CN105251142A - 高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，包括以下步骤：1)测量模拟人体软组织的温度变化，并预设焦域位置；2)反向传导优化确定超声束的精确位置；3)确定焦域内外的温度分布：根据超声束实际聚焦位置(xf，yf，zf)，确定模拟人体软组织中的温度变化，从而确定焦域内外的温度分布；4)得到预防性维护结论：将步骤3)得到的焦域内外的温度分布值与标准值或安全值进行比较，若符合标准值或在安全值范围内，则判断高强度聚焦超声肿瘤治疗设备可继续作为临床使用，反之则需要进行检修。避免将超声束直接照射到热电偶上，减轻了热电偶发热对组织温度测量的影响，从而提高了温度测量的精度，降低了预防性维护的成本。

Description

高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法

技术领域

本发明涉及医疗设备维护领域，具体地说是一种高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法。

背景技术

高强度聚焦超声肿瘤治疗(Highintensityfocusedultrasound，HIFU)是由单元换能器或多元换能器阵列构成的聚焦超声源，发出的超声通过传声媒质后，以人体正常组织可以接受的声强透过患者体表，将能量聚集在靶组织上，致其凝固性坏死(或瞬间灭活)的治疗系统。其治疗原理主要是利用聚焦于生物组织中的高强度超声产生的热效应使焦域处的组织瞬间上升至60～100℃，从而导致蛋白变性及组织细胞不可逆凝固性坏死，焦域以外组织无显著损伤，凝固坏死组织可逐渐被吸收或瘢痕化。

HIFU由于其非入侵性、副作用少且发生率低、不增加肿瘤转移风险等优势在临床上已用于乳腺肿瘤、四肢及浅表组织肿瘤或骨肉瘤、肝脏、肾脏及盆腔实体肿瘤的局部姑息性灭活治疗，在适当降低功率后也可作为放疗、化疗增敏的热疗设备。

HIFU治疗系统的核心技术是能够在考虑到人体结构不均匀性的前提下对拟治疗的体内病灶实现精准定位，对HIFU系统的声输出实现精准的时空控制，对从正常体温到靶组织变性临界温度的全过程进行全程实时监视和引导，对靶组织发生凝固性坏死与否进行在线检测判断的硬软件及其功能。靶区温度测量和显示是HIFU治疗过程监测的重要手段，但目前仍然是HIFU治疗系统的一大挑战。

可见，温度监控是HIFU治疗系统性能检测和预防性维护的重要内容。磁共振成像(Magneticresonanceimaging，MRI)对软组织成像质量好，对比度高，且在治疗中用温敏快速梯度回波序列可观察到焦点的位置与范围，是HIFU临床治疗的理想的监测手段之一。在实时测温的基础上，MRI系统计算得到HIFU照射在组织中沉积的热量，并与造成组织损伤的阈值进行比较，可以判断坏死组织的范围，从而实现靶区治疗的实时监测。治疗结束后进行对此增强磁共振成像，用于确定治疗效果。

然而，磁共振成像的监测温度成本太高，尤其是在为HIFU治疗系统预防性维护配备磁共振成像温度检测设备上，大大提高了维护的成本，因而亟需低成本的预防性维护和监测方法的出现。从而有人提出的将热电偶插入受检组织中检测温度的方法属于侵入法，即将热电偶放置在人工血管附近，研究了血液流动对HIFU引起的组织温度变化的影响。该方法的优点是经济节约、简单易行，缺点是超声束直接照射在热电偶上导致热电偶发热，因而实测温度高于组织仅吸收超声能量的温度，这一热效应可以通过求解Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程得到。另外超声束聚焦在热电偶上较易引入人为误差，会低估实测温度；且热电偶仅能测量特定点处的温度，而不能测量整个焦域的温度。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述现有技术存在的实测温度不准确，且维护成本高问题，提供了一种高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下步骤的高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，包括以下步骤：

