專利名稱：相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法，用于調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的相位和幅度，進而形成所需形狀和大小的焦域，對腫瘤病人進行有效治療。屬于生物醫(yī)學工程技術領域。
背景技術：
以溫度為鑰匙開關的納米顆粒熱敏脂質(zhì)體作為一種藥物載體，可以攜帶藥物進入人體靶組織。當人體靶組織被定向適形加熱到40～45℃之間時，脂質(zhì)體殼體被打開，其裝載的藥物定點釋放。這一技術不但增加了藥物的局部濃度，提高了對靶組織腫瘤細胞的殺傷力，而且避免了全身給藥對人體帶來的傷害，極大地降低了毒副作用。這種加熱不但能起到在靶組織內(nèi)打開藥物載體的作用，而且會增加血管的通透性，提高病灶區(qū)域的脂質(zhì)體濃度，尤為重要的是把靶組織加熱到40～45℃之間，本身就是一種有效的腫瘤治療方法，即所謂熱療，兩者協(xié)同，增敏互補，共同完成對腫瘤的抑制、損傷和殺滅，療效尤為明顯。
把人體靶組織加熱到40～45℃之間，雖然可以由超聲、射頻和激光等物理因子的生物效應來實現(xiàn)，但效果都不盡如人意，特別是對那些位于人體深部的腫瘤病灶。
經(jīng)對現(xiàn)有技術檢索，發(fā)現(xiàn)美國聯(lián)合醫(yī)工集團Labthermics科技公司(UnitedMedical Industrial Group Labthermics Technologies Inc.)生產(chǎn)的SONOTHERM1000型超聲治癌系統(tǒng)(The SONOTHERM 1000Ultrasound Therapy System)。該公司在有關技術資料中自述，SONOTHERM 1000型超聲治癌系統(tǒng)最多可有16個獨立可控的陣元，能根據(jù)治療區(qū)域大小和形狀來選擇工作陣元以設定熱場形態(tài)，他們的輻射功率也可改變，從而保證治療區(qū)具有均勻熱劑量分布。其有效深度可達8cm，最大治療區(qū)域可達15cm×15cm。該技術存在明顯不足系統(tǒng)采用平面式超聲換能器，其聲波沿垂直方向輻射，能量分散，同時因輻射路徑上組織的吸收而使其在人體內(nèi)部組織上形成的聲強明顯降低，越深入體內(nèi)聲強越低，為保證足夠的有效加熱深度，超聲換能器必須有足夠高的輻射功率，這將會使患者感到疼痛，灼傷體表皮膚，甚至于淺部組織；僅靠16個陣元排列組合形成不同的形狀，適形性差；超聲能量在向體內(nèi)靶組織輻射時，只有衰減沒有增強，因此有效加熱深度較短，難以滿足治療要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法，能夠調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的相位和幅度，進而能實時地調(diào)控熱劑量，實現(xiàn)人體深部靶組織的定向適形穩(wěn)定加熱，對腫瘤病人進行有效治療。
為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明方法的基礎是相控聚焦超聲技術，首先根據(jù)靶組織的大小和形狀來設定熱場形態(tài)，并據(jù)此來調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的相位和幅度，產(chǎn)生多種模式的多焦斑聲場分布，進而形成所需形狀(圓、環(huán)等規(guī)則形狀以及任意的不規(guī)則形狀)、大小的焦域，并提供加熱靶組織所需的超聲能量，在人體內(nèi)形成直徑大至30mm左右的局部立體溫升區(qū)域(高于體溫4～8℃)；對于更大的靶組織，必須形成更大的立體溫升區(qū)域，所需的焦斑數(shù)也就更多，為保證每個焦斑具有足夠的超聲能量，可采用分區(qū)合成的工作方式。形成的多焦斑聲場在保持焦域形狀、大小不變的前提下，還可以互相交錯換位，或旋轉(zhuǎn)移動，以確保大塊的靶組織具有均勻的熱劑量分布；調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的工作比可使其輸出的超聲功率相應地改變，從而可以根據(jù)靶組織的即時溫度實時地調(diào)控熱劑量，保證靶組織能長期穩(wěn)定地保持在設定的溫度，例如43℃上，實現(xiàn)人體深部靶組織的定向適形穩(wěn)定加熱。
