器等。因此本文提出了剧烈空化的概念，所谓剧烈空化是指液体中所存在的大量空化泡在一定的超声波作用下发生内爆的现象，发生剧烈空化时整个空化区域内空化泡的活动复杂剧烈，能够用肉眼观察剧烈空化区域与其他区域的液体透明度具有明显的差别，并出现较大的声响。相应的对于具体液体在确定的条件下，只有声压超过某一数值，才能发生剧烈空化，将这一特定声压值称为临界剧烈空化声压，也就是发生剧烈空化时的阈值声压。基于此，本文提出了运用声光偏转效应来对发生剧烈空化时的临界声压进行检测，同时运用高速摄影装置对高强度聚焦超声焦域处的空化泡群进行了实验观察。主要做了以下几方面的工作： （1）首先提出了剧烈空化的概念，然后通过高速摄影装置研究了高强度聚焦超声焦域处发生剧烈空化时空化泡群的产生、其结构的变化，以及驱动功率对空化泡群整体结构的影响。结果表明：在一定时间内，当功率低于某一特定值时，焦域处不会发生剧烈空化，即不能产生可观察的空化泡群；当功率达到该特定值时，焦域处开始发生剧烈空化，并伴随声响。空化泡群最早在焦点附近产生，每次空化过程开始和结束时空化泡群的变化规律基本相同，中间过程的变化情况随着施加在换能器上的电功率的不同而变化；各种功率条件下，不同形态的空化泡群的出现的次数在整个空化过程内的比重不同，小功率时，发生连续空化的次数较少，空化持续时间较短；随着功率的增加，发生连续空化的次数先是增加再减少，最后连续空化，空化持续时间的平均值逐渐增大，相邻空化周期间的平均间隔时间逐渐减小。 （2）本文提出了临界剧烈空化声压的概念，为检测液体中发生剧烈空化时的临界声压的大小，提出了一种基于声光偏转效应对临界剧烈空化声压进行检测的方法。根据远场光斑分布的时间变化规律确定剧烈空化的发生，通过光线最大偏转距离与焦点峰值声压的关系，可非介入地检测临界剧烈空化声压值，重复性高。 （3）通过分析液体中气泡分布及变化规律，以及空化阈值声压随外界环境压强的变化规律对测量结果进行标定，证实了该方法检测临界剧烈空化声压的可行性。 本文提出了基于声光偏转效应检测液体临界剧烈空化声压的方法，操作简单、重复性高同时具有一定的可行性；同时运用高速摄影装置对高强度聚焦超声焦域处的空化泡群进行了实验研究，分析了空化泡群的产生变化原因，为今后研究空化的作用机理以及如何控制空化提供了实验依据和理论依据。