專利名稱：采用非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非線性聲參量測量溫度的方法，即采用超聲中的非線性聲參量來無損測量高強度聚焦超聲場溫度提升的技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前采用的高強度聚焦超聲來治療腫瘤(HIFU)是利用熱效應(yīng)來達到治療腫瘤的目的，無損測量并控制其溫度非常重要，否則會導(dǎo)致治療效果不好或?qū)θ梭w的傷害。目前無正式可行的國家標(biāo)準。
現(xiàn)有的溫度測量儀表按測溫方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。通常來說接觸式測溫儀表比較簡單、可靠，測量精度較高；但因測溫元件與被測介質(zhì)需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，所以存在測溫的延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫材料的限制，不能應(yīng)用于很高的溫度測量。非接觸式儀表測溫是通過熱輻射原理來測量溫度的，測溫元件不需與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快；但受到物體的發(fā)射率、測量距離、煙塵和水氣等外界因素的影響，其測量誤差較大，而且一般不能對組織的內(nèi)部進行較準確的測量。
傳統(tǒng)的測溫方式，例如使用水銀溫度計、熱電偶等多是接觸式的，破壞使用高強度聚焦超聲進行治療的無損優(yōu)點。新興的紅外測溫方式，因為信號在生物組織中的強烈衰減，而無法探測到組織深處。
現(xiàn)在也有一些改進方案，采用超聲法來進行測溫如分析與頻率有關(guān)的聲衰減[1]；聲背向散射功率[2]；聲速和熱膨脹系數(shù)等[3-5]與溫度的變化關(guān)系等來進行無損測溫。另外還有核磁共振法[6]；阻抗成像法[7]；微波輻射線測定法[8]等，由于設(shè)備價格昂貴或測量精度的限制，尚未達到實用階段。
S.Ueno，M.Hashimoto，H.Fukukita，T.Yano，“ultrasound thermometry inhyperthermia，超聲熱療中的超聲溫度測定法”proc IEEEUltrason.Symp.，p.1645-1652.1990[2]W.Straube and R.Arthur，“Theoretical estimation of the temperaturedpendence of backscattered ultrasonic power for noninvasive thermometry，非侵入性的與溫度有關(guān)的超聲背向散射功率溫度測定法理論估算″Ultrason.Med.Biol.，Vol.20，No.9，p.915-922，1994. R.Seip and E.Ebbini，Non-invasive estimation of tissue temperatureresponse to heating fields using diagnostic ultrasound，利用超聲進行非侵入性的組織溫度估算″IEEE Trans.Biomed.Eng.，Vol.42，No.8，p.828-839，Aug.1995. R.Moreno，C.Damianou，and N.Sanghvi，“Tissue temperaturc estimationin-vivo with pulse-echo，在活的機體內(nèi)組織的超聲回聲溫度測量″Proc.IEEEUltrason.Symp，Nov.p.1225-1229，1995[5]R.Moreno and C.Damianou，“Noninvasive temperature estimation intissue via ultrasound echo-shifts.Part IAnalytical model，通過超聲回聲進行非侵入性的組織溫度估算，第一部分理論模型，″J.Acoust.Soc.Amer，vol.100，p.2514-2521，1996. K.Hynynen，A.Chung，T.Fjield，M.Buvhanan，D.Daum，V.Colucei，P.Lopath，F(xiàn).Jolesz，F(xiàn)easiblility of using ultrasound phased arrays for MRI monitorednoninvasive surgery，使用超聲參量陣來進行核磁共振監(jiān)視下的無損手術(shù)”，IEEE trans.Ultrason.，F(xiàn)erroelectric，F(xiàn)req.Control.，Vol.43，p1043-1053，1996核磁共振法[7]K.Paulsen，M.Moskowitz，T.Ryan，S.Mitchell and P.Hoopes，“Initialin vivo experience with EIT as a thermal estimation during hyperthermia，在熱療中采用EIT進行熱估計的體內(nèi)初步實驗核磁共振法”，Int.
