陳繼康　楊濟(jì)民　海樺

摘要：超聲可以通過(guò)空化效應(yīng)加快病理組織處理的速度，并且處理的結(jié)果與超聲誘發(fā)的空化效應(yīng)的狀態(tài)有關(guān)。所以，在超聲加速病理組織處理期間對(duì)空化活動(dòng)的檢測(cè)成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。本文自主研發(fā)了一款基于超聲加速病理組織處理的空化檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)超聲功率放大器驅(qū)動(dòng)超聲換能器產(chǎn)生特定頻率的超聲信號(hào)，在超聲的輻照下，組織處理容器內(nèi)會(huì)發(fā)生空化活動(dòng)，此時(shí)，系統(tǒng)中的空化檢測(cè)系統(tǒng)則會(huì)對(duì)空化產(chǎn)生的特征信號(hào)進(jìn)行提取與分析，進(jìn)而可以對(duì)空化的狀態(tài)進(jìn)行判定，實(shí)現(xiàn)在超聲加速病理組織處理期間對(duì)空化檢測(cè)的目的。

關(guān)鍵詞：超聲;空化效應(yīng)檢測(cè);快速病理組織處理;信號(hào)檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TN710 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）14-0202-03

1 引言

在臨床診斷中，通常要用到病理切片來(lái)對(duì)某些疾病的病因、病況進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判定，為醫(yī)生提供可靠的診斷信息[1， 2]?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，制作病理切片應(yīng)用最為廣泛的方法是石蠟切片技術(shù)。傳統(tǒng)的石蠟切片技術(shù)的一般處理過(guò)程包括：固定、脫水、透明、封蠟，包埋和染色等多個(gè)病理組織處理步驟，制作的病理切片可提供優(yōu)越的細(xì)胞形態(tài)且可長(zhǎng)期存儲(chǔ)，但缺點(diǎn)是處理周期長(zhǎng)，處理時(shí)長(zhǎng)超過(guò)10個(gè)小時(shí)[3]。

超聲加速病理組織處理技術(shù)是在傳統(tǒng)的石蠟切片技術(shù)的基礎(chǔ)上使用超聲輻射病理組織塊，在組織塊周圍形成隨超聲不斷震蕩的微氣泡，可在細(xì)胞膜表面形成可讓大分子通過(guò)的孔狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)加速病理組織處理的目的，可在1小時(shí)內(nèi)制作出品質(zhì)較好的病理切片[4， 5]。研究發(fā)現(xiàn)，使用超聲加速病理組織處理技術(shù)制得的病理切片的質(zhì)量和速度與空化效應(yīng)的狀態(tài)有關(guān)，所以，在超聲加速病理組織處理期間對(duì)空化狀態(tài)的檢測(cè)成為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

檢測(cè)空化的方法有很多，有直接檢測(cè)的方法，也有間接檢測(cè)的方法。而應(yīng)用最多的則是根據(jù)空化發(fā)生時(shí)出現(xiàn)的各種效應(yīng)而產(chǎn)生的間接檢測(cè)法，包括次諧波法[6-9]、二次諧波信號(hào)檢測(cè)法[10]、聲學(xué)成像[11]、化學(xué)劑量法[12， 13]、電子自旋共振[14]以及碘釋放[15]等。然而，在上述提及的方法中，除了諧波信號(hào)檢測(cè)法外，其他方法通常操作過(guò)程比較復(fù)雜，而且成本較高[6， 16]。與二次諧波信號(hào)相比，次諧波信號(hào)所受傳播延時(shí)的影響較小[17]，所以本文最終選用次諧波信號(hào)檢測(cè)法用于檢測(cè)超聲加速病理組織處理期間的空化活動(dòng)。次諧波信號(hào)檢測(cè)法反映的是超聲功率密度與次諧波信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，使用次諧波信號(hào)檢測(cè)法檢測(cè)空化的原理是：只要檢測(cè)到次諧波信號(hào)，就可以認(rèn)為發(fā)生了空化。檢測(cè)到的次諧波信號(hào)越強(qiáng)，說(shuō)明空化強(qiáng)度越大。

2 系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)框圖

基于超聲加速病理組織處理的空化檢測(cè)系統(tǒng)的流程框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)主要的外圍硬件電路

該系統(tǒng)主要由超聲功率放大器與空化信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。首先，信號(hào)源電路產(chǎn)生一路PWM信號(hào)輸入到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路則會(huì)輸出兩路頻率相同的、相位互補(bǔ)的、驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)的PWM信號(hào)，經(jīng)隔離電路驅(qū)動(dòng)功放電路使發(fā)射傳感器產(chǎn)生特定頻率的超聲信號(hào)?？栈盘?hào)檢測(cè)系統(tǒng)中的接收傳感器在檢測(cè)到空化特征信號(hào)后，經(jīng)放大電路、濾波電路以及ADC采集電路后，最終進(jìn)入PC機(jī)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）處理。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)功放電路工作需要兩路驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、相位互補(bǔ)且死區(qū)時(shí)間合理的PWM信號(hào)。所以，考慮到電路工作時(shí)的安全性與可靠性，本文以高性能的半橋驅(qū)動(dòng)芯片為基礎(chǔ)搭建驅(qū)動(dòng)電路，輸出的信號(hào)可以很好地驅(qū)動(dòng)半橋電路工作，而且避免了半橋電路中直通現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.2 功放電路

