專利名稱：相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的熱場(chǎng)形成方法，特別是一種相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法。

背景技術(shù)：
利用熱物理腫瘤加熱技術(shù)可以形成高熱模式熱場(chǎng)進(jìn)行腫瘤高溫消融，即在數(shù)秒內(nèi)將組織溫度加熱到70℃以上，導(dǎo)致組織發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的凝固壞死。也可以形成溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)進(jìn)行多元化腫瘤治療，例如腫瘤熱化療、熱敏藥物釋放、熱導(dǎo)向基因表達(dá)等。腫瘤形態(tài)各異，所處組織環(huán)境血運(yùn)狀態(tài)各有不同，如果能將多種模式熱場(chǎng)相互組合則可以實(shí)現(xiàn)以腫瘤特征為導(dǎo)向的個(gè)性化可定制治療。所謂個(gè)性化可定制治療是指基于相控陣聚焦超聲系統(tǒng)實(shí)施腫瘤治療不僅可以是單純的高溫消融、溫?zé)岑?、甚至也不僅是結(jié)合局部溫?zé)岑熀蜔崦羲幬锏哪[瘤靶向治療，而是根據(jù)腫瘤特征選擇一種或者多種加熱模式相互組合的多模式治療方式。例如對(duì)于高灌注組織中的小體積腫瘤，溫?zé)岑熗资苎饔绊懀瑒t可以考慮采用高溫消融腫瘤；而對(duì)于某些大體積腫瘤，其腫瘤內(nèi)部血流灌注較小，外部血流灌注較大，則可以考慮在腫瘤內(nèi)部采用結(jié)合局部溫?zé)岑熀蜔崦羲幬锏哪[瘤靶向治療方式，而腫瘤外圍采用高熱消融的方式。以腫瘤特征為導(dǎo)向的個(gè)性化可定制治療模式可以充分發(fā)揮各種加熱模式各自的優(yōu)點(diǎn)，更好地解決復(fù)雜形態(tài)特征腫瘤的治療問題。
現(xiàn)有熱物理腫瘤加熱技術(shù)一般只能形成單一模式的熱場(chǎng)。例如以色列InSightec公司生產(chǎn)的ExAblate2000，當(dāng)施于陣列特定的信號(hào)驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，該球面相陣列可以控制焦點(diǎn)在三維空間移動(dòng)，并形成多焦點(diǎn)聚焦場(chǎng)，形成大體積的高溫模式熱場(chǎng)，引發(fā)組織熱損傷。目前該儀器已被獲準(zhǔn)臨床消融子宮肌瘤。又如Fenn發(fā)明的熱動(dòng)力自適應(yīng)相控陣列射頻加熱系統(tǒng)(Patent USA.5810888)利用自適應(yīng)相控陣計(jì)算控制算法可以在人體深部形成大體積的溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，實(shí)現(xiàn)深部腫瘤的藥物定向釋放。其他方法例如中國專利申請(qǐng)?zhí)枮?2116887.3，專利名稱為腫瘤微波介入治療多天線熱場(chǎng)組合方法；專利申請(qǐng)?zhí)?2116888.1，專利名稱為微波凝固治療腫瘤熱場(chǎng)分布的模擬測(cè)量方法；專利申請(qǐng)?zhí)枮?1129558.9，專利名稱電容射頻熱療裝置的深部熱場(chǎng)優(yōu)化控制方法。這些熱物理腫瘤加熱技術(shù)的缺點(diǎn)在于僅能在組織種形成單一模式的熱場(chǎng)，而無法同時(shí)形成多種模式的熱場(chǎng)，多種模式熱場(chǎng)相互組合實(shí)現(xiàn)以腫瘤特征為導(dǎo)向的個(gè)性化可定制治療無法實(shí)現(xiàn)，復(fù)雜形態(tài)特征的腫瘤治療問題很難解決。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種相控陣聚焦超聲的多模式熱場(chǎng)形成方法。本發(fā)明能夠基于單個(gè)多元陣列治療頭實(shí)現(xiàn)兩種腫瘤治療手段，既能形成高熱模式熱場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)人體深部組織高溫消融，又能形成大體積溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，適合熱敏脂質(zhì)體載藥定向適形釋放，最終以多種模式熱場(chǎng)相互組合的方式實(shí)現(xiàn)以腫瘤特征為導(dǎo)向的個(gè)性化可定制治療。
