基于超聲加速病理組織處理的空化檢測系統的研制

陳繼康　楊濟民　海樺

摘要：超聲可以通過空化效應加快病理組織處理的速度，并且處理的結果與超聲誘發的空化效應的狀態有關。所以，在超聲加速病理組織處理期間對空化活動的檢測成為一項重要的研究內容。本文自主研發了一款基于超聲加速病理組織處理的空化檢測系統。該系統通過超聲功率放大器驅動超聲換能器產生特定頻率的超聲信號，在超聲的輻照下，組織處理容器內會發生空化活動，此時，系統中的空化檢測系統則會對空化產生的特征信號進行提取與分析，進而可以對空化的狀態進行判定，實現在超聲加速病理組織處理期間對空化檢測的目的。

關鍵詞：超聲;空化效應檢測;快速病理組織處理;信號檢測

中圖分類號：TN710 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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對某些疾病的病因、病況進行快速、準確的判定，為醫生提供可靠的診斷信息[1， 2]。現代醫學中，制作病理切片應用最為廣泛的方法是石蠟切片技術。傳統的石蠟切片技術的一般處理過程包括：固定、脫水、透明、封蠟，包埋和染色等多個病理組織處理步驟，制作的病理切片可提供優越的細胞形態且可長期存儲，但缺點是處理周期長，處理時長超過10個小時[3]。

超聲加速病理組織處理技術是在傳統的石蠟切片技術的基礎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，可在細胞膜表面形成可讓大分子通過的孔狀結構，實現加速病理組織處理的目的，可在1小時內制作出品質較好的病理切片[4， 5]。研究發現，使用超聲加速病理組織處理技術制得的病理切片的質量和速度與空化效應的狀態有關，所以，在超聲加速病理組織處理期間對空化狀態的檢測成為一項重要的研究內容。

檢測空化的方法有很多，有直接檢測的方法，也有間接檢測的方法。而應用最多的則是根據空化發生時出現的各種效應而產生的間接檢測法，包括次諧波法[6-9]、二次諧波信號檢測法[10]、聲學成像[11]、化學劑量法[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，除了諧波信號檢測法外，其他方法通常操作過程比較復雜，而且成本較高[6， 16]。與二次諧波信號相比，次諧波信號所受傳播延時的影響較小[17]，所以本文最終選用次諧波信號檢測法用于檢測超聲加速病理組織處理期間的空化活動。次諧波信號檢測法反映的是超聲功率密度與次諧波信號強度的關系，使用次諧波信號檢測法檢測空化的原理是：只要檢測到次諧波信號，就可以認為發生了空化。檢測到的次諧波信號越強，說明空化強度越大。

2 系統組成

2.1 系統框圖

基于超聲加速病理組織處理的空化檢測系統的流程框圖如圖1所示。

2.2 系統主要的外圍硬件電路

該系統主要由超聲功率放大器與空化信號檢測系統兩部分構成。首先，信號源電路產生一路PWM信號輸入到驅動電路，驅動電路則會輸出兩路頻率相同的、相位互補的、驅動能力較強的PWM信號，經隔離電路驅動功放電路使發射傳感器產生特定頻率的超聲信號?？栈盘枡z測系統中的接收傳感器在檢測到空化特征信號后，經放大電路、濾波電路以及ADC采集電路后，最終進入PC機進行快速傅里葉變換（FFT）處理。

2.2.1 驅動電路

驅動功放電路工作需要兩路驅動能力強、相位互補且死區時間合理的PWM信號。所以，考慮到電路工作時的安全性與可靠性，本文以高性能的半橋驅動芯片為基礎搭建驅動電路，輸出的信號可以很好地驅動半橋電路工作，而且避免了半橋電路中直通現象的發生。

2.2.2 功放電路

驅動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，且驅動四只MOSFET所需信號的精度要求比較高，而半橋電路的抗不平衡能力強，成本低，對驅動信號的要求低，所以本文最終選用半橋電路作為驅動傳感器的功放電路。在使用半橋電路驅動超聲換能器工作時，開關管選用碳化硅MOSFET，可以縮短MOSFET的導通與截止時間，進而減少MOSFET不必要的發熱。此外，還要注意橋臂電容的均壓與隔直電容的使用等問題。

