相控超聲屏蔽微栓研究

【作 者】劉闖，白景峰

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學(xué)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(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海市，200030

神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥發(fā)生的原因與體外循環(huán)和術(shù)中操作產(chǎn)生的微栓有關(guān)，利用超聲輻射力屏蔽微栓的方法，可以有效地降低神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥發(fā)生的概率，流體中的微粒在聲場中會(huì)受到聲輻射力的作用，改變其運(yùn)動(dòng)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(fā)板產(chǎn)生方波信號(hào)，經(jīng)功率放大器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲探頭產(chǎn)生相控超聲信號(hào)，上位機(jī)控制軟件基于Qt開發(fā)平臺(tái)開發(fā)。研究結(jié)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(xù)的深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥；超聲輻射力；Qt；相控超聲

神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥是心血管外科手術(shù)后一項(xiàng)較為常見的術(shù)后并發(fā)癥，這些并發(fā)癥包括神經(jīng)認(rèn)知功能障礙和中風(fēng)等[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，術(shù)后中風(fēng)的發(fā)生概率高達(dá)2%～8%，而術(shù)后神經(jīng)認(rèn)知功能障礙的發(fā)生概率更是高達(dá)5%～43%。這些并發(fā)癥是患者術(shù)后致殘致死的重要原因。腦血管意外后遺癥（如偏癱）也會(huì)給患者本人及其家庭造成巨大的精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

心血管術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥與體外循環(huán)以及術(shù)中產(chǎn)生的微栓子有著密切關(guān)系[3]。微栓子有多種形式結(jié)構(gòu)，比如氣泡(空氣或麻醉劑)、脂肪斑塊、無機(jī)物碎片、血小板凝聚塊等。這些栓子進(jìn)入腦組織后，輕者會(huì)使腦部血管狹窄或閉塞，阻礙腦血流供應(yīng)導(dǎo)致腦組織缺血缺氧，繼而壞死，使腦功能發(fā)生障礙；重者會(huì)完全堵塞血管，導(dǎo)致血供阻斷，使患者發(fā)生腦中風(fēng)。

利用超聲形成的聲力學(xué)（Acoustic Force）屏蔽進(jìn)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(jīng)通過臨床驗(yàn)證[4]。本文就是利用超聲的力學(xué)性質(zhì)研究一種新型超聲屏蔽微栓裝置，減少心血管手術(shù)中流入腦部血管的微栓數(shù)量，降低術(shù)后神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥的概率，提高患者的術(shù)后生活質(zhì)量。

1 超聲屏蔽方法

1.1 現(xiàn)有微栓預(yù)防方法

現(xiàn)有預(yù)防腦微栓的重要方法是采用體外循環(huán)過濾器，但是該措施只能減少體外循環(huán)管路中產(chǎn)生微栓，無法有效地阻擋由于術(shù)中操作產(chǎn)生的微栓隨血液流入腦部血管。體內(nèi)預(yù)防腦微栓的方法主要通過有創(chuàng)性植入裝置，常用的裝置有濾網(wǎng)保護(hù)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(yīng)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(shù)中使用。

1.2 超聲預(yù)防微栓的原理

超聲輻射力作為一種新的屏蔽方式，已經(jīng)在臨床上有所應(yīng)用，但其應(yīng)用研究尚處于起步階段，且超聲裝置主要針對(duì)開放性傳統(tǒng)心血管手術(shù)，在術(shù)中緊貼升主動(dòng)脈起作用。由于微創(chuàng)手術(shù)切口較小，從切口內(nèi)置入探頭會(huì)影響手術(shù)暴露，因此現(xiàn)有的超聲探頭對(duì)微創(chuàng)術(shù)中的應(yīng)用意義不大。本文設(shè)計(jì)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(dòng)脈弓部的頭臂干和左頸動(dòng)脈處，在理論上就可以屏蔽絕大多數(shù)微栓進(jìn)入腦部血管。

