相控超聲屏蔽微栓研究

【作 者】劉闖，白景峰

1 上海交通大學生物醫學工程學院生物醫學儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

相控超聲屏蔽微栓研究

【作 者】劉闖1,2，白景峰1,2

1 上海交通大學生物醫學工程學院生物醫學儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學Med-X研究院，上海市，200030

神經系統并發癥發生的原因與體外循環和術中操作產生的微栓有關，利用超聲輻射力屏蔽微栓的方法，可以有效地降低神經系統并發癥發生的概率，流體中的微粒在聲場中會受到聲輻射力的作用，改變其運動軌跡。該文主要研究了超聲屏蔽微栓方法。該超聲裝置利用FPGA開發板產生方波信號，經功率放大器產生正弦波信號，驅動超聲探頭產生相控超聲信號，上位機控制軟件基于Qt開發平臺開發。研究結果表明超聲輻射力屏蔽微栓具有一定的可行性。該文的研究為后續的深入研究奠定了堅實的基礎。

神經系統并發癥；超聲輻射力；Qt；相控超聲

神經系統并發癥是心血管外科手術后一項較為常見的術后并發癥，這些并發癥包括神經認知功能障礙和中風等[1-2]。據統計，術后中風的發生概率高達2%～8%，而術后神經認知功能障礙的發生概率更是高達5%～43%。這些并發癥是患者術后致殘致死的重要原因。腦血管意外后遺癥（如偏癱）也會給患者本人及其家庭造成巨大的精神和經濟負擔。

心血管術后神經系統并發癥與體外循環以及術中產生的微栓子有著密切關系[3]。微栓子有多種形式結構，比如氣泡(空氣或麻醉劑)、脂肪斑塊、無機物碎片、血小板凝聚塊等。這些栓子進入腦組織后，輕者會使腦部血管狹窄或閉塞，阻礙腦血流供應導致腦組織缺血缺氧，繼而壞死，使腦功能發生障礙；重者會完全堵塞血管，導致血供阻斷，使患者發生腦中風。

利用超聲形成的聲力學（Acoustic Force）屏蔽進入腦血管的微栓是近年來解決上述問題的新思路，并且已經通過臨床驗證[4]。本文就是利用超聲的力學性質研究一種新型超聲屏蔽微栓裝置，減少心血管手術中流入腦部血管的微栓數量，降低術后神經系統并發癥的概率，提高患者的術后生活質量。

1 超聲屏蔽方法

1.1 現有微栓預防方法

現有預防腦微栓的重要方法是采用體外循環過濾器，但是該措施只能減少體外循環管路中產生微栓，無法有效地阻擋由于術中操作產生的微栓隨血液流入腦部血管。體內預防腦微栓的方法主要通過有創性植入裝置，常用的裝置有濾網保護裝置、球囊閉塞裝置和近端閉塞裝置。這三種裝置在臨床上都有應用，但它們的使用都有局限性，無法在所有的心血管外科手術中使用。

1.2 超聲預防微栓的原理

超聲輻射力作為一種新的屏蔽方式，已經在臨床上有所應用，但其應用研究尚處于起步階段，且超聲裝置主要針對開放性傳統心血管手術，在術中緊貼升主動脈起作用。由于微創手術切口較小，從切口內置入探頭會影響手術暴露，因此現有的超聲探頭對微創術中的應用意義不大。本文設計的超聲屏蔽思想是利用相控超聲在體外聚焦起到屏蔽作用。超聲屏蔽示意圖如圖1所示，將用于屏蔽的超聲聚焦在主動脈弓部的頭臂干和左頸動脈處，在理論上就可以屏蔽絕大多數微栓進入腦部血管。

由于微栓在聲學性質上與血液中的有形成分不同，因此在聲場中遇到的聲輻射力相差較大，超聲對血液中的紅細胞、白血胞等成分幾乎沒有影響。所以，可以利用超聲輻射力改變微粒在血液中的運動軌跡，而不對血液中的紅細胞等成分產生明顯的影響。