為實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明方法的基礎(chǔ)是多元陣列相治療頭和相控陣聚焦超聲熱場(chǎng)精確調(diào)控技術(shù)，其中多元陣列治療頭是該方法的硬件基礎(chǔ)，相控陣聚焦超聲熱場(chǎng)精確調(diào)控技術(shù)在該硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明包括如下具體步驟 (1)采用多元陣列的球面開孔不等間距環(huán)形陣列治療頭； 該陣列由108個(gè)直徑為10mm的圓形平面式陣元組成，球面曲率半徑為200mm，同時(shí)所述的環(huán)形陣列治療頭滿足的技術(shù)要求最大間距可達(dá)30mm的焦點(diǎn)間距和最高可達(dá)190的聲強(qiáng)增益，能同時(shí)形成大體積(最大體積可達(dá)4×104mm3)溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)和小體積(最大體積可達(dá)240mm3)高熱模式熱場(chǎng)。解決了現(xiàn)有的多元相控陣列治療頭僅適合于實(shí)現(xiàn)高溫消融的技術(shù)問題。
(2)采用每種聲場(chǎng)模式與一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位與幅值相對(duì)應(yīng)； 所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值，是指利用偽逆矩陣算法和振速與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算這些模式所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值，其步驟如下 ①確定所用聲場(chǎng)分布模式，包括控制點(diǎn)(焦點(diǎn))位置和控制點(diǎn)處聲強(qiáng)； ②根據(jù)相控陣聚焦超聲換能器的陣元結(jié)構(gòu)特征及陣元分布特性，并根據(jù)所設(shè)定的聲場(chǎng)模式信息，確定超聲波傳播矢量，得到以矩陣表示的前向傳輸算子H，進(jìn)而利用最小二乘法估計(jì)前向傳輸算子H的偽逆矩陣H+， ③用偽逆矩陣(Pseudoinverse)算法，根據(jù)聲場(chǎng)聲壓分布矩陣P反求出應(yīng)有的陣元表面振速U，U＝H+P ④根據(jù)超聲換能器的逆壓電效應(yīng)，由超聲換能器的激勵(lì)電壓V與其表面振速U之間的近似關(guān)系式U＝LV，即V＝L-1U，確定相控陣聚焦超聲換能器中各陣元應(yīng)有的激勵(lì)電壓V的相位φn和幅度un。其中，L為一個(gè)對(duì)角陣。
(3)利用試探法確定目標(biāo)靶組織中可用的高熱模式聲強(qiáng)； 所述的試探法，用偽逆矩陣算法計(jì)算出與相應(yīng)聲場(chǎng)分布模式對(duì)應(yīng)的各個(gè)陣元表面復(fù)振速后，根據(jù)表面振速和目標(biāo)靶組織的密度ρ和比熱容c計(jì)算陣元表面聲強(qiáng)并和限定陣元表面聲強(qiáng)相比較，如果小于限定陣元表面聲強(qiáng)則增加控制點(diǎn)聲強(qiáng)，反之則增加控制點(diǎn)聲強(qiáng)，直到陣元表面聲強(qiáng)左側(cè)趨近限定陣元表面聲強(qiáng)。
(4)溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，以保證加熱區(qū)域冷點(diǎn)溫度上升速率保持為預(yù)定值，最終達(dá)到形成任意預(yù)期均勻溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)的目的。
在形成溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)時(shí)，需要用到多種模式的聲場(chǎng)分布。采用基于關(guān)鍵點(diǎn)溫度上升速率梯度優(yōu)化算法自適應(yīng)調(diào)控聚焦模式聲強(qiáng)。該算法的關(guān)鍵在于采用包含罰函數(shù)的梯度優(yōu)化算法來確定加熱聲強(qiáng)的最優(yōu)解，使其達(dá)到形成任意預(yù)期均勻溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)的效果。