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非線性聲參量B/A的基本概念醫(yī)學(xué)超聲研究發(fā)展了的生物組織非線性聲參量超聲成像。動物軟組織非線性聲參量B/A指HIFU作用生物組織時會產(chǎn)生基頻(f0及二次諧波(2f0)，非線性聲參量B/A是指物態(tài)方程中二階項與一階項的系數(shù)之比，它是超聲波在生物介質(zhì)(如機體組織)中傳播時非線性效應(yīng)的量度，并對溫度具有明顯的依賴性。
本發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的采用非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法，是使用非線性聲參量B/A對熱源(非聲源)和超聲源引起的生物組織的溫度變化進行無損測量，即利用基頻(f0)及二次諧波(2f0)的強度比與生物組織的溫度之間的關(guān)系來反推生物組織的溫度。HIFU能量較高，產(chǎn)生較大的非線性效應(yīng)，聲速、聲衰減系數(shù)和非線性聲參量B/A均會隨溫度變化。
非線性聲參量B/A參數(shù)與生物組織的溫度之間的關(guān)系可以這樣獲得生物組織在不同溫度下具有不同的非線性聲參量B/A，通過預(yù)先測量非線性聲參量B/A與生物組織的溫度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)存儲在存儲器內(nèi)，可與IHFU治療的同一計算機一并運算，在使用時根據(jù)HIFU作用下待測媒質(zhì)的B/A變化來反演其溫度提升。
本發(fā)明非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法的裝置包括以下單元組成信號發(fā)生器(實際使用時可利用HIFU的在生物組織內(nèi)的超聲)、測量用傳感器使用超聲換能器，功率放大器，另可設(shè)有數(shù)字示波器，還包括反射板、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器等。
儀器設(shè)計人員常在選頻2f0成像狀態(tài)下，自動提升放大器總增益(但增益的提升數(shù)據(jù)不顯示)，使2f0信號突出，用于測量B/A，相對于聲速和聲衰減系數(shù)，非線性聲參量對溫度的靈敏度高。
本發(fā)明的技術(shù)方案的機理是1、聲參量在生物組織中對溫度的依賴關(guān)系將不同生物組織放入恒溫水糟中，改變水槽溫度，足夠長時間后檢測聲參量的變化，得到非線性聲參量與溫度的關(guān)系，結(jié)果見表1，2，3。
由以上的表可知，聲學(xué)參量在生物媒質(zhì)中隨溫度的變化將發(fā)生改變。通過對不同組織的實驗可以知道，相較于聲速和聲衰減系數(shù)，非線性聲參量B/A變化率(在20℃到60℃之間，每10℃的平均變化率的絕對值)最大，最能敏感的反映生物組織的溫度變化，這一發(fā)現(xiàn)為聲參量用于無損測溫提供了新的實驗基礎(chǔ)。
2、用B/A檢測由非超聲源引起的溫度場變化用非線性參量B/A測量生物組織中的溫度場因環(huán)境變化(即由非超聲源)引起的變化時，先將生物組織放置在26℃的水中浸泡15分鐘，使得組織內(nèi)各部分的溫度均勻且一致，再將生物組織放入60℃的水中，因為熱傳導(dǎo)是需要時間的，3分鐘后，當(dāng)生物組織各部分的溫度分布不均時，測量非線性聲參量B/A在軸向上的分布。根據(jù)非線性聲參量與溫度的關(guān)系，反演可以得到在組織中的溫度場分布。
由B/A值反推的溫度結(jié)果與熱電偶測量、傳熱模型計算結(jié)果相比，驗證方法的可行性，見圖1、2等。
3、用B/A測量超聲作用下溫度場的變化用超聲源輻照生物組織，引起溫升，同時檢測聲參量的變化。
根據(jù)非線性聲參量B/A與溫度的關(guān)系，反演可以得到在組織的溫度場分布。
由B/A值反推的溫度結(jié)果與熱電偶測量、理論模型計算結(jié)果相比，驗證方法的可行性，見圖3和圖4。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點是非線性聲參量B/A相對于聲速和聲衰減系數(shù)對溫度的靈敏度高，尤其是在人體體溫的區(qū)域具有更好的靈敏度。采用非線性聲參量B/A進行無損測溫，靈敏度高，可提高HIFU進行超聲治療的效果。該項目的應(yīng)用可以幫助企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時節(jié)約大筆開支，本發(fā)明不僅可獲得直接經(jīng)濟效益，而且可獲得顯著的社會效益。
四

圖1熱源引起肝臟組織中溫度軸向分布，B/A值反推的溫度結(jié)果與熱電偶測量、傳熱模型計算結(jié)果。
圖2熱源引起肌肉組織中溫度軸向分布，B/A值反推的溫度結(jié)果與熱電偶測量、傳熱模型計算結(jié)果。
圖3超聲引起的脂肪組織中溫度隨時間的變化狀況，熱電偶法和非線性聲參量B/A反推的結(jié)果對比。
圖4超聲換能器對脂肪組織進行加溫的過程，溫度提升的理論計算結(jié)果與熱電偶法和非線性聲參量B/A反推的結(jié)果對比。
圖5本發(fā)明機理驗證的熱源(非聲源)實驗系統(tǒng)示意圖。
圖6本發(fā)明機理驗證的超聲源實驗系統(tǒng)示意圖。
五具體實施例方式