由于微栓在聲學(xué)性質(zhì)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(duì)血液中的紅細(xì)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(yùn)動(dòng)軌跡，而不對(duì)血液中的紅細(xì)胞等成分產(chǎn)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(xué)模型分析

剛性球體受到的聲輻射力已由King在1934年計(jì)算得知[5]。Yosioka和Kawasima在King的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(chǔ)上考慮了流體的黏性和熱傳導(dǎo)對(duì)聲輻射力的影響，完善了聲輻射力的計(jì)算模型。本文選取Doinikov的研究理論作為實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ) 。

在流體環(huán)境下，相對(duì)流體運(yùn)動(dòng)的微粒還會(huì)受到流體對(duì)它的阻力（忽略微粒受到的重力和浮力）。根據(jù)牛頓第二定律可知，微粒會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速度，改變其運(yùn)動(dòng)軌跡。

其中，F(xiàn)us是超聲輻射力，F(xiàn)D是流體阻力，a是微粒的加速度，m是微粒的質(zhì)量。

當(dāng)粒子半徑遠(yuǎn)小于超聲波長時(shí)，固態(tài)粒子的聲輻射力可表達(dá)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(shù)，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(kuò)散率，γ 是流體的比熱，κ和κ'分別是流體和微粒的熱傳導(dǎo)率。

懸浮在流體中的氣態(tài)粒子聲輻射力為[7]：

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

對(duì)于牛頓流體，流體中的粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力可表達(dá)為[8-9]：

Re和CD分別為雷諾數(shù)和阻力系數(shù)，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(jié)果如圖2所示，固體微粒在純水中受到超聲輻射力時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)，在經(jīng)過圓弧超聲聚集焦點(diǎn)時(shí)瞬間受到一個(gè)脈沖波作用并產(chǎn)生超聲輻射力，且在該力作用下產(chǎn)生加速度，使其偏離原有運(yùn)動(dòng)方向。

仿真模型初步驗(yàn)證了粒子在聲場中會(huì)受到一個(gè)超聲輻射力，并且這個(gè)力與其半徑和超聲聲壓及頻率有關(guān)。運(yùn)動(dòng)的粒子在經(jīng)過超聲聲場時(shí)會(huì)在輻射力的作用下改變其運(yùn)動(dòng)方向。

2 超聲屏蔽系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

相控超聲系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)、軟件控制系統(tǒng)以及微粒檢測系統(tǒng)組成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。硬件系統(tǒng)包括超聲發(fā)生電路、超聲屏蔽探頭、溫度監(jiān)測電路、控制電路等。軟件控制系統(tǒng)包括超聲屏蔽策略控制、信號(hào)發(fā)射控制、監(jiān)測控制等。微粒檢測系統(tǒng)包括微栓信號(hào)檢測和圖像獲取等。超聲發(fā)生電路通過串口與上位機(jī)控制系統(tǒng)通信。本文主要對(duì)部分重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

圖4 系統(tǒng)框架圖Fig.4 The whole block diagram of system

2.1 硬件系統(tǒng)

本裝置的硬件系統(tǒng)包括超聲發(fā)生電路、溫度監(jiān)測電路、控制電路、超聲屏蔽探頭。超聲發(fā)生電路用于產(chǎn)生多路信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲探頭，信號(hào)路數(shù)可以通過上位機(jī)控制。溫度監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)控微栓屏蔽處的溫度，及時(shí)反饋到上位機(jī)，調(diào)整屏蔽策略。

本文所用到的超聲發(fā)生電路是基于XILINX公司的XC6SLX45芯片開發(fā)的。超聲發(fā)生電路示意圖如圖5所示，F(xiàn)PGA開發(fā)板產(chǎn)生多路方波信號(hào)，經(jīng)功率放大器轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)，最后驅(qū)動(dòng)超聲探頭，產(chǎn)生超聲波信號(hào)。本文中使用的超聲信號(hào)是一種根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中使用的數(shù)字采樣移相方法實(shí)現(xiàn)多路超聲信號(hào)的相位偏移，利用FPGA芯片內(nèi)置的DCM模塊將時(shí)鐘頻率調(diào)整為500 MHz，并將ROM位置設(shè)置為240 bit，則相位精度可達(dá)到1.5o，產(chǎn)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(hào)發(fā)生結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The diagram of signal generation

