相控超声屏蔽微栓研究

【作 者】刘闯，白景峰

1 上海交通大学生物医学工程学院生物医学仪器研究所，上海市，200030

2 上海交通大学Med-X研究院，上海市，200030

相控超声屏蔽微栓研究

【作 者】刘闯1,2，白景峰1,2

1 上海交通大学生物医学工程学院生物医学仪器研究所，上海市，200030

2 上海交通大学Med-X研究院，上海市，200030

神经系统并发症发生的原因与体外循环和术中操作产生的微栓有关，利用超声辐射力屏蔽微栓的方法，可以有效地降低神经系统并发症发生的概率，流体中的微粒在声场中会受到声辐射力的作用，改变其运动轨迹。该文主要研究了超声屏蔽微栓方法。该超声装置利用FPGA开发板产生方波信号，经功率放大器产生正弦波信号，驱动超声探头产生相控超声信号，上位机控制软件基于Qt开发平台开发。研究结果表明超声辐射力屏蔽微栓具有一定的可行性。该文的研究为后续的深入研究奠定了坚实的基础。

神经系统并发症；超声辐射力；Qt；相控超声

神经系统并发症是心血管外科手术后一项较为常见的术后并发症，这些并发症包括神经认知功能障碍和中风等[1-2]。据统计，术后中风的发生概率高达2%～8%，而术后神经认知功能障碍的发生概率更是高达5%～43%。这些并发症是患者术后致残致死的重要原因。脑血管意外后遗症（如偏瘫）也会给患者本人及其家庭造成巨大的精神和经济负担。

心血管术后神经系统并发症与体外循环以及术中产生的微栓子有着密切关系[3]。微栓子有多种形式结构，比如气泡(空气或麻醉剂)、脂肪斑块、无机物碎片、血小板凝聚块等。这些栓子进入脑组织后，轻者会使脑部血管狭窄或闭塞，阻碍脑血流供应导致脑组织缺血缺氧，继而坏死，使脑功能发生障碍；重者会完全堵塞血管，导致血供阻断，使患者发生脑中风。

利用超声形成的声力学（Acoustic Force）屏蔽进入脑血管的微栓是近年来解决上述问题的新思路，并且已经通过临床验证[4]。本文就是利用超声的力学性质研究一种新型超声屏蔽微栓装置，减少心血管手术中流入脑部血管的微栓数量，降低术后神经系统并发症的概率，提高患者的术后生活质量。

1 超声屏蔽方法

1.1 现有微栓预防方法

现有预防脑微栓的重要方法是采用体外循环过滤器，但是该措施只能减少体外循环管路中产生微栓，无法有效地阻挡由于术中操作产生的微栓随血液流入脑部血管。体内预防脑微栓的方法主要通过有创性植入装置，常用的装置有滤网保护装置、球囊闭塞装置和近端闭塞装置。这三种装置在临床上都有应用，但它们的使用都有局限性，无法在所有的心血管外科手术中使用。

1.2 超声预防微栓的原理

超声辐射力作为一种新的屏蔽方式，已经在临床上有所应用，但其应用研究尚处于起步阶段，且超声装置主要针对开放性传统心血管手术，在术中紧贴升主动脉起作用。由于微创手术切口较小，从切口内置入探头会影响手术暴露，因此现有的超声探头对微创术中的应用意义不大。本文设计的超声屏蔽思想是利用相控超声在体外聚焦起到屏蔽作用。超声屏蔽示意图如图1所示，将用于屏蔽的超声聚焦在主动脉弓部的头臂干和左颈动脉处，在理论上就可以屏蔽绝大多数微栓进入脑部血管。

由于微栓在声学性质上与血液中的有形成分不同，因此在声场中遇到的声辐射力相差较大，超声对血液中的红细胞、白血胞等成分几乎没有影响。所以，可以利用超声辐射力改变微粒在血液中的运动轨迹，而不对血液中的红细胞等成分产生明显的影响。

图1 超声屏蔽示意图Fig.1 The diagram of ultrasound shielding

1.3 微栓的力学模型分析

刚性球体受到的声辐射力已由King在1934年计算得知[5]。Yosioka和Kawasima在King的基础上扩展了具有压缩性球体在非黏性流体中受到的声辐射力。随后，Doinikov在前人的工作基础上考虑了流体的黏性和热传导对声辐射力的影响，完善了声辐射力的计算模型。本文选取Doinikov的研究理论作为实验研究基础 。

在流体环境下，相对流体运动的微粒还会受到流体对它的阻力（忽略微粒受到的重力和浮力）。根据牛顿第二定律可知，微粒会产生一个加速度，改变其运动轨迹。

其中，Fus是超声辐射力，FD是流体阻力，a是微粒的加速度，m是微粒的质量。

当粒子半径远小于超声波长时，固态粒子的声辐射力可表达为[6]：

其中，P是超声声压，R是微粒半径，ρ是微粒密度，c是超声波在流体中的传播速度，ω是超声角频率，k是波数，是黏性波在流体中的穿透深度，μ是黏度，是热性波在流体中的穿透深度，χ是热扩散率，γ 是流体的比热，κ和κ'分别是流体和微粒的热传导率。

悬浮在流体中的气态粒子声辐射力为[7]：

其中，βtot=βrad+βvis+βth是总阻尼系数，βrad、βvis、βth分别是与声辐射、流体黏度、热传导率有关的阻尼系数，ω0'是共振频率，K是加权系数。

