CN106730429B - 高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法，提出HIFU焦域径向±0.4 mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃时的组织电阻抗突变作为HIFU治疗疗效评估的实时监测参数，并结合超声作用时间进行超声剂量控制，基于相对电阻抗变化RIV和声功率的关系，通过组织体表电阻抗的相对变化定量评估HIFU治疗疗效，还可以通过HIFU超声功率来调节治疗时间，实现超声剂量的精确控制，为HIFU治疗提供一种无创实时疗效监测和超声剂量控制新技术，实现按照HIFU声功率调节治疗时间的超声剂量的精确控制，具有良好的敏感性与较高的分辨率，满足HIFU治疗的应用要求。

Description

高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法
技术领域
本发明涉及高强度聚焦超声技术领域，具体涉及一种超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法。
背景技术
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗肿瘤技术具有非介入、创伤小、康复快且不易引起癌细胞转移的优点，HIFU疗效和换能器焦域、超声强度、治疗时间以及组织差异有关。为确保HIFU治疗的可靠性和安全性，温度控制是一个关键，既要杀灭肿瘤细胞，又不损伤正常组织，因此HIFU治疗过程中的实时温度监测和疗效评价对肿瘤治疗的临床应用具有重要意义。在HIFU治疗中，需要将焦域组织的温度快速提升到70℃实现组织蛋白的凝固，达到治疗目的，但是mm大小的组织焦域内部存在明显的温度梯度分布，目前没有良好的无创测温手段能实时精确测量组织内部的温度来判断治疗疗效和控制超声剂量。
目前HIFU治疗中常用的非接触测温技术中，红外测温技术利用组织温度和热辐射的关系，通过体外测量体内的热辐射来推测体内温度，但渗透深度有限，测量精度较差。磁共振成像(MRI)测温技术通过和温度相关的扩散系数、质子共振频率或弛豫时间的测量实现组织温度图像的重建，具有良好的温度分辨率，但时间分辨率不高，且设备价格昂贵。超声测温技术通过不同温度下组织声速、声阻抗和非线性声参量等特性参数的测量来实现温度监测，但这些参数的温度变化系数较小，温度测量的精度较低。B超成像虽然可以用来进行HIFU定位引导，监测肿瘤病灶治疗前后的供血变化，但是超声回波对温度的敏感性较差，不能实现HIFU治疗过程中组织焦域内部温度的实时精确监控。因此这几种测温方法虽然能在一定程度上对HIFU治疗的组织温升进行测量，但是其测量精度和速度不能达到实时精确测量的目的，更不能准确判断组织凝固温度HIFU治疗超声疗效，需要寻找一种能够反映组织焦域温度分布特性和组织凝固临界温度变化的参数来实现HIFU疗效监测和治疗剂量的控制。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有HIFU焦域温度和疗效监控方法存在的测量灵敏度低、速度慢和空间分辨率较低等问题，提供一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法。
技术方案：本发明提供了一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统，包括顺序相连的计算机、信号发生器、功率放大器、HIFU换能器、电极以及阻抗分析仪，所述HIFU换能器在水中产生的超声波在组织中心聚焦，组织表面相对应的两面对称布置电极并通过平衡输出连接阻抗分析仪，所述阻抗分析仪同时连接计算机。
进一步，所述电极包括2根或4根条状银电极，电极和组织之间通过设置导电胶来减少接触电阻。
进一步，所述HIFU换能器为直径10cm、焦距10cm、中心频率1.13MHz的球壳聚焦超声换能器。
