本發(fā)明涉及高強(qiáng)度聚焦超聲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲治療療效監(jiān)測和超聲劑量控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

高強(qiáng)度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治療腫瘤技術(shù)具有非介入、創(chuàng)傷小、康復(fù)快且不易引起癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移的優(yōu)點(diǎn)，HIFU療效和換能器焦域、超聲強(qiáng)度、治療時(shí)間以及組織差異有關(guān)。為確保HIFU治療的可靠性和安全性，溫度控制是一個(gè)關(guān)鍵，既要?dú)缒[瘤細(xì)胞，又不損傷正常組織，因此HIFU治療過程中的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測和療效評價(jià)對腫瘤治療的臨床應(yīng)用具有重要意義。在HIFU治療中，需要將焦域組織的溫度快速提升到70℃實(shí)現(xiàn)組織蛋白的凝固，達(dá)到治療目的，但是mm大小的組織焦域內(nèi)部存在明顯的溫度梯度分布，目前沒有良好的無創(chuàng)測溫手段能實(shí)時(shí)精確測量組織內(nèi)部的溫度來判斷治療療效和控制超聲劑量。

目前HIFU治療中常用的非接觸測溫技術(shù)中，紅外測溫技術(shù)利用組織溫度和熱輻射的關(guān)系，通過體外測量體內(nèi)的熱輻射來推測體內(nèi)溫度，但滲透深度有限，測量精度較差。磁共振成像(MRI)測溫技術(shù)通過和溫度相關(guān)的擴(kuò)散系數(shù)、質(zhì)子共振頻率或弛豫時(shí)間的測量實(shí)現(xiàn)組織溫度圖像的重建，具有良好的溫度分辨率，但時(shí)間分辨率不高，且設(shè)備價(jià)格昂貴。超聲測溫技術(shù)通過不同溫度下組織聲速、聲阻抗和非線性聲參量等特性參數(shù)的測量來實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測，但這些參數(shù)的溫度變化系數(shù)較小，溫度測量的精度較低。B超成像雖然可以用來進(jìn)行HIFU定位引導(dǎo)，監(jiān)測腫瘤病灶治療前后的供血變化，但是超聲回波對溫度的敏感性較差，不能實(shí)現(xiàn)HIFU治療過程中組織焦域內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)精確監(jiān)控。因此這幾種測溫方法雖然能在一定程度上對HIFU治療的組織溫升進(jìn)行測量，但是其測量精度和速度不能達(dá)到實(shí)時(shí)精確測量的目的，更不能準(zhǔn)確判斷組織凝固溫度HIFU治療超聲療效，需要尋找一種能夠反映組織焦域溫度分布特性和組織凝固臨界溫度變化的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)HIFU療效監(jiān)測和治療劑量的控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有HIFU焦域溫度和療效監(jiān)控方法存在的測量靈敏度低、速度慢和空間分辨率較低等問題，提供一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療療效監(jiān)測和超聲劑量控制系統(tǒng)及方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明提供了一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療療效監(jiān)測和超聲劑量控制系統(tǒng)，包括順序相連的計(jì)算機(jī)、信號發(fā)生器、功率放大器、HIFU換能器、電極以及阻抗分析儀，所述HIFU換能器在水中產(chǎn)生的超聲波在組織中心聚焦，組織表面相對應(yīng)的兩面對稱布置電極并通過平衡輸出連接阻抗分析儀，所述阻抗分析儀同時(shí)連接計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步，所述電極包括2根或4根條狀銀電極，電極和組織之間通過設(shè)置導(dǎo)電膠來減少接觸電阻。

進(jìn)一步，所述HIFU換能器為直徑10cm、焦距10cm、中心頻率1.13MHz的球殼聚焦超聲換能器。

一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療療效監(jiān)測和超聲劑量控制方法，包括以下步驟：

(1)建立HIFU治療系統(tǒng)和電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)控制信號源輸出和HIFU換能器同頻且幅度可調(diào)的正弦信號，經(jīng)過功率放大器放大后驅(qū)動HIFU換能器產(chǎn)生超聲波，通過水的傳播后在組織中間聚焦，形成橢球形的HIFU治療熱損傷焦域，組織表面的電極連接阻抗分析儀，在計(jì)算機(jī)的控制下實(shí)時(shí)測量電阻抗并保存；