本發(fā)明相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法包括如下步驟1、根據(jù)靶組織的大小和形狀設定熱場形態(tài)，然后設定相控陣聚焦超聲的聲場聲壓分布，其合成焦域的形狀與尺寸應與熱場相對應。
合成焦域的形狀一般應與熱場基本一致，考慮到組織的血流灌流率的作用，焦域的尺寸可小于熱場的尺寸。
2、選定相控陣聚焦超聲需形成的焦斑數(shù)及各個焦斑所在位置，由焦斑組合而成的焦域形狀與設定的焦域形狀應有良好的嚙合。
3、根據(jù)相控陣聚焦超聲換能器的陣元結構特征及陣元分布特性，并根據(jù)所設定的焦斑位置信息，確定超聲波傳播矢量，得到以矩陣表示的前向傳輸算子H，進而利用最小二乘法估計前向傳輸算子H的偽逆矩陣H+，H+＝H*t(HH*t)-1。
4、用偽逆矩陣(Pseudoinverse)算法，根據(jù)聲場聲壓分布矩陣P反求出應有的陣元表面振速U，U＝H+P。
5、根據(jù)超聲換能器的逆壓電效應，由超聲換能器的激勵電壓V與其表面振速U之間的近似關系式U＝LV，即V＝L-1U，確定相控陣聚焦超聲換能器中各陣元應有的激勵電壓V的相位φn和幅度un。其中，L為一個對角陣。
6、調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器激勵裝置，使其向相控陣聚焦超聲換能器的各個陣元分別輸出指定相位φn、指定幅度un的正弦波激勵信號，產(chǎn)生多焦斑聲場分布，進而形成所需形狀、大小的焦域，由此實現(xiàn)靶組織的定向適形加熱。
7、根據(jù)測量到的靶組織溫度，調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的工作比Δn，使其輸出的超聲功率相應地改變而實時地調(diào)控熱劑量，保證靶組織長期穩(wěn)定地保持在設定的溫度，由此實現(xiàn)靶組織定向適形加熱的長期穩(wěn)定。
上述單一模式的多焦斑聲場分布，因為其焦斑位置是固定的，所以生成的熱場不可避免地存在有偏高的峰區(qū)，同時存在有偏低的谷區(qū)，偏高的峰區(qū)一般圍繞在焦斑周圍，而偏低的谷區(qū)一般位于遠離焦斑的各焦斑相鄰區(qū)域，致使熱劑量分布不很均勻。
為確保大塊的靶組織(如直徑大于30mm)具有均勻的熱劑量分布，本發(fā)明在調(diào)控換能器各個陣元輸出的激勵信號時，可以采用分區(qū)合成的多焦斑聲場分布方式，由各個分區(qū)輪流工作，合成所需熱場。除了單模式之外，也可以采用多模式的多焦斑聲場分布，各個模式在保持焦域形狀、大小不變的前提下，互相交錯換位或旋轉(zhuǎn)移動，輪流加熱，可以有效避免峰區(qū)和谷區(qū)的出現(xiàn)。
本發(fā)明具有顯著的有益效果。本發(fā)明根據(jù)設定的熱場形態(tài)來調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的相位和幅度，產(chǎn)生單模式或多模式分區(qū)合成方式的多焦斑聲場分布，來適應不同焦域的要求，確保靶組織具有均勻的熱劑量分布。調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的工作比Δn，可使其輸出的超聲功率相應地改變，從而可以應用于臨床上根據(jù)靶組織的即時溫度實時地調(diào)控熱劑量，保證靶組織能長期穩(wěn)定地保持在設定的溫度上，實現(xiàn)人體深部(最深可達12cm以上)靶組織(包括Φ大于30mm的大腫瘤病灶)的定向適形穩(wěn)定加熱。本發(fā)明思路獨特，方法合理可行，為熱敏脂質(zhì)體的定向打開及載體熱敏藥物的熱協(xié)同治療技術提供了有效可行的手段，具有廣闊的應用前景和市場潛力。


圖1為本發(fā)明實施例七焦斑的合成焦域及其形成的熱場。
圖1中，1為焦斑，2為單焦斑的焦域，3為七焦斑的合成焦域，4為合成焦域形成的熱場。
圖2為單一模式實施例形成的熱場分布。
圖3為另一種模式的七焦斑合成焦域及其形成的熱場。
圖4是多模式實施例形成的熱場分布。
具體實施例方式
以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。本發(fā)明的優(yōu)選實施例不構成對本發(fā)明的限制。
本發(fā)明提出的相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法按如下步驟實施1、首先根據(jù)靶組織的大小和形狀設定熱場形態(tài)，然后設定相控陣聚焦超聲的聲場聲壓分布，其合成焦域的形狀與尺寸應與熱場相對應。
