CN108523923B - 基于随机分布82阵元相控超声换能器多频分区激励方法 - Google Patents

基于随机分布82阵元相控超声换能器多频分区激励方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，步骤如下：根据阵元三维空间坐标将各个阵元划分为不同的激励区域；在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；在开颅状态下的数值仿真模型中研究频率分区数目及不同分区之间的频率差对HIFU聚焦性能的影响，并获得聚焦效果最好时的频率分区数目及相应频率组合；基于开颅数值仿真模型中获得的聚焦效果最好时的频率分区数目对经颅模型中的82阵元相控换能器进行两分区激励，研究不同分区之间的频率差对经颅HIFU聚焦性能的影响，确定聚焦性能最优时的频率组合。本发明减小组织消融所需输入功率和治疗时间的同时增大焦域温度及可治疗焦域体积。

Description

基于随机分布82阵元相控超声换能器多频分区激励方法
技术领域
本发明涉及高强度聚焦超声技术领域，具体是一种基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法。
背景技术
高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)凭借其无创/微创、可重复施治等优势而被应用于乳腺癌、前列腺癌、子宫肌瘤等实体软组织肿瘤的临床治疗。而在经颅治疗过程中，由于颅骨对超声波的强衰减性和颅骨结构、密度的高度非均一性导致不同方位上换能器发出的超声束经颅骨传播后其衰减程度不同，各方位的超声束到达焦域的能量差异较大，最终导致HIFU经颅聚焦所形成焦域处的温度较低而达不到治疗目的。为了避免该问题的发生，在与单频超声激励保持相同输入功率及辐照时间的条件下，可通过多频激励提高焦域温度，改善HIFU聚焦性能。
一般而言，脑组织100％致死的阈值温度为54℃，而HIFU脑肿瘤治疗焦域的温度通常控制在54-65℃之间。若脑组织温度过高可能导致毛细血管膨胀破裂出血；温度过低则达不到治疗目的。由于目标区域温度较低导致治疗失败的问题时有发生。2010年McDannold等利用ExAblate 3000经颅磁共振引导的聚焦超声系统治疗了三名胶质母细胞瘤患者(47岁、23岁、34岁)，经颅治疗20s的试验结果表明三名患者的焦域处最高温度分别仅达到42℃、51℃和48℃，未能达到设定为55℃的目标焦域温度，没有形成致死靶区组织的治疗效果；2014年Chang等人利用ExAblate 4000治疗系统对11位震颤患者进行除颤治疗，试验结果表明其中三名患者由于目标区域温度较低最终导致治疗失败。虽然通过提高辐照功率或延长辐照时间可解决这一问题，但这也对治疗系统的输出功率提出了更高的要求，还可能对浅部颅骨及其周边软组织造成伤害。2013年Guo等通过两个频率分别为1.5MHz和3.3MHz的单阵元聚焦换能器对离体鸡胸组织进行辐照，实验结果表明双频聚焦超声可实现更高的组织温升；2014年Saletes等通过535kHz和565kHz双频超声同时激励单阵元聚焦换能器，研究结果表明双频激励可使溶栓所需功率降低40％；2015年Suo等分别通过单频及双频高强度聚焦超声治疗离体牛血栓，实验结果表明在相同的声功率和激励条件下，双频溶栓效率显著优于单频。这些研究结果均表明在治疗设备输出功率有限的条件下，可通过双频激励提高焦域温度。上述专家对基于单阵元聚焦换能器的多频超声激励进行了研究，但未涉及经颅治疗中所用的相控换能器，且未详细讨论频率分区数目及相邻区间频率差对HIFU聚焦性能的影响。
发明内容
本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为不同激励区域；
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行多频区激励，激励信号为
Figure BDA0001629260710000021
其中j为区域编号，i为阵元标号，fj为j区域的激励频率，I0为换能器各阵元激励信号输入声强，
Figure BDA0001629260710000022
为j区域i阵元上激励信号初始相位；
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合。
进一步的，所述82阵元随机分布相控阵超声换能器各个阵元激励信号的相位独立可调，分布在不同区域的阵元激励频率不同。
进一步的，通过数值仿真筛选聚焦效果较好时的激励频率范围为0.7-0.8MHz，并基于二分法在筛选出的频率范围内逐步缩小相邻区间的频率差。
进一步的，在进行不同频率分区数目及不同频率组合下聚焦性能比较时，须保证相关激励参数一致，所述激励参数包括输入声功率、辐照时间和焦域最高温度。
一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为不同激励区域；
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行多频区激励，激励信号为
Figure BDA0001629260710000023
其中j为区域编号，i为阵元标号，fj为j区域的激励频率，I0为换能器各阵元激励信号输入声强，
Figure BDA0001629260710000031
为j区域i阵元上激励信号初始相位；
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合；
S4：基于开颅模型中获得的聚焦效果最优时的频率分区数目对经颅模型中的82阵元相控换能器进行两分区激励，激励信号为
Figure BDA0001629260710000032