所述的溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，調(diào)控之前需要先確定 ①焦域中的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)通常選擇在聚焦模式之間以及被加熱區(qū)域邊界點(diǎn)的位置，每一關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種聲場(chǎng)分布模式； ②代價(jià)函數(shù)i＝1，...，N，式中Ii表示第i個(gè)模式的聲強(qiáng)，J1表示腫瘤區(qū)域內(nèi)低于設(shè)定溫度的代價(jià)。J2表示腫瘤區(qū)域外溫度高于另一設(shè)定溫度的代價(jià)。f(Ii)是懲罰項(xiàng)用以保證關(guān)鍵點(diǎn)溫度上升速率超過設(shè)定速率vs，K是強(qiáng)調(diào)懲罰項(xiàng)的常量。
所述的溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，開始加熱后，其調(diào)控步驟如下 ①在tn時(shí)刻，檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度； ②計(jì)算代價(jià)函數(shù)和懲罰項(xiàng)； ③判斷代價(jià)函數(shù)是否為0，如果是則結(jié)束加熱，反之則繼續(xù)加熱； ④判斷懲罰項(xiàng)是否為0，如果是則保持現(xiàn)有聲場(chǎng)強(qiáng)度，反之則采用聲強(qiáng)的迭代算法來計(jì)算tn+1時(shí)刻的聲強(qiáng)，式中n為時(shí)間步，η為增量步長，根據(jù)聲強(qiáng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值與相位，并采用新的信號(hào)驅(qū)動(dòng)陣列，即采用新的聲強(qiáng)實(shí)施加熱； ⑤重復(fù)步驟①-④直到目標(biāo)溫度達(dá)到。
對(duì)于高熱模式熱場(chǎng)，首先確定所用聲場(chǎng)分布模式，包括控制點(diǎn)(焦點(diǎn))位置和控制點(diǎn)處聲強(qiáng)，當(dāng)形成多焦點(diǎn)時(shí)，焦點(diǎn)間距應(yīng)小于等于1mm。利用偽逆矩陣算法反算得出與相應(yīng)聲場(chǎng)分布模式對(duì)應(yīng)的各個(gè)陣元表面復(fù)振速。根據(jù)陣元表面振速和陣元驅(qū)動(dòng)電壓的近似關(guān)系計(jì)算陣元激勵(lì)電壓的幅值和相位。
對(duì)于溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，采用多模式互交替旋轉(zhuǎn)組合方法形成。設(shè)定若干包括單焦點(diǎn)模式和多焦點(diǎn)模式在內(nèi)的聲場(chǎng)分布模式作為基本聚焦模式，每種模式與一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位與幅值相對(duì)應(yīng)。多焦點(diǎn)模式設(shè)定的基本原則是①所選聲場(chǎng)分布模式其聲焦點(diǎn)均勻?qū)ΨQ地分布在一個(gè)圓上，不同的聚焦模式對(duì)應(yīng)不同半徑的同心圓。②所選聲場(chǎng)分布模式合成后所產(chǎn)生旁瓣對(duì)靶組織外的正常組織沒有影響。這些基本模式包括雙焦點(diǎn)模式、四焦點(diǎn)模式、六焦點(diǎn)模式以及七焦點(diǎn)模式。多焦點(diǎn)模式中，焦平面上焦點(diǎn)之間的最大距離在0-30mm之間變化，即多焦點(diǎn)模式的焦點(diǎn)所在同心圓直徑在0-30mm間任意變化。從預(yù)先設(shè)定的基本模式中選擇若干聲場(chǎng)模式，使之所包含焦點(diǎn)的合成焦域的形狀與尺寸與目標(biāo)熱場(chǎng)有良好的嚙合。確定所需聲場(chǎng)模式之后，根據(jù)目標(biāo)溫度計(jì)算這些模式的功率沉積和聲強(qiáng)分布，之后通過偽逆矩陣算法和振速與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算這些模式所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值。驅(qū)動(dòng)信號(hào)在不同的輸入模式間快速切換同時(shí)結(jié)合模式旋轉(zhuǎn)用以加熱目標(biāo)組織體，同時(shí)應(yīng)用基于關(guān)鍵點(diǎn)溫度上升速率梯度優(yōu)化算法自適應(yīng)調(diào)控聚焦模式聲強(qiáng)算法，直到將靶組織加熱到預(yù)定的目標(biāo)溫度。該方法形成的溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)能量分布均勻，受熱區(qū)域和可加熱的溫度都可以控制。