一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，包括以下步骤：
(1)建立HIFU治疗系统和电阻抗监测系统，通过计算机控制信号源输出和HIFU换能器同频且幅度可调的正弦信号，经过功率放大器放大后驱动HIFU换能器产生超声波，通过水的传播后在组织中间聚焦，形成椭球形的HIFU治疗热损伤焦域，组织表面的电极连接阻抗分析仪，在计算机的控制下实时测量电阻抗并保存；
(2)通过固定信号源输出信号的幅度，在治疗时间内以0.1～1s的固定时间间隔实时测量组织电阻抗，并计算得到RIV随时间的分布曲线，结合时间间隔计算RIVR，利用组织RIV与治疗时间、声功率与组织电阻抗之间的线性关系，得到当前驱动条件下HIFU换能器的输出声功率；
(3)设定HIFU焦域径向±0.4mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃，认为在该范围内达到了HIFU治疗疗效，基于达到治疗疗效时RIV和声功率的反比关系，根据步骤(2)计算出的当前声功率，进而利用RIV实时测量来监测组织的HIFU治疗疗效，实现剂量控制；
(4)根据所需治疗时间和声功率平方的反比关系，根据步骤(2)所计算出的当前声功率，计算达到HIFU治疗疗效时所需要的治疗时间，实现剂量控制。
进一步，步骤(2)电阻抗测量和超声频率设定不同，所述HIFU换能器发出的超声频率范围为0.5-5MHz，电阻抗测量的频率范围50–500kHz，以减少HIFU声场对电场的干扰，提高测量精度。
进一步，步骤(2)组织电阻抗相对变化率与声功率的关系为：
RIVR≈0.015PA×100％/s。
进一步，步骤(3)在达到HIFU治疗疗效时，RIV和声功率的反比关系：RIV≈9.8/PA；治疗时间和声功率的平方反比关系：Δt≈680/PA 2。
有益效果：本发明针对传统HIFU治疗中温度和疗效监控灵敏度低、精度差、空间分辨率低的问题，提出HIFU焦域径向±0.4mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃时的组织电阻抗突变作为HIFU治疗疗效评估的实时监测参数，并结合超声作用时间进行超声剂量控制，基于相对电阻抗变化RIV和声功率的关系，通过组织体表电阻抗的相对变化定量评估HIFU治疗疗效，还可以通过HIFU超声功率来调节治疗时间，实现超声剂量的精确控制，为HIFU治疗提供一种无创实时疗效监测和超声剂量控制新技术，实现按照HIFU声功率调节治疗时间的超声剂量的精确控制，具有良好的敏感性与较高的分辨率，满足HIFU治疗的应用要求，可以广泛应用到生物医学工程和肿瘤诊疗等领域，对HIFU治疗具有重要的指导意义和广阔的应用前景。
附图说明
图1为超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统结构示意图；
图2(a)(b)(c)分别为同一超声功率(15.68W)作用下的温度、电阻抗和电场分布图；
图3(a)(b)分别为达到治疗效果时，不同超声功率作用下相应治疗时刻的温度和电导率分布图；
图4(a)(b)为理论计算和实验测量得到不同功率下的相对阻抗变化(RIV)和相对阻抗变化率(RIVR)随时间的变化分布图；
图5为达到治疗效果时，不同超声功率作用下所需要的RIV和相应的治疗时间。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法，具体操作如下：
本实施例实验中所用组织是由溶胶凝胶法模型进行制备的，将10g丙烯酰胺、0.05g过硫酸铵、0.3g甲叉双丙烯酰胺、35mL的蛋清加入到0.9％的生理盐水中配置成100mL凝胶溶胶，然后加入0.2mL的四甲基乙二胺搅匀后，倒入直径和高度分别为3.2cm和3.5cm的、定制的圆柱形亚克力模具中进行定型。其中的蛋清作为温度指示剂，当温度达到70℃时，蛋白质发生变性，由透明的浅黄色变为不透明的白色。