(2)通過固定信號源輸出信號的幅度，在治療時(shí)間內(nèi)以0.1～1s的固定時(shí)間間隔實(shí)時(shí)測量組織電阻抗，并計(jì)算得到RIV隨時(shí)間的分布曲線，結(jié)合時(shí)間間隔計(jì)算RIVR，利用組織RIV與治療時(shí)間、聲功率與組織電阻抗之間的線性關(guān)系，得到當(dāng)前驅(qū)動條件下HIFU換能器的輸出聲功率；

(3)設(shè)定HIFU焦域徑向±0.4mm范圍內(nèi)達(dá)到組織熱損傷臨界溫度70℃，認(rèn)為在該范圍內(nèi)達(dá)到了HIFU治療療效，基于達(dá)到治療療效時(shí)RIV和聲功率的反比關(guān)系，根據(jù)步驟(2)計(jì)算出的當(dāng)前聲功率，進(jìn)而利用RIV實(shí)時(shí)測量來監(jiān)測組織的HIFU治療療效，實(shí)現(xiàn)劑量控制；

(4)根據(jù)所需治療時(shí)間和聲功率平方的反比關(guān)系，根據(jù)步驟(2)所計(jì)算出的當(dāng)前聲功率，計(jì)算達(dá)到HIFU治療療效時(shí)所需要的治療時(shí)間，實(shí)現(xiàn)劑量控制。

進(jìn)一步，步驟(2)電阻抗測量和超聲頻率設(shè)定不同，所述HIFU換能器發(fā)出的超聲頻率范圍為0.5-5MHz，電阻抗測量的頻率范圍50–500kHz，以減少HIFU聲場對電場的干擾，提高測量精度。

進(jìn)一步，步驟(2)組織電阻抗相對變化率與聲功率的關(guān)系為：

RIVR≈0.015P_A×100％/s。

進(jìn)一步，步驟(3)在達(dá)到HIFU治療療效時(shí)，RIV和聲功率的反比關(guān)系：RIV≈9.8/P_A；治療時(shí)間和聲功率的平方反比關(guān)系：Δt≈680/P_A²。

有益效果：本發(fā)明針對傳統(tǒng)HIFU治療中溫度和療效監(jiān)控靈敏度低、精度差、空間分辨率低的問題，提出HIFU焦域徑向±0.4mm范圍內(nèi)達(dá)到組織熱損傷臨界溫度70℃時(shí)的組織電阻抗突變作為HIFU治療療效評估的實(shí)時(shí)監(jiān)測參數(shù)，并結(jié)合超聲作用時(shí)間進(jìn)行超聲劑量控制，基于相對電阻抗變化RIV和聲功率的關(guān)系，通過組織體表電阻抗的相對變化定量評估HIFU治療療效，還可以通過HIFU超聲功率來調(diào)節(jié)治療時(shí)間，實(shí)現(xiàn)超聲劑量的精確控制，為HIFU治療提供一種無創(chuàng)實(shí)時(shí)療效監(jiān)測和超聲劑量控制新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)按照HIFU聲功率調(diào)節(jié)治療時(shí)間的超聲劑量的精確控制，具有良好的敏感性與較高的分辨率，滿足HIFU治療的應(yīng)用要求，可以廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)工程和腫瘤診療等領(lǐng)域，對HIFU治療具有重要的指導(dǎo)意義和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為超聲治療療效監(jiān)測和超聲劑量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)(b)(c)分別為同一超聲功率(15.68W)作用下的溫度、電阻抗和電場分布圖；

圖3(a)(b)分別為達(dá)到治療效果時(shí)，不同超聲功率作用下相應(yīng)治療時(shí)刻的溫度和電導(dǎo)率分布圖；

圖4(a)(b)為理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量得到不同功率下的相對阻抗變化(RIV)和相對阻抗變化率(RIVR)隨時(shí)間的變化分布圖；

圖5為達(dá)到治療效果時(shí)，不同超聲功率作用下所需要的RIV和相應(yīng)的治療時(shí)間。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。