对于牛顿流体，流体中的粒子运动时受到的阻力可表达为[8-9]：

Re和CD分别为雷诺数和阻力系数，它们是：

在声压为500 kPa，频率为2 MHz的情况下，超声辐射力仿真结果如图2所示，固体微粒在纯水中受到超声辐射力时的运动轨迹如图3所示，其中粒子半径为100 μm，所处声场的声压为500 kPa，频率为2 MHz。

图2 声辐射力Fig.2 The radiation force

图3 粒子运动轨迹Fig.3 Particle trajectories

由图2可知，不论是气体粒子还是固体粒子，其半径越大，所受声辐射力越大。而且，由公式(3)可知，气体粒子和固体粒子所受声辐射力的大小均与声压平方成正比。

粒子以0.2 m/s的速度向右移动，在经过圆弧超声聚集焦点时瞬间受到一个脉冲波作用并产生超声辐射力，且在该力作用下产生加速度，使其偏离原有运动方向。

仿真模型初步验证了粒子在声场中会受到一个超声辐射力，并且这个力与其半径和超声声压及频率有关。运动的粒子在经过超声声场时会在辐射力的作用下改变其运动方向。

2 超声屏蔽系统的结构

相控超声系统是由硬件系统、软件控制系统以及微粒检测系统组成。系统整体结构如图4所示。硬件系统包括超声发生电路、超声屏蔽探头、温度监测电路、控制电路等。软件控制系统包括超声屏蔽策略控制、信号发射控制、监测控制等。微粒检测系统包括微栓信号检测和图像获取等。超声发生电路通过串口与上位机控制系统通信。本文主要对部分重要结构进行介绍。

图4 系统框架图Fig.4 The whole block diagram of system

2.1 硬件系统

本装置的硬件系统包括超声发生电路、温度监测电路、控制电路、超声屏蔽探头。超声发生电路用于产生多路信号驱动超声探头，信号路数可以通过上位机控制。温度监测系统用于监控微栓屏蔽处的温度，及时反馈到上位机，调整屏蔽策略。

本文所用到的超声发生电路是基于XILINX公司的XC6SLX45芯片开发的。超声发生电路示意图如图5所示，FPGA开发板产生多路方波信号，经功率放大器转换成正弦波信号，最后驱动超声探头，产生超声波信号。本文中使用的超声信号是一种根据参考文献[10]中使用的数字采样移相方法实现多路超声信号的相位偏移，利用FPGA芯片内置的DCM模块将时钟频率调整为500 MHz，并将ROM位置设置为240 bit，则相位精度可达到1.5o，产生多路相移波束输出, 超声频率为500/240 = 2.08 MHz。

图5 超声信号发生结构图Fig.5 The diagram of signal generation

2.2 上位机控制软件

本文的上位机控制软件是基于Qt平台进行开发，使用C++语言设计的，操作界面如图6所示。

图6 上位机界面Fig.6 Control interface

该控制软件包括串口检测、功放参数设置，焦点模式选择、相位读取、持续时间等功能。固定焦点模式下，可以根据需要添加或减少超声信号路数，并调整每路信号的相位，实现相控功能。可变焦点模式下，可以根据屏蔽策略调整焦点数量和焦点移动方式。屏蔽模式有三种模式，即循环模式、往返模式、随机模式。循环模式可根据焦点变化时间间隔，循环地发送各个焦点的相位指令。往返模式可根据焦点变化时间间隔，往还地发送各个焦点的相位信息。随机模式可根据焦点变化时间间隔，随机地发送各个焦点的相位信息。此外，相位信息可以直接通过文件读取。

3 实验模型及结果

3.1 实验模型设计

本文基于现有实验设备设计了仿真实验，目的是测试系统的可用性以及研究合适的超声参数，比如超声频率和能量，为后续动物实验提供合适的数据参考。

仿真实验装置如图7所示。用橡胶管组合成一个分叉结构的模拟血管，将模拟血管的一端置于小水槽中，分叉处放入大水槽中，另外两端分别放入两个烧杯中。实验步骤如下：1）对比组：在小水槽中放入50个杜克粒子（直径为500 μm），经水泵驱动流入模拟血管，然后流入两个烧杯，分别统计两个烧杯中的粒子数量。2）实验组：重复对比组步骤，但是在分叉处使用超声照射，然后分别统计两个烧杯中的粒子数量。对比两组实验结果，分析该超声装置是否对粒子轨迹产生了影响。

图7 实验装置图Fig.7 Experimental setup

3.2 实验结果

按照实验设计的模型，选用超声频率为2.08 MHz，声压为500 kPa，每次选用50个粒子，进行5组对比实验。结果见表1。

表1 实验结果Tab.1 Experimental results

由于操作问题，粒子可能没有完全被收集。为减小单次实验的随机性，将5次实验结果进行累加，比较实验组和对比组的两个烧杯中粒子的比例。实验组的比例为125:114，对比组的比例为117:122。实验结果显示，实验组模拟血管中的粒子在超声作用下改变了运动轨迹。

4 结论

本文主要对超声辐射力屏蔽微栓的原理和方法进行了简单介绍，并进行了可行性的分析。本文设计的相控超声屏蔽微栓系统为后续研究提供了实验平台，实验结果为后续实验提供了可行性依据。总之，超声辐射力屏蔽微栓在理论上具有可行性，具有广阔的应用前景。具体的实际效果还需要进一步研究验证。

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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

国家科技支撑计划（2012BAI15B07）；上海市科技标准化专项（13DZ0503200）；上海交大医工交叉项目（YG2013MS19）

刘闯，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.