圖1 超聲屏蔽示意圖Fig.1 The diagram of ultrasound shielding

1.3 微栓的力學模型分析

剛性球體受到的聲輻射力已由King在1934年計算得知[5]。Yosioka和Kawasima在King的基礎上擴展了具有壓縮性球體在非黏性流體中受到的聲輻射力。隨后，Doinikov在前人的工作基礎上考慮了流體的黏性和熱傳導對聲輻射力的影響，完善了聲輻射力的計算模型。本文選取Doinikov的研究理論作為實驗研究基礎 。

在流體環境下，相對流體運動的微粒還會受到流體對它的阻力（忽略微粒受到的重力和浮力）。根據牛頓第二定律可知，微粒會產生一個加速度，改變其運動軌跡。

其中，Fus是超聲輻射力，FD是流體阻力，a是微粒的加速度，m是微粒的質量。

當粒子半徑遠小于超聲波長時，固態粒子的聲輻射力可表達為[6]：

其中，P是超聲聲壓，R是微粒半徑，ρ是微粒密度，c是超聲波在流體中的傳播速度，ω是超聲角頻率，k是波數，是黏性波在流體中的穿透深度，μ是黏度，是熱性波在流體中的穿透深度，χ是熱擴散率，γ 是流體的比熱，κ和κ'分別是流體和微粒的熱傳導率。

懸浮在流體中的氣態粒子聲輻射力為[7]：

其中，βtot=βrad+βvis+βth是總阻尼系數，βrad、βvis、βth分別是與聲輻射、流體黏度、熱傳導率有關的阻尼系數，ω0'是共振頻率，K是加權系數。

對于牛頓流體，流體中的粒子運動時受到的阻力可表達為[8-9]：

Re和CD分別為雷諾數和阻力系數，它們是：

在聲壓為500 kPa，頻率為2 MHz的情況下，超聲輻射力仿真結果如圖2所示，固體微粒在純水中受到超聲輻射力時的運動軌跡如圖3所示，其中粒子半徑為100 μm，所處聲場的聲壓為500 kPa，頻率為2 MHz。

圖2 聲輻射力Fig.2 The radiation force

圖3 粒子運動軌跡Fig.3 Particle trajectories

由圖2可知，不論是氣體粒子還是固體粒子，其半徑越大，所受聲輻射力越大。而且，由公式(3)可知，氣體粒子和固體粒子所受聲輻射力的大小均與聲壓平方成正比。

粒子以0.2 m/s的速度向右移動，在經過圓弧超聲聚集焦點時瞬間受到一個脈沖波作用并產生超聲輻射力，且在該力作用下產生加速度，使其偏離原有運動方向。

仿真模型初步驗證了粒子在聲場中會受到一個超聲輻射力，并且這個力與其半徑和超聲聲壓及頻率有關。運動的粒子在經過超聲聲場時會在輻射力的作用下改變其運動方向。

2 超聲屏蔽系統的結構

相控超聲系統是由硬件系統、軟件控制系統以及微粒檢測系統組成。系統整體結構如圖4所示。硬件系統包括超聲發生電路、超聲屏蔽探頭、溫度監測電路、控制電路等。軟件控制系統包括超聲屏蔽策略控制、信號發射控制、監測控制等。微粒檢測系統包括微栓信號檢測和圖像獲取等。超聲發生電路通過串口與上位機控制系統通信。本文主要對部分重要結構進行介紹。

圖4 系統框架圖Fig.4 The whole block diagram of system

2.1 硬件系統

本裝置的硬件系統包括超聲發生電路、溫度監測電路、控制電路、超聲屏蔽探頭。超聲發生電路用于產生多路信號驅動超聲探頭，信號路數可以通過上位機控制。溫度監測系統用于監控微栓屏蔽處的溫度，及時反饋到上位機，調整屏蔽策略。

本文所用到的超聲發生電路是基于XILINX公司的XC6SLX45芯片開發的。超聲發生電路示意圖如圖5所示，FPGA開發板產生多路方波信號，經功率放大器轉換成正弦波信號，最后驅動超聲探頭，產生超聲波信號。本文中使用的超聲信號是一種根據參考文獻[10]中使用的數字采樣移相方法實現多路超聲信號的相位偏移，利用FPGA芯片內置的DCM模塊將時鐘頻率調整為500 MHz，并將ROM位置設置為240 bit，則相位精度可達到1.5o，產生多路相移波束輸出, 超聲頻率為500/240 = 2.08 MHz。

