CN100475289C - 相控阵聚焦超声的大焦域形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相控阵聚焦超声的大焦域形成方法，根据靶组织的大小和形状来设定热场形态，并据此来调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的相位和幅度，产生多种模式的多焦点声场分布，进而形成所需形状、大小的焦域，并提供加热靶组织所需的超声能量，在人体内形成直径大至30mm左右的局部立体温升区域。对于更大的靶组织则采用分区合成的工作方式。形成的多焦点声场在保持焦域形状、大小不变的前提下，还可以互相交错换位或旋转移动，轮流加热以确保大块的靶组织具有均匀的热剂量分布。本发明可实现人体深部靶组织的定向适形稳定加热，为热敏脂质体的定向打开及载体热敏药物的热协同治疗技术提供了有效可行的手段。

Description

相控阵聚焦超声的大焦域形成方法

技术领域

本发明涉及一种相控阵聚焦超声的大焦域形成方法，用于调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的相位和幅度，进而形成所需形状和大小的焦域，对肿瘤病人进行有效治疗。属于生物医学工程技术领域。

背景技术

以温度为钥匙开关的纳米颗粒热敏脂质体作为一种药物载体，可以携带药物进入人体靶组织。当人体靶组织被定向适形加热到40～45℃之间时，脂质体壳体被打开，其装载的药物定点释放。这一技术不但增加了药物的局部浓度，提高了对靶组织肿瘤细胞的杀伤力，而且避免了全身给药对人体带来的伤害，极大地降低了毒副作用。这种加热不但能起到在靶组织内打开药物载体的作用，而且会增加血管的通透性，提高病灶区域的脂质体浓度，尤为重要的是把靶组织加热到40～45℃之间，本身就是一种有效的肿瘤治疗方法，即所谓热疗，两者协同，增敏互补，共同完成对肿廇的抑制、损伤和杀灭，疗效尤为明显。

把人体靶组织加热到40～45℃之间，虽然可以由超声、射频和激光等物理因子的生物效应来实现，但效果都不尽如人意，特别是对那些位于人体深部的肿瘤病灶。

经对现有技术检索，发现美国联合医工集团Labthermics科技公司(UnitedMedical Industrial Group Labthermics Technologies Inc.)生产的SONOTHERM1000型超声治癌系统(The SONOTHERM 1000 Ultrasound Therapy System)。该公司在有关技术资料中自述，SONOTHERM 1000型超声治癌系统最多可有16个独立可控的阵元，能根据治疗区域大小和形状来选择工作阵元以设定热场形态，他们的辐射功率也可改变，从而保证治疗区具有均匀热剂量分布。其有效深度可达8cm，最大治疗区域可达15cm×15cm。该技术存在明显不足：系统采用平面式超声换能器，其声波沿垂直方向辐射，能量分散，同时因辐射路径上组织的吸收而使其在人体内部组织上形成的声强明显降低，越深入体内声强越低，为保证足够的有效加热深度，超声换能器必须有足够高的辐射功率，这将会使患者感到疼痛，灼伤体表皮肤，甚至于浅部组织；仅靠16个阵元排列组合形成不同的形状，适形性差；超声能量在向体内靶组织辐射时，只有衰减没有增强，因此有效加热深度较短，难以满足治疗要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种相控阵聚焦超声的大焦域形成方法，能够调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的相位和幅度，进而能实时地调控热剂量，实现人体深部靶组织的定向适形稳定加热，对肿瘤病人进行有效治疗。

为实现这一目的，本发明方法的基础是相控聚焦超声技术，首先根据靶组织的大小和形状来设定热场形态，并据此来调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励倍号的相位和幅度，产生多种模式的多焦斑声场分布，进而形成所需形状(圆、环等规则形状以及任意的不规则形状)、大小的焦域，并提供加热靶组织所需的超声能量，在人体内形成直径大至30mm左右的局部立体温升区域(高于体温4～8℃)；对于更大的靶组织，必须形成更大的立体温升区域，所需的焦斑数也就更多，为保证每个焦斑具有足够的超声能量，可采用分区合成的工作方式。形成的多焦斑声场在保持焦域形状、大小不变的前提下，还可以互相交错换位，或旋转移动，以确保大块的靶组织具有均匀的热剂量分布；调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的工作比可使其输出的超声功率相应地改变，从而可以根据靶组织的即时温度实时地调控热剂量，保证靶组织能长期稳定地保持在设定的温度，例如43℃上，实现人体深部靶组织的定向适形稳定加热。

