CN103990233A - 高强度超声经颅聚焦的相控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高强度超声经颅聚焦的相控方法，特别是对相控换能器不同触发信号组的幅值、初始相位及组间时间延迟进行控制，解决经颅超声对颅骨及周边软组织损伤的问题。它包括以下步骤：S1:确定颅内靶区位置。S2:对聚焦颅内组织的相控换能器各阵元控制信号的触发声强、初始相位调控的阶段。S3:根据聚焦在颅内靶区形成的声压场与温度场分布，确定颅骨内声压和温升较高的热点位置的阶段。S4:计算消除颅骨热点的相控换能器各个阵元的控制信号的声强及时间延迟的阶段。S5:激发阵元，验证颅骨内有无热点的阶段。本发明可实现经颅聚焦，降低经颅超声对颅骨及其周边脑组织和头皮组织造成的损伤。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度超声经颅聚焦的相控方法，通过调控相控阵列换能器每个阵元激励信号的方法，根据颅骨内高声压处即热点处的稳态声压幅值及振动相位，设定用于消除热点的每个阵元激励信号及不同触发信号组间的时间延迟，降低颅骨内热点处温升，达到避免热点对颅骨及周边软组织造成损伤的目的。
背景技术
目前，聚焦超声已经普遍用于工程、农业、医学等各个领域。高强度聚焦超声技术具有穿透性能好、穿透深度大和指向性强等优势，特别是在医学领域，作为一种无创或微创的治疗方法，受到普遍关注。高强度聚焦超声技术已成功用于如前列腺癌、乳腺癌、肝癌、子宫肌瘤等疾病的临床治疗中。然而，在颅脑肿瘤治疗中，由于颅骨具有三层孔隙物理结构，其声阻抗远远大于软组织，使超声经颅聚焦形成的声场与温度场往往不能形成可治疗焦域或形成的可治疗焦域偏离目标区域。
在经颅聚焦超声治疗领域中，主要用到两种换能器，一种是半球形相控换能器，另一种是球冠状凹球面相控换能器。其中，以色列Insightec公司（Insightec Ltd.）生产的Exablate 4000高强度聚焦超声治疗系统（Exablate 4000 High-Intensity Focused Ultrasound Therapy System）中，包含1000阵元的一个可用于经颅治疗的半球形相控阵列换能器，其较大的开口直径和曲率半径可扩大超声透过颅骨的声窗，降低颅骨单位面积内的超声能量。但该设备采用1000个阵元的相控换能器，换能器的驱动及控制电路复杂、成本高且其仅限于可调控范围小的脑深部组织治疗；对颅内浅表组织治疗时，在颅骨内形成温升高的热点，热点会对颅骨及周边软组织造成损伤。对于球冠状凹球面相控换能器，虽然其相控换能器所含阵元较少，驱动及控制电路相对简单，但受其几何形状的影响，该类型换能器发射的声束透过颅骨声窗较小，易造成超声能量沉积，引起颅骨及周边损伤。目前，市场中尚无可用于经颅治疗的球冠状凹球面相控换能器及相关治疗系统。
发明内容
本发明为解决上述现有技术存在问题而提供了一种高强度聚焦超声经颅聚焦的相控方法。
图2所示为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦的空间示意图，该方法利用相控换能器每个阵元触发声强和初始相位可控的特性及聚焦超声线性传播的特性，叠加具有时间延迟的多组相控换能器激励信号，降低颅骨处高声压，消除颅骨内部存在的热点，实现聚焦超声经颅对脑组织的聚焦及治疗。
本发明所采取的技术方案是：
一种高强度超声经颅聚焦的相控方法，包括如下步骤：
S1：确定颅内靶区位置。
S2：根据颅内靶区位置及相控换能器可变焦范围，选定治疗目标深度与颅骨和相控换能器的相对位置，在目标焦点处设置点声源SF，在一段时间内形成的声压场分布中，记录处于接收模式的相控换能器阵元n的声压信号SFn(t)，对相控换能器每个阵元记录的声压信号按时间序列进行反转处理，利用函数逼近法，根据SFn(t)计算可聚焦在颅内靶区的相控换能器阵元n的激励信号的初始相位延迟△tn，根据治疗剂量设定可聚焦在颅内靶区的相控换能器的输入声强I0和相控换能器阵元激励信号的声压最大幅值P0。
S3：以信号 激励相控换能器的阵元n，根据其形成的声压场和一定时间的温度场分布，确定颅骨内需进行消除的热点R位置及热点R处稳态声压PR(S0n(t))的最大振幅P0R和初始相位φ0R阶段。
S4：在热点R处设置点声源SR，在一段时间内形成的声压场分布中，记录处于接收模式的相控换能器的阵元n的声压信号记录SRn(t)，根据SRn(t)计算可聚焦在热点处的相控换能器阵元n激励信号的初始相位延迟△tiRn（i为热点消除次数）。根据公式（1），计算可消除热点的相控换能器的激励声强Ii和对应的相控换能器阵元激励信号的最大幅值Pi；