其中Iji为j区域i阵元上激励信号输入声强；
数值仿真相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率组合。
进一步的，所述82阵元随机分布相控阵超声换能器各个阵元激励信号的相位、幅值均独立调节，分布在不同区域的阵元激励频率不同。
进一步的，通过数值仿真筛选聚焦效果较好时的激励频率范围为0.7-0.8MHz，并基于二分法在筛选出的频率范围内逐步缩小相邻区间的频率差。
进一步的，在进行不同频率分区数目及不同频率组合下聚焦性能比较时，须保证相关激励参数一致，所述激励参数包括输入声功率、辐照时间和焦域最高温度。
进一步的，为了在相同辐照时间的条件下与开颅模型形成基本相同的焦域温度，将经颅模型中的输入总功率设置为开颅模型的3倍。
本发明具有的优点和积极效果是：
a.与基于单阵元聚焦换能器实现的多频分区激励相比，本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可扩大频率调控范围，不存在同一阵元多频激励的带宽的限制。
b.与单频超声激励相比，本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可在输入功率及辐照时间一定的条件下增大焦域温度，避免焦域温度过低导致治疗失败的问题。
c.与单频超声激励相比，本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可在辐照时间及焦域最高温度一定的条件下减小所需输入功率，降低对治疗系统输出功率的需求。
d.与单频超声激励相比，本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可在输入功率及焦域最高温度一定的条件下缩短所需辐照时间，可避免长时间辐照过程中由于患者运动造成的定位不准等问题。
e.与单频超声激励相比，本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可增大治疗焦域体积，提高单次辐照的聚焦效率。
附图说明
图1是本发明82阵元随机分布相控阵超声换能器开颅状态下的数值仿真模型图；
图2是本发明82阵元随机分布相控阵超声换能器经颅状态下的数值仿真模型图；
图3是本发明82阵元随机分布相控阵超声换能器阵元编号示意图；
图4是本发明82阵元随机分布相控阵超声换能器不同分区示意图；
图5是本发明开颅状态下频率f不同时换能器在几何焦点处聚焦的焦平面温度场图；
图6是本发明开颅状态下频率f不同时换能器在几何焦点处聚焦的声轴(z轴)温度曲线图；
图7是本发明开颅状态下单频/双频激励时换能器在几何焦点处聚焦的温度分布图；
图8是本发明经颅状态下相位调控(PM)及相位调控结合幅值校正(P&AM)时形成的声轴温度曲线图；
图9是本发明经颅状态下频率f不同时换能器在几何焦点处聚焦的焦平面温度场图；
图10是本发明经颅状态下频率f不同时换能器在几何焦点处聚焦的声轴(z轴)温度曲线图；
图11是本发明经颅状态下单频/双频激励时换能器在几何焦点处聚焦的温度分布图；
图12是本发明方法的流程图。
其中：1.脑组织；2.水；3.82阵元随机分布相控阵列超声换能器；4.颅骨。
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。
一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为如图3所示的不同激励区域；
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行2-5区激励，激励信号为
Figure BDA0001629260710000051
其中j为图3所示区域编号，i为阵元标号，fj为j区域的激励频率，I0为换能器各阵元激励信号输入声强，
Figure BDA0001629260710000052
为j区域i阵元上激励信号初始相位；
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合。
所述82阵元随机分布相控阵超声换能器各个阵元激励信号的相位独立可调，分布在不同区域的阵元激励频率不同。
通过数值仿真筛选聚焦效果较好时的激励频率范围为0.7-0.8MHz，并基于二分法在筛选出的频率范围内逐步缩小相邻区间的频率差。
在进行不同频率分区数目及不同频率组合下聚焦性能比较时，须保证相关激励参数一致，所述激励参数包括输入声功率、辐照时间和焦域最高温度。
一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为如图3所示不同激励区域；
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行2-5区激励，激励信号为
Figure BDA0001629260710000053
其中j为图3所示区域编号，i为阵元标号，fj为j区域的激励频率，I0为换能器各阵元激励信号输入声强，
Figure BDA0001629260710000054
为j区域i阵元上激励信号初始相位；
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合；
S4：基于开颅模型中获得的聚焦效果最优时的频率分区数目对经颅模型中的82阵元相控换能器进行两分区激励，激励信号为
Figure BDA0001629260710000055
其中Iji为j区域i阵元上激励信号输入声强；
数值仿真相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率组合。
所述82阵元随机分布相控阵超声换能器各个阵元激励信号的相位、幅值均独立调节，分布在不同区域的阵元激励频率不同。
