基于超声加速病理组织处理的空化检测系统的研制

陈继康　杨济民　海桦

摘要：超声可以通过空化效应加快病理组织处理的速度，并且处理的结果与超声诱发的空化效应的状态有关。所以，在超声加速病理组织处理期间对空化活动的检测成为一项重要的研究内容。本文自主研发了一款基于超声加速病理组织处理的空化检测系统。该系统通过超声功率放大器驱动超声换能器产生特定频率的超声信号，在超声的辐照下，组织处理容器内会发生空化活动，此时，系统中的空化检测系统则会对空化产生的特征信号进行提取与分析，进而可以对空化的状态进行判定，实现在超声加速病理组织处理期间对空化检测的目的。

关键词：超声;空化效应检测;快速病理组织处理;信号检测

中图分类号：TN710    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）14-0202-03

1 引言

在临床诊断中，通常要用到病理切片来对某些疾病的病因、病况进行快速、准确的判定，为医生提供可靠的诊断信息[1， 2]。现代医学中，制作病理切片应用最为广泛的方法是石蜡切片技术。传统的石蜡切片技术的一般处理过程包括：固定、脱水、透明、封蜡，包埋和染色等多个病理组织处理步骤，制作的病理切片可提供优越的细胞形态且可长期存储，但缺点是处理周期长，处理时长超过10个小时[3]。

超声加速病理组织处理技术是在传统的石蜡切片技术的基础上使用超声辐射病理组织块，在组织块周围形成随超声不断震荡的微气泡，可在细胞膜表面形成可让大分子通过的孔状结构，实现加速病理组织处理的目的，可在1小时内制作出品质较好的病理切片[4， 5]。研究发现，使用超声加速病理组织处理技术制得的病理切片的质量和速度与空化效应的状态有关，所以，在超声加速病理组织处理期间对空化状态的检测成为一项重要的研究内容。

检测空化的方法有很多，有直接检测的方法，也有间接检测的方法。而应用最多的则是根据空化发生时出现的各种效应而产生的间接检测法，包括次谐波法[6-9]、二次谐波信号检测法[10]、声学成像[11]、化学剂量法[12， 13]、电子自旋共振[14]以及碘释放[15]等。然而，在上述提及的方法中，除了谐波信号检测法外，其他方法通常操作过程比较复杂，而且成本较高[6， 16]。与二次谐波信号相比，次谐波信号所受传播延时的影响较小[17]，所以本文最终选用次谐波信号检测法用于检测超声加速病理组织处理期间的空化活动。次谐波信号检测法反映的是超声功率密度与次谐波信号强度的关系，使用次谐波信号检测法检测空化的原理是：只要检测到次谐波信号，就可以认为发生了空化。检测到的次谐波信号越强，说明空化强度越大。

2 系统组成

2.1 系统框图

基于超声加速病理组织处理的空化检测系统的流程框图如图1所示。

2.2 系统主要的外围硬件电路

该系统主要由超声功率放大器与空化信号检测系统两部分构成。首先，信号源电路产生一路PWM信号输入到驱动电路，驱动电路则会输出两路频率相同的、相位互补的、驱动能力较强的PWM信号，经隔离电路驱动功放电路使发射传感器产生特定频率的超声信号。空化信号检测系统中的接收传感器在检测到空化特征信号后，经放大电路、滤波电路以及ADC采集电路后，最终进入PC机进行快速傅里叶变换（FFT）处理。

2.2.1 驱动电路

驱动功放电路工作需要两路驱动能力强、相位互补且死区时间合理的PWM信号。所以，考虑到电路工作时的安全性与可靠性，本文以高性能的半桥驱动芯片为基础搭建驱动电路，输出的信号可以很好地驱动半桥电路工作，而且避免了半桥电路中直通现象的发生。

2.2.2 功放电路

驱动传感器工作的功放电路主要有两种，分别为半桥电路与全桥电路，考虑到全桥电路成本较高，且驱动四只MOSFET所需信号的精度要求比较高，而半桥电路的抗不平衡能力强，成本低，对驱动信号的要求低，所以本文最终选用半桥电路作为驱动传感器的功放电路。在使用半桥电路驱动超声换能器工作时，开关管选用碳化硅MOSFET，可以缩短MOSFET的导通与截止时间，进而减少MOSFET不必要的发热。此外，还要注意桥臂电容的均压与隔直电容的使用等问题。

2.2.3 滤波电路

接收传感器检测到的微弱的空化特征信号里包含许多高频杂波信号，在经过放大后，如果不及时滤除，可能会对检测结果造成很大的影响。所以，本文在放大电路后加入低通滤波电路，并作为抗混叠滤波器使用，以便后面的A/D转换。

3 实验方法与结果

3.1 實验方法

为了全面了解超声作用于病理组织处理时的空化情况，并进一步优化病理组织的处理环境，本文自主研发了一款基于超声加速病理组织处理的空化检测系统用于检测超声加速病理组织处理期间的空化活动。实验装置如图2所示。