實(shí)施例：一種高強(qiáng)度聚焦超聲治療療效監(jiān)測和超聲劑量控制系統(tǒng)及方法，具體操作如下：

本實(shí)施例實(shí)驗(yàn)中所用組織是由溶膠凝膠法模型進(jìn)行制備的，將10g丙烯酰胺、0.05g過硫酸銨、0.3g甲叉雙丙烯酰胺、35mL的蛋清加入到0.9％的生理鹽水中配置成100mL凝膠溶膠，然后加入0.2mL的四甲基乙二胺攪勻后，倒入直徑和高度分別為3.2cm和3.5cm的、定制的圓柱形亞克力模具中進(jìn)行定型。其中的蛋清作為溫度指示劑，當(dāng)溫度達(dá)到70℃時(shí)，蛋白質(zhì)發(fā)生變性，由透明的淺黃色變?yōu)椴煌该鞯陌咨?/p>

如圖1所示，建立HIFU治療系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)A連接信號發(fā)生器B，控制信號源輸出和HIFU換能器同頻且不同幅度的連續(xù)正弦信號，經(jīng)過功率放大器C放大后驅(qū)動HIFU換能器產(chǎn)生超聲波，通過水的傳播后在組織中間聚焦，使內(nèi)部溫度升高發(fā)生凝固性變性，形成橢球狀的焦斑。本實(shí)施例HIFU換能器為直徑10cm、焦距10cm、中心頻率1.13MHz的球殼聚焦超聲換能器。

建立電阻抗監(jiān)測系統(tǒng)，在組織上下兩側(cè)表面對稱放置兩個(gè)3.5cm*2.5cm的片狀電極終端，一端設(shè)置成接地端，電壓恒為0V，另一端設(shè)置成恒流源，為了便于組織模型電阻抗的計(jì)算，通過電極間的電壓測量即可獲得組織模型的電阻抗。兩個(gè)電極通過平衡輸出連接阻抗分析儀D，在計(jì)算機(jī)A的控制下實(shí)時(shí)測量電阻抗并保存。

隨著超聲功率的作用，組織模型內(nèi)部HIFU焦域的溫度會升高并呈現(xiàn)中間高周圍低的分布，其相應(yīng)的電導(dǎo)率分布改變電流流向和電場分布，進(jìn)一步引起組織模型的電阻抗變化。

函數(shù)信號發(fā)生器輸出中心頻率1.13MHz、不同電壓幅值的連續(xù)正弦信號，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動實(shí)驗(yàn)聚焦超聲換能器，利用激光測振儀測分別對換能器表面進(jìn)行振幅和振速的測量，并計(jì)算聲功率。聲功率15.68W不同加熱時(shí)間時(shí)，得到如圖2(a)所示的HIFU焦域處二維軸向剖面的溫度分布。可見隨著超聲治療時(shí)間的延長，焦點(diǎn)及周圍組織的溫度不斷升高，同時(shí)熱量不斷向周圍組織擴(kuò)散，周圍組織溫度升高，焦域面積不斷增大，在軸向剖面上逐漸形成了橢圓形的焦斑。

在HIFU作用于組織模型2.4s后，在焦域徑向±0.4mm橢球范圍內(nèi)的組織溫度達(dá)到了70℃，認(rèn)為達(dá)到了HIFU治療療效，產(chǎn)生了不可逆的組織凝固。進(jìn)一步將電導(dǎo)率-溫度關(guān)系引入到圖2(a)的溫度分布中：組織電阻抗隨著溫度的提高而減小，在蛋白質(zhì)凝固時(shí)產(chǎn)生較大的跳變，因此溫度-電導(dǎo)率σ(T)(S/m)可用分段函數(shù)描述：

得到如圖2(b)所示的不同治療時(shí)間下HIFU焦域的電阻抗軸向剖面圖，并將其應(yīng)用到電場中進(jìn)行計(jì)算，得到如圖2(c)所示的組織內(nèi)部的電流密度與電勢分布隨治療時(shí)間的二維徑向截面分布。隨著HIFU治療時(shí)間的延長，焦域溫度升高，電導(dǎo)率提高，周圍電流項(xiàng)中心聚集，電流密度增大，焦域周圍的電勢產(chǎn)生彎曲的分布，因此組織模型整體的電勢逐漸降低，組織模型的電阻抗也相應(yīng)減小，產(chǎn)生逐漸增大的RIV。

