CN104353196B - 高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，对相控换能器阵元激励信号进行幅值调制，提高经颅超声在颅内的聚焦性能。它包括以下步骤：S1：确定颅内焦点位置。S2：在目标焦点处设置理想正弦波点声源，得到换能器阵元接收点源经颅传播的声压的时间反转信号阶段；S3：任选一阵元接收信号的时间反转信号为参考做自相关，并与其余阵元的时间反转信号做互相关，比较互相关与自相关最大值，得到各阵元相对于参考阵元的时间延迟和幅值比阶段；S4：在调制幅值前后换能器总输入能量不变的条件下，根据需要依据幅值比对整体或部分阵元调制输入声强，并激励换能器阵元进行幅值调制阶段。本发明可实现经颅聚焦，提高经颅聚焦性能和治疗效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，通过调控相控阵列换能器每个阵元的激励信号，调制经颅后声波幅值，使聚焦能量较多地集中于目标焦点处。
背景技术
目前，聚焦超声具有穿透性能好、穿透深度大和指向性强等优势，已经普遍用于工程、农业、医学等各个领域，特别是高强度聚焦超声技术，作为一种无创或微创的治疗方法，在医学领域受到普遍关注。高强度聚焦超声技术现已成功用于如乳腺癌、肝癌、子宫肌瘤等疾病的临床治疗中。但在高强度聚焦超声治疗颅脑肿瘤时，由于存在颅骨，且颅骨对超声波具有强烈的衰减作用，其声学参数与其周边的软组织有很大差异，使超声经颅聚焦后波形发生畸变，幅值严重衰减，聚焦能量不能达到设定的治疗靶区或聚焦能量不够形成可治疗焦域。
1996年法国学者Fink等首先提出对经颅声波幅值补偿；1998年Fink等基于经均匀介质时间反转信号对经颅声波幅值补偿；2013年Narumi等提出互相关法对经非均质介质声波幅值补偿的方法，但其对补偿时阵元能量重新分配问题阐述不清，且仅针对全部阵元幅值补偿，聚焦效果不明显。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，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，在目标焦点处根据公式
Pf(t)＝I0 sin ωt设置理想正弦波点声源，处于接收模式的编号为i的阵元上接收理想点源经颅传播的正弦声压信号，将该信号基于时间反转法进行时间反转得到声压信号Pi(t)；
S3：任选一阵元接收信号的时间反转信号为参考并设定为Pref(t)，将Pref(t)根据公式Pref·ref(τref)＝∫Pref(t)Pref(t-τref)dt做自相关处理，并与其余阵元按公式Pref·i(τref·i)＝∫Pref(f)Pi(t-τref·i)dt做互相关处理，比较互相关与自相关最大值，根据公式Δti＝τref·i-τref得到编号为i的阵元相对于参考阵元的时间延迟，根据公式得到每个阵元相对于参考阵元的幅值比Ai；
S4：在调制幅值前后换能器总输入能量不变的条件下，根据公式调制全部或部分阵元的输入声强Ii，依据公式Sipa(t)＝Iisin ω(t+Δti)获得调制经颅幅值的换能器阵元激励信号Sipa(t)。
声强是单位面积、单位时间的声能量，幅值调制前后辐照时间不变，且换能器激励阵元面积不变，可将保证调制幅值前后换能器总输入能量不变转化为保证调制前后换能器总输入声强不变。
各个阵元相对于参考阵元的幅值比是相互独立的，不仅可对全部阵元进行幅值调制，还可对换能器部分阵元幅值进行调制，在保证换能器总输入能量不变的情况下，将不调制的阵元幅值比设为1，只需按幅值比重新分配需要调制的阵元声强幅值。
本发明具有的优点和积极效果是：
a.本发明的高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，可提高经颅声波在颅内焦点处的能量沉积，提高声波聚焦性能。
b.本发明的幅值调制方法主要作用于焦点区域，既可保证焦点处温度较未校正时升高，又可使临界面处温度较未校正时降低。
c.本发明可针对颅内焦点，对相控换能器每个阵元的正弦激励信号的幅值进行调制，提高声能在焦点处的能量沉积，在相同时间内，形成焦域体积更大；在形成相同焦域体积时，所需治疗时间降低，提高了治疗效率。
d.采用本发明涉及的高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，可对颅内目标靶区组织产生热损伤，有治疗作用。
e.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。