本發(fā)明用于調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個(gè)陣元激勵(lì)信號(hào)的相位和幅度，進(jìn)而形成所需溫度和大小的熱場(chǎng)，對(duì)腫瘤病人進(jìn)行以腫瘤特征為導(dǎo)向的個(gè)性化可定制治療，主要優(yōu)點(diǎn)在于改善了現(xiàn)有技術(shù)只能形成單一模式熱場(chǎng)的不足，有效利用單個(gè)多元陣列治療頭，基于單個(gè)多元陣列治療頭既能實(shí)現(xiàn)人體深部組織高溫消融，又能形成大體積溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，而且溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，能量分布均勻，具有區(qū)域可控性和溫度可控性的優(yōu)點(diǎn)，能夠適合與多元化腫瘤治療，例如腫瘤熱化療、熱敏藥物釋放、熱導(dǎo)向基因表達(dá)等。



圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所用的三組聚焦模式和相應(yīng)的合成焦域及其形成的熱場(chǎng)示意圖。
其中1為六焦點(diǎn)模式，2為六焦點(diǎn)模式的旋轉(zhuǎn)模式，3為四焦點(diǎn)模式，4為四焦點(diǎn)模式的旋轉(zhuǎn)模式，5為單焦點(diǎn)模式，6為三組聚焦模式的合成焦域，7為合成焦域形成的熱場(chǎng)，8為關(guān)鍵點(diǎn)。
圖2為發(fā)明本實(shí)施例中多模式交替旋轉(zhuǎn)組合法加熱策略示意圖。
圖3為多模式實(shí)施例形成的熱場(chǎng)分布示意圖。

具體實(shí)施例方式 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
以將一個(gè)直徑為30mm，密度為1060kg/m3，比熱容為3600J/(kg·℃)，血流灌注率為10kg/(m3·s)的目標(biāo)靶組織加熱到40℃以上為例，說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式 1、從預(yù)先設(shè)定的基本模式中選擇若干聲場(chǎng)模式，使之所包含焦點(diǎn)的合成焦域的形狀與尺寸與目標(biāo)熱場(chǎng)有良好的嚙合?？紤]到組織的血流灌流率的作用，焦域的尺寸可小于熱場(chǎng)的尺寸。
例如，如圖1所示，靶組織的橫斷面是一個(gè)直徑為30mm的圓，則設(shè)定的相控陣聚焦超聲形成的熱場(chǎng)也應(yīng)是一個(gè)直徑為30mm的圓。為形成這樣的一個(gè)熱場(chǎng)，對(duì)應(yīng)的相控陣聚焦超聲的聲場(chǎng)聲強(qiáng)分布合成的焦域也應(yīng)近似于一個(gè)圓，但其直徑可以小于30mm，例如只需24mm。使用一個(gè)六焦點(diǎn)模式(Φ20mm)、六焦點(diǎn)模式(Φ20mm)的旋轉(zhuǎn)模式、四焦點(diǎn)模式(Φ10mm)、四焦點(diǎn)模式(Φ10mm)的旋轉(zhuǎn)模式和單焦點(diǎn)模式所合成的焦域來嚙合目標(biāo)熱場(chǎng)。
2、確定所需聲場(chǎng)模式之后，根據(jù)目標(biāo)溫度設(shè)定這些模式的初始功率沉積和初始聲壓分布，每個(gè)聚焦模式中各控制點(diǎn)處的聲壓相同。對(duì)于某一特定聚焦模式而言，所期望的聲場(chǎng)聲壓分布可以表示為 以將人體組織溫度加熱到40℃以上為例，初始聲強(qiáng)設(shè)定為33.3W/cm2，對(duì)應(yīng)聲壓幅度為1.6MPa。
3、根據(jù)相控陣聚焦超聲換能器的陣元結(jié)構(gòu)特征及陣元分布特性，并根據(jù)所設(shè)定的聲場(chǎng)模式信息，確定超聲波傳播矢量，得到以矩陣表示的前向傳輸算子H，
其中，M代表第m個(gè)控制點(diǎn)，N代表第n個(gè)陣元。