2.2.3 濾波電路

接收傳感器檢測到的微弱的空化特征信號里包含許多高頻雜波信號，在經過放大后，如果不及時濾除，可能會對檢測結果造成很大的影響。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轉換。

3 實驗方法與結果

3.1 實驗方法

為了全面了解超聲作用于病理組織處理時的空化情況，并進一步優化病理組織的處理環境，本文自主研發了一款基于超聲加速病理組織處理的空化檢測系統用于檢測超聲加速病理組織處理期間的空化活動。實驗裝置如圖2所示。

實驗選取了一個體積為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，所選容器的壁厚遠小于激勵信號的波長，因此，容器壁對于激勵超聲來說幾乎是透明的，不會發生反射。我們將直徑為30mm、諧振頻率為0.2MHz的平面發射傳感器（HNC-4AH-25200， Hainertec）安裝在處理容器的底部平面，以0.3W/cm2為步長，在連續超聲模式下，超聲功率密度在0-2.4W/cm2之間變化，并且每個功率密度值的輻照周期固定為5s，實現超聲對容器內部的輻射功能。另外，考慮到超聲遠場和近場的特性，我們將接收傳感器（AE304SA40-BNC，鵬翔科技）安裝在與發射傳感器軸線成90°且距離發射傳感器平面45mm的遠場區域中，所依據的公式如式（1）所示：

由空化產生的次諧波信號經前置放大器放大后傳輸到低通濾波電路，隨后信號通過模數轉換器（ADC）（NuDAQ PCI-9812， ADLinK Technology INC）進行離散化處理。低通濾波器在截至頻率處的增益為-3dB。最后，通過FFT獲得每個頻率分量的強度。

3.2 實驗結果

激勵信號的基頻的1/2，1/3 ……倍被稱為次諧波。研究者們使用次諧波信號檢測法檢測空化通常測量1/2次諧波信號，而本文除了測量1/2次諧波信號外，還對其他頻率的次諧波信號進行了測量。本文分別對3/8次諧波信號、1/2次諧波以及5/8次諧波信號這三個連續的次諧波信號進行了測量，檢測結果如圖3a～3c所示。

從圖中我們看出，本文所研發的空化檢測系統在液體環境中可以較好地檢測到空化產生的次諧波信號，且檢測到的次諧波信號具有較好的穩定性與單調性。我們還可以發現，每個次諧波信號的信號幅度、空化閾值等信號特征是不相同的。但是，隨著超聲功率密度的增加，每個次諧波信號的信號幅度的變化趨勢是相似的，即超聲功率密度逐漸增大，次諧波信號在達到空化閾值之前變化不大;當超聲功率密度超過閾值后，次諧波信號開始迅速增加;當功率密度超過一定值時，出現了次諧波信號的最大值;隨后在一定范圍內，無論超聲功率密度如何增加，次諧波信號都保持穩定。

4 總結與展望

根據實驗結果，本文研發的基于超聲加速病理組織處理的空化檢測系統可以很好地檢測到空化特征信號，可以根據在不同超聲功率密度下檢測到的空化信號的強度判斷空化的狀態。因為不同部位的組織在不同強度的空化作用下進行病理組織處理所需的時間不同，所以本文研究的基于超聲加速病理組織處理的空化檢測系統可以為超聲加速病理組織處理提供環境參數的參考，能夠極大地促進病理診斷在臨床治療中的應用，同時也為超聲空化在臨床快速病理組織處理中的應用奠定了基礎。

本次實驗是在處理容器內盛有脫氣水的理想情況下進行的實驗，而沒有模擬病理組織處理的實際過程，所以，在下一步的實驗中，我們將模擬病理組織處理的實踐過程，在處理容器內加入不同的物體，觀察空化特征信號是否發生了變化。

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