張玉榮 李 非 陳宗桂 龔曉波 李發(fā)琪

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院, 重慶，400016； 2.超聲醫(yī)療國家工程研究中心，重慶，401121)

引 言

高強(qiáng)度聚焦超聲(High intensity focused ultrasound, HIFU)是一種體外無創(chuàng)治療腫瘤技術(shù)，其核心是通過超聲聚焦換能器將聲能聚焦于靶組織使其發(fā)生凝固性壞死，卻不損傷周圍的正常組織[1]。當(dāng)HIFU治療位置較深或體積較大的腫瘤時(shí)通常需要較高的聲功率(≥300 W)或較長的輻照時(shí)間，甚至重復(fù)治療，因此焦前區(qū)或焦后區(qū)的生物組織經(jīng)常發(fā)生一些諸如皮膚燒傷、腸道穿孔、骨膜疼痛等副作用[2-3]，一般將其原因歸結(jié)于超聲熱效應(yīng)或換能器的設(shè)計(jì)缺陷。但是，空化效應(yīng)產(chǎn)生的二次諧波及寬帶噪聲可被組織吸收并促進(jìn)熱量沉積，增強(qiáng)靶區(qū)或聲通道組織的損傷[4]。因此，一方面，靶區(qū)可控的空化效應(yīng)可用于HIFU增效及超聲監(jiān)控[5-6]；另一方面，焦前區(qū)或焦后區(qū)的空化效應(yīng)會造成額外的空化損傷，從而加重HIFU治療的副作用[7]?？梢姡栈莸目臻g分布與活動程度與HIFU療效密切相關(guān)，而現(xiàn)有的空化研究主要集中于HIFU治療中焦點(diǎn)處的生物組織，鮮有在脫氣水中開展焦前區(qū)及焦后區(qū)的空化研究。

在超聲波的正、負(fù)聲壓相的交變激勵下，液體中的空化核周期性地生長與破裂的過程稱為聲空化[8]，空化泡破裂瞬間，中心溫度和壓力分別高達(dá)5 000 K和1×105kPa[9]，其中，極端高溫的出現(xiàn)引發(fā)光子向外輻射，即聲致發(fā)光(Sonoluminescence, SL)，也稱為多泡聲致發(fā)光(Multi-bubble sonoluminescence, MBSL)[10-11]。聲致發(fā)光從光學(xué)角度實(shí)現(xiàn)了對空化泡的空間分布及活動程度的直觀測量與分析[12-13]，聲致發(fā)光的強(qiáng)度在一定程度上可以反映聲場中聲壓的分布，并依賴于聲學(xué)參數(shù)(如聲功率[14]、超聲頻率[15]及環(huán)境條件(如氧容量[16]、液體溫度[17])等因素。目前，關(guān)于聲致發(fā)光的研究一般都是基于低頻(≤ 100 kHz)或低輸出聲功率(< 100 W)的平面聲場[13，16，18]，相對而言，高強(qiáng)度聚焦超聲場中聲致發(fā)光的研究尚少。

因此，本文借助MBSL、被動空化檢測(Passive cavitation detection, PCD)等手段在脫氣水中研究了凹球面自聚焦超聲換能器在不同聲強(qiáng)下產(chǎn)生的聚焦聲場中多泡的空間分布及活動程度，本研究的開展對人們認(rèn)識焦前區(qū)、焦后區(qū)的副作用及優(yōu)化HIFU治療都有一定的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，本研究的實(shí)驗(yàn)裝置主要由5部分組成：(1)HIFU治療設(shè)備，由凹球面自聚焦超聲換能器(工作頻率為446 kHz，焦距與開口直徑分別為150 mm和220 mm)、掃描運(yùn)動裝置(運(yùn)動精度為0.1 mm)、計(jì)算機(jī)智能控制裝置、脫氣水處理單元與大功率電源構(gòu)成；(2)高速攝像系統(tǒng)，包括日本Photron公司制造的FASTCAM SA4高速攝像機(jī)及v3.5.1 PFV軟件；(3)被動空化檢測系統(tǒng)，由美國泛美無損檢測公司制造的V309-SU寬帶聚焦換能器(中心頻率5 MHz，焦距40 mm，開口直徑13 mm)，以及美國國家儀器有限公司生產(chǎn)的PXie-5122高速數(shù)據(jù)采集卡和v10.0.1 LabVIEW軟件組成；(4)日本尼康公司制造的D3X數(shù)字相機(jī)；(5)光電倍增管系統(tǒng)，包括美國安捷倫科技有限公司制造的DSOX6004A數(shù)字示波器、自制電磁屏蔽箱、日本濱松公司制造的H10721光電倍增管和C6438-01信號放大器等。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up