進(jìn)而利用最小二乘法估計(jì)前向傳輸算子H的偽逆矩陣H+， 4、用偽逆矩陣(Pseudoinverse)算法，根據(jù)聲場(chǎng)聲壓分布矩陣P反求出應(yīng)有的陣元表面振速U， U＝H+P 其中 5、根據(jù)超聲換能器的逆壓電效應(yīng)，超聲換能器的激勵(lì)電壓V與其表面振速U之間的關(guān)系近似為 U＝LV 即V＝L-1U 其中，L為一個(gè)對(duì)角陣。在理想的情況下，L為一個(gè)實(shí)對(duì)角陣，但是由于在換能器的制作過程中，單個(gè)換能器的響應(yīng)難免出現(xiàn)偏差，L通常為一個(gè)復(fù)對(duì)角陣，需要在換能器陣列制作完成后通過測(cè)量得到。至此，已經(jīng)確定了一種聚焦模式對(duì)應(yīng)的相控陣聚焦超聲換能器中各陣元應(yīng)有的初始激勵(lì)電壓V的相位φn和幅度un，將其存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中。重復(fù)步驟2-4，確定其它聚焦模式的初始激勵(lì)電壓的相位與幅值。
6、調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器激勵(lì)裝置，使其向相控陣聚焦超聲換能器的各個(gè)陣元分別輸出指定相位φn、指定幅度un的正弦波激勵(lì)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)在不同的輸入模式間快速切換同時(shí)結(jié)合多元陣列治療頭機(jī)械旋轉(zhuǎn)，使得在組織中的聲場(chǎng)分布在不同模式間交替旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組織均勻適形加熱。
以加熱一個(gè)直徑為30mm的靶組織為例，如圖2所示，說明了多模式交替與旋轉(zhuǎn)組合加熱策略。選用三組基本聚焦模式來合成目標(biāo)靶組織。與單純的模式交替技術(shù)不同(驅(qū)動(dòng)信號(hào)在P1，P2，P3模式間快速切換)，多模式交替與旋轉(zhuǎn)組合技術(shù)在兩組不同的多焦點(diǎn)模式中插入了前一組模式旋轉(zhuǎn)后的模式P1_R。
7、開始加熱后，根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)溫度實(shí)施聲場(chǎng)聚焦模式聲強(qiáng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。首先確定關(guān)鍵點(diǎn)位置，如圖1所示，本實(shí)施例中選定了兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，分別與單焦點(diǎn)模式和六焦點(diǎn)模式對(duì)應(yīng)。定義代價(jià)函數(shù) 其中i＝1，...，N，本實(shí)施例中J1＝∑(40-T)2表示腫瘤區(qū)域內(nèi)低于設(shè)定溫度40℃的代價(jià)，J2＝∑(39.5-T)2表示腫瘤區(qū)域外溫度高于39.5℃的代價(jià)用于保證熱敏藥物不在正常組織中釋放。本實(shí)施例中N為2，與關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)目對(duì)應(yīng)，f(Ii)是懲罰項(xiàng)，可以定義為用以保證關(guān)鍵點(diǎn)溫度(Tk，k＝1，…M)上升速率超過設(shè)定速率vs，K是強(qiáng)調(diào)懲罰項(xiàng)的常量為1000。
8、在tn時(shí)刻，檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度并計(jì)算代價(jià)函數(shù)和懲罰項(xiàng)； 9、判斷代價(jià)函數(shù)是否為0，如果是則結(jié)束加熱，反之則繼續(xù)加熱； 10、判斷懲罰項(xiàng)是否為0，如果是則保持現(xiàn)有聲場(chǎng)強(qiáng)度，反之則采用聲強(qiáng)的迭代算法來計(jì)算tn+1時(shí)刻的聲強(qiáng)，式中n為時(shí)間步，η為增量步長，本實(shí)施例中為10-4，根據(jù)聲強(qiáng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值與相位，并采用新的信號(hào)驅(qū)動(dòng)陣列，即采用新的聲強(qiáng)實(shí)施加熱； 11、重復(fù)步驟8-11，直到目標(biāo)靶組織被加熱到40℃以上，如圖3所示。