实验选取了一个体积为8×8×10cm3的不锈钢容器作为超声处理容器，并在其中装满脱气水。在选择处理容器时，所选容器的壁厚远小于激励信号的波长，因此，容器壁对于激励超声来说几乎是透明的，不会发生反射。我们将直径为30mm、谐振频率为0.2MHz的平面发射传感器（HNC-4AH-25200， Hainertec）安装在处理容器的底部平面，以0.3W/cm2为步长，在连续超声模式下，超声功率密度在0-2.4W/cm2之间变化，并且每个功率密度值的辐照周期固定为5s，实现超声对容器内部的辐射功能。另外，考虑到超声远场和近场的特性，我们将接收传感器（AE304SA40-BNC，鹏翔科技）安装在与发射传感器轴线成90°且距离发射传感器平面45mm的远场区域中，所依据的公式如式（1）所示：

由空化产生的次谐波信号经前置放大器放大后传输到低通滤波电路，随后信号通过模数转换器（ADC）（NuDAQ PCI-9812， ADLinK Technology INC）进行离散化处理。低通滤波器在截至频率处的增益为-3dB。最后，通过FFT获得每个频率分量的强度。

3.2 實验结果

激励信号的基频的1/2，1/3 ……倍被称为次谐波。研究者们使用次谐波信号检测法检测空化通常测量1/2次谐波信号，而本文除了测量1/2次谐波信号外，还对其他频率的次谐波信号进行了测量。本文分别对3/8次谐波信号、1/2次谐波以及5/8次谐波信号这三个连续的次谐波信号进行了测量，检测结果如图3a～3c所示。

从图中我们看出，本文所研发的空化检测系统在液体环境中可以较好地检测到空化产生的次谐波信号，且检测到的次谐波信号具有较好的稳定性与单调性。我们还可以发现，每个次谐波信号的信号幅度、空化阈值等信号特征是不相同的。但是，随着超声功率密度的增加，每个次谐波信号的信号幅度的变化趋势是相似的，即超声功率密度逐渐增大，次谐波信号在达到空化阈值之前变化不大;当超声功率密度超过阈值后，次谐波信号开始迅速增加;当功率密度超过一定值时，出现了次谐波信号的最大值;随后在一定范围内，无论超声功率密度如何增加，次谐波信号都保持稳定。

4 总结与展望

根据实验结果，本文研发的基于超声加速病理组织处理的空化检测系统可以很好地检测到空化特征信号，可以根据在不同超声功率密度下检测到的空化信号的强度判断空化的状态。因为不同部位的组织在不同强度的空化作用下进行病理组织处理所需的时间不同，所以本文研究的基于超声加速病理组织处理的空化检测系统可以为超声加速病理组织处理提供环境参数的参考，能够极大地促进病理诊断在临床治疗中的应用，同时也为超声空化在临床快速病理组织处理中的应用奠定了基础。

本次实验是在处理容器内盛有脱气水的理想情况下进行的实验，而没有模拟病理组织处理的实际过程，所以，在下一步的实验中，我们将模拟病理组织处理的实践过程，在处理容器内加入不同的物体，观察空化特征信号是否发生了变化。

参考文献：

[1] 段益学. 病理组织处理的系统设计[D].山东师范大学， 2014.

[2] Bianchi S， Palli D， Ciatto S， et al. Accuracy and reliability of frozen section diagnosis in a series of 672 nonpalpable breast lesions[J]. Am J Clin Pathol， 1995， 103（2）： 199-205.

[3] Qian C， Xinye Z， Jianchun C. Investigation of bubble dynamics in ultrasonic sonoporation[J]. ACTA PHYSICA SINICA， 2006， 55（12）： 6476-6481.

[4] Yasuda K， Yamashita S， Shiozawa M， et al. Application of ultrasound for tissue fixation： Combined use with microwave to enhance the effect of chemical fixation[J]. Acta Histochemica et Cytochemica， 2010， 25（1/2）： 237-244.

[5] Chu W， Furusato B， Wong K， et al. Ultrasound-accelerated formalin fixation of tissue improves morphology， antigen and mRNA preservation[J]. Mod Pathol， 2005， 18（6）： 850-863.

[6] Eller A， Flynn H G. Generation of Subharmonics of Order One-Half by Bubbles in a Sound Field[J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 1968， 44（1）： 368-369.

[7] Phelps A D， Leighton T G. The Subharmonic Oscillations And Combination-Frequency Subharmonic Emissions From A Resonant Bubble： Their Properties and Generation Mechanisms[J]. Acta Acustica， 1997， 83（1）： 59-66.

[8] Neppiras E A. Subharmonic and Other Low-Frequency Emission from Bubbles in Sound-Irradiated Liquids[J]. The Journal of the Acoustical Society of America， 1968， 44（1）： 587-601.

[9] Valentín D， Presas A， Egusquiza M， et al. Transmission of high frequency vibrations in rotating systems. Application to cavitation detection in hydraulic turbines[J]. Applied Sciences， 2018， 8（3）： 451.

[10] Miller D L. Ultrasonic detection of resonant cavitation bubbles in a flow tube by their second-harmonic emissions[J]. Ultrasonics， 1981， 19： 217-224.