CN1358549A - 超声波热疗机及其焦点温度的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波热疗机及其焦点温度的预测方法,所述超声波热疗机包括:高能聚焦超声波源、安装于波源内部的B超机探头、计算机以及控制台,其中:所述计算机包括用于输入治疗参数的输入单元、与输入单元相连用于根据输入参数查询修正后的温度对照表以获得焦点温度的焦点温度查询单元、以及用于输出所述焦点温度的输出单元。在本发明的热疗机中能实现对焦点的无损测温,避免了对人体的伤害并能保证每次的治疗参数都达到最佳的治疗效果。

Description

超声波热疗机及其焦点温度的预测方法

技术领域

本发明涉及一种利用患者体外的超声波(HIFU)波源发出高能聚焦超声波在焦点产生的效应杀灭病变组织的医疗装置，具体地，涉及超声波热疗机及其焦点温度的预测方法。

背景技术

目前，HIFU治疗装置是国内外医疗研究的热点之一，临床应用已获得很好的效果。实用的体外HIFU热疗机一般由下述几个部分构成：

A.高能聚焦超声波源及驱动电路——用以产生高能聚焦超声波。

B.定位系统——用于寻找治疗目标并将其移至超声换能器焦点处。包括一个医用影象系统(多为B超机)，一个承载患者的装置(例如床面)，及将这个装置与波源间作空间相对位移的位移系统。

C.高能超声波传导结构及传导介质处理系统——由于HIFU适用的超声波必须通过特殊传导介质(多用经脱气处理的水)传入患者体内，故在高能聚焦超声波源发射面的前方必须有一个容纳传导介质的结构(如水槽、水囊等)以及加入、排出传导介质及对介质进行处理的装置。

使用上述热疗机期间，要得到热疗机焦点处温度的最直接方法就是做物理测量，其中又分为有损测温和无损测温两种：

有损测温比较简单，其中将温度传感器直接插入人体体内，从而获得焦点处的温度，由于是直接测量，可以精确得到焦点处的温度。但是，由于这种方法需要将温度传感器插入人体体内，这不仅会引起病人痛苦，而且会带来伤口感染，所以直接的物理测量方法难以应用到热疗机的实际治疗中。

而无损测温就是不对人体造成物理伤害，而直接得到人体内温度的方法，无损测温的原理很多，如CT、超声波等，但目前都处于理论研究阶段。

实际上，医生通常根据自己的实际治疗经验来确认治疗时所采用的参数，因此治疗参数选择的随意性很大，不能保证每次的治疗参数都能达到最佳的治疗效果。

这就需要一种克服上述现有技术中的缺陷的超声波热疗机及其焦点温度的预测方法，从而直接指导医生的临床治疗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能避免对患者使用有损测温并能比较准确得得到焦点温度的热疗机及其焦点温度预测方法，其中通过计算机模拟计算来预测焦点处的温度。

为了实现本发明的上述目的，本发明的超声波热疗机包括：高能聚焦超声波源、安装于波源内部的B超机探头、计算机以及控制台，其中：所述计算机包括用于输入治疗参数的输入单元、与输入单元相连用于根据输入参数查询修正后的温度对照表以得到焦点温度的焦点温度查询单元、以及用于输出所述焦点温度的输出单元。

此外，根据本发明的热疗机焦点温度预测方法包括下面的步骤：通过输入单元将治疗参数输入到焦点温度查询单元；根据输入的条件，焦点温度查询单元查询所存储的修正后的焦点温度对照表得到焦点温度；将所述焦点温度通过输出单元输出。

由于本发明不用直接物理测量焦点处的温度，所以本发明免除了由于将温度传感器插入人体体内引起的病人痛苦，并且也不存在伤口感染问题。此外，也克服了在现有技术的热疗机中出现的治疗参数选择的随意性大的问题。由于热疗机的原理就是利用超声聚焦所产生的高温来杀死肿瘤细胞，因此，在实际中应用本热疗机及其测温方法，医生可以根据本发明所提供的焦点温度来调整治疗参数，以保证焦点处有足够高的温度，这样就提高了实际治疗效果。

附图说明

图1是本发明热疗机的结构简图；

图2是本发明热疗机的计算机的主要构成图；

图3是用于本发明的圆片声强的计算中的示图；

图4是用于本发明的波源声强计算中的示图；

图5是本发明用于计算焦点温度的流程图；

图6是本发明用于计算修正后温度对照表的示意图；

图7是本发明热疗机焦点温度的预测方法的示意图。

具体实施方式

参考图1来具体描述一个HIFU热疗机实例。图中标号1为热疗机控制台；标号2为控制台上的计算机；标号3为B超机显示器；标号12为治疗床床面，用于承载患者；标号4、5分别为驱动床面沿水平纵、横两个方向位移的机构；标号9为高能聚焦超声波源，标号7为安装于波源内部的B超机探头；标号6、8分别为驱动B超探头在波源内作旋转、升降移动的机构；标号10为波源上方容纳传导介质的水槽；以及标号11为驱动波源上下移动的机构。对于已有技术的内容，在此不再详述。下面将详细描述本发明的计算机。