通过数值仿真筛选聚焦效果较好时的激励频率范围为0.7-0.8MHz，并基于二分法在筛选出的频率范围内逐步缩小相邻区间的频率差。
在进行不同频率分区数目及不同频率组合下聚焦性能比较时，须保证相关激励参数一致，所述激励参数包括输入声功率、辐照时间和焦域最高温度。
为了在相同辐照时间的条件下与开颅模型形成基本相同的焦域温度，将经颅模型中的输入总功率设置为开颅模型的3倍。
实施例1
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为不同激励区域，图4为换能器不同分区示意图。
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波，频率范围控制在0.7-0.8MHz之间，并通过二分法逐步缩小相邻区间的频率差。
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元换能器进行2-5区激励，激励信号为公式(1)
Figure BDA0001629260710000061
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度(输入声功率与辐照时间一定)、所需输入功率和可治疗焦域体积(焦域最高温度与辐照时间一定)、所需治疗时间和可治疗焦域体积(焦域最高温度与输入功率一定)的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合。图1为82阵元随机分布相控阵超声换能器开颅状态下的数值仿真模型图，由换能器、水和脑组织构成。
表1-1 两分区激励时阵元中心位置及所属分区
Figure BDA0001629260710000062
Figure BDA0001629260710000071
表1-2 三分区激励时阵元中心位置及所属分区
Figure BDA0001629260710000072
表1-3 四分区激励时阵元中心位置及所属分区
Figure BDA0001629260710000073
Figure BDA0001629260710000081
表1-4 五分区激励时阵元中心位置及所属分区
Figure BDA0001629260710000082
Figure BDA0001629260710000091
图5、图6分别是开颅状态下频率f不同时换能器在几何焦点处聚焦的焦平面温度场和声轴(z轴)温度曲线，由图5、图6可知阵元激励频率范围在0.7-0.8MHz之间时聚焦效果较好。
图7是开颅状态下单频/双频激励时换能器在几何焦点处聚焦的温度分布图。表2是单频/双频激励时所需输入功率及可治疗焦域体积。表3是单频/双频激励时所需治疗时间及可治疗焦域体积。表4是聚焦性能最优时三/四频激励所需输入功率及可治疗焦域体积。表5是聚焦性能最优时三/四频激励所需治疗时间及可治疗焦域体积，其中，五频激励时不满足多频超声的聚焦性能优于单频，因此在表4、表5中均未列出相应结果。综合图7和表2-5的结果可知，在相同激励条件下，多频超声的聚焦性能优于单频，且0.7+0.725MHz双频超声的聚焦效果优于三-五频。
表2 单频/双频激励时所需输入功率及可治疗焦域体积比较(65℃/10s)
Figure BDA0001629260710000092
表3 单频/双频激励时所需治疗时间及可治疗焦域体积比较(65℃/20W)
Figure BDA0001629260710000093
表4 分三/四区激励时所需输入功率及可治疗焦域体积比较(65℃/10s)
Figure BDA0001629260710000094
Figure BDA0001629260710000101
表5 分三/四区激励时所需治疗时间及可治疗焦域体积比较(65℃/20W)
Figure BDA0001629260710000102
实施例2
基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法同实例1实施步骤S1-S3。经颅状态下多频分区激励方法实施步骤如下：
S4：基于开颅模型中获得的聚焦效果最优时的频率分区数目对经颅模型中的82阵元相控换能器进行两分区激励，激励信号为公式(2)
Figure BDA0001629260710000103
数值仿真相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率组合。图2为82阵元随机分布相控阵超声换能器经颅状态下的数值仿真模型图，由换能器、水、颅骨和脑组织构成。
图8是经颅状态下相位调控(PM)及相位调控结合幅值校正(P&AM)时形成的声轴温度曲线，由图8可知通过相位调控及幅值校正后，焦点处温度与仅做相位调控相比有所升高，颅骨内温度略有降低，因此经颅模型中均采用相位结合幅值校正的方法对阵元激励信号进行调控。
图9、图10分别是经颅状态下频率f不同时换能器在几何焦点处聚焦的焦平面温度场和声轴(z轴)温度曲线，由图9、图10可知经颅状态下聚焦效果较好时的激励频率范围同样是0.7-0.8MHz，与开颅模型一致。
图11是经颅状态下单频/双频激励时换能器在几何焦点处聚焦的温度分布图。表6是单频/双频激励时所需输入功率、焦域体积及颅骨处最高温度。表7是单频/双频激励时所需治疗时间、焦域体积及颅骨处最高温度。综合图11和表6、7的结果可知，在相同激励条件下，双频超声的聚焦性能优于单频，且0.7+0.75MHz频率组合时的聚焦效果最佳。
表6 单频/双频激励时所需输入功率、焦域体积及颅骨处最高温度比较(65℃/10s)
Figure BDA0001629260710000104
Figure BDA0001629260710000111
表7 单频/双频激励时所需治疗时间、焦域体积及颅骨处最高温度比较(65℃/60W)
Figure BDA0001629260710000112