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并提高聚焦效果。
附图说明
图1为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦空间示意图。
图2为64阵元球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦模型图。
图3为参考阵元自相关与其余阵元互相关关系图。
图4为各阵元相对于参考阵元的幅值比。
图5为以不同模式整体或部分调制换能器阵元幅值后各阵元幅值。
图6为整体阵元幅值调制前后声轴上声压最大值特性曲线。
图7为辐照时间20s的整体阵元幅值调制前后声轴上最高温度特性曲线。
图8为整体阵元幅值调制前时间反转相控法形成最大声压分布图(X-Y平面)。
图9为整体阵元幅值调制后最大声压分布图(X-Y平面)。
图10为辐照时间20s的整体阵元幅值调制前时间反转相控法最大温度分布图(X-Y平面)。
图11为辐照时间20s的整体阵元幅值调制后最大温度分布图(X-Y平面)。
图12为辐照时间20s的幅值调制前后形成焦域体积对比图。
图13为以不同模式部分调制换能器阵元后焦点处及颅骨与水临界面处温度变化曲线。
图14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—换能器相控单阵元
7—换能器第四环阵元的中心位置
8—换能器第三环阵元的中心位置
9—换能器第二环阵元的中心位置
10—换能器第一环阵元的中心位置
Φ1-换能器开口直径
Φ2-阵元直径
Φ3-换能器中心开孔直径。
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。
本发明提供了一种高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法。该方法基于时间反转法，利用相控换能器每个阵元接收点声源发射声波信号的时间反转信号与参考阵元的互相关关系，在保证能量不变的条件下重新分配每个阵元激励声强幅值，完成幅值调制，使聚焦能量在焦点处更多沉积，提高治疗效率。图1为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦空间示意图，图2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。本例声窗模型选取颞骨窗，颅内焦点位于换能器几何焦点处，即设定焦点距离换能器80mm处。
S2：根据颅内靶区位置及相控换能器可变焦范围，选定治疗目标深度为25mm，即颅骨和相控换能器的距离为55mm，在目标焦点处根据公式(1)
Pf(t)＝I0 sin ωt设置理想正弦波点声源，其中I0为换能器阵元初始激励声强2.5w/cm2，处于接收模式的编号为的阵元上接收理想点源经颅传播的正弦声压信号，将该信号基于时间反转法进行时间反转得到声压信号Pi(t)。
S3：任选一阵元接收信号的时间反转信号为参考并设定为Pref(t)，将Pref(t)根据公式(2)Pref·ref(τref)＝∫Pref(t)Pref(t-τref)dt做自相关处理，并与其余阵元按公式(3)Pref·i(τref·i)＝∫Pref(t)Pi(t-τref·i)dt做互相关处理，其中τref为参考阵元自相关信号的时移，τref·i为互相关信号的时移。比较互相关与自相关最大值，如图3，根据公式(4)Δti＝τref·i-τref可得编号为i的阵元相对于参考阵元的时间延迟，根据公式(5)可得到每个阵元相对于参考阵元的幅值比Ai，如图4。
S4：在保证调制幅值前后换能器总输入能量不变的条件下，根据需要对整体或部分换能器阵元的激励幅值按公式(6)调制阵元的输入声强Ii，如图5，依据公式(7)Sipa(t)＝Ii sin ω(t+Δti)可获得调制经颅幅值的换能器阵元激励信号Sipa(t)的阶段。
在上述高强度超声经颅聚焦的幅值调制的实例中，图6为整体阵元幅值调制前后声轴上声压最大值特性曲线，图8、9为对应的声压场分布图。如图6所示，幅值调制前焦点最大声压为5.265MPa，整体阵元幅值调制后焦点最大声压为5.697MPa，调制后焦点处最大声压增大8.2％，颅骨内声压较低。
