目的:设计一台专用于兔尿道瘢痕的超声治疗仪，旨在验证此仪器的适用性及有效性。方法:以新西兰雄兔为实验对象，针对其阴茎结构与尺寸对超声治疗仪进行特制，此超声治疗仪包括超声脉冲发射与控制系统、末级功放和超声探头。首先，针对兔阴茎尺寸及结构对超声探头进行设计，并通过COMSOL有限元仿真以及声场分布实际测试等确定超声探头的参数；其次，根据超声探头元件参数设计其驱动电路；然后，设计基于现场可编程门阵列（FPGA）和串口屏的超声脉冲发射与控制系统；接着，对整体完成的超声治疗仪进行整体性能测试和安全测试；最后，构建兔尿道重建模型，将8只白兔随机分为模型组和实验组，实验组立即接受该超声治疗仪对其尿道部位的治疗，参数设置为超声频率2 MHz，脉冲间隔10 ms，输出声强0.73 W/cm 2。治疗频率为2次/周（周二、四），每次照射10 min，持续4周；模型组则不接受任何治疗，用Image J软件对兔尿道组织中转化生长因子-β1（TGF-β1）、基质金属蛋白酶-2（MMP-2）和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）染色阳性区域的面积占比进行定量分析，并计算尿道周长。 结果:添加了吸声材料的结构治疗腔内声压分布较为均匀，驻波比均值为1.11，结构设计满足设计期望。整体性能测试中3枚超声换能器自然焦点位置均为10 mm，声场分布一致性满足实验要求。各换能器峰值声压与电源电压关系接近线性。输出声强范围为0.35～0.74 W/cm 2，满足实验要求。随着超声输出，测试点温度缓慢升高，此实验最高可使组织温度升高3.3 ℃，不会导致组织热损伤发生。动物实验表明，实验组兔尿道组织中TGF-β1免疫阳性面积分数[（4.21±1.32）%]小于模型组[（8.53±3.43）%]（ t＝?4.24， P<0.001）；实验组兔尿道组织中TNF-α免疫阳性面积分数[（5.14±2.72）%]小于模型组[（7.23±1.57）%]（ t＝?3.37， P<0.05）；实验组兔尿道组织中MMP-2水平[（10.65±2.24）%]高于模型组[（6.98±2.74）%]（ t＝2.19， P<0.05）；尿道周长[（12 209±2 743）μm]高于模型组[（10 127±2 237）μm]（ t＝15.46， P<0.05）。 结论:成功设计了一台专用于兔尿道瘢痕的超声治疗仪，可用于超声对兔尿道瘢痕治疗的研究。

目的:评估汉语普通话成人单侧聋（single-sided deafness，SSD）患者人工耳蜗（CI）植入术后1年的康复效果。方法:本研究为单中心前瞻性队列研究，选取2020年8月至2021年10月在首都医科大学附属北京同仁医院接受CI植入的11例母语为汉语普通话的成人SSD患者作为研究对象，其中男性6例、女性5例，年龄24~50岁。在180°平均分布7个扬声器的声场中，测试患者术前、术后CI开机1、3、6和12个月时的声源定位角度均方根误差（root-mean-square error，RMSE），评估患者声源定位能力的改善情况。在声场中采用“空间言语评估系统”，测试患者在稳态噪声环境中不同信噪方位下裸耳（CI off）和助听（CI on）条件下的言语接受阈（speech reception threshold，SRT），以反映患者头影效应、双耳总和效应和静噪效应的获益情况。采用耳鸣致残量表（Tinnitus Handicap Inventory，THI）和视觉模拟评分（Visual Analogue Scale，VAS）评估SSD患者在术前、术后1个月、开机1个月、开机3个月、开机6个月和开机12个月时的耳鸣困扰和耳鸣响度的变化情况。采用言语、空间和音质听觉量表（The Speech，Spatial and Qualities of Hearing Scale，SSQ）和Nijmegen人工耳蜗植入量表（Nijmegen Cochlear Implant Questionnaire，NCIQ）评估患者CI植入后空间言语感知和生活质量等多方面主观获益情况。采用SPSS19.0软件进行相应统计学分析。结果:SSD患者佩戴CI后，患耳助听听阈较裸耳听阈有明显改善；声源定位能力明显改善，各随访时间点RMSE与术前相比，差异均有统计学意义（ P值均<0.05）。在反映头影效应的S SSDN NH测试条件下，患者在助听情况下的SRT较裸耳时平均降低6.5 dB，差异具有统计学意义（ t=6.25， P=0.001）；在反映双耳总和效应的S 0N 0和反映静噪效应的S 0N SSD测试条件下，SSD患者在裸耳和助听情况下的SRT差异无统计学意义（ P值均>0.05）。术后各时间点THI问卷总分及3个维度得分与术前相比，差异均有统计学意义（ P值均<0.05）；助听时VAS评分显著低于裸耳时VAS评分，差异有统计学意义（ P<0.001）；助听下，SSQ问卷总分、言语理解和空间听觉分类得分均显著提高，差异均有统计学意义（ P值均<0.01），NCIQ问卷总分与裸耳相比，差异无统计学意义（ P>0.05），仅自信心分项得分较裸耳有显著增加，差异均有统计学意义（ Z=-2.497， P=0.013）。 结论:CI植入可在一定程度上帮助汉语普通话SSD患者重建双耳听觉，改善声源定位能力和噪声环境下的言语识别能力，同时有助于减轻耳鸣困扰和耳鸣响度，提高空间听觉的主观感受。

