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超声

★基于声辐射力的二维超声弹性成像设备及其临床应用

超声弹性成像技术近年来发展迅速并在医学上得到重要应用,该技术获得的生物组织弹性参数可以为若干重要疾病的临床诊断提供关键依据。其中基于声辐射力脉冲成像的超声弹性成像技术具有无创、实时、适用面广、操作方便,可以得到定量的二维弹性分布图像信息等特点,适用于多种临床应用,特别是肝硬化定量检测、乳腺癌检测等。我们自主研发的基于声辐射力的二维定量超声弹性成像关键技术和系统,解决了声辐射力场的动态聚焦调控方法、高帧频并行波束合成技术、射频回波信号高灵敏度组织偏移量算法、大功率声辐射力/成像双模阵列探头等关键技术,目前系统样机已经研制成功。该项目的研究对于发展符合我国国情的新一代超声弹性成像技术和装备,推动新型医疗检测诊断技术广泛应用具有重要意义。

我们的研究集中在以下方面:
1、大功率、高信噪比的超声电子设计方案。
2、声辐射力场的动态聚焦调控方法及多种剪切波传播模式的精确控制技术。
3、高帧频并行动态波束合成(高帧频超声成像)技术。
4、高灵敏度超声射频回波信号组织偏移量化分析算法。
5、基于传统材料和新型复合材料的声辐射力/成像双模阵列探头制备工艺。
6、声辐射力弹性成像技术在肝纤维化和肝硬化分期、乳腺癌检测与诊断、高强度超声聚焦治疗中对组织凝固性坏死程度的评估、动脉粥状硬化斑块的早期诊断等多个临床领域中的应用。

二维超声弹性成像系统样机:(a)样机组装图;(b)样机软件界面及在组合硬度弹性仿体上的测量结果;(c)大功率、

高信噪比超声电路;(d)高灵敏弹性成像组织偏移分析算法得到的剪切波传播图;(e)声辐射力/成像双模阵列专用探头


★超声生物力学成像、超声换能器

超声生物力学成像通过检测超声波在组织中传播时因组织运动或形变引起的超声波声学参量或超声图像特征变化来对生物组织的力学特性参量(弹性、血流)进行定量成像。而超声生物力学成像需要借助于新型超声换能器的研发,包括在新材料、新结构、新功能的创新研究。我们的研究具体集中在以下方面:
1、超声多维彩色血流成像
2、超声血管弹性成像
3、新型超声换能器研发


★超声瞬时弹性成像无创肝硬化检测仪样机

本项目研究超声瞬时弹性成像技术,基本原理是将一个单阵元超声换能器集成到一个低频振荡器的振动轴上,振荡器
发生低频低幅振动产生向人体组织中传播的剪切波,超声换能器以高脉冲重复频率发射/接收超声波信号记录剪切波传播
信息,通过弹性成像算法处理得到组织应变图,从而提取出组织弹性模量,用于对肝纤维化程度进行评估和分级。本项目
已完成样机研发并通过国家医疗器械质量检测,临床实验进展顺利,有望1年内投入产业化,对控制我国肝病的发展有重要意义。


★超声分子成像与给药治疗

主要围绕超声微泡在肿瘤和心血管疾病的诊断与治疗方面开展相关的研究:
1、疾病的超声分子诊断:
超声微泡(内部包含惰性气体的脂质气泡)是一种已在临床上广泛应用的超声造影剂,它可以显著增强常规超声检测的分辨率和灵敏度,提高图像质量。我们将超声造影成像与分子生物学结合起来,针对各种疾病制备特异性的靶向微泡,借助微泡表面抗体或配体与疾病部位高表达的膜蛋白特异性的结合,从而将靶向微泡特异性的主动结合于疾病的相关部位,通过超声成像仪进行检测, 从而达到疾病的早期诊断的目的。
2、疾病的超声给药治疗:
脂质微泡不仅可以作为造影剂用于疾病的分子成像诊断,同时它还可以作为药物的载体进行载药。可以将药物(如疏水性药物)包裹在脂质微泡的壳层,或者把亲水性药物(如DNA)黏附于脂质微泡的表面,获得载药的脂质微泡,这种载药/基因的微泡不仅可以用于超声成像,它还具有几种独特的特性,其一:在低频超声辐照条件下可以将载药微泡击碎,从而释放其中包含的药物,达到药物可控释放的效果;其二:处于细胞周围的载药微泡破碎之前会发生不断的收缩-扩张运动,产生空化效应。这种空化效应可以将微泡周围细胞的细胞膜产生瞬间可修复的孔洞,释放的药物可以轻易进入细胞,从而实现药物的可控释放并能增强药物的疗效。



★声操控微粒

声操控微纳米粒子技术,就是利用声场中的颗粒会对声波产生反射、折射、吸收等效应,导致声场携带的动量在声波与颗粒之间发生交换,进而颗粒受到力的作用使其运动被操纵。该技术作为一种非接触、无损伤式捕获、移动、筛选、分类微纳米粒子的方法,在生物、医学、物理、微加工等领域具有广泛的用途,值得进行深入的研究和探讨。在这个领域,我们的研究兴趣集中在以下方面:
1、超声场中微泡与细胞相互作用的生物学效应研究
2、复杂声场环境下声操控现象研究
3、新型声操控微器件设计与特性研究

声辐射力理论与操控研究:(a)平面波声场中微物体在水里受到的声辐射力的理论值。FDTD 算法(红色点)与散射波
理论(黑色线)结果吻合。(b)超声辐射力驱动流场中氟基PFH 纳米颗粒群定点聚集位置随时间变化图。①②声场驱动下,
颗粒群聚集;③当声场撤销,聚集纳米颗粒群随着流场流动而扩散;④恢复声场,PFH 纳米颗粒又重新聚集。此处的超声
波频率为2.25MHz ,最大负压为 400kPa;(c) 声表面波器件辐射力声场捕获载药荧光微泡群的空间操控旋转行为显微照片;
(d)通过改变入射声源的相对相位,实现对微泡的精确移动与定位;(e)超声辐射力可编程操控微泡,实现微泡沿任意
轨迹移动。


★高频超声

显微超声成像
显微超声成像是指采用频率大于20MHz以上的超声来进行相关生物医学应用的影像技术。其可以获得非常高的成像分辨率(20微米),并支持无创或微创的实时诊断。我们的研究集中在以下方面:
1、显微超声成像系统及相关技术研究
2、基于高分辨率成像系统的小动物医学基础研究
3、血管内超声成像技术及相关基础研究
4、内窥超声成像及相关新技术研究
5、多模态组合成像技术研究

血管内多模态影像技术

阵列式显微超声成像技术


Ultrasound neuromodulation

Stimulation and modulation of neural circuit are among the fundamental ways of neuroscience to probe the neural mechanisms from molecular to behavioral levels, embedding the scientific and technological prospects to effectively treat entities including Parkinson Disease, Epilepsy and Depression. We proposed a “ultrasound deep brain stimulation (U-DBS)” technology to develop a novel research instrument with large scaled ultrasound radiation force generated by plane arrays tailored for the non-invasive, dynamic network neuromodulation of nonhuman primates and human brain. The technology has fundamentally new mechanism of neuromodulation using the unique physical properties of acoustic radiation force in controlling the mechanical-sensitive membranous proteins or “sonogenetics” method. The tool aims to provide a revolutionary way of great clinical and academic importance towards non-invasive, safe, precise and reliable deep brain stimulation and neuromodulation.


Figure 1. Ultrasound deep brain stimulation technology.

Figure 2. U-DBS of brain circuits.


Figure 3. U-DBS system.