(1)
其中，图1为公式（1）在该模型热点R处的系统输入声强与输出声压的线性关系。当输入声强分别设定为Ia、Ib，通过计算得到在热点R处稳态时的声压最大值PaR和PbR。以信号激励相控换能器的阵元n，同上述S3，根据其形成的声压场和一定时间的温度场分布，确定消除热点信号组在热点位置的稳态声压PiRn(Si(t))的初始相位φiR。根据公式(2)，计算S0n(t)与SiRn(t)两换能器激励信号组间的时间延迟△ti。记阵元n热点R处消除激励信号为。
(2)
S5：以计算公式(3)为激励信号驱动相控换能器，当一次热点消除时，叠加触发信号S0n(t)和SiRn(t)，重新触发换能器，验证形成的声压场与温度场超声经颅聚焦目标靶区颅骨内原有热点是否消除及是否产生新热点。若仍存在热点，重复S4，进行第Q次热点消除。
(3)
本发明具有的优点和积极效果是：
a.本发明可在相控阵列换能器可变焦范围内选择性聚焦，克服颅骨对颅内形成焦点产生偏移或散焦的作用。
b.本发明涉及的热点消除方法，可针对颅骨内部选择的热点位置，降低颅骨内声压及温升，达到消除颅内温升高的热点，使颅骨及其周边脑组织和脑组织免于受到损伤。在声压场中，图4为热点消除前后声轴上声压最大值特性曲线，采用热点消除方法后颅骨内部最大声压与焦点最大声压比值为0.45，相比未进行热点消除降低49.3%。在温度场中，图5为热点消除前后声轴上温升特性曲线，采用热点消除后颅骨内部最高温升降低至10.31℃，相比未进行热点消除降低了61.1%。
c.热点消除方法主要作用于热点区域，对比图4与图5中，可知消除热点前后焦点（x=80mm）处的声压幅值及最大温升的变化趋势小于热点（x=60.5mm）处声压与温升的变化趋势。而热点消除方法对焦域的影响较小，对比图8与图9，可知消除热点前后焦点区域的大小、形状相近。
d.采用本发明涉及的高强度超声经颅聚焦的相控方法，如图5所示，热点消除后轴上焦点的最高温升为31.4℃，大于温升18℃对脑组织造成凝固性坏死的温升阈值，可对目标靶区组织产生损伤，有治疗作用。
e.本发明可针对颅骨内热点，对消除颅骨热点的相控换能器每个阵元的正弦激励信号的幅值及初始相位延迟进行计算，并根据聚焦在颅内脑组织的相控换能器激励信号，设定激励信号组间的时间延迟。本方法缩短了制定高强度治疗超声经颅治疗治疗计划的时间，提高了制定效率。
f.本方法利用制作成本较少及驱动控制电路较简单的凹球面相控阵列换能器，实现高强度聚焦超声经颅聚焦的同时降低颅骨内热点对颅骨及周边软组织造成的损伤。
附图说明
图1为模型热点处的系统输入声强与输出声压的线性关系图；
图2为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦空间示意图；
图3为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦模型图；
图4为热点消除前后声轴上声压最大值特性曲线；
图5为热点消除前后声轴上15s最高温升特性曲线；
图6为热点消除前采用时间反转法X-Z平面声压场最大声压分布图；
图7为热点消除后X-Z平面声压场最大声压分布图；
图8为热点消除前采用时间反转法X-Z平面15s温度场最大温升分布图；
图9为热点消除后X-Z平面15s温度场最大温升分布图；
图10为本发明的高强度超声经颅聚焦的相控方法流程图。
图中主要标号说明：
1—凹球面64阵元相控阵列超声换能器
2—人体颅骨模型
3—目标焦点
4—脱气水
5—脑组织
6—换能器单阵元
Φ1—换能器开口直径
Φ2—阵元直径
Φ3—换能器中心开孔直径
θ—奇偶环层相邻阵元中心与换能器中心连线的夹角。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步说明描述。本发明的优选实例不构成对本发明的限制。
本发明提出的一种强度超声经颅聚焦的相控方法。如图3所示为实例模型，其中换能器以一球冠状凹球面64阵元相控阵列换能器在频率为0.8MHz条件下辐照为例，按如下步骤实施。
S1：确定颅内靶区位置；
S2：根据颅内靶区位置及相控换能器可变焦范围，选定治疗深度L2为25mm，颅骨与相控换能器的相对距离L1为55mm。在目标焦点处设置点声源，处于接收模式的相控换能器的每个阵元在一段时间内记录点声源激发的声压场。对换能器各个阵元记录的声压信号按时间序列进行反转处理，计算聚焦在颅内靶区的相控换能器阵元n的激励信号的初始相位延迟△tn，并根据治疗剂量设定相控换能器的输入声强I0，本实例中I0为2.5W/cm2。