目的:研究低强度脉冲超声(low-intensity pulsed ultrasound,LIPUS)对骨陷窝-骨小管系统(lacunar-canalicular system,LCS)的微观影响.方法:选取骨组织中的3个连续的骨细胞,采用SolidWorks软件建立LCS模型,再将LCS模型导入有限元分析软件COMSOL中.在LCS模型顶部进行LIPUS照射,分析不同条件下LCS模型的声场和热场分布.结果:超声照射LCS模型后,距离超声入射面越远,声场声压越小,且模型内部的声压分布具有左右对称性;LCS模型内部的声场声压会随着激励声压的增强而增大;越接近超声聚焦区域,温度等值线越密集.结论:该研究揭示了微观角度下LCS内声场和热场的分布规律,为LIPUS实验和治疗提供了理论参考.

目的:研究超声微泡运载基因磁性脂质造影剂联合磁感应热疗对肝癌HepG2细胞增殖活性的影响.方法:将HepG2细胞随机分为A组、B组和C组,A组加入1640培养液,B组加入超声微泡运载基因磁性脂质造影剂,C组在B组基础上置于高频加热器平板线圈上1 h,分析3组对肝癌HepG2细胞增殖活性的影响.结果:运载基因磁性脂质超声微泡显微镜下观察超声微泡大小均一,分布均匀,激光激发后周围呈现绿色荧光,体外靶向与肝癌HepG2细胞紧密结合;磁场强度恒定条件下,运载基因磁性脂质超声微泡升温能力与Fe3O4磁性纳米粒子浓度呈正相关;B组和C组与A组相比较对肝癌细胞HepG2增殖均有抑制作用,其差异有统计学意义(x2=4.015,x2=16.281;P<0.05);B组和C组凋亡率显著高于A组,且C组凋亡情况最为显著,其差异有统计学意义(x2=20.318,x2=40.549;P<0.001).结论:制备的可以携带目的基因的超声场及磁场的双靶向超声微泡,对肿瘤进行磁感应热疗,可提高转染效率,有效抑制肝癌HepG2细胞增殖,为肿瘤靶向治疗提供新思路.

由于超声具有实时,无创的特点,超声诊疗设备在医学领域中占据极其重要的地位,在临床疾病的诊断和治疗中发挥着巨大的作用.随着技术的发展,超声诊疗设备在提高诊断能力和加强超声治疗效果的同时,其强度也不断增加,从而加大了使用超声诊疗设备的风险;因此必须对各类超声诊疗设备的声场分布和功率计量进行研究、分析和校准,从而保障超声诊疗设备的安全性和可靠性.本文对其中关键技术和核心部件进行研究:标准及耐高声强水听器、超声声场分布检测与校准装置和非接触式超声测温技术.标准及耐高声强水听器由耐冲击的复合材料及金属材料构成匹配层,有较强的耐冲击能力,能够满足高声功率的超声检测;声场检测装置是在有限元对声场数值模拟优化后,利用三维运动机构控制水听器在聚焦声场的近场区域进行扫描,重建焦点处声场进行互谱运算,完成了单个水听器对超声各参数的测量,克服了双水听器的频率上限和其两通道的性能不完全一致带来的附加相位问题;超声无创测温技术利用热释电传感器来检测声衰减系数的变化,以此得到温度的变化,最后使用猪肉进行温度的测量,其误差小于2.5％以内,满足临床手术中的要求.在上述技术和系统基础上,建立医学超声诊疗设备计量检测体系,可以有效地服务国内超声诊疗设备制造业和临床医院.

