CN105233430B - 高强度超声经颅聚焦的颅外驻波抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，对高强度聚焦超声经颅治疗时因颅骨存在而形成的驻波进行抑制，从而降低驻波的强度，同时可提升焦域聚焦能量的方法。它包括以下步骤：S1：利用Matlab中random函数生成随机相位序列；S2：将生成的随机相位序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中；S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用驻波比Ra评价驻波强度，选取驻波抑制效果最优的时间间隔；S4：在其他输入不变的条件下根据选取的最佳相位转换时间间隔进行驻波抑制，利用调整后的激励函数激励换能器进行聚焦。本发明可实现经颅聚焦同时有效抑制驻波，并附带提高焦域能量加速温升的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种对高强度超声经颅聚焦产生的驻波现象进行抑制的方法，通过对每个激励阵元的激励函数同时进行随机0或π的相位变化，调制经颅信号，使得颅骨外表面与换能器之间的驻波强度减弱同时增强焦域能量。
背景技术
高强度聚焦超声（high-intensity focused ultrasound, HIFU）是一种新型非侵入治疗技术，将从体外发射超声波并向人体内治疗靶区聚集，使靶区温度瞬间升至60度以上致死靶区病变组织的治疗技术。该技术现已在前列腺癌、肝癌、子宫肌瘤、胰腺癌、乳腺癌等肿瘤的治疗。然而由于颅骨存在对超声波具有的反射作用，使得反射的声波与连续发射的入射波相遇且满足振幅、频率、波长及相位差相同的条件而形成驻波。驻波的产生造成空间能量的滞留，脑内滞留对脑组织造成损伤，而脑外滞留则造成了能量的流失。
2008年Tang等利用相控键法对驻波进行了消减，表明利用此方法可以抑制驻波现象的产生；2010年Tang等控制频率的变化对驻波消减进行研究，利用随机修饰的方法，其结果表明该方法同样有效；2012年Hynynen等利用改变换能器的开口直径来抑制驻波。然而，前者只对组织中的驻波消减方法进行研究，并未对换能器与颅骨间的驻波消减的方法进行研究讨论。另一方面，针对随机转换相位方法的转换时间间隔选择也未曾有过研究。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种针对高强度聚焦超声经颅治疗时颅外驻波消减的方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种高强度聚焦超声经颅治疗时颅外驻波消减的方法，包括如下步骤：
S1：利用Matlab中random函数生成随机相位序列；
S2：利用阵元激励函数作为激励信号，将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式改写为；其中为随机相位序列中的相位，（n=1,2,3…）时读取一次值，为相位变换时间间隔；
S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用驻波比评价驻波强度，其中为产生驻波区域声压最大值，为驻波区域声压最小值，为驻波区域声压平均值；选定骨声窗及与其相匹配的阵元激励频率后，选取驻波比最小的时间间隔作为相位转换间隔；
S4：在其他输入不变的条件下根据S3选取的最优相位转换时间间隔加入S1中的随机相位进行驻波抑制，利用调整后的激励函数激励换能器进行聚焦。
声强是单位面积、单位时间的声能量，驻波消减前后输入声强以及时间不变，且换能器激励阵元面积不变，可将保证驻波抑制前后换能器总输入能量不变以便对驻波法消减驻波的效果进行分析。
本方法可选用的相位不仅局限于0和π，由于控制独立阵元发射的声波信号的相位转换时间相同，转换的相位值也相同，因此也可采用不影响聚焦的其他相位进行驻波抑制。
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颅外驻波消减的方法，可有效的降低驻波强度，减小驻波比。
b. 本发明的驻波消减方法可通过对相位转换时间间隔的筛选，最优化转换时间间隔，最大幅度增强相位转换方法的驻波消减能力。
c. 本发明可针对不同经颅声窗所选择的不同阵元激励频率，对最大化相位转换时间间隔做出调整，使其在不同激励条件下均可达到最佳的驻波消减效果，可适应于不同聚焦环境。
d. 采用本发明对相位进行调整后并不会对原聚焦焦域形状以及焦点位置产生影响，不单不会使聚焦效果变差，反而可以实现经颅聚焦的同时降低颅骨外的驻波强度。
e. 采用本发明在不改变焦域形状的前提下，可使聚焦能量更加集中于颅内焦域位置，使得焦域位置的能量有大幅度提升。
f. 本方法在不破坏聚焦能力的前提下提升了焦域能量，加快焦域温升速度，在一定程度上降低了高强度聚焦超声经颅治疗的时间，可在临床治疗时减轻患者长时间治疗下的痛苦。
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为选择颞骨鳞部骨声窗时阵元激励频率筛选图。
图4为驻波声压分布示意图及声轴曲线图。
图5为不同相位转换时间间隔下驻波比值曲线图。
图6为焦点处及颅骨最大处声压在不同相位转换时间间隔下的曲线图。
图7等时间间隔相位转换驻波消减法驻波对驻波消减前（a）及驻波消减后（b）的声压分布图(X-Y平面)。
图8辐照时间16s时，驻波消减前后声轴（X轴）声压曲线图（a）及温度曲线图（b）。
图9辐照时间16s时，驻波消减前后焦点处的温度与颅骨最大处的温度随时间变化曲线。
