CN1837764A - 采用非线性声参量进行超声无损测温的方法 - Google Patents
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Abstract
采用非线性声参量进行超声无损测温的方法，使用非线性声参量B/A对热源(非声源)和超声源引起的生物组织的温度变化进行测量，即通过测量基频(f0)及二次谐波(2f0)的强度比与生物组织的温度之间的关系来确定生物组织的温度。尤其是利用非线性声参量B/A对热源(非声源)和超声源引起的生物组织的温度变化进行测量。非线性声参量B/A相对于声速和声衰减系数对温度的灵敏度高，尤其是在人体体温的区域具有更好的灵敏度。采用非线性声参量B/A进行无损测温，灵敏度高，可提高HIFU进行超声治疗的效果。
Description
一、技术领域
本发明涉及非线性声参量测量温度的方法，即采用超声中的非线性声参量来无损测量高强度聚焦超声场温度提升的技术。
二、背景技术
目前采用的高强度聚焦超声来治疗肿瘤(HIFU)是利用热效应来达到治疗肿瘤的目的，无损测量并控制其温度非常重要，否则会导致治疗效果不好或对人体的伤害。目前无正式可行的国家标准。
现有的温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大，而且一般不能对组织的内部进行较准确的测量。
传统的测温方式，例如使用水银温度计、热电偶等多是接触式的，破坏使用高强度聚焦超声进行治疗的无损优点。新兴的红外测温方式，因为信号在生物组织中的强烈衰减，而无法探测到组织深处。
现在也有一些改进方案，采用超声法来进行测温：如分析与频率有关的声衰减[1]；声背向散射功率[2]；声速和热膨胀系数等[3-5]与温度的变化关系等来进行无损测温。另外还有核磁共振法[6]；阻抗成像法[7]；微波辐射线测定法[8]等，由于设备价格昂贵或测量精度的限制，尚未达到实用阶段。
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三、发明内容
本发明目的是：克服现有接触或非接触式仪表测温方法的不足，提供一种能对人体组织的内部进行较准确的温度测量方法，采用非线性声参量B/A进行生物组织的无损测温。本发明目的还在于可利用HIFU设备本身来测量温度，解决HIFU治疗中的温度控制问题，用于提高HIFU治疗的效果并减低HIFU治疗的副作用。
非线性声参量B/A的基本概念：医学超声研究发展了的生物组织非线性声参量超声成像。动物软组织非线性声参量B/A指：HIFU作用生物组织时会产生基频(f0及二次谐波(2f0)，非线性声参量B/A是指物态方程中二阶项与一阶项的系数之比，它是超声波在生物介质(如机体组织)中传播时非线性效应的量度，并对温度具有明显的依赖性。
本发明目的是这样实现的：采用非线性声参量进行超声无损测温的方法，是使用非线性声参量B/A对热源(非声源)和超声源引起的生物组织的温度变化进行无损测量，即利用基频(f0)及二次谐波(2f0)的强度比与生物组织的温度之间的关系来反推生物组织的温度。HIFU能量较高，产生较大的非线性效应，声速、声衰减系数和非线性声参量B/A均会随温度变化。
非线性声参量B/A参数与生物组织的温度之间的关系可以这样获得：生物组织在不同温度下具有不同的非线性声参量B/A，通过预先测量非线性声参量B/A与生物组织的温度之间的关系数据，此数据存储在存储器内，可与IHFU治疗的同一计算机一并运算，在使用时根据HIFU作用下待测媒质的B/A变化来反演其温度提升。
本发明非线性声参量进行超声无损测温的方法的装置：包括以下单元组成：信号发生器(实际使用时可利用HIFU的在生物组织内的超声)、测量用传感器使用超声换能器，功率放大器，另可设有数字示波器，还包括反射板、函数发生器、脉冲发生器等。
仪器设计人员常在选频2f0成像状态下，自动提升放大器总增益(但增益的提升数据不显示)，使2f0信号突出，用于测量B/A，相对于声速和声衰减系数，非线性声参量对温度的灵敏度高。
本发明的技术方案的机理是：
1、声参量在生物组织中对温度的依赖关系：