本发明热疗机的计算机具有焦点温度的预测功能，其主要构成如图2所示，主要包括输入单元21、焦点温度查询单元和输出单元22。输入单元(如键盘)用于输入治疗参数。焦点温度查询单元23与输入单元相连用于根据输入参数查询修正后的温度对照表以输出焦点温度，其与用于根据实际测量的温度修正理论温度对照表的温度对照表修正模块25相连，通过与输入单元相连的用于计算不同条件下的理论焦点温度以获得热疗机的焦点温度对照表的理论计算模块24和实际测量部分26在修正模块25得到修正后的焦点温度并将其存储在焦点温度查询单元23中。输出单元可以是显示器或其它公知的输出装置，用于输出(或显示)通过焦点温度查询单元查询到的焦点温度。

理论计算模块的具体工作过程如下所述：

首先通过输入单元(如键盘)输入治疗参数，所述参数可以是直接影响焦点处温度的参数，例如：输入电功率、发射器转换效率、发射参数、组织特性、靶皮距、波源特性。其中发射参数包括：发射时间、间歇时间、单点发射次数。波源特性包括：圆片半径、波源分布的起始角和终止角、圆片个数。由于实际使用中采用的为一种波源，因此波源参数和发射器转换效率固定。然后执行如下算法：

该算法主要有两个部分组成：波源声场分布计算和温度场分布计算。

1.波源声场分布计算

计算焦点温度，首先必须计算波源的声场分布。

由于实际波源是由许多小圆片组成，故首先研究单个小圆片在空间所产生的声强。

圆片声强的计算方法

如图3所示，将圆片表面分成无限多小面元。每一个小面元可以看作一个点源，位于极径为ρ，极角为

处的面元dS，其点源强度为dQ＝UadS，该面元在观察点P产生的声压为： $\mathrm{lp}=j\frac{k{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{2\mathrm{\πh}}{u}_a\mathrm{dS}{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kh})}-----\left(1\right)$

根据波源机械参数分布计算圆片位置分布，再根据声波叠加原理计算波源的声压： $p=\∫\∫\mathrm{dp}=\∫\underset{s}{\text{\∫}}\mathrm{dp}=j\frac{k{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}{2\mathrm{\πh}}{u}_a{e}^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kh})}\mathrm{dS}-----\left(2\right)$

当r＞＞a时，得到p的积分为： $p=\mathrm{j\ω}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{u}_a{a}^2}{2r}\left[\frac{2J_1\left(\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}\right]e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr})}-----\left(3\right)$ 其中： $J_1\left(x\right)=\underset{k=0}{\overset{\∝}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^k\frac{{(x/2)}^{2k+n}}{k!(k+1)!}-----\left(4\right)$

接着，进行波源声强计算

整个波源由300-500个小圆片组合而成，根据声波叠加原理，空间任意一点的场强为这几百个小圆片的叠加，其中任意一个小圆片在空间的声强可以由(3)式来得到，如图4所示。

空间任意一点A的场强为： $p=\mathrm{\Σj\ω}\frac{{\mathrm{\ρ}}_0{u}_a{a}^2}{2r}\left[\frac{2J_1\left(\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}\right)}{\mathrm{ka}\sin \mathrm{\θ}}\right]e^{j(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kr})}-----\left(5\right)$

小圆片在半径为R的球面上均匀分布，起始分布角为Φ1，终止分布角为Φ2，圆片总个数为N。

波源参数如下：

波源振动频率：  f＝1MHz        静态密度：ρ0＝998kg/m3

声速        ：  c0＝1483m/s

圆片半径    ：  a＝6mm         球面半径：R＝340mm

圆频率      ：  ω＝2πf       波数    ：k＝ω/c0

2.温度场分布计算

首先设定温度场的初始值(初始温度为零)，根据下面的计算原理，通过差分叠代法计算温度场的分布：

用超声波加热组织时，组织内的热传导方程为(假设生物组织为各向同性)： $\mathrm{\ρC}\frac{\∂T}{\∂t}=\mathrm{\κ}{\▿}^{2}T+W_b{C}_b(T_b-T)+Q_m+Q_v-----\left(6\right)$

其中p，C，κ分别为人体组织的有效密度、比热、导热系数，Wb和Cb分别为血流率和血流的比热，Tb为进入加热区的血液温度，T为组织温度，Qm为生物代谢生热率，Qv为声能转换带来的容积热源。

假定加热前，组织内各点温度为T0，血流率为Wb0，进入加热区的血液温度与加热无关，则有：T₀-T_b＝Q_m/(W_b0C_b)

                                                  (7)

引入温升T＝T-T₀变量：则热传导方程可以化为： $\mathrm{\ρC}\frac{\∂\stackrel{\_}{T}}{\∂t}=\mathrm{\κ}{\▿}^{2}T-W_b{C}_b\stackrel{\_}{T}+Q_m(1-W_b/W_{b0})+Q_v-----\left(8\right)$