本實(shí)施例所述相控聚焦超聲由現(xiàn)有技術(shù)中的相控陣聚焦超聲多元換能器治療頭產(chǎn)生，該換能器由108個(gè)直徑為10mm的圓形平面式陣元以不等間距環(huán)形排列的方式組成，各個(gè)陣元均有獨(dú)立的電激勵(lì)信號(hào)饋線，分別連接至信號(hào)激勵(lì)系統(tǒng)。各個(gè)陣元激勵(lì)信號(hào)的頻率f一致，相位φn和電壓幅度un各不相同，不同的相位φn和電壓幅度un組合形成了不同大小、不同形狀、不同溫度的熱場(chǎng)。調(diào)控各個(gè)陣元激勵(lì)信號(hào)的工作比Δn，可使其輸出的超聲功率相應(yīng)地改變。實(shí)驗(yàn)證明，在160秒內(nèi)把靶組織從體溫加熱到40℃以上，對(duì)于頻率f＝1MHz的超聲來說，其所需的峰值聲強(qiáng)I＝33.3W/cm2，于是要求陣元的發(fā)射聲強(qiáng)僅為350mW，可見，盡管靶組織上的峰值聲強(qiáng)高達(dá)I＝33.3W/cm2，而在人體皮膚和組織傳輸路徑上的聲強(qiáng)卻不足1W/cm2，從而確保在對(duì)患者治療時(shí)，不需麻醉用品，不灼傷皮膚，不會(huì)使病人感到疼痛，更不會(huì)造成其它不良反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征在于，包括如下具體步驟
(1)采用多元陣列球面開孔不等間距環(huán)形陣列治療頭；
(2)采用每種聲場(chǎng)模式與一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位與幅值相對(duì)應(yīng)；
(3)利用試探法確定目標(biāo)靶組織中可用的高熱模式聲強(qiáng)；
(4)溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，以保證加熱區(qū)域冷點(diǎn)溫度上升速率保持為預(yù)定值，最終達(dá)到形成任意預(yù)期均勻溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的陣列，由108個(gè)直徑為10mm的圓形平面式陣元組成，球面曲率半徑為200mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的環(huán)形陣列治療頭，技術(shù)要求是最大間距達(dá)30mm的焦點(diǎn)間距和最高達(dá)190的聲強(qiáng)增益，同時(shí)形成最大體積達(dá)4×104mm3溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)和達(dá)240mm3的高熱模式熱場(chǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值，是指利用偽逆矩陣算法和振速與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算獲得這些模式所需驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值，獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位和幅值的步驟如下
①確定所用聲場(chǎng)分布模式，包括控制點(diǎn)位置和控制點(diǎn)處聲強(qiáng)；
②根據(jù)相控陣聚焦超聲換能器的陣元結(jié)構(gòu)特征及陣元分布特性，并根據(jù)所設(shè)定的聲場(chǎng)模式信息，確定超聲波傳播矢量，得到以矩陣表示的前向傳輸算子H，進(jìn)而利用最小二乘法估計(jì)前向傳輸算子H的偽逆矩陣H+，H+＝H*t(HH*t)-1；
③用偽逆矩陣算法，根據(jù)聲場(chǎng)聲壓分布矩陣P反求出應(yīng)有的陣元表面振速U，U＝H+P；
④根據(jù)超聲換能器的逆壓電效應(yīng)，由超聲換能器的激勵(lì)電壓V與其表面振速U之間的近似關(guān)系式U＝LV，即V＝L-1U，確定相控陣聚焦超聲換能器中各陣元應(yīng)有的激勵(lì)電壓V的相位φn和幅度un，其中，L為一個(gè)對(duì)角陣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的試探法，用偽逆矩陣算法計(jì)算出與相應(yīng)聲場(chǎng)分布模式對(duì)應(yīng)的各個(gè)陣元表面復(fù)振速后，根據(jù)表面振速和目標(biāo)靶組織的密度ρ和比熱容c計(jì)算陣元表面聲強(qiáng)并和限定陣元表面聲強(qiáng)相比較，如果小于限定陣元表面聲強(qiáng)則增加控制點(diǎn)聲強(qiáng)，反之則增加控制點(diǎn)聲強(qiáng)，直到陣元表面聲強(qiáng)左側(cè)趨近限定陣元表面聲強(qiáng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，調(diào)控之前需要先確定