由实施例1-2可以得出如下结论：
a.本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可扩大频率调控范围，不存在同一阵元多频激励的带宽的限制。
b.本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可在输入功率及辐照时间一定的条件下增大焦域温度，避免焦域温度过低导致治疗失败的问题，如图7、图11所示，双频激励的焦域温度均高于单频。
c.本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可在辐照时间及焦域最高温度一定的条件下减小所需输入功率，降低对治疗系统输出功率的需求，如表2和表6所示，双频激励所需输入功率均低于单频。
d.本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可在输入功率及焦域最高温度一定的条件下缩短所需辐照时间，可避免长时间辐照过程中由于患者运动造成的定位不准等问题，如表3和表7所示，双频激励所需治疗时间均短于单频。
e.本发明的基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法可增大治疗焦域体积，提高单次辐照的聚焦效率。如表2、表3、表6和表7所示，双频激励的可治疗焦域体积均大于等于单频。

Claims (9)

1.一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为不同激励区域；
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行多频区激励，激励信号为
Figure FDA0001629260700000011
其中j为区域编号，i为阵元标号，fj为j区域的激励频率，I0为换能器各阵元激励信号输入声强，
Figure FDA0001629260700000012
为j区域i阵元上激励信号初始相位；
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合。
2.根据权利要求1所述的一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：所述82阵元随机分布相控阵超声换能器各个阵元激励信号的相位独立可调，分布在不同区域的阵元激励频率不同。
3.根据权利要求1所述的一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：通过数值仿真筛选聚焦效果较好时的激励频率范围为0.7-0.8MHz，并基于二分法在筛选出的频率范围内逐步缩小相邻区间的频率差。
4.根据权利要求1所述的一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：在进行不同频率分区数目及不同频率组合下聚焦性能比较时，须保证相关激励参数一致，所述激励参数包括输入声功率、辐照时间和焦域最高温度。
5.一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：
S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为不同激励区域；
S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；
S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行多频分区激励，激励信号为
Figure FDA0001629260700000013
其中j为区域编号，i为阵元标号，fj为j区域的激励频率，I0为换能器各阵元激励信号输入声强，
Figure FDA0001629260700000021
为j区域i阵元上激励信号初始相位；
数值仿真频率分区数目及相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率分区数目及相应频率组合；
S4：基于开颅模型中获得的聚焦效果最优时的频率分区数目对经颅模型中的82阵元相控换能器进行两分区激励，激励信号为
Figure FDA0001629260700000022
其中Iji为j区域i阵元上激励信号输入声强；
数值仿真相邻区间频率差变化时焦域温度、体积、所需输入功率和治疗时间的变化情况，确定聚焦性能最优时的频率组合。
6.根据权利要求5所述的一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：所述82阵元随机分布相控阵超声换能器各个阵元激励信号的相位、幅值均独立调节，分布在不同区域的阵元激励频率不同。
7.根据权利要求5所述的一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：通过数值仿真筛选聚焦效果较好时的激励频率范围为0.7-0.8MHz，并基于二分法在筛选出的频率范围内逐步缩小相邻区间的频率差。
8.根据权利要求5所述的一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：在进行不同频率分区数目及不同频率组合下聚焦性能比较时，须保证相关激励参数一致，所述激励参数包括输入声功率、辐照时间和焦域最高温度。
9.根据权利要求5所述的一种基于经颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，其特征在于：为了在相同辐照时间的条件下与开颅模型形成基本相同的焦域温度，将经颅模型中的输入总功率设置为开颅模型的3倍。
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