合成焦域的形狀一般應與熱場基本一致，考慮到組織的血流灌流率的作用，焦域的尺寸可小于熱場的尺寸。例如，靶組織的橫斷面是一個直徑為3cm的圓，則設定的相控陣聚焦超聲形成的熱場也應是一個直徑3cm的圓，為形成這樣的一個熱場，對應的相控陣聚焦超聲的的聲場聲壓分布合成的焦域也應近似于一個圓，但其直徑可以小于3cm，例如只需2Acm。
2、選定相控陣聚焦超聲需形成的焦斑數(shù)M及各個焦斑所在位置(x，y，z)，由焦斑組合而成的焦域形狀與設定的焦域形狀應有良好的嚙合；首先，根據(jù)靶組織的大小和形狀設定熱場形態(tài)。
對于上述例子，可令相控陣聚焦超聲形成七個焦斑，它們在焦平面上的所在位置分別是
，這七個焦斑的合成焦域近似于一個直徑為2.4cm的圓，如圖1所示。
對于更大的靶組織，所需的焦斑數(shù)M更多，為保證每個焦斑具有足夠的超聲能量，需采用分區(qū)合成的工作方式。例如，靶組織的橫斷面是一個直徑為5cm的圓，那么選定的焦斑數(shù)M應多達19個，可分為4個區(qū)域輪流工作，合成所需的熱場。
所期望的聲場聲壓分布可表示為P=p1p2···pM=p01ejr1p02ejr2···p0MejrM]]>3、根據(jù)相控陣聚焦超聲換能器的陣元結構特征及陣元分布特性，并根據(jù)所設定的焦斑位置信息，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個焦斑的場點，N代表第n個陣元。
進而利用最小二乘法估計前向傳輸算子H的偽逆矩陣H+，H+＝H*t(HH*t)-1；4、用偽逆矩陣(Pseudoinverse)算法，根據(jù)聲場聲壓分布矩陣P反求出應有的陣元表面振速U，U＝H+P其中
u1u2···uN=u01ejθ1u02ejθ2···u0NejθN]]>5、根據(jù)超聲換能器的逆壓電效應，超聲換能器的激勵電壓V與其表面振速U之間的關系近似為U＝LV即V＝L-1U其中，L為一個對角陣。在理想的情況下，L為一個實對角陣，但是由于在換能器的制作過程中，單個換能器的響應難免出現(xiàn)偏差，L通常為一個復對角陣，需要在換能器陣列制作完成后通過測量得到。至此，已經(jīng)確定了相控陣聚焦超聲換能器中各陣元應有的激勵電壓V的相位φn和幅度un。
6、調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器激勵裝置，使其向相控陣聚焦超聲換能器的各個陣元分別輸出指定相位φn、指定幅度un的正弦波激勵信號，產(chǎn)生多焦斑聲場分布，進而形成所需形狀、大小的焦域，由此實現(xiàn)靶組織的定向適形加熱；在上述七焦斑實施例中得到的熱場分布如圖2所示。
上述單一模式的多焦斑聲場分布，因為其焦斑位置是固定的，所以生成的熱場不可避免地存在有偏高的峰區(qū)，它一般圍繞在焦斑周圍，同時存在有偏低的谷區(qū)，它一般位于遠離焦斑的各焦斑相鄰區(qū)域，致使熱劑量分布不很均勻，圖2所示的結果清楚地證明了這一切。
為確保大塊的靶組織具有均勻的熱劑量分布，本發(fā)明在調(diào)控換能器各個陣元輸出的激勵信號時，使之形成多個模式的多焦斑聲場分布，各個模式在保持焦域形狀、大小不變的前提下，互相交錯換位或旋轉(zhuǎn)移動，輪流加熱，以此避免峰區(qū)和谷區(qū)的出現(xiàn)。
對于上述例子，可令系統(tǒng)工作在另一個模式上，即相控陣聚焦超聲同樣形成七個焦斑，只是它們在焦平面上的所在位置分別改成
，這七個焦斑的合成焦域也近似于一個直徑為2.4cm的圓，如圖3所示。相應的其各陣元應有的激勵電壓V的相位φn和幅度un分別改變。
上述兩種七焦斑工作模式互相交錯換位，輪流加熱，得到的熱場分布如圖4所示，避免了峰區(qū)和谷區(qū)的出現(xiàn)，整個熱場分布與設定的熱場更趨一致。
對于直徑大于30mm的大塊靶組織，在調(diào)控換能器各個陣元輸出的激勵信號時，可以采用分區(qū)合成的多焦斑聲場分布方式，由各個分區(qū)輪流工作，合成所需熱場。
同樣，對于分區(qū)合成工作方式，也可以采用多模式的多焦斑聲場分布，各個模式在保持焦域形狀、大小不變的前提下，互相交錯換位或旋轉(zhuǎn)移動，輪流加熱，以此避免峰區(qū)和谷區(qū)的出現(xiàn)。