①焦域中的關(guān)鍵點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)通常選擇在聚焦模式之間以及被加熱區(qū)域邊界點(diǎn)的位置，每一關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種聲場(chǎng)分布模式；
②代價(jià)函數(shù)i＝1，...，N，
式中Ii表示第i個(gè)模式的聲強(qiáng)，J1表示腫瘤區(qū)域內(nèi)低于設(shè)定溫度的代價(jià)，J2表示腫瘤區(qū)域外溫度高于另一設(shè)定溫度的代價(jià)，f(Ii)是懲罰項(xiàng)用以保證關(guān)鍵點(diǎn)溫度上升速率超過設(shè)定速率vs，K是強(qiáng)調(diào)懲罰項(xiàng)的常量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的相控陣聚焦超聲多模式熱場(chǎng)形成方法，其特征是，所述的溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，開始加熱后，其調(diào)控步驟如下
①在tn時(shí)刻，檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度；
②計(jì)算代價(jià)函數(shù)和懲罰項(xiàng)；
③判斷代價(jià)函數(shù)是否為0，如果是則結(jié)束加熱，反之則繼續(xù)加熱；
④判斷懲罰項(xiàng)是否為0，如果是則保持現(xiàn)有聲場(chǎng)強(qiáng)度，反之則采用聲強(qiáng)的迭代算法來計(jì)算tn+1時(shí)刻的聲強(qiáng)，式中n為時(shí)間步，η為增量步長，根據(jù)聲強(qiáng)計(jì)算驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值與相位，并采用新的信號(hào)驅(qū)動(dòng)陣列，即采用新的聲強(qiáng)實(shí)施加熱；
⑤重復(fù)步驟①-④直到目標(biāo)溫度達(dá)到。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的相控陣聚焦超聲的多模式熱場(chǎng)形成方法，包括如下步驟(1)采用多元陣列球面開孔不等間距環(huán)形陣列治療頭；(2)采用每種聲場(chǎng)模式與一組驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位與幅值相對(duì)應(yīng)；(3)利用試探法確定目標(biāo)靶組織中可用的高熱模式聲強(qiáng)；(4)溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)聲強(qiáng)的調(diào)控，以保證加熱區(qū)域冷點(diǎn)溫度上升速率保持為預(yù)定值，最終達(dá)到形成任意預(yù)期均勻溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)的目的。本發(fā)明改善了現(xiàn)有技術(shù)只能形成單一模式熱場(chǎng)的不足，有效利用單個(gè)多元陣列治療頭，基于單個(gè)多元陣列治療頭既能實(shí)現(xiàn)人體深部組織高溫消融，又能形成大體積溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，而且溫?zé)崮Ｊ綗釄?chǎng)，能量分布均勻，具有區(qū)域可控性和溫度可控性的優(yōu)點(diǎn)，能夠適合與多元化腫瘤治療等。
文檔編號(hào)A61B18/04GK101108268SQ200710045179
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月23日
發(fā)明者陳亞珠, 章琛曦, 沈國峰, 白景峰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)