1.2 HIFU輻照

凹球面聚焦超聲換能器被置于1個(gè)長和寬均為50 cm、高為100 cm的透明玻璃水槽中，固定換能器表面與水面的距離為230 mm，其中，實(shí)驗(yàn)使用的介質(zhì)水需要經(jīng)過嚴(yán)格的脫氣處理，并保證氧容量為3.0 mg/L。實(shí)驗(yàn)開始，使用聲功率計(jì)對HIFU換能器的輸出聲功率進(jìn)行校驗(yàn)，通過美國ONDA公司制造的HFO-660光纖水聽器進(jìn)行聲場掃描，測得-6 dB聲焦域的長軸為14.1 mm、短軸為3.2 mm。然后，通過調(diào)節(jié)驅(qū)動電源的輸出電壓控制換能器的輸出聲功率在50～410 W之間(相鄰聲功率輸出間隔為30 W)，并通過式(1)算得不同輸出聲功率下的空間峰值聲強(qiáng)Isp[19]為

(1)

式中：W為聲功率；L=1.6 mm，為-6 dB聲焦域的半高寬(Full width at half maximum, FWHM)。因此實(shí)驗(yàn)使用的聲強(qiáng)范圍為3 047～24 984 W/cm2，相鄰聲強(qiáng)間隔約為1 828 W/cm2。

1.3 被動空化檢測

首先，將中心頻率為5 MHz的寬帶聚焦換能器固定在垂直于HIFU聲束軸向的方向上，使其焦點(diǎn)分別位于HIFU換能器的焦點(diǎn)處及焦點(diǎn)下方2 cm兩個(gè)不同的位置。然后，通過數(shù)據(jù)線連接寬帶換能器與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在不同聲強(qiáng)下，采集HIFU輻照10 s期間兩個(gè)不同位置的氣泡散射的聲信號，采樣頻率為20 MHz。然后，基于LabVIEW開發(fā)平臺進(jìn)行信號采集與去噪，其中，去噪是信號處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[20]，先通過Chebyshev帶通濾波器讀取所有信號，獲取不同輻照時(shí)刻氣泡散射聲信號的頻譜圖，再將高次諧波和諧波周圍±30 kHz的信號從頻譜圖中濾除。最后，采用式(2)計(jì)算3～6 MHz寬帶噪聲信號均方根RMS值[21]，并繪出該值隨時(shí)間變化的曲線。

(2)

1.4 聚焦聲場中的多泡分布與聲致發(fā)光

調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)的位置使換能器的聲焦域位于視野中央，在不同聲強(qiáng)下，利用高速攝像系統(tǒng)拍攝聚焦聲場中多泡的動態(tài)分布，其中，圖像的幀頻為1 000 幀/s，分辨率為300像素每英吋(Pixels per inch, PPI)。調(diào)節(jié)Nikon相機(jī)的位置使聚焦聲場的焦前區(qū)、焦點(diǎn)及焦后區(qū)均位于視野范圍內(nèi)，在暗室條件下拍攝MBSL的動態(tài)分布(拍攝參數(shù)：光圈F 2.8，曝光時(shí)間30 s，感光度H 2.0，圖像分辨率為100 PPI)。

利用光電倍增管系統(tǒng)測量不同聲強(qiáng)下聚焦聲場的相對發(fā)光強(qiáng)度：在HIFU輻照過程中，將光電倍增管的感光口緊貼水槽玻璃外壁正對HIFU聲焦域，聲場中微弱的光信號被轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號放大器放大并在數(shù)字示波器上完成顯示，其中，信號放大器的信號增益為500，控制電壓為1.0 V。這里輸出的電信號值與入射光子量成正比，因此可用于表征聲場的整體發(fā)光強(qiáng)度，減去無HIFU輻照時(shí)的背景光強(qiáng)度，即得不同聲強(qiáng)下聚焦聲場整體的相對發(fā)光強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同聲強(qiáng)下聚焦聲場中多泡的動態(tài)分布