如图1所示，建立HIFU治疗系统，计算机A连接信号发生器B，控制信号源输出和HIFU换能器同频且不同幅度的连续正弦信号，经过功率放大器C放大后驱动HIFU换能器产生超声波，通过水的传播后在组织中间聚焦，使内部温度升高发生凝固性变性，形成椭球状的焦斑。本实施例HIFU换能器为直径10cm、焦距10cm、中心频率1.13MHz的球壳聚焦超声换能器。
建立电阻抗监测系统，在组织上下两侧表面对称放置两个3.5cm*2.5cm的片状电极终端，一端设置成接地端，电压恒为0V，另一端设置成恒流源，为了便于组织模型电阻抗的计算，通过电极间的电压测量即可获得组织模型的电阻抗。两个电极通过平衡输出连接阻抗分析仪D，在计算机A的控制下实时测量电阻抗并保存。
随着超声功率的作用，组织模型内部HIFU焦域的温度会升高并呈现中间高周围低的分布，其相应的电导率分布改变电流流向和电场分布，进一步引起组织模型的电阻抗变化。
函数信号发生器输出中心频率1.13MHz、不同电压幅值的连续正弦信号，经功率放大器放大后驱动实验聚焦超声换能器，利用激光测振仪测分别对换能器表面进行振幅和振速的测量，并计算声功率。声功率15.68W不同加热时间时，得到如图2(a)所示的HIFU焦域处二维轴向剖面的温度分布。可见随着超声治疗时间的延长，焦点及周围组织的温度不断升高，同时热量不断向周围组织扩散，周围组织温度升高，焦域面积不断增大，在轴向剖面上逐渐形成了椭圆形的焦斑。
在HIFU作用于组织模型2.4s后，在焦域径向±0.4mm椭球范围内的组织温度达到了70℃，认为达到了HIFU治疗疗效，产生了不可逆的组织凝固。进一步将电导率-温度关系引入到图2(a)的温度分布中：组织电阻抗随着温度的提高而减小，在蛋白质凝固时产生较大的跳变，因此温度-电导率σ(T)(S/m)可用分段函数描述：
得到如图2(b)所示的不同治疗时间下HIFU焦域的电阻抗轴向剖面图，并将其应用到电场中进行计算，得到如图2(c)所示的组织内部的电流密度与电势分布随治疗时间的二维径向截面分布。随着HIFU治疗时间的延长，焦域温度升高，电导率提高，周围电流项中心聚集，电流密度增大，焦域周围的电势产生弯曲的分布，因此组织模型整体的电势逐渐降低，组织模型的电阻抗也相应减小，产生逐渐增大的RIV。
在满足径向±0.4mm的椭球范围达到70℃前提下，HIFU焦域的二维温度和电阻抗分布如图3(a)和3(b)所示，随着声功率的增大和治疗时间的减小，组织热扩散效果小，组织的温升区域减小。对于高声功率，焦域中心温度高，治疗时间短，由此产生的热传导量小，热扩散总量小，温升范围小，因此在达到治疗要求时对周围组织的影响较小，有利于实现定点区域的精确HIFU治疗。可见在保证HIFU治疗疗效区域基本一致的前提下，较低声功率作用下HIFU焦域的温升区域较大，电导率变化区域变大。随着声功率的增大，治疗时间减少，焦点处的电导率升高较快，焦域边缘电导率变化速度提高，电导率变化分布的区域较小。
因此，本实施例利用组织电阻抗的相对变化来消除组织基础电阻抗差异影响，通过HIFU治疗中的实时测量电阻和基础电阻的相对变化反映组织内部HIFU焦域的温度变化。为了定量分析组织模型的RIV和HIFU治疗时间及焦域温升的关系，设R0和Rn分别为组织模型在HIFU治疗前和治疗时间Δt后的电阻抗，定义：
组织电阻抗的相对变化：RIV＝(Rn-R0)/R0×100％ (2)
组织电阻抗相对变化率：RIVR＝(Rn-R0)/R0/Δt×100％ (3)
通过固定信号源输出信号的幅度，在治疗时间内以0.1～1s的固定时间间隔实时测量组织电阻抗，并计算得到RIV随时间的分布曲线。图4(a)显示了不同声功率作用下组织模型的RIV随超声治疗时间的变化关系，在相同HIFU声功率条件下，RIV随治疗时间呈现线性增大趋势。声功率越大，RIV增长速度越快，其斜率越大。
结合时间间隔计算RIVR，利用组织RIV与治疗时间、声功率与组织电阻抗之间的线性关系，得到当前驱动条件下HIFU换能器的输出声功率。图4(b)显示了声功率对电阻抗变化率的影响，RIVR和PA表现为良好的线性关系，声功率PA越大，RIVR越大，二者的关系拟合为：