A、熱源引起的溫度提升實驗系統(tǒng)如圖5所示，實驗樣品為圓柱形，樣品尺寸為厚度為3cm，半徑為2.75cm。實驗時，使用復(fù)合結(jié)構(gòu)超聲換能器，它由圓形和環(huán)形二部分組合而成，圓形的中心頻率為2MHz，用于發(fā)射換能器，而環(huán)形的中心頻率為4MHz，用于接收換能器。用脈沖發(fā)生器(81101A)來調(diào)制中心頻率為2MHz的超聲正弦信號，再把已調(diào)制信號經(jīng)寬帶功率放大器(ENI A150)放大后加到發(fā)射換能器，作為發(fā)射信號。反射信號接收換能器接收，由數(shù)字示波器采樣，通過接口將數(shù)據(jù)傳給計算機作進一步處理，以提取二次諧波分量。超聲換能器沿樣品半徑方向掃描。實驗時使用熱電偶測量得到的樣品溫度及用B/A反推得到的溫度的分布及理論模型預(yù)測得到的溫度分布曲線，見圖1，2。
圖1肝臟組織中的溫度分布，·表示由B/A實驗值反推得到的溫度值；實線表示其擬合曲線；虛線表示由傳熱模型計算得到的溫度分布曲線；○表示由熱電偶測量得到的溫度值。
圖2肌肉組織中的溫度分布，·表示由B/A實驗值反推得到的溫度值；實線表示其擬合曲線；虛線表示由傳熱模型計算得到的溫度分布曲線；○表示由熱電偶測量得到的溫度值。
B、超聲源引起的溫度變化實驗使用參數(shù)加熱用超聲換能器焦距D＝13cm，頻率f＝1.26MHz，半徑a＝3cm，初始聲壓3.0×105Pa。水槽中注水，水的參數(shù)為密度ρ＝1000kg/m3，聲速c＝1480m/s，聲衰減系數(shù)α＝1.96Np/m(2MHz時的參數(shù))，非線性系數(shù)β＝3.6，β=1+12(B/A)]]>；樣品為脂肪，參數(shù)為密度ρ＝950kg/m3，聲速c＝1445m/s，聲衰減系數(shù)α＝47.7Np/m(2MHz時的參數(shù))，非線性系數(shù)β＝6.15，樣品的厚度為3cm。
實驗系統(tǒng)測量框圖見圖6，由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生150mv正弦波連續(xù)信號，通過功率放大器放大55dB后，加載到加熱用超聲換能器上。檢測換能器采用平面活塞換能器，其中發(fā)射換能器為中心頻率為3MHz的平面換能器，接收換能器為中心頻率為6MHz的平面換能器，函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生150mv，脈寬為3.33μs，間隔500μs的脈沖調(diào)制信號，通過功率放大器放大到50dB后，加載到發(fā)射換能器上，發(fā)射的聲波信號通過樣品后，由接收換能器接收，由基頻(f0)及二次諧波(2f0)的強度比可得到樣品的B/A。加熱用超聲換能器加熱樣品后，樣品發(fā)生溫升，相應(yīng)其非線性聲參量發(fā)生變化，根據(jù)生物組織的非線性聲參量B/A與溫度的關(guān)系，可反推生物組織的溫升，實驗結(jié)果見圖3，4。
超聲引起的脂肪組織中溫度隨時間的變化狀況見圖3，全過程耗時2400秒(即40分鐘)。前1320秒(即前22分鐘)是由超聲換能器對組織進行加溫的過程；后1080秒(即18分鐘)為相同環(huán)境下，超聲換能器停止工作后，組織的自然散熱過程。圖3為熱電偶法和非線性聲參量B/A反推的結(jié)果對比，圖中“-”由數(shù)字式測溫儀MV100測得；“★”表示的點由非線性聲參量B/A測量反推得到。
圖4超聲換能器對脂肪組織進行加溫的過程，溫度提升的理論計算結(jié)果與熱電偶法和非線性聲參量B/A反推的結(jié)果對比，圖中 “-”部分由數(shù)字式測溫儀MV100測得，“★”表示的點由非線性聲參量B/A測量反推得到，“---”為理論計算結(jié)果。
表1豬脂肪組織的聲學(xué)參量隨溫度的變化

表2豬肌肉組織的聲學(xué)參量隨溫度的變化

表3豬肝臟組織的聲學(xué)參量隨溫度的變化

說明變化率是指20℃到60℃之間，每10℃的平均變化率的絕對值。
權(quán)利要求
1.采用非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法，其特征是使用非線性聲參量B/A對熱源(非聲源)和超聲源引起的生物組織的溫度變化進行測量，即通過測量基頻(f0)及二次諧波(2f0)的強度比與生物組織的溫度之間的關(guān)系來確定生物組織的溫度。
2.由權(quán)利要求1所述的非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法其特征是利用非線性聲參量B/A對熱源(非聲源)和超聲源引起的生物組織的溫度變化進行測量。
3.由權(quán)利要求1所述的非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法其特征是非線性聲參量B/A與生物組織的溫度之間的關(guān)系可以這樣獲得生物組織在不同溫度下具有不同的非線性聲參量B/A，通過預(yù)先測量非線性聲參量B/A與生物組織的溫度之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)存儲在存儲器內(nèi)，可與HIFU治療的同一計算機一并運算。
全文摘要
采用非線性聲參量進行超聲無損測溫的方法，使用非線性聲參量B/A對熱源(非聲源)和超聲源引起的生物組織的溫度變化進行測量，即通過測量基頻(f
文檔編號G01K11/22GK1837764SQ200510123108
公開日2006年9月27日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者劉曉宙, 盧瑩, 龔秀芬, 章東 申請人:南京大學(xué)