假设血流率恒定，可以不考虑Qm的影响，由于声场具有轴对称性，采用柱坐标，热传导方程可以变化为： $\frac{1}{r}\frac{\∂}{\∂r}\left(\mathrm{\κr}\frac{\∂\stackrel{\_}{T}}{\∂r}\right)+\frac{\∂}{\∂z}\left(\mathrm{\κ}\frac{\∂\stackrel{\_}{T}}{\∂z}\right)+Q_v-W_b{C}_b\stackrel{\_}{T}=\mathrm{\ρC}\frac{\∂\stackrel{\_}{T}}{\∂t}-----\left(9\right)$

其中，

    Q_v＝(α/ρc)pp^*                    (10)

用差分法解方程(9)，可以得到温度场随时间变化的分布图。

在实际治疗过程中，采用的是间断发射，在发射间歇时，由于没有声场分布，此时

Qv＝0。

图5示出了上述计算焦点的理论温度的流程图，在理论计算模块中，通过改变输入电功率、发射参数、组织特性和靶皮距等参数，应用上述方法来得到不同条件下的理论焦点温度以获得热疗机的焦点温度对照表，并存储所得到的对照表数据，其中的条件改变范围如下表所示：

输入电功率	发射参数	组织特性	靶皮距
				从600w到2000w，间隔100w	发射时间，间歇时间从150ms到1000ms，间隔50毫秒，发射次数从20次到100次，间隔5次	分为：肝、胰、膀胱、直肠、前列腺	从50毫米到130毫米，间隔10毫米

由于计算结果可能与实际焦点温度有差异，为了保证预测结果的精确性，因此需要根据实际试验的结果对计算结果进行一些修正。因此，在温度对照表修正模块，对所存储的温度对照表进行修正处理。但是，由于温度计算的条件非常多，实际试验无法对这些不同的条件一一验证，因此选取了几种典型条件进行修正。

本修正模块的执行流程如下：

1.分别通过有损测温实验获得不同组织在1000w发射功率条件下的实际焦点温度；

2.将实际试验结果与上述理论计算模块的计算结果相比较，如果不相同，则修正该组织的特性参数，重新计算，使之与实验结果相匹配；

3.重新利用经过修正的特性参数计算修正后的焦点温度对照表。

图6和图7分别示出了上述计算修正后温度对照表的流程图以及预测焦点温度的示意图。在进行HIFU治疗前，医生将治疗参数输入计算机；通过焦点温度查询单元，计算机输出计算出患者体内的声场分布、温度场变化情况；医生可根据计算结果调整治疗参数重新查表计算，直至结果符合期望；选定治疗参数后，医生开始治疗。

尽管已对本发明进行了描述，但其只是为了说明的目的，本发明不限于上述结合附图的描述，本领域普通技术人员可对其进行不脱离本发明精神的各种改变，此外，本发明的保护范围由后附的 书限定。

Claims (8)

1.一种超声波热疗机，其包括：高能聚焦超声波源、安装于波源内部的B超机探头、计算机以及控制台，其中：所述计算机包括用于输入治疗参数的输入单元、与输入单元相连用于根据输入参数查询修正后的温度对照表以获得焦点温度的焦点温度查询单元、以及用于输出所述焦点温度的输出单元。

2、根据权利要求1所述的超声波热疗机，其特征在于所述焦点温度查询单元包括：理论计算模块，用于计算不同条件下的理论焦点温度以获得热疗机的焦点温度对照表，以及温度对照表修正模块，用于根据实际测量的温度修正理论温度对照表，其中所述理论计算模块执行下述运算：根据波源圆片的分布情况，计算波源声场分布，和通过得到的声场分布用差分叠代法计算温度场分布。

3、根据权利要求1或2所述的超声波热疗机，其特征在于：所述输入参数在下面的组中选择的：输入电功率、发射器转换效率、发射参数、组织特性、靶皮距、波源特性。

4、一种热疗机焦点温度预测方法，其中包括下面的步骤：

通过输入单元将治疗参数输入到焦点温度查询单元；

根据输入的条件，焦点温度查询单元查询所存储的修正后的焦点温度对照表得到焦点温度；

将所述焦点温度通过输出单元输出。

5、根据权利要求4所述的热疗机焦点温度预测方法，其特征在于所述焦点温度查询步骤中的修正后的温度对照表是这样得到的：首先计算不同条件下的理论焦点温度，以获得热疗机的理论焦点温度对照表；根据实际测量的温度，修正理论温度对照表；以及存储所述修正后的温度对照表。

6、根据权利要求5所述的热疗机焦点温度预测方法，其特征在于所述计算理论焦点温度包括：根据波源圆片的分布情况，计算波源声场分布的步骤，和通过得到的声场分布来计算温度场分布的步骤。

7、根据权利要求6所述的热疗机焦点温度预测方法，其特征在于所述波源声场分布处理进一步包括应用无限元法来计算波源圆片声强分布的步骤和通过叠加来计算波源声强的步骤。

8、根据权利要求4-7中的任何一项权利要求所述的热疗机焦点温度预测方法，其特征在于所述输入参数在下面的组中选择的：输入电功率、发射器转换效率、发射参数、组织特性、靶皮距、波源特性。

Images