将不同生物组织放入恒温水糟中，改变水槽温度，足够长时间后检测声参量的变化，得到非线性声参量与温度的关系，结果见表1，2，3。
由以上的表可知，声学参量在生物媒质中随温度的变化将发生改变。通过对不同组织的实验可以知道，相较于声速和声衰减系数，非线性声参量B/A变化率(在20℃到60℃之间，每10℃的平均变化率的绝对值)最大，最能敏感的反映生物组织的温度变化，这一发现为声参量用于无损测温提供了新的实验基础。
2、用B/A检测由非超声源引起的温度场变化：
用非线性参量B/A测量生物组织中的温度场因环境变化(即由非超声源)引起的变化时，先将生物组织放置在26℃的水中浸泡15分钟，使得组织内各部分的温度均匀且一致，再将生物组织放入60℃的水中，因为热传导是需要时间的，3分钟后，当生物组织各部分的温度分布不均时，测量非线性声参量B/A在轴向上的分布。根据非线性声参量与温度的关系，反演可以得到在组织中的温度场分布。
由B/A值反推的温度结果与热电偶测量、传热模型计算结果相比，验证方法的可行性，见图1、2等。
3、用B/A测量超声作用下温度场的变化：
用超声源辐照生物组织，引起温升，同时检测声参量的变化。
根据非线性声参量B/A与温度的关系，反演可以得到在组织的温度场分布。
由B/A值反推的温度结果与热电偶测量、理论模型计算结果相比，验证方法的可行性，见图3和图4。
本发明与现有技术相比具有的优点是：
非线性声参量B/A相对于声速和声衰减系数对温度的灵敏度高，尤其是在人体体温的区域具有更好的灵敏度。采用非线性声参量B/A进行无损测温，灵敏度高，可提高HIFU进行超声治疗的效果。该项目的应用可以帮助企业提高产品质量的同时节约大笔开支，本发明不仅可获得直接经济效益，而且可获得显著的社会效益。
四、附图说明
图1热源引起肝脏组织中温度轴向分布，B/A值反推的温度结果与热电偶测量、传热模型计算结果。
图2热源引起肌肉组织中温度轴向分布，B/A值反推的温度结果与热电偶测量、传热模型计算结果。
图3超声引起的脂肪组织中温度随时间的变化状况，热电偶法和非线性声参量B/A反推的结果对比。
图4超声换能器对脂肪组织进行加温的过程，温度提升的理论计算结果与热电偶法和非线性声参量B/A反推的结果对比。
图5本发明机理验证的热源(非声源)实验系统示意图。
图6本发明机理验证的超声源实验系统示意图。
五、具体实施方式
A、热源引起的温度提升：
实验系统如图5所示，实验样品为圆柱形，样品尺寸为厚度为3cm，半径为2.75cm。实验时，使用复合结构超声换能器，它由圆形和环形二部分组合而成，圆形的中心频率为2MHz，用于发射换能器，而环形的中心频率为4MHz，用于接收换能器。用脉冲发生器(81101A)来调制中心频率为2MHz的超声正弦信号，再把已调制信号经宽带功率放大器(ENI A150)放大后加到发射换能器，作为发射信号。反射信号接收换能器接收，由数字示波器采样，通过接口将数据传给计算机作进一步处理，以提取二次谐波分量。超声换能器沿样品半径方向扫描。实验时使用热电偶测量得到的样品温度及用B/A反推得到的温度的分布及理论模型预测得到的温度分布曲线，见图1，2。
图1肝脏组织中的温度分布，·表示由B/A实验值反推得到的温度值；实线表示其拟合曲线；虚线表示由传热模型计算得到的温度分布曲线；○表示由热电偶测量得到的温度值。
图2肌肉组织中的温度分布，·表示由B/A实验值反推得到的温度值；实线表示其拟合曲线；虚线表示由传热模型计算得到的温度分布曲线；○表示由热电偶测量得到的温度值。
B、超声源引起的温度变化：
实验使用参数：加热用超声换能器：焦距D＝13cm，频率f＝1.26MHz，半径a＝3cm，初始声压3.0×105Pa。水槽中注水，水的参数为：密度ρ＝1000kg/m3，声速c＝1480m/s，声衰减系数α＝1.96Np/m(2MHz时的参数)，非线性系数β＝3.6， ；样品为脂肪，参数为：密度ρ＝950kg/m3，声速c＝1445m/s，声衰减系数α＝47.7Np/m(2MHz时的参数)，非线性系数β＝6.15，样品的厚度为3cm。