图10辐照时间相等时驻波消减前（a）与驻波消减后（b）的焦域及辐照至焦点处等温度时驻波消减前（c）与驻波消减后（d）的焦域图。
图11焦点处及颅骨处声压随的变化曲线（a）颞骨窗（0.6MHz），（c）枕骨窗（0.7MHz），（e）顶骨窗（0.7MHz）及对应驻波比。
图12本发明的等时间间隔相位转换驻波消减法方法流程图。
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—头皮组织
6—颞骨骨窗
7—脑组织
8—换能器相控单阵元
Φ1—换能器开口直径
Φ2—阵元直径
Φ3—换能器中心开孔直径。
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聚焦超声经颅治疗时颅外驻波消减的方法。该方法基于时间反转法，颅骨处高热点消减法，利用对阵元发射信号的相位做等时间间隔随机转换的方法对存在于颅外的驻波进行抑制。通过该方法不仅降低了驻波强度，更在不改变输入条件的前提下提高的聚焦区域的能量，加快温升速度，提高治疗效率。
实施例1
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，在这里以颞骨鳞部作为骨声窗，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0.6MHz条件下辐照为例，按如下步骤实施。
S1：利用Matlab中random函数生成随机0或π的序列。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。利用公式（1）作为激励信号，对颞骨骨窗的最适阵元激励频率做筛选，如图3所示，选定聚焦效果最优且无颅内损伤的激励频率0.6MHz。由于颅骨的存在而产生的条带状驻波如图（4）所示。将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式（1）改写为公式（2）。其中为0或π的相位，取自random函数生成的0与π随机相位序列，公式（3）（n=1,2,3…）时读取一次值，为相位变换时间间隔。
S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用公式（4）驻波比评价驻波强度，其中为产生驻波区域声压最大值，为驻波区域声压最小值，为驻波区域声压平均值。如图5所示，选出驻波比最小的即驻波消减效果最好时间间隔值。在这里与颞骨骨窗在0.6MHz下匹配最佳的时间间隔为6μs。
S4：在其他输入不变的条件下根据S3选取的颞骨鳞部骨声窗阵元激励频率为0.6MHz下的最优相位转换时间间隔=6μs加入0或π的随机相位进行驻波抑制，利用调整成最佳效果的激励函数激励换能器进行聚焦。
在上述高强度聚焦超声经颅治疗时颅外驻波消减的实例中，图6为驻波消减前后焦点处声压及颅骨处最大声压随上述相位转换时间间隔变化的曲线。由图6可知，在最佳相位转换时间间隔=6μs时，焦点处声压也最大，颅骨处声压相对其他相位转换时间间隔时变化不大。颞骨骨窗未采用驻波消减和采用驻波消减后形成的声压分布图分别为图7（a），（b）所示，由图7可知，采用驻波消减后（=6μs）比未采用驻波消减（=0μs）时的驻波现象明显减少，消减后焦点声压（6.07MPa）与未采用驻波消减法（5.32MPa）时相比增加14.1%。
图8为与图7（a），（b）相对应，声轴上的声压分布曲线和辐照时间t=16s时的温度分布曲线。其中黑色线为=0时未进行驻波消减的分布曲线，灰色线为=6μs驻波消减后分布曲线。由图8可知，通过驻波消减后，焦点处声压和温升均有大幅度升高，焦点处温升提高约18℃，颅骨处的声压和温升则略有提高，颅骨处最高温升提高约8℃。
图9为辐照时间16s时焦点处和颅骨处最高温度随辐照时间的变化曲线。其中黑色实线为未驻波消减（=0）时焦点处（TF）、黑色虚线为未驻波消减颅骨处（TS）、灰色实线为驻波消减后（=6μs）时焦点处（TFSWS）、灰色虚线为驻波消减后颅骨处（TSSWS）的。以焦点温度均达到温度80℃为例，未驻波消减所需时间为14.6s，驻波消减后则仅需7.8s；当辐照时间均为16s时，未进行驻波消减时焦点处温度达到81.49℃，驻波消减后焦点处温度可达99.8℃。
图9为驻波消减前后经颞骨骨窗激励频率0.6MHz下的焦域体积，由图9可知，辐照16s时驻波消减法后的焦域体积明显增大，增大倍数接近三倍；在焦点处最高温度为80℃时停止辐照的条件下，驻波消减后所需辐照时间变短，形成的焦域体积略微减小。
通过比较以上相关参数，验证本发明可降低颅外驻波强度的同时提高经颅超声在焦点区域的聚焦能量。
实施例2
S1：利用Matlab中random函数生成随机0、π/2或π的序列。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。利用公式（1）作为激励信号，将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式（1）改写为公式（2）。其中为0、π/2或π的相位，取自random函数生成的0、π/2或π随机相位序列，公式（3）（n=1,2,3…）时读取一次值，为相位变换时间间隔。
S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用公式（4）驻波比评价驻波强度，其中为产生驻波区域声压最大值，为驻波区域声压最小值，为驻波区域声压平均值。选出驻波比最小的即驻波消减效果最好时间间隔值。