图7为辐照时间20s的整体阵元幅值调制前后声轴上最高温度特性曲线，图10、11为对应的温度场分布图。如图7所示，幅值调制前焦点最高温度为66.57℃，颅骨与水的临界面温度为45.31℃，整体阵元幅值调制后焦点最高温度为71.63℃，调制后焦点处最高温度增大7.6％，颅骨与水的临界面处温度上升1.42℃。图12为辐照时间20s的幅值调制前后形成焦域体积对比图，幅值调制前形成焦域体积为4.2mm3，幅值调制后形成焦域体积为8.3mm3，经过幅值调节，形成的焦域体积增大0.976倍，使焦点处沉积能量增多；反之，若要形成相同体积的焦域，经过幅值调制后的声波形成焦域时间较短，故调制声波幅值也可缩短治疗时间。
图13为依据图5对不同模式下部分调制换能器阵元激励幅值后焦点处及颅骨与水临界面处温度变化曲线。其中A为整体阵元幅值调制模式，B为针对第二、三、四环阵元幅值调制模式，C为第三、四环阵元幅值调制模式，D为第四环阵元幅值调制模式，E为第一环阵元幅值调制模式，F为第一、二环阵元幅值调制模式，G为第一、二、三环阵元幅值调制模式，H为整体阵元幅值未调制模式。由曲线可知，无论整体调制还是部分调制换能器阵元幅值，都会使焦点处温度较未调制幅值时升高，提高声波在焦点处的聚焦性能；虽然调制幅值后颅骨与水临界面的温度会上升，但上升幅度不大，且针对部分阵元幅值调制时可能会降低该处温度，如图15中的C模式，使治疗更加安全。
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。
综上所述，该方法的优点有：
a.本发明涉及的幅值调制方法，可提高经颅声波在颅内焦点处的能量沉积，提高声波聚焦性能。在声压场中，图6为幅值调制前后声轴上声压最大值特性曲线，采用幅值调制方法后颅内焦点最大声压相比未进行幅值调制上升8.2％。在温度场中，图7为辐照时间20s的幅值调制前后声轴上最高温度特性曲线，采用幅值调制后颅内焦点处最高温度相比未进行幅值调制升高了7.6％。图12为辐照时间20s的幅值调制前后形成焦域体积对比图，采用幅值调制方法后形成焦域体积增大0.976倍。
b.幅值调制方法主要作用于焦点区域，如图6、7中，可知幅值调制前后焦点(x＝80mm)处的声压幅值及最高温度的变化趋势大于颅骨与水临界面(x＝55mm)处声压与温度的变化趋势，且针对部分阵元进行幅值调制时，可既保证焦点处温度较未校正时升高，又可使临界面处温度较未校正时降低。
c.本发明可针对颅内焦点，对相控换能器每个阵元的正弦激励信号的幅值进行调制，提高声能在焦点处的能量沉积，在相同时间内，形成焦域体积更大；在形成相同焦域体积时，所需治疗时间降低，提高了治疗效率。
d.采用本发明涉及的高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，如图5所示，幅值调制后轴上焦点的最高温度大于60℃对脑组织造成凝固性坏死的温度阈值，可对目标靶区组织产生损伤，有治疗作用。
e.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。
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并提高聚焦效果。
Claims (2)
1.一种高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，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，在目标焦点处根据公式
Pf(t)＝I0 sinωt设置理想正弦波点声源，处于接收模式的编号为i的阵元上接收理想点源经颅传播的正弦声压信号，将该信号基于时间反转法进行时间反转得到声压信号Pi(t)；
S3：任选一阵元接收信号的时间反转信号为参考并设定为Pref(t)，将Pref(t)根据公式Pref·ref(τref)＝∫Pref(t)Pref(t-τref)dt做自相关处理，并与其余阵元按公式Pref·i(τref·i)＝∫Pref(t)Pi(t-τref·i)dt做互相关处理，比较互相关与自相关最大值，根据公式Δti＝τref·i-τref得到编号为i的阵元相对于参考阵元的时间延迟，根据公式得到每个阵元相对于参考阵元的幅值比Ai；
S4：在调制幅值前后换能器总输入能量不变的条件下，根据公式调制全部或部分阵元的输入声强Ii，依据公式Sipa(t)＝Ii sinω(t+Δti)获得调制经颅幅值的换能器阵元激励信号Sipa(t)。
2.根据权利要求1所述的高强度超声经颅聚焦的幅值调制方法，其特征在于：在对部分阵元进行调制时，在保证换能器总输入能量不变的情况下，将不调制的阵元幅值比设为1，只需按幅值比重新分配需要调制的阵元声强幅值。
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