本发明相控阵聚焦超声的大焦域形成方法包括如下步骤：

1、根据靶组织的大小和形状设定热场形态，然后设定相控阵聚焦超声的声场声压分布，其合成焦域的形状与尺寸应与热场相对应。

合成焦域的形状一般应与热场基本一致，考虑到组织的血流灌流率的作用，焦域的尺寸可小于热场的尺寸。

2、选定相控阵聚焦超声需形成的焦斑数及各个焦斑所在位置，由焦斑组合而成的焦域形状与设定的焦域形状应有良好的啮合。

3、根据相控阵聚焦超声换能器的阵元结构特征及阵元分布特性，并根据所设定的焦斑位置信息，确定超声波传播矢量，得到以矩阵表示的前向传输算子H，进而利用最小二乘法估计前向传输算子H的伪逆矩阵H⁺，H⁺＝H^*T(HH^*T)^-1。

4、用伪逆矩阵(Pseudoinverse)算法，根据声场声压分布矩阵P反求出应有的阵元表面振速U，U＝H⁺P。

5、根据超声换能器的逆压电效应，由超声换能器的激励电压V与其表面振速U之间的近似关系式U＝LV，即V＝L^-1U，确定相控阵聚焦超声换能器中各阵元应有的激励电压V的相位φ_n和幅度u_n。其中，L为一个对角阵。

6、调控相控阵聚焦超声换能器激励装置，使其向相控阵聚焦超声换能器的各个阵元分别输出指定相位φ_n、指定幅度u_n的正弦波激励信号，产生多焦斑声场分布，进而形成所需形状、大小的焦域，由此实现靶组织的定向适形加热。

7、根据测量到的靶组织温度，调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的工作比Δ_n，使其输出的超声功率相应地改变而实时地调控热剂量，保证靶组织长期稳定地保持在设定的温度，由此实现靶组织定向适形加热的长期稳定。

上述单一模式的多焦斑声场分布，因为其焦斑位置是固定的，所以生成的热场不可避免地存在有偏高的峰区，同时存在有偏低的谷区，偏高的峰区一般围绕在焦斑周围，而偏低的谷区一般位于远离焦斑的各焦斑相邻区域，致使热剂量分布不很均匀。

为确保大块的靶组织(如直径大于30mm)具有均匀的热剂量分布，本发明在调控换能器各个阵元输出的激励信号时，可以采用分区合成的多焦斑声场分布方式，由各个分区轮流工作，合成所需热场。除了单模式之外，也可以采用多模式的多焦斑声场分布，各个模式在保持焦域形状、大小不变的前提下，互相交错换位或旋转移动，轮流加热，可以有效避免峰区和谷区的出现。

本发明具有显著的有益效果。本发明根据设定的热场形态来调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的相位和幅度，产生单模式或多模式分区合成方式的多焦斑声场分布，来适应不同焦域的要求，确保靶组织具有均匀的热剂量分布。调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的工作比Δ_n，可使其输出的超声功率相应地改变，从而可以应用于临床上根据靶组织的即时温度实时地调控热剂量，保证靶组织能长期稳定地保持在设定的温度上，实现人体深部(最深可达12cm以上)靶组织(包括Ф大于30mm的大肿瘤病灶)的定向适形稳定加热。本发明思路独特，方法合理可行，为热敏脂质体的定向打开及载体热敏药物的热协同治疗技术提供了有效可行的手段，具有广阔的应用前景和市场潜力。

附图说明

图1为本发明实施例七焦斑的合成焦域及其形成的热场。

图1中，1为焦斑，2为单焦斑的焦域，3为七焦斑的合成焦域，4为合成焦域形成的热场。

图2为单一模式实施例形成的热场分布。

图3为另一种模式的七焦斑合成焦域及其形成的热场。

图4是多模式实施例形成的热场分布。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。本发明的优选实施例不构成对本发明的限制。

本发明提出的相控阵聚焦超声的大焦域形成方法按如下步骤实施：

1、首先根据靶组织的大小和形状设定热场形态，然后设定相控阵聚焦超声的声场声压分布，其合成焦域的形状与尺寸应与热场相对应。

合成焦域的形状一般应与热场基本一致，考虑到组织的血流灌流率的作用，焦域的尺寸可小于热场的尺寸。例如，靶组织的横断面是一个直径为3cm的圆，则设定的相控阵聚焦超声形成的热场也应是一个直径3cm的圆，为形成这样的一个热场，对应的相控阵聚焦超声的的声场声压分布合成的焦域也应近似于一个圆，但其直径可以小于3cm，例如只需2.4cm。