实验系统测量框图见图6，由函数发生器产生150mv正弦波连续信号，通过功率放大器放大55dB后，加载到加热用超声换能器上。检测换能器采用平面活塞换能器，其中发射换能器为中心频率为3MHz的平面换能器，接收换能器为中心频率为6MHz的平面换能器，函数发生器产生150mv，脉宽为3.33μs，间隔500μs的脉冲调制信号，通过功率放大器放大到50dB后，加载到发射换能器上，发射的声波信号通过样品后，由接收换能器接收，由基频(f0)及二次谐波(2f0)的强度比可得到样品的B/A。加热用超声换能器加热样品后，样品发生温升，相应其非线性声参量发生变化，根据生物组织的非线性声参量B/A与温度的关系，可反推生物组织的温升，实验结果见图3，4。
超声引起的脂肪组织中温度随时间的变化状况见图3，全过程耗时2400秒(即40分钟)。前1320秒(即前22分钟)是由超声换能器对组织进行加温的过程；后1080秒(即18分钟)为相同环境下，超声换能器停止工作后，组织的自然散热过程。图3为热电偶法和非线性声参量B/A反推的结果对比，图中“-”由数字式测温仪MV100测得；“★”表示的点由非线性声参量B/A测量反推得到。
图4超声换能器对脂肪组织进行加温的过程，温度提升的理论计算结果与热电偶法和非线性声参量B/A反推的结果对比，图中 “-”部分由数字式测温仪MV100测得，“★”表示的点由非线性声参量B/A测量反推得到，“---”为理论计算结果。
表1猪脂肪组织的声学参量随温度的变化
| 温度(℃) | 20 | 30 | 37 | 48 | 60 | 变化率(％) |
| B/A | 9.76 | 11.05 | 11.68 | 12.84 | 13.43 | 8.2 |
| 声速(m/s) | 1560 | 1624 | 1716 | 1861 | 1900 | 5.2 |
| 声衰减(dB/cm) | 1.16 | 1.07 | 1.05 | 0.96 | 0.90 | 6.1 |
表2猪肌肉组织的声学参量随温度的变化
| 温度(℃) | 15 | 22 | 3l | 41 | 50 | 60 | 变化率(％) |
| B/A | 5.75 | 6.19 | 7.25 | 8.24 | 9.12 | 9.68 | 12.4 |
| 声速(m/s) | 1520 | 1529 | 1533 | 1535 | 1536 | 1538 | 0.2 |
| 声衰减(dB/cm) | 1.06 | 1.10 | 1.18 | 1.21 | 1.26 | 1.28 | 4.3 |
表3猪肝脏组织的声学参量随温度的变化
| 温度(℃) | 20 | 30 | 40 | 48 | 60 | 变化率(％) |
| B/A | 7.20 | 8.23 | 9.36 | 10.11 | 11.16 | 11.6 |
| 声速(m/s) | 1512 | 1515 | 1526 | 1530 | 1546 | 0.6 |
| 声衰减(dB/cm) | 0.99 | 1.06 | 1.11 | 1.20 | 1.21 | 5.4 |
说明：变化率是指20℃到60℃之间，每10℃的平均变化率的绝对值。
Claims (3)
1、采用非线性声参量进行超声无损测温的方法，其特征是使用非线性声参量B/A对热源(非声源)和超声源引起的生物组织的温度变化进行测量，即通过测量基频(f0)及二次谐波(2f0)的强度比与生物组织的温度之间的关系来确定生物组织的温度。
2、由权利要求1所述的非线性声参量进行超声无损测温的方法：其特征是利用非线性声参量B/A对热源(非声源)和超声源引起的生物组织的温度变化进行测量。
3、由权利要求1所述的非线性声参量进行超声无损测温的方法：其特征是非线性声参量B/A与生物组织的温度之间的关系可以这样获得：生物组织在不同温度下具有不同的非线性声参量B/A，通过预先测量非线性声参量B/A与生物组织的温度之间的关系数据，此数据存储在存储器内，可与HIFU治疗的同一计算机一并运算。
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