本發(fā)明所述相控聚焦超聲由現(xiàn)有技術中的相控陣聚焦超聲換能器產(chǎn)生，該換能器包含有若干個隨機離散分布的平面超聲換能器陣元，各個陣元均有獨立的電激勵信號饋線，分別連接至信號激勵系統(tǒng)。各個陣元激勵信號的頻率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、不同形狀的焦域。調(diào)控各個陣元激勵信號的工作比Δn，可使其輸出的超聲功率相應地改變。相控陣聚焦超聲換能器的陣元采用圓形、平面形式，換能器不僅具有足夠大的超聲發(fā)射面，而且當超聲能量進入人體時，具有相當大的入射角，當其在深入體內(nèi)12cm的靶組織內(nèi)形成單焦斑時，計入超聲在傳輸路徑上的衰減后，焦區(qū)內(nèi)的實際聲強增益高達26dB，即400倍以上，即使同時形成七個焦斑，構成一個較大的焦域時，其實際聲強增益也可高達17dB，即55倍以上。實驗證明，在160秒內(nèi)把靶組織從體溫加熱到40℃以上，對于頻率f＝1MHz的超聲來說，其所需的聲強I＝20W/cm2，于是要求陣元的發(fā)射聲強僅為350mW，可見，盡管靶組織上的聲強高達20W/cm2，而在人體皮膚和組織傳輸路徑上的聲強卻不足1W/cm2，從而確保在對患者治療時，不需麻醉用品，不灼傷皮膚，不會使病人感到疼痛，更不會造成其它不良反應。
權利要求
1.一種相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法，其特征在于按如下步驟進行1)根據(jù)靶組織的大小和形狀設定熱場形態(tài)，然后設定相控陣聚焦超聲的聲場聲壓分布，其合成焦域的形狀與尺寸應與熱場相對應；2)選定相控陣聚焦超聲需形成的焦斑數(shù)及各個焦斑所在位置，由焦斑組合而成的焦域形狀與設定的焦域形狀應有良好的嚙合；3)根據(jù)相控陣聚焦超聲換能器的陣元結構特征及陣元分布特性，并根據(jù)所設定的焦斑位置信息，確定超聲波傳播矢量，得到以矩陣表示的前向傳輸算子H，進而利用最小二乘法估計前向傳輸算子H的偽逆矩陣H+，H+＝H*t(HH*t)-1；4)用偽逆矩陣算法，根據(jù)聲場聲壓分布矩陣P反求出應有的陣元表面振速U，U＝H+P；5)根據(jù)超聲換能器的逆壓電效應，由超聲換能器的激勵電壓V與其表面振速U之間的近似關系式U＝LV，即V＝L-1U，確定相控陣聚焦超聲換能器中各陣元應有的激勵電壓V的相位φn和幅度un；其中，L為一個對角陣；6)調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器激勵裝置，使其向相控陣聚焦超聲換能器的各個陣元分別輸出指定相位φn、指定幅度un的正弦波激勵信號，產(chǎn)生多焦斑聲場分布，進而形成所需形狀、大小的焦域，由此實現(xiàn)靶組織的定向適形加熱；7)根據(jù)測量到的靶組織溫度，調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的工作比，使其輸出的超聲功率相應地改變而實時地調(diào)控熱劑量，保證靶組織保持在設定的溫度，由此實現(xiàn)靶組織定向適形加熱的長期穩(wěn)定。
2.如權利要求1的相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法，其特征在于對于直徑大于30mm的大塊靶組織，在調(diào)控換能器各個陣元輸出的激勵信號時，采用分區(qū)合成的多焦斑聲場分布方式，由各個分區(qū)輪流工作，合成所需熱場。
3.如權利要求1或2的相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法，其特征在于在調(diào)控換能器各個陣元輸出的激勵信號時，采用多模式的多焦斑聲場分布，各個模式在保持焦域形狀、大小不變的前提下，互相交錯換位或旋轉(zhuǎn)移動，輪流加熱，以此避免峰區(qū)和谷區(qū)的出現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種相控陣聚焦超聲的大焦域形成方法，根據(jù)靶組織的大小和形狀來設定熱場形態(tài)，并據(jù)此來調(diào)控相控陣聚焦超聲換能器中各個陣元激勵信號的相位和幅度，產(chǎn)生多種模式的多焦點聲場分布，進而形成所需形狀、大小的焦域，并提供加熱靶組織所需的超聲能量，在人體內(nèi)形成直徑大至30mm左右的局部立體溫升區(qū)域。對于更大的靶組織則采用分區(qū)合成的工作方式。形成的多焦點聲場在保持焦域形狀、大小不變的前提下，還可以互相交錯換位或旋轉(zhuǎn)移動，輪流加熱以確保大塊的靶組織具有均勻的熱劑量分布。本發(fā)明可實現(xiàn)人體深部靶組織的定向適形穩(wěn)定加熱，為熱敏脂質(zhì)體的定向打開及載體熱敏藥物的熱協(xié)同治療技術提供了有效可行的手段。
文檔編號G10K11/26GK1820804SQ20061002363
公開日2006年8月23日 申請日期2006年1月26日 優(yōu)先權日2006年1月26日
發(fā)明者陳亞珠, 章晨曦, 倪養(yǎng)華 申請人:上海交通大學