2、选定相控阵聚焦超声需形成的焦斑数M及各个焦斑所在位置(x，y，z)，由焦斑组合而成的焦域形状与设定的焦域形状应有良好的啮合；首先，根据靶组织的大小和形状设定热场形态。

对于上述例子，可令相控阵聚焦超声形成七个焦斑，它们在焦平面上的所在位置分别是：[0，0；1，0；1sin30°，1sin60°；-1sin30°，1sin60°；-1，0；-1sin30°，-1sin60°；1sin30°，-1sin60°]，这七个焦斑的合成焦域近似于一个直径为2.4cm的圆，如图1所示。

对于更大的靶组织，所需的焦斑数M更多，为保证每个焦斑具有足够的超声能量，需采用分区合成的工作方式。例如，靶组织的横断面是一个直径为5cm的圆，那么选定的焦斑数M应多达19个，可分为4个区域轮流工作，合成所需的热场。

所期望的声场声压分布可表示为

$P=\left[\begin{array}{c}{p}_1\\ p_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_M\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{p}_{01}{e}^{j{\mathrm{\γ}}_1}\\ p_{02}{e}^{j{\mathrm{\γ}}_2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ p_{0M}{e}^{j{\mathrm{\γ}}_M}\end{array}\right]$

3、根据相控阵聚焦超声换能器的阵元结构特征及阵元分布特性，并根据所设定的焦斑位置信息，确定超声波传播矢量，得到以矩阵表示的前向传输算子H，

其中，M代表第m个焦斑的场点，N代表第n个阵元。

进而利用最小二乘法估计前向传输算子H的伪逆矩阵H⁺，

H⁺＝H^*T(HH^*T)^-1；

4、用伪逆矩阵(Pseudoinverse)算法，根据声场声压分布矩阵P反求出应有的阵元表面振速U，

U＝H⁺P

其中

$U=\left[\begin{array}{c}{u}_1\\ u_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ u_N\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{01}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1}\\ u_{02}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_2}\\ \·\\ \·\\ \·\\ u_{0N}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_N}\end{array}\right]$

5、根据超声换能器的逆压电效应，超声换能器的激励电压V与其表面振速U之间的关系近似为

U＝LV

即V＝L^-1U

其中，L为一个对角阵。在理想的情况下，L为一个实对角阵，但是由于在换能器的制作过程中，单个换能器的响应难免出现偏差，L通常为一个复对角阵，需要在换能器阵列制作完成后通过测量得到。至此，已经确定了相控阵聚焦超声换能器中各阵元应有的激励电压V的相位φ_n和幅度u_n。

6、调控相控阵聚焦超声换能器激励装置，使其向相控阵聚焦超声换能器的各个阵元分别轴出指定相位φ_n、指定幅度u_n的正弦波激励信号，产生多焦斑声场分布，进而形成所需形状、大小的焦域，由此实现靶组织的定向适形加热；

在上述七焦斑实施例中得到的热场分布如图2所示。

上述单一模式的多焦斑声场分布，因为其焦斑位置是固定的，所以生成的热场不可避免地存在有偏高的峰区，它一般围绕在焦斑周围，同时存在有偏低的谷区，它一般位于远离焦斑的各焦斑相邻区域，致使热剂量分布不很均匀，图2所示的结果清楚地证明了这一切。

为确保大块的靶组织具有均匀的热剂量分布，本发明在调控换能器各个阵元输出的激励信号时，使之形成多个模式的多焦斑声场分布，各个模式在保持焦域形状、大小不变的前提下，互相交错换位或旋转移动，轮流加热，以此避免峰区和谷区的出现。

对于上述例子，可令系统工作在另一个模式上，即相控阵聚焦超声同样形成七个焦斑，只是它们在焦平面上的所在位置分别改成：[0，0；1sin60°，1sin30°；0，1；-1sin60°，1sin30°；-1sin60°，-1sin30°；0，-1；1sin60°，-1sin30°]，这七个焦斑的合成焦域也近似于一个直径为2.4cm的圆，如图3所示。相应的其各阵元应有的激励电压V的相位φ_n和幅度u_n分别改变。