2.2 上位機(jī)控制軟件

本文的上位機(jī)控制軟件是基于Qt平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，使用C++語言設(shè)計(jì)的，操作界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)界面Fig.6 Control interface

該控制軟件包括串口檢測、功放參數(shù)設(shè)置，焦點(diǎn)模式選擇、相位讀取、持續(xù)時(shí)間等功能。固定焦點(diǎn)模式下，可以根據(jù)需要添加或減少超聲信號(hào)路數(shù)，并調(diào)整每路信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)相控功能?？勺兘裹c(diǎn)模式下，可以根據(jù)屏蔽策略調(diào)整焦點(diǎn)數(shù)量和焦點(diǎn)移動(dòng)方式。屏蔽模式有三種模式，即循環(huán)模式、往返模式、隨機(jī)模式。循環(huán)模式可根據(jù)焦點(diǎn)變化時(shí)間間隔，循環(huán)地發(fā)送各個(gè)焦點(diǎn)的相位指令。往返模式可根據(jù)焦點(diǎn)變化時(shí)間間隔，往還地發(fā)送各個(gè)焦點(diǎn)的相位信息。隨機(jī)模式可根據(jù)焦點(diǎn)變化時(shí)間間隔，隨機(jī)地發(fā)送各個(gè)焦點(diǎn)的相位信息。此外，相位信息可以直接通過文件讀取。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图敖Y(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

本文基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)了仿真實(shí)驗(yàn)，目的是測試系統(tǒng)的可用性以及研究合適的超聲參數(shù)，比如超聲頻率和能量，為后續(xù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)提供合適的數(shù)據(jù)參考。

仿真實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示。用橡膠管組合成一個(gè)分叉結(jié)構(gòu)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(gè)燒杯中。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）對(duì)比組：在小水槽中放入50個(gè)杜克粒子（直徑為500 μm），經(jīng)水泵驅(qū)動(dòng)流入模擬血管，然后流入兩個(gè)燒杯，分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)燒杯中的粒子數(shù)量。2）實(shí)驗(yàn)組：重復(fù)對(duì)比組步驟，但是在分叉處使用超聲照射，然后分別統(tǒng)計(jì)兩個(gè)燒杯中的粒子數(shù)量。對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析該超聲裝置是否對(duì)粒子軌跡產(chǎn)生了影響。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.7 Experimental setup

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模型，選用超聲頻率為2.08 MHz，聲壓為500 kPa，每次選用50個(gè)粒子，進(jìn)行5組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性，將5次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行累加，比較實(shí)驗(yàn)組和對(duì)比組的兩個(gè)燒杯中粒子的比例。實(shí)驗(yàn)組的比例為125:114，對(duì)比組的比例為117:122。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)組模擬血管中的粒子在超聲作用下改變了運(yùn)動(dòng)軌跡。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)超聲輻射力屏蔽微栓的原理和方法進(jìn)行了簡單介紹，并進(jìn)行了可行性的分析。本文設(shè)計(jì)的相控超聲屏蔽微栓系統(tǒng)為后續(xù)研究提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了可行性依據(jù)?？傊?，超聲輻射力屏蔽微栓在理論上具有可行性，具有廣闊的應(yīng)用前景。具體的實(shí)際效果還需要進(jìn)一步研究驗(yàn)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(jì)劃（2012BAI15B07）；上海市科技標(biāo)準(zhǔn)化專項(xiàng)（13DZ0503200）；上海交大醫(yī)工交叉項(xiàng)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.