在滿足徑向±0.4mm的橢球范圍達(dá)到70℃前提下，HIFU焦域的二維溫度和電阻抗分布如圖3(a)和3(b)所示，隨著聲功率的增大和治療時(shí)間的減小，組織熱擴(kuò)散效果小，組織的溫升區(qū)域減小。對于高聲功率，焦域中心溫度高，治療時(shí)間短，由此產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)量小，熱擴(kuò)散總量小，溫升范圍小，因此在達(dá)到治療要求時(shí)對周圍組織的影響較小，有利于實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)區(qū)域的精確HIFU治療?？梢娫诒ＷCHIFU治療療效區(qū)域基本一致的前提下，較低聲功率作用下HIFU焦域的溫升區(qū)域較大，電導(dǎo)率變化區(qū)域變大。隨著聲功率的增大，治療時(shí)間減少，焦點(diǎn)處的電導(dǎo)率升高較快，焦域邊緣電導(dǎo)率變化速度提高，電導(dǎo)率變化分布的區(qū)域較小。

因此，本實(shí)施例利用組織電阻抗的相對變化來消除組織基礎(chǔ)電阻抗差異影響，通過HIFU治療中的實(shí)時(shí)測量電阻和基礎(chǔ)電阻的相對變化反映組織內(nèi)部HIFU焦域的溫度變化。為了定量分析組織模型的RIV和HIFU治療時(shí)間及焦域溫升的關(guān)系，設(shè)R₀和R_n分別為組織模型在HIFU治療前和治療時(shí)間Δt后的電阻抗，定義：

組織電阻抗的相對變化：RIV＝(R_n-R₀)/R₀×100％ (2)

組織電阻抗相對變化率：RIVR＝(R_n-R₀)/R₀/Δt×100％ (3)

通過固定信號源輸出信號的幅度，在治療時(shí)間內(nèi)以0.1～1s的固定時(shí)間間隔實(shí)時(shí)測量組織電阻抗，并計(jì)算得到RIV隨時(shí)間的分布曲線。圖4(a)顯示了不同聲功率作用下組織模型的RIV隨超聲治療時(shí)間的變化關(guān)系，在相同HIFU聲功率條件下，RIV隨治療時(shí)間呈現(xiàn)線性增大趨勢。聲功率越大，RIV增長速度越快，其斜率越大。

結(jié)合時(shí)間間隔計(jì)算RIVR，利用組織RIV與治療時(shí)間、聲功率與組織電阻抗之間的線性關(guān)系，得到當(dāng)前驅(qū)動條件下HIFU換能器的輸出聲功率。圖4(b)顯示了聲功率對電阻抗變化率的影響，RIVR和P_A表現(xiàn)為良好的線性關(guān)系，聲功率P_A越大，RIVR越大，二者的關(guān)系擬合為：

組織電阻抗相對變化率的關(guān)系：RIVR≈0.015P_A×100％/s (4)

基于組織電阻抗相對變化率的聲功率：P_A≈66.7RIVR (5)

在達(dá)到HIFU治療療效時(shí)，組織模型RIV和所需要的治療時(shí)間Δt與HIFU聲功率P_A的關(guān)系如圖5所示，組織模型RIV和聲功率存在反比關(guān)系，所需要的治療時(shí)間和聲功率的平方呈現(xiàn)反比關(guān)系，三者關(guān)系可以擬合為：

RIV和聲功率的反比關(guān)系：RIV≈9.8/P_A (6)

治療時(shí)間和聲功率的平方反比關(guān)系：Δt≈680/P_A² (7)

根據(jù)RIV隨時(shí)間的線性關(guān)系，可以計(jì)算出RIVR，進(jìn)一步通過公式(5)可以計(jì)算出該條件下的聲功率，實(shí)現(xiàn)基于RIV的聲功率測量；在固定聲功率的前提下，為了精確控制HIFU治療療效，可以利用公式(6)和(7)，計(jì)算所需要的RIV和治療時(shí)間，通過RIV來實(shí)現(xiàn)HIFU治療療效監(jiān)測，用治療時(shí)間來完成超聲劑量的控制，具有良好的可行性和應(yīng)用性。