Page 24 - 《应用声学》2022年第5期
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These results show the effectiveness of the presented controller in regulating the temporal distribution of ICI of
the flowing microbubbles, and provide a promising method for improving the efficiency and safety of cavitation-
based therapy.
Keywords: Pulsed ultrasound; Inertial cavitation; Microbubbles; Proportional feedback controller
近年出现了更多利用闭环反馈系统来对稳态
0 引言
空化强度进行调节。Bing 等 [16] 使用 3 种预形成微
流动微泡群不仅能够增强声波的散射作用，提 泡 (Optison、Definity 和 Nanobubble) 在体外模型
升超声成像质量，而且其非线性振动产生的高次谐 和大鼠脑内分别做了闭环控制空化效应的研究，研
波能大幅改进组织比，已广泛应用于临床疾病诊 究中以固定步长 ∆P 调节激励声压，在体外模型的
断 [1−2] 。它也会在较高峰值负压的脉冲超声作用下 调控效果较好。Kamimura 等 [17] 用类似的方法研
发生瞬间坍塌，产生瞬态空化效应，并以冲击波和 究了微泡介导的非人灵长类动物血脑屏障打开的
射流作用于周围介质 [3] 。研究发现预形成微泡的瞬 闭环控制。发现若 ∆P 过小，声压变化缓慢，无法跟
态空化可以非侵入式地使血栓溶解 [4] ；在细胞质膜 随稳态空化强度的变化；若 ∆P 过大，声压变化剧
表面产生可修复的孔洞，实现大分子药物传输 [5−9] ， 烈，导致稳态空化强度变化也很剧烈。另外一些研
有望应用于临床相关疾病治疗。然而，瞬态空化强 究设计了 ∆P 可变的控制器。Sun 等 [18] 设计了一
度 (Inertial cavitation intensity, ICI) 过大会导致 种比例积分控制器，该控制器将稳态空化强度作为
细胞瞬间坏死、组织损伤等严重的不良后果 [10−12] 。 反馈信息，使用比例环节调节声压，利用积分环节控
因此，在病灶部位获得期望的 ICI 至关重要。然而， 制稳态空化的总强度。Patel等 [19] 设计了一种非线
微泡经静脉注射后在血流中循环流动，微泡壳层有
性比例控制器，该控制器的比例系数由一非线性函
限的稳定性及流经病灶区的微泡被声波作用都会
数确定，利用谐波或超谐波信号控制声压调节幅度
影响到微泡数量及其声响应特性，导致病灶区的
∆P 的大小。然而，关于瞬态空化强度的闭环调控研
ICI 随着时间发生变化，需要设计合理的控制策略
究报道较少。Desjouy等 [20] 设计了一种速度可达微
以在病灶区获得时间域均匀分布的 ICI，实现治疗
秒 (300 µs) 级别的比例控制器，可在脉冲激励的时
过程的可控。
间内调节声压，使水中氧气泡的瞬态空化强度仅在
现有研究中，针对 ICI 的调节主要集中在开环
第二个脉冲持续时间结束就能达到期望值并保持
系统选取合适的声学激励参数。如 Xu 等 [13] 使用
稳定。
不同占空比 (2.3%，9% 和 18%) 的脉冲超声信号激
考虑到 ICI 与脉冲超声的参数密切相关 (峰值
励微泡发生瞬态空化，发现在 9% 占空比的条件下，
负声压 (Peak negative pressure, PNP)、脉冲长度
ICI 较大，且持续时间最长。Burgess 等 [14] 研究了
(Pulse length, PL) 和脉冲重复频率 (Pulse repeat
不同中心频率的脉冲信号对相移纳米液滴瞬态空
化导致的声致穿孔效率的影响，发现中心频率越高， frequency, PRF) 等) [21−23] ，本文设计了一种比例
声致穿孔的效率越高。然而，在开环系统中，脉冲超 反馈控制器，在实时测量当前激励脉冲产生的 ICI
声信号的参数一旦确定就无法调节，而在血流环境 的基础上，通过调节脉冲超声的声压以控制流动微
中，微泡的特性及数量会随着时间发生变化，所以采 泡群的 ICI 在时间域上保持均匀。研究中，在自制
用恒定的声学参数并不能保证 ICI具有均匀的时域 的仿体系统内驱动微泡溶液循环流动，经聚焦换能
分布。有研究假设瞬态空化的发生能够用分类和回 器激励后发生瞬态空化，另外一个平面换能器接收
归模型解释，研究中首先测量了不同类型的预形成 瞬态空化信号，经脉冲接收器放大后送入高速数据
微泡在不同声压和脉冲长度作用下的 ICI，而后使 采集和处理系统，实时计算得到 ICI，通过和期望的
用支持向量机的方法训练模型，最后使用训练的模 ICI 比较，以调节下一个周期脉冲信号的电压幅值，
型预测瞬态空化的发生与强度 [15] 。 从而达到调控ICI时域分布的目的。