1)测量模拟人体软组织的温度变化，并预设焦域位置：在所述的模拟人体软组织中依层次布置细丝热电偶，将高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的超声束聚焦于某一层的其中一个细丝热电偶的中心附近，并小幅度移动设备的换能器，在该细丝热电偶的多个不同位置处分别记录同一时间段内的温升变化，温升最大值处记录为该细丝热电偶的中心，同理确定另一层的其中一个细丝热电偶的中心，将两个细丝热电偶中心之间的某一位置确定为预设焦域位置；

2)反向传导优化确定超声束的精确位置：根据步骤1)确定的预设焦域位置，给超声束聚焦位置赋初值(x₀，y₀，z₀)，通过该初值求解热传导方程得到至少三个细丝热电偶的温度变化：且所述三个细丝热电偶不在同一层；

其中声压p(r，z)通过求解在z方向上轴对称超声束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波动方程的线性形式得到：

$\frac{\∂}{\∂t}\[\frac{\∂p}{\∂z}-\frac{D}{2c^3}\frac{{\∂}^{2}p}{\∂t^2}\]=\frac{c}{2}(\frac{{\∂}^{2}p}{\∂r^2}+\frac{1}{r}\frac{\∂p}{\∂r})$

沉积速率Q为α为组织的吸收系数，<>表示取时间平均，c是组织中的声速，r是超声束中心到组织的径向距离，D是组织的声扩散率；c_p是比热容，T是温度，k是热扩散系数，t＝t′-z/c，t是迟滞时间，t′是时间；

用表示组织温度变化的计算值(T₁)和测量值(T₀)误差，利用全局优化算法迭代计算，直到超声束的位置处δ值最小为止，从而得到精确的超声束实际聚焦位置(xf，yf，zf)；

3)确定焦域内外的温度分布：根据超声束实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)，确定模拟人体软组织中的温度变化，从而确定焦域内外的温度分布；

4)得到预防性维护结论：将步骤3)得到的焦域内外的温度分布值与标准值或安全值进行比较，若符合标准值或在安全值范围内，则判断高强度聚焦超声肿瘤治疗设备可继续作为临床使用，反之则需要进行检修。

采用以上方法，本发明与现有技术相比，具有以下优点：采用本发明，基于反向热传导的温度测量方法为高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护提供了新的方案，通过模拟人体软组织和细丝热电偶进行实验测量，结合反向热传导算法，得到超声束精确的实际聚焦位置，以得到实际的温度分布，并和标准值或安全值进行比较。由此产生以下有益效果：(1)避免将超声束直接照射到热电偶上，减轻了热电偶发热对组织温度测量的影响，从而提高了温度测量的精度；(2)利用热电偶阵列测量值得到超声束的位置，避免了人为误差，预测周围组织温度的算法精度高；(3)以超声束空间位置为已知信息的迭代优化算法可以进一步用于超声功率的测量；(4)降低了预防性维护的成本。

作为改进，在步骤1)中，所述的布置细丝热电偶的层数包括上下两层，每层包括三个细丝热电偶，将超声束聚焦于上层的中间细丝热电偶的中心附近，小幅度移动换能器，在该细丝热电偶的多个不同位置处分别记录同一时间段内的温升变化，所述时间段包括升温段和冷却段，温升最大值处记录为该细丝热电偶的中心；用同样的方法确定下层的中间细丝热电偶的中心位置，将两个细丝热电偶中心之间的中点确定为预设焦域位置。考虑到三个点确定空间位置，故采用上下两层结构以及每层三个细丝热电偶的布置，不仅便于分析组织的温升变化，能够较快地确立预设焦域位置。

作为改进，在步骤2)中，通过焦域位置初值求解热传导方程得到三个细丝热电偶的温度变化，这三个细丝热电偶包括下层两侧的两个以及上层中间的一个或者上层两侧的两个以及下层中间的一个；在步骤3)中，根据超声束实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)，计算剩余细丝热电偶的温度，并与实测温度进行比较，以验证实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)的准确性。

作为改进，所述的标准值或安全值由磁共振成像测温得到，并在出厂时或检修后标定。这样，本设备可以采用成本较低的热电偶进行温度测量，并达到预防性维护的目的，无需配备更为昂贵的磁共振成像测温设备。