上述两种七焦斑工作模式互相交错换位，轮流加热，得到的热场分布如图4所示，避免了峰区和谷区的出现，整个热场分布与设定的热场更趋一致。

对于直径大于30mm的大块靶组织，在调控换能器各个阵元输出的激励信号时，可以采用分区合成的多焦斑声场分布方式，由各个分区轮流工作，合成所需热场。

同样，对于分区合成工作方式，也可以采用多模式的多焦斑声场分布，各个模式在保持焦域形状、大小不变的前提下，互相交错换位或旋转移动，轮流加热，以此避免峰区和谷区的出现。

本发明所述相控聚焦超声由现有技术中的相控阵聚焦超声换能器产生，该换能器包含有若干个随机离散分布的平面超声换能器阵元，各个阵元均有独立的电激励信号馈线，分别连接至信号激励系统。各个阵元激励信号的频率f一致，相位φ_n和电压幅度u_n各不相同，不同的相位φ_n和电压幅度u_n组合形成了不同大小、不同形状的焦域。调控各个阵元激励信号的工作比Δ_n，可使其输出的超声功率相应地改变。相控阵聚焦超声换能器的阵元采用圆形、平面形式，换能器不仅具有足够大的超声发射面，而且当超声能量进入人体时，具有相当大的入射角，当其在深入体内12cm的靶组织内形成单焦斑时，计入超声在传输路径上的衰减后，焦区内的实际声强增益高达26dB，即400倍以上，即使同时形成七个焦斑，构成一个较大的焦域时，其实际声强增益也可高达17dB，即55倍以上。实验证明，在160秒内把靶组织从体温加热到40℃以上，对于频率f＝1MHz的超声来说，其所需的声强I＝20W/cm²，于是要求阵元的发射声强仅为350mW，可见，尽管靶组织上的声强高达20W/cm²，而在人体皮肤和组织传输路径上的声强却不足1W/cm²，从而确保在对患者治疗时，不需麻醉用品，不灼伤皮肤，不会使病人感到疼痛，更不会造成其它不良反应。

Claims (3)

1、一种相控阵聚焦超声的大焦域形成方法，其特征在于按如下步骤进行：

1)根据靶组织的大小和形状设定热场形态，然后设定相控阵聚焦超声的声场声压分布，其合成焦域的形状与尺寸应与热场相对应；

2)选定相控阵聚焦超声需形成的焦斑数及各个焦斑所在位置，由焦斑组合而成的焦域形状与设定的焦域形状应有良好的啮合；

3)根据相控阵聚焦超声换能器的阵元结构特征及阵元分布特性，并根据所设定的焦斑位置信息，确定超声波传播矢量，得到以矩阵表示的前向传输算子H，进而利用最小二乘法估计前向传输算子H的伪逆矩阵H⁺，

H⁺＝H^*T(HH^*T)^-1：

4)用伪逆矩阵算法，根据声场声压分布矩阵P反求出应有的阵元表面振速U，

U＝H⁺P；

5)根据超声换能器的逆压电效应，由超声换能器的激励电压V与其表面振速U之间的近似关系式U＝LV，即V＝L^-1U，确定相控阵聚焦超声换能器中

各阵元应有的激励电压V的相位φ_n和幅度u_n；其中，L为一个对角阵；

6)调控相控阵聚焦超声换能器激励装置，使其向相控阵聚焦超声换能器的各个阵元分别输出指定相位φ_n、指定幅度u_n的正弦波激励信号，产生多焦斑声场分布，进而形成所需形状、大小的焦域，由此实现靶组织的定向适形加热；

7)根据测量到的靶组织温度，调控相控阵聚焦超声换能器中各个阵元激励信号的工作比，使其输出的超声功率相应地改变而实时地调控热剂量，保证靶组织保持在设定的温度，由此实现靶组织定向适形加热的长期稳定。

2、如权利要求1的相控阵聚焦超声的大焦域形成方法，其特征在于对于直径大于30mm的大块靶组织，在调控换能器各个阵元输出的激励信号时，采用分区合成的多焦斑声场分布方式，由各个分区轮流工作，合成所需热场。

3、如权利要求1或2的相控阵聚焦超声的大焦域形成方法，其特征在于在调控换能器各个阵元输出的激励信号时，采用多模式的多焦斑声场分布，各个模式在保持焦域形状、大小不变的前提下，互相交错换位或旋转移动，轮流加热，以此避免峰区和谷区的出现。

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