S4：在其他输入不变的条件下根据S3选取的颞骨鳞部骨声窗阵元激励频率为0.6MHz下的最优相位转换时间间隔=6μs加入0、π/2或π的随机相位进行驻波抑制，利用调整成最佳效果的激励函数激励换能器进行聚焦。
实施例3
S1：利用Matlab中random函数生成随机0、π/2、π或3π/2的序列。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。利用公式（1）作为激励信号，将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式（1）改写为公式（2）。其中为0、π/2、π或3π/2的相位，取自random函数生成的0、π/2、π或3π/2随机相位序列，公式（3）（n=1,2,3…）时读取一次值，为相位变换时间间隔。
S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用公式（4）驻波比评价驻波强度，其中为产生驻波区域声压最大值，为驻波区域声压最小值，为驻波区域声压平均值。选出驻波比最小的即驻波消减效果最好时间间隔值。
S4：在其他输入不变的条件下根据S3选取的颞骨鳞部骨声窗阵元激励频率为0.6MHz下的最优相位转换时间间隔=6μs加入0、π/2、π或3π/2的随机相位进行驻波抑制，利用调整成最佳效果的激励函数激励换能器进行聚焦。
综上所述，该方法的优点有：
a. 本发明的高强度超声经颅聚焦的颅外驻波消减的方法，可有效的降低驻波强度，减小驻波比。如图5所示，选出驻波比最小且在这里与颞骨骨窗在0.6MHz下匹配最佳的时间间隔为=6μs。在该相位转换时间间隔下，驻波比值为0.309，远远小于无驻波消减时的0.614。此外，在其他相位转换时间间隔时，驻波比同样比无驻波消减时要小。
b. 本发明的驻波消减方法可通过对相位转换时间间隔的筛选，最优化转换时间间隔，最大幅度增强相位转换方法的驻波消减能力。 如图5所示，当无驻波消减时驻波比值为0.614，利用等时间间隔相位转换法抑制驻波后，其驻波比值在不同时间间隔内为0.309-0.494不等。不同时间间隔虽然均可降低驻波比，但筛选最佳时间间隔驻波可以被更大程度的削弱。
c. 本发明可针对不同经颅声窗所选择的不同阵元激励频率，对最大化相位转换时间间隔做出调整，使其在不同激励条件下均可达到最佳的驻波消减效果，可适应于不同聚焦环境。如图11所示，分别可对颞骨磷区，枕骨区及顶骨区骨声窗在其最适频率下进行转换时间间隔筛选，颞骨区激励频率0.6MHz为=6μs，枕骨区及顶骨区最适激励频率0.7MHz下为=5μs。
d. 采用本发明对相位进行调整后并不会对原聚焦焦域形状以及焦点位置产生影响，如图7所示。
e. 采用本发明在不改变焦域形状的前提下，可使聚焦能量更加集中于颅内焦域位置，使得焦域位置的能量有大幅度提升。如图7所示，采用驻波消减后（=6μs）比未采用驻波消减（=0μs）时比较，消减后焦点声压（6.07MPa）与未采用驻波消减法（5.32MPa）时相比增加14.1%。
f. 本方法在不破坏聚焦能力的前提下提升了焦域能量，加快焦域温升速度，在一定程度上降低了高强度聚焦超声经颅治疗的时间，如图9所示，以焦点温度均达到温度80℃为例，未驻波消减所需时间为14.6s，驻波消减后则仅需7.8s，可在临床治疗时减轻患者长时间治疗下的痛苦。
Claims (4)
1.一种高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，其特征在于，该方法在其他输入条件不变的前提下，只需每隔固定时间间隔对相位进行0、π/2、π或3π/2的变化，抑制驻波强度；该方法包括以下步骤：
S1：利用Matlab中random函数生成随机相位序列；
S2：利用阵元激励函数Sri(t)＝I0sin(ω(t+Δti))作为激励信号，将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式改写为其中为随机相位序列中的相位，t＝nTr(n＝1,2,3…)时读取一次值，Tr为相位变换时间间隔；
S3：选择不同的相位转换时间间隔Tr，利用驻波比评价驻波强度，其中Pmax为产生驻波区域声压最大值，Pmin为驻波区域声压最小值，Pavg为驻波区域声压平均值；选定骨声窗及与其相匹配的阵元激励频率后，选取驻波比最小的时间间隔作为相位转换间隔；
S4：在其他输入不变的条件下根据S3选取的最优相位转换时间间隔加入S1中的随机相位进行驻波抑制，利用调整后的激励函数激励换能器进行聚焦；所述其他输入条件指振幅、频率和波长。
2.根据权利要求1所述的高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，其特征在于：S1步骤中利用Matlab中random函数生成0或π的随机相位序列。
3.根据权利要求1所述的高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，其特征在于：S1步骤中利用Matlab中random函数生成0、π/2或π的随机相位序列。
4.根据权利要求1所述的高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，其特征在于：S1步骤中利用Matlab中random函数生成0、π/2、π或3π/2的随机相位序列。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| OL01 | Intention to license declared | ||
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