作为改进，所述的全局优化算法为粒子群优化算法或模拟退火法，从随机解出发，通过迭代寻找和追随当前搜索到的最优值来得到全局最优。该方法适用于三点形成的空间域的最优解的问题的解决，具有精度高、收敛快的优点。

附图说明

图1为本发明高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法的流程图；

图2为本发明中细丝热电偶的排布状态图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不仅仅限于这些实施例。

本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，示意了本发明的流程步骤，本发明的一种高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，包括以下步骤：

1)测量模拟人体软组织的温度变化，并预设焦域位置：在所述的模拟人体软组织中依层次布置细丝热电偶，将高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的超声束聚焦于某一层的其中一个细丝热电偶的中心附近，并小幅度移动设备的换能器，在该细丝热电偶的多个不同位置处分别记录同一时间段内的温升变化，温升最大值处记录为该细丝热电偶的中心，同理确定另一层的其中一个细丝热电偶的中心，将两个细丝热电偶中心之间的某一位置确定为预设焦域位置；

2)反向传导优化确定超声束的精确位置：根据步骤1)确定的预设焦域位置，给超声束聚焦位置赋初值(x₀，y₀，z₀)，通过该初值求解热传导方程得到至少三个细丝热电偶的温度变化：且所述三个细丝热电偶不在同一层；

其中声压p(r，z)通过求解在z方向上轴对称超声束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波动方程的线性形式得到：

$\frac{\&part;}{\&part;t}\&lsqb;\frac{\&part;p}{\&part;z}-\frac{D}{2c^3}\frac{{\&part;}^{2}p}{\&part;t^2}\&rsqb;=\frac{c}{2}(\frac{{\&part;}^{2}p}{\&part;r^2}+\frac{1}{r}\frac{\&part;p}{\&part;r})$

沉积速率Q为α为组织的吸收系数，c是组织中的声速，r是超声束中心到组织的径向距离，D是组织的声扩散率；

用表示组织温度变化的计算值(T₁)和测量值(T₀)误差，利用全局优化算法迭代计算，直到超声束的位置处δ值最小为止，从而得到精确的超声束实际聚焦位置(x_r，y_f，z_f)；

3)确定焦域内外的温度分布：根据超声束实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)，确定模拟人体软组织中的温度变化，从而确定焦域内外的温度分布；

4)得到预防性维护结论：将步骤3)得到的焦域内外的温度分布值与标准值或安全值进行比较，若符合标准值或在安全值范围内，则判断高强度聚焦超声肿瘤治疗设备可继续作为临床使用，反之则需要进行检修。

如图2所示，在步骤1)中，所述的布置细丝热电偶的层数包括上下两层，每层包括三个细丝热电偶，下层分别为T1、T2、T3，上层分别为T4、T5、T6，HIFU换能器将超声束聚焦于上层的中间细丝热电偶(T5)的中心附近，小幅度移动换能器，在该细丝热电偶的多个不同位置处分别记录同一时间段内的温升变化，所述时间段包括升温段和冷却段，温升最大值处记录为细丝热电偶T5的中心；用同样的方法确定下层的中间细丝热电偶(T2)的中心位置，将两个细丝热电偶中心之间的中点确定为预设焦域位置。

在步骤2)中，通过焦域位置初值求解热传导方程得到三个细丝热电偶(T1、T3、T5)的温度变化，这三个细丝热电偶包括下层两侧的两个以及上层中间的一个或者上层两侧的两个以及下层中间的一个；在步骤3)中，根据超声束实际聚焦位置(xf，yf，zf)，计算剩余细丝热电偶(T2、T4、T6)的温度，并与实测温度进行比较，以验证实际聚焦位置(xf，yf，zf)的准确性，即超声束的位置取计算值，通过计算T2、T4和T6处的并取平均值，可定量评价温度变化计算值的精度。

所述的标准值或安全值由磁共振成像测温得到，并在出厂时或检修后标定。本设备可以采用成本较低的热电偶进行温度测量，并达到预防性维护的目的，无需配备更为昂贵的磁共振成像测温设备。