氣泡在聲場中會產(chǎn)生兩方面的結(jié)果：(1)氣泡導(dǎo)致聲波傳播的衰減；(2)聲輻射力推動氣泡向焦點(diǎn)處聚集。不同聲強(qiáng)下聚焦聲場中多泡的動態(tài)分布情況如圖2所示。當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí)(如3 047 W/cm2)，脫氣水聲場中的空化核呈駐波場模式分布，并位于駐波波腹處微弱振蕩。提高聲強(qiáng)(如8 531 W/cm2)，聚焦聲場的非線性效應(yīng)顯著，在聲輻射力作用下聲場中的氣泡逐漸從駐波波腹處移向焦點(diǎn)處，如圖2可見氣泡群呈“火苗”狀聚集于焦點(diǎn)處，然后向焦后方生長，隨即消失。氣泡群周期性地出現(xiàn)、生長及消失的過程大約持續(xù)6 ms。進(jìn)一步提高聲強(qiáng)(如10 359 W/cm2)，焦點(diǎn)處氣泡群的出現(xiàn)、生長及消失這一過程的持續(xù)時(shí)間逐漸延長，氣泡群的最大尺寸明顯增大。當(dāng)聲強(qiáng)足夠高時(shí)(如21 328 W/cm2)，焦點(diǎn)處可見氣泡群劇烈地抖動，同時(shí)發(fā)出連續(xù)的嘶嘶聲。

2.2 不同聲強(qiáng)下聚焦聲場中多泡的空化特征

焦點(diǎn)處氣泡在不同聲強(qiáng)下散射的聲信號的頻譜圖和3～6 MHz寬帶噪聲信號如圖3所示。當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí)(如3 047 W/cm2)，頻譜圖中可見二次諧波與1/2次諧波，未見明顯的3～6 MHz寬帶噪聲。通常1/2次諧波提示氣泡在聲波作用下的穩(wěn)態(tài)空化，而非諧波的寬帶噪聲是瞬態(tài)空化發(fā)生的標(biāo)志[4，22]。由于空化是周期性的過程，因此在頻譜圖中空化信號呈周期性出現(xiàn)，在HIFU治療中，通常需要結(jié)合空化信號分析凝固性壞死的形成機(jī)制。隨著聲強(qiáng)的逐漸提高(如8 531 W/cm2)，高次諧波滋生，3～6 MHz寬帶噪聲的幅值顯著增加。需要注意的是，寬帶噪聲的出現(xiàn)需要一定時(shí)間累積，這一過程是空化核在聲波的持續(xù)作用下周期性地生長、崩潰形成氣泡群的過程。進(jìn)一步提高聲強(qiáng)(如10 359 W/cm2)，3～6 MHz寬帶噪聲出現(xiàn)需要的輻照時(shí)間縮短。當(dāng)聲強(qiáng)足夠高時(shí)(如21 328 W/cm2)，3～6 MHz寬帶噪聲不斷地出現(xiàn)，氣泡群的空化程度十分劇烈。圖4為焦點(diǎn)處3～6 MHz寬帶噪聲RMS值隨聲強(qiáng)的變化曲線，在一定聲強(qiáng)范圍內(nèi)(3 047～ 24 984 W/cm2)，3～6 MHz寬帶噪聲RMS值，即氣泡群的空化程度與聲強(qiáng)呈正相關(guān)。

圖3 不同聲強(qiáng)下，焦點(diǎn)處某一時(shí)刻的空化信號頻譜圖及與之對應(yīng)的3～6 MHz寬帶噪聲Fig.3 Cavitation signal spectrum and 3—6 MHz broadband emissions at focus under different acoustic intensities

圖4 焦點(diǎn)處3～6 MHz寬帶噪聲RMS值隨聲強(qiáng)的變化曲線Fig.4 RMS of 3—6 MHz broadband at focus as a function of acoustic intensity

不同聲強(qiáng)下，焦點(diǎn)下方2 cm處的空化信號頻譜圖及3～6 MHz寬帶噪聲如圖5所示。當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí)(如3 047 W/cm2)，空化信號頻譜圖可見有1/2次諧波與二次諧波，無明顯3～6 MHz寬帶噪聲。當(dāng)聲強(qiáng)為14 016 W/cm2時(shí)，高次諧波滋生，3～6 MHz的寬帶噪聲開始出現(xiàn)。當(dāng)聲強(qiáng)24 984 W/cm2時(shí)，3～6 MHz寬帶噪聲水平減弱，這是焦點(diǎn)處劇烈抖動的氣泡群對焦前區(qū)以駐波場模式分布的氣泡活動的影響導(dǎo)致的。

圖5 不同聲強(qiáng)下，焦前2 cm處空化信號頻譜圖及其對應(yīng)的3～6 MHz寬帶噪聲信號Fig.5 Cavitation signal spectrum and 3—6 MHz broadband emissions at 2 cm in front of focus at different intensities