圖5 超聲信號發生結構圖Fig.5 The diagram of signal generation

2.2 上位機控制軟件

本文的上位機控制軟件是基于Qt平臺進行開發，使用C++語言設計的，操作界面如圖6所示。

圖6 上位機界面Fig.6 Control interface

該控制軟件包括串口檢測、功放參數設置，焦點模式選擇、相位讀取、持續時間等功能。固定焦點模式下，可以根據需要添加或減少超聲信號路數，并調整每路信號的相位，實現相控功能。可變焦點模式下，可以根據屏蔽策略調整焦點數量和焦點移動方式。屏蔽模式有三種模式，即循環模式、往返模式、隨機模式。循環模式可根據焦點變化時間間隔，循環地發送各個焦點的相位指令。往返模式可根據焦點變化時間間隔，往還地發送各個焦點的相位信息。隨機模式可根據焦點變化時間間隔，隨機地發送各個焦點的相位信息。此外，相位信息可以直接通過文件讀取。

3 實驗模型及結果

3.1 實驗模型設計

本文基于現有實驗設備設計了仿真實驗，目的是測試系統的可用性以及研究合適的超聲參數，比如超聲頻率和能量，為后續動物實驗提供合適的數據參考。

仿真實驗裝置如圖7所示。用橡膠管組合成一個分叉結構的模擬血管，將模擬血管的一端置于小水槽中，分叉處放入大水槽中，另外兩端分別放入兩個燒杯中。實驗步驟如下：1）對比組：在小水槽中放入50個杜克粒子（直徑為500 μm），經水泵驅動流入模擬血管，然后流入兩個燒杯，分別統計兩個燒杯中的粒子數量。2）實驗組：重復對比組步驟，但是在分叉處使用超聲照射，然后分別統計兩個燒杯中的粒子數量。對比兩組實驗結果，分析該超聲裝置是否對粒子軌跡產生了影響。

圖7 實驗裝置圖Fig.7 Experimental setup

3.2 實驗結果

按照實驗設計的模型，選用超聲頻率為2.08 MHz，聲壓為500 kPa，每次選用50個粒子，進行5組對比實驗。結果見表1。

表1 實驗結果Tab.1 Experimental results

由于操作問題，粒子可能沒有完全被收集。為減小單次實驗的隨機性，將5次實驗結果進行累加，比較實驗組和對比組的兩個燒杯中粒子的比例。實驗組的比例為125:114，對比組的比例為117:122。實驗結果顯示，實驗組模擬血管中的粒子在超聲作用下改變了運動軌跡。

4 結論

本文主要對超聲輻射力屏蔽微栓的原理和方法進行了簡單介紹，并進行了可行性的分析。本文設計的相控超聲屏蔽微栓系統為后續研究提供了實驗平臺，實驗結果為后續實驗提供了可行性依據。總之，超聲輻射力屏蔽微栓在理論上具有可行性，具有廣闊的應用前景。具體的實際效果還需要進一步研究驗證。

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Research on Shielding of Emboli with the Phase-Controlled Ultrasound

【 Writers 】LIU Chuang1,2, BAI Jingfeng1,2
1 Biomedical Instrument Institute, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030
2 Med-X Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

postoperative neurological complications, ultrasonic radiation, Qt, phased ultrasound

R445.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.01.001

1671-7104(2016)01-0001-04

2015-09-24

國家科技支撐計劃（2012BAI15B07）；上海市科技標準化專項（13DZ0503200）；上海交大醫工交叉項目（YG2013MS19）

劉闖，E-mail: chung_lau@163.com

白景峰，E-mail: jfbai@sjtu.edu.cn

【 Abstract 】The postoperative neurological complications is associated with intraoperative cerebral emboli, which results from extracorporeal circulation and operation. It can effectively reduce the incidence of neurological complications with ultrasonic radiation. In fluids, a particle will change it's motion trail when it is acted by the radiation force generated by the ultrasound. This article mainly discuss how to shielding emboli with ultrasound. The equipment can transmit phased ultrasonic signals, which is designed on a FPGA development board. The board can generate a square wave, which is converted into a sine wave through a power amplifier. In addition, the control software has been developed on Qt development environment. The result indicates it's feasible to shielding emboli with ultrasonic radiation force. This article builds a strong foundation for the future research.