S3：采用信号激励相控换能器阵元n，根据其形成的声压场及一定时间的温度场分布，确定颅骨内热点位置为声轴上x=60.5mm处。
S4：在轴上热点x=60.5mm设置点声源，其在一段时间内形成的声压场分布由处于接收模式的相控换能器的各个阵元记录，计算可聚焦在热点处的相控换能器阵元n的激励信号的初始相位延迟△tni，根据公式(1)，推算可消除热点的相控换能器激励信号的统一激励声强Ii为0.29W/cm2，记该组激励信号为。
(1)
在信号触发相控换能器形成的治疗声场和信号触发相控换能器形成消除热点的声场中，分别记录颅骨热点处记录声压稳态信号P(S0n(t))和PiRn(Si(t))，两组声压的正弦初始相位分别为，根据公式(2)，计算可消除热点的相控换能器激励信号的时间延迟为1.78μs。
(2)
S5：根据计算公式(3)，叠加触发信号S0n(t)和SiRn(t)，重新触发换能器，验证形成的声压场与温度场超声经颅聚焦目标靶区颅骨内原有热点是否消除及是否产生新热点。在本实例中，消除热点次数Q为1，即经一次消除后热点不再存在且无新热点形成，则利用该信号组进行经颅治疗。
(3)
在上述超声经颅聚焦消除颅骨热点的实例中，图4为热点消除前后声轴上声压最大值特性曲线，图6、7为对应的声压场分布图。如图4所示，热点消除前颅骨内最大声压与焦点最大声压比值（骨焦比）为0.89，热点消除后骨焦比降低到0.45，颅骨内最大声压降低幅度大于焦点最大声压变化幅度。图5为热点消除前后声轴上温升特性曲线，图8、9为对应的温度场分布图。如图5所示，热点消除前颅骨内最大温升为26.65℃，焦点最高温升为28.30℃，热点消除后颅骨内最大温升降低至为10.31℃，焦点最高温升为31.40℃。通过比较以上相关参数，验证本发明可提高经颅超声在焦点区域的聚焦效果的同时，消除颅骨内热点，降低对颅骨及周边组织损伤。
Claims (3)
1.一种高强度超声经颅聚焦的相控方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：确定颅内靶区位置；
S2：根据颅内靶区位置及相控换能器可变焦范围，选定治疗目标深度与颅骨和相控换能器的相对位置，在目标焦点处设置点声源SF，在一段时间内形成的声压场分布中，记录处于接收模式的相控换能器阵元n的声压信号SFn(t)，对相控换能器每个阵元记录的声压信号按时间序列进行反转处理，利用函数逼近法，根据SFn(t)计算可聚焦在颅内靶区的相控换能器阵元n的激励信号的初始相位延迟△tn，根据治疗剂量设定可聚焦在颅内靶区的相控换能器的输入声强I0和相控换能器阵元激励信号的声压最大幅值P0阶段；
S3：以信号 激励相控换能器的阵元n，根据其形成的声压场和一定时间的温度场分布，确定颅骨内需进行消除的热点R位置及热点R处稳态声压PR(S0n(t))的最大振幅P0R和初始相位φ0R阶段；
S4：在热点R处设置点声源SR，在一段时间内形成的声压场分布中，记录处于接收模式的相控换能器的阵元n的声压信号记录SRn(t)，根据SRn(t)计算可聚焦在热点处的相控换能器阵元n激励信号的初始相位延迟△tiRn，根据公式（1）即，计算可消除热点的相控换能器的激励声强Ii和对应的相控换能器阵元激励信号的最大幅值Pi，以信号激励相控换能器的阵元n，同上述S3，根据其形成的声压场和一定时间的温度场分布，确定消除热点信号组在热点位置的稳态声压PiRn(Si(t))的初始相位φiR，根据公式(2)即 ，计算S0n(t)与SiRn(t)两换能器激励信号组间的时间延迟△ti，记阵元n热点R处消除的激励信号为；
S5：以计算公式(3)即 为激励信号驱动相控换能器，当一次热点消除时，叠加触发信号S0n(t)和SiRn(t)，重新触发换能器，验证形成的声压场与温度场超声经颅聚焦目标靶区颅骨内原有热点是否消除及是否产生新热点；若仍存在热点，重复S4，进行第Q次热点消除阶段。
2.根据权利要求1所述的高强度超声经颅聚焦脑组织的相控方法，其特征在于：基于线性系统输入与输出的特性，根据公式(1)即，计算消除颅骨内热点的相控换能器激励信号在热点处的稳态声压幅值近似为热点声压峰值Pi的输入声强Ii。
3.根据权利要求1所述的高强度超声经颅聚焦的相控方法，其特征在于：在触发的治疗声场和触发的消除声场中，分别记录颅骨最大声压处P(S0n(t))和PiRn(Si(t))的声压稳态信号，用来近似描述两组声压的正弦初始相位分别为φ0R和φiR，根据公式(2)即，计算S0n(t)与SiRn(t)两换能器激励信号组间的时间延迟△ti。
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