驅(qū)動(dòng)傳感器工作的功放電路主要有兩種，分別為半橋電路與全橋電路，考慮到全橋電路成本較高，且驅(qū)動(dòng)四只MOSFET所需信號(hào)的精度要求比較高，而半橋電路的抗不平衡能力強(qiáng)，成本低，對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求低，所以本文最終選用半橋電路作為驅(qū)動(dòng)傳感器的功放電路。在使用半橋電路驅(qū)動(dòng)超聲換能器工作時(shí)，開(kāi)關(guān)管選用碳化硅MOSFET，可以縮短MOSFET的導(dǎo)通與截止時(shí)間，進(jìn)而減少M(fèi)OSFET不必要的發(fā)熱。此外，還要注意橋臂電容的均壓與隔直電容的使用等問(wèn)題。

2.2.3 濾波電路

接收傳感器檢測(cè)到的微弱的空化特征信號(hào)里包含許多高頻雜波信號(hào)，在經(jīng)過(guò)放大后，如果不及時(shí)濾除，可能會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成很大的影響。所以，本文在放大電路后加入低通濾波電路，并作為抗混疊濾波器使用，以便后面的A/D轉(zhuǎn)換。

3 實(shí)驗(yàn)方法與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為了全面了解超聲作用于病理組織處理時(shí)的空化情況，并進(jìn)一步優(yōu)化病理組織的處理環(huán)境，本文自主研發(fā)了一款基于超聲加速病理組織處理的空化檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)超聲加速病理組織處理期間的空化活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)選取了一個(gè)體積為8×8×10cm3的不銹鋼容器作為超聲處理容器，并在其中裝滿脫氣水。在選擇處理容器時(shí)，所選容器的壁厚遠(yuǎn)小于激勵(lì)信號(hào)的波長(zhǎng)，因此，容器壁對(duì)于激勵(lì)超聲來(lái)說(shuō)幾乎是透明的，不會(huì)發(fā)生反射。我們將直徑為30mm、諧振頻率為0.2MHz的平面發(fā)射傳感器（HNC-4AH-25200， Hainertec）安裝在處理容器的底部平面，以0.3W/cm2為步長(zhǎng)，在連續(xù)超聲模式下，超聲功率密度在0-2.4W/cm2之間變化，并且每個(gè)功率密度值的輻照周期固定為5s，實(shí)現(xiàn)超聲對(duì)容器內(nèi)部的輻射功能。另外，考慮到超聲遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的特性，我們將接收傳感器（AE304SA40-BNC，鵬翔科技）安裝在與發(fā)射傳感器軸線成90°且距離發(fā)射傳感器平面45mm的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域中，所依據(jù)的公式如式（1）所示：

由空化產(chǎn)生的次諧波信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后傳輸?shù)降屯V波電路，隨后信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）（NuDAQ PCI-9812， ADLinK Technology INC）進(jìn)行離散化處理。低通濾波器在截至頻率處的增益為-3dB。最后，通過(guò)FFT獲得每個(gè)頻率分量的強(qiáng)度。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

激勵(lì)信號(hào)的基頻的1/2，1/3 ……倍被稱為次諧波。研究者們使用次諧波信號(hào)檢測(cè)法檢測(cè)空化通常測(cè)量1/2次諧波信號(hào)，而本文除了測(cè)量1/2次諧波信號(hào)外，還對(duì)其他頻率的次諧波信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。本文分別對(duì)3/8次諧波信號(hào)、1/2次諧波以及5/8次諧波信號(hào)這三個(gè)連續(xù)的次諧波信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，檢測(cè)結(jié)果如圖3a～3c所示。

從圖中我們看出，本文所研發(fā)的空化檢測(cè)系統(tǒng)在液體環(huán)境中可以較好地檢測(cè)到空化產(chǎn)生的次諧波信號(hào)，且檢測(cè)到的次諧波信號(hào)具有較好的穩(wěn)定性與單調(diào)性。我們還可以發(fā)現(xiàn)，每個(gè)次諧波信號(hào)的信號(hào)幅度、空化閾值等信號(hào)特征是不相同的。但是，隨著超聲功率密度的增加，每個(gè)次諧波信號(hào)的信號(hào)幅度的變化趨勢(shì)是相似的，即超聲功率密度逐漸增大，次諧波信號(hào)在達(dá)到空化閾值之前變化不大;當(dāng)超聲功率密度超過(guò)閾值后，次諧波信號(hào)開(kāi)始迅速增加;當(dāng)功率密度超過(guò)一定值時(shí)，出現(xiàn)了次諧波信號(hào)的最大值;隨后在一定范圍內(nèi)，無(wú)論超聲功率密度如何增加，次諧波信號(hào)都保持穩(wěn)定。

4 總結(jié)與展望

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文研發(fā)的基于超聲加速病理組織處理的空化檢測(cè)系統(tǒng)可以很好地檢測(cè)到空化特征信號(hào)，可以根據(jù)在不同超聲功率密度下檢測(cè)到的空化信號(hào)的強(qiáng)度判斷空化的狀態(tài)。因?yàn)椴煌课坏慕M織在不同強(qiáng)度的空化作用下進(jìn)行病理組織處理所需的時(shí)間不同，所以本文研究的基于超聲加速病理組織處理的空化檢測(cè)系統(tǒng)可以為超聲加速病理組織處理提供環(huán)境參數(shù)的參考，能夠極大地促進(jìn)病理診斷在臨床治療中的應(yīng)用，同時(shí)也為超聲空化在臨床快速病理組織處理中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

本次實(shí)驗(yàn)是在處理容器內(nèi)盛有脫氣水的理想情況下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，而沒(méi)有模擬病理組織處理的實(shí)際過(guò)程，所以，在下一步的實(shí)驗(yàn)中，我們將模擬病理組織處理的實(shí)踐過(guò)程，在處理容器內(nèi)加入不同的物體，觀察空化特征信號(hào)是否發(fā)生了變化。

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