组织电阻抗相对变化率的关系：RIVR≈0.015PA×100％/s (4)
基于组织电阻抗相对变化率的声功率：PA≈66.7RIVR (5)
在达到HIFU治疗疗效时，组织模型RIV和所需要的治疗时间Δt与HIFU声功率PA的关系如图5所示，组织模型RIV和声功率存在反比关系，所需要的治疗时间和声功率的平方呈现反比关系，三者关系可以拟合为：
RIV和声功率的反比关系：RIV≈9.8/PA (6)
治疗时间和声功率的平方反比关系：Δt≈680/PA 2 (7)
根据RIV随时间的线性关系，可以计算出RIVR，进一步通过公式(5)可以计算出该条件下的声功率，实现基于RIV的声功率测量；在固定声功率的前提下，为了精确控制HIFU治疗疗效，可以利用公式(6)和(7)，计算所需要的RIV和治疗时间，通过RIV来实现HIFU治疗疗效监测，用治疗时间来完成超声剂量的控制，具有良好的可行性和应用性。

Claims (6)

1.一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：控制系统包括顺序相连的计算机、信号发生器、功率放大器、HIFU换能器、电极以及阻抗分析仪，所述HIFU换能器在水中产生的超声波在组织中心聚焦，组织表面相对应的两面对称布置电极并通过平衡输出连接阻抗分析仪，所述阻抗分析仪同时连接计算机；
控制方法包括以下步骤：
(1)建立HIFU治疗系统和电阻抗监测系统，通过计算机控制信号源输出和HIFU换能器同频且幅度可调的正弦信号，经过功率放大器放大后驱动HIFU换能器产生超声波，通过水的传播后在组织中间聚焦，形成椭球形的HIFU治疗热损伤焦域，组织表面的电极连接阻抗分析仪，在计算机的控制下实时测量电阻抗并保存；
(2)通过固定信号源输出信号的幅度，在治疗时间内以0.1～1s的固定时间间隔实时测量组织电阻抗，并计算得到RIV随时间的分布曲线，结合时间间隔计算RIVR，利用组织RIV与治疗时间、声功率与组织电阻抗之间的线性关系，得到当前驱动条件下HIFU换能器的输出声功率；
(3)设定HIFU焦域径向±0.4mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃，认为在该范围内达到了HIFU治疗疗效，基于达到治疗疗效时RIV和声功率的反比关系，根据步骤(2)计算出的当前声功率，进而利用RIV实时测量来监测组织的HIFU治疗疗效，实现剂量控制；
(4)根据所需治疗时间和声功率平方的反比关系，根据步骤(2)所计算出的当前声功率，计算达到HIFU治疗疗效时所需要的治疗时间，实现剂量控制。
2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：所述电极包括2根或4根条状银电极，电极和组织之间设置导电胶。
3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：所述HIFU换能器为直径10cm、焦距10cm、中心频率1.13MHz的球壳聚焦超声换能器。
4.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：步骤(2)电阻抗测量和超声频率设定不同，所述HIFU换能器发出的超声频率范围为0.5-5MHz，电阻抗测量的频率范围50–500kHz。
5.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：步骤(2)组织电阻抗相对变化率与声功率的关系为：
RIVR≈0.015PA×100％/s。
6.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：步骤(3)在达到HIFU治疗疗效时，RIV和声功率的反比关系：RIV≈9.8/PA；治疗时间和声功率的平方反比关系：Δt≈680/PA 2。
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