2.3 不同聲強(qiáng)下聚焦聲場中的多泡聲致發(fā)光

不同聲強(qiáng)下聚焦聲場中的多泡聲致發(fā)光的空間分布如圖6 所示。當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí)(如3 047 W/cm2)，雖然氣泡分布于整個(gè)聲場中，但并非所有氣泡均可滿足聲致發(fā)光條件，發(fā)光主要集中在焦前區(qū)，并以駐波場模式分布。隨著聲強(qiáng)的逐漸提高(如3 047～10 359 W/cm2)，焦前區(qū)滿足發(fā)光條件的氣泡不斷朝換能器方向移動，由于焦前區(qū)及焦點(diǎn)處的氣泡對超聲能量的衰減作用導(dǎo)致焦后區(qū)的氣泡在聲強(qiáng)較低時(shí)難以發(fā)光。當(dāng)聲強(qiáng)為10 359～17 672 W/cm2時(shí)，焦點(diǎn)附近的發(fā)光范圍及強(qiáng)度逐漸增大，因氣-液界面的聲波反射，焦后區(qū)域最終形成的發(fā)光區(qū)域呈“圓盤”狀。當(dāng)聲強(qiáng)足夠高時(shí)(如21 328 W/cm2)，焦點(diǎn)處氣泡群劇烈坍縮的同時(shí)發(fā)出連續(xù)的“嘶嘶”聲，發(fā)光區(qū)域呈橢圓形，空化程度十分劇烈。

圖6 不同聲強(qiáng)下多泡聲致發(fā)光的空間分布Fig.6 Spatial distribution of MBSL at different acoustic intensities

圖7 聲場整體相對發(fā)光強(qiáng)度隨聲強(qiáng)的變化曲線Fig.7 Overall relative MBSL intensity as a function of acoustic intensity

聲場整體相對發(fā)光強(qiáng)度隨聲強(qiáng)的變化曲線如圖7所示。當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí)(3 047～4 875 W/cm2)，聲場整體相對發(fā)光強(qiáng)度較弱。當(dāng)聲強(qiáng)介于4 875與14 016 W/cm2之間時(shí)，聲場整體相對發(fā)光強(qiáng)度與聲強(qiáng)呈正相關(guān)，發(fā)光主要集中在焦前區(qū)。當(dāng)聲強(qiáng)超過14 016 W/cm2時(shí)，聲場的相對發(fā)光強(qiáng)度出現(xiàn)減弱的趨勢，隨后變化不大，這是因?yàn)樵谳^低的聲強(qiáng)下，氣泡主要位于駐波波腹處，相鄰氣泡距離較遠(yuǎn)，故氣泡之間的相互作用力，即Bjerknes力較小。在較高的聲強(qiáng)下，氣泡發(fā)生聚集，氣泡之間的距離縮短，Bjerknes力增強(qiáng)，該力不僅會促進(jìn)氣泡的融合，導(dǎo)致活化氣泡數(shù)量減少[23]，還會阻礙氣泡的振蕩，降低氣泡崩潰產(chǎn)生的泡內(nèi)溫度，因此導(dǎo)致聲場的整體相對發(fā)光強(qiáng)度大大減弱[24]。

3 結(jié)束語

聚焦超聲在脫氣水聲場中MBSL的空間分布及發(fā)光強(qiáng)度與多泡的活動密切相關(guān)，當(dāng)聲強(qiáng)較低時(shí)(如3 047～10 359 W/cm2)，氣泡位于駐波波腹處，并呈駐波場模式分布，焦前區(qū)最先出現(xiàn)聲致發(fā)光，發(fā)光范圍逐漸朝換能器方向延展。在較高的聲強(qiáng)下，氣泡聚集于焦點(diǎn)處形成氣泡群，氣泡群的劇烈坍縮導(dǎo)致聲場整體相對發(fā)光強(qiáng)度有所增強(qiáng)。當(dāng)聲強(qiáng)足夠高時(shí)(如21 328 W/cm2)，焦點(diǎn)處的氣泡群劇烈抖動，高次諧波滋生，3～6 MHz寬帶信號連續(xù)出現(xiàn)，提示空化程度十分劇烈，此時(shí)焦點(diǎn)處出現(xiàn)橢圓形亮斑，而氣泡群的出現(xiàn)導(dǎo)致聲場整體相對發(fā)光強(qiáng)度急劇減弱。