磁性纳米粒子作为药物载体能够与肿瘤特异性结合,具有靶向治疗的潜力.探索用于检测磁性纳米粒子分布的无创成像方法具有重要意义.本文基于磁性纳米粒子在脉冲磁场激励下产生超声波的机制,推导含有磁性纳米粒子浓度信息的声压波动方程.利用有限元法和解析解得到一致的瞬态脉冲磁场.建立三维模型用于电磁场和声场耦合计算,仿真结果验证了检测点处的声压波形能够反映磁性纳米粒子区域在生物组织中的位置信息.利用超声换能器采集的声压数据,实现磁性纳米粒子的B型扫描成像.目标区域位置的最大误差为1.56％,通过比较图像中边界信号的幅值可以区分不同浓度的纳米粒子区域.本文研究表明B型扫描成像能够快速、准确地获取目标区域的尺寸和位置信息,有望用于靶向治疗中磁性纳米粒子的检测.

目的:设计用于动物实验的阵列式超声脑刺激器,以解决单换能器无法校正散焦以及焦点不可控的问题.方法:刺激器采用16路的阵列换能器,每一路都有独立的匹配电路和驱动,延时电路和脉冲发生电路都集成在FPGA,并与上位机控制界面相连.然后,用水听器测量延时时间,并根据相位补偿原理校正和操纵焦点.最后用水听器扫描测量声场分布,以检测焦点校正和偏移的情况.结果:声场测试结果表明散焦得到校正,焦点声压提高了23％,旁瓣声压均比主瓣低6 dB以上,-6 dB焦域尺寸为dx=3 mm、dy=3 mm、dz=14 mm.操纵焦点从原点O左右上下各偏移了2 mm.结论:阵列式超声脑刺激器具有校正焦点和操纵焦点偏移的功能,为超声脑刺激研究提供了一个有用工具.

本研究基于磁声耦合刺激技术(transcranial magneto-acoustic stimulation,TMAS)的需求,设计了用于线性64阵元相控阵的超声换能器,探究相控阵超声换能器压电晶体宽度及间距,优化超声换能器聚焦声场分布.采用MATLAB软件建立相控阵换能器模型,仿真聚焦声场分布.搭建三维声场分布测试的实验平台,对定制换能器进行声场分布测试并与仿真结果进行一致性分析,验证换能器性能.仿真得到换能器参数为阵元宽度4.5 mm,阵元间距1 mm,定制的64阵元相控阵换能器在XZ方向上声场焦斑的测量值为(3.4 mm),与仿真值(3.1 mm)基本一致.结果表明,本研究设计的换能器声场特性可以满足TMAS刺激的需求,为磁声耦合刺激技术应用提供了技术基础.

目的 以甘草浸膏为研究对象,探索浸膏超声辅助真空干燥强化传热传质机制,为新技术在中药浸膏干燥中的应用提供理论依据.方法 基于过程模拟软件建立"超声场-温度场-压力场"多场耦合的甘草浸膏超声辅助真空干燥传热传质模型并求解;进行了干燥温度70、80、90℃,超声功率40、80、120、160、200 W的干燥试验,以特征点温度及干燥水分试验结果与模型计算理论值进行比较.结果 甘草浸膏干燥过程水分有效扩散系数(Deff)和传质系数(kc)随温度和超声功率的升高而增大,超声功率由40 W提高至200 W,Deff及ke分别提高200.65％、154.46％;结果 验证了建立的浸膏超声辅助真空干燥模型精度良好,在一定条件下能反映真实干燥过程.结论 通过建立精度良好的甘草浸膏超声辅助真空干燥过程仿真模型,直观得到了浸膏内部超声场强分布及热质传递规律,为该技术用于中药浸膏高效干燥工艺开发和装备设计提供参考.