所述的全局优化算法为粒子群优化算法或模拟退火法，从随机解出发，通过迭代寻找和追随当前搜索到的最优值来得到全局最优。

本发明对于HIFU设备的预防性维护主要基于温度测量这一关键要素，即提出了一种温度检测的新思路和新方法，但对于HIFU设备的预防性维护存在诸多其他方法和手段，同时也不限于温度的测量和监控，比如还存在超声功率的监测，在步骤2)中通过温度测量和计算，得到了超声束聚焦的实际位置，则可据此并结合HIFU设备聚焦的超声功率来得到组织内的超声功率分布，将超声功率分布与温度分布结合来进行双重的预防性维护。

以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。总之，凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，包括以下步骤：

1)测量模拟人体软组织的温度变化，并预设焦域位置：在所述的模拟人体软组织中依层次布置细丝热电偶，将高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的超声束聚焦于某一层的其中一个细丝热电偶的中心附近，并小幅度移动设备的换能器，在该细丝热电偶的多个不同位置处分别记录同一时间段内的温升变化，温升最大值处记录为该细丝热电偶的中心，同理确定另一层的其中一个细丝热电偶的中心，将两个细丝热电偶中心之间的某一位置确定为预设焦域位置；

2)反向传导优化确定超声束的精确位置：根据步骤1)确定的预设焦域位置，给超声束聚焦位置赋初值(x₀，y₀，z₀)，通过该初值求解热传导方程得到至少三个细丝热电偶的温度变化：且所述三个细丝热电偶不在同一层；

其中声压p(r，z)通过求解在z方向上轴对称超声束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波动方程的线性形式得到：

$\frac{\&part;}{\&part;t}\&lsqb;\frac{\&part;p}{\&part;z}-\frac{D}{2c^3}\frac{{\&part;}^{2}p}{\&part;t^2}\&rsqb;=\frac{c}{2}(\frac{{\&part;}^{2}p}{\&part;r^2}+\frac{1}{r}\frac{\&part;p}{\&part;r})$

沉积速率Q为α为组织的吸收系数，<>表示取时间平均，c是组织中的声速，r是超声束中心到组织的径向距离，D是组织的声扩散率；c_p是比热容，T是温度，k是热扩散系数，t＝t′-z/c，t是迟滞时间，t′是时间；

用表示组织温度变化的计算值(T₁)和测量值(T₀)误差，利用全局优化算法迭代计算，直到超声束的位置处δ值最小为止，从而得到精确的超声束实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)；

3)确定焦域内外的温度分布：根据超声束实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)，确定模拟人体软组织中的温度变化，从而确定焦域内外的温度分布；

4)得到预防性维护结论：将步骤3)得到的焦域内外的温度分布值与标准值或安全值进行比较，若符合标准值或在安全值范围内，则判断高强度聚焦超声肿瘤治疗设备可继续作为临床使用，反之则需要进行检修。

2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的布置细丝热电偶的层数包括上下两层，每层包括三个细丝热电偶，将超声束聚焦于上层的中间细丝热电偶的中心附近，小幅度移动换能器，在该细丝热电偶的多个不同位置处分别记录同一时间段内的温升变化，所述时间段包括升温段和冷却段，温升最大值处记录为该细丝热电偶的中心；用同样的方法确定下层的中间细丝热电偶的中心位置，将两个细丝热电偶中心之间的中点确定为预设焦域位置。

3.根据权利要求1或2所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，其特征在于：在步骤2)中，通过焦域位置初值求解热传导方程得到三个细丝热电偶的温度变化，这三个细丝热电偶包括下层两侧的两个以及上层中间的一个或者上层两侧的两个以及下层中间的一个；在步骤3)中，根据超声束实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)，计算剩余细丝热电偶的温度，并与实测温度进行比较，以验证实际聚焦位置(x_f，y_f，z_f)的准确性。

4.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，其特征在于：所述的标准值或安全值由磁共振成像测温得到，并在出厂时或检修后标定。

5.根据权利要求1或4所述的高强度聚焦超声肿瘤治疗设备的预防性维护方法，其特征在于：所述的全局优化算法为粒子群优化算法或模拟退火法，从随机解出发，通过迭代寻找和追随当前搜索到的最优值来得到全局最优。