基于紅外熱成像的高強(qiáng)度聚焦超聲相控特性測量方法

基于紅外熱成像的高強(qiáng)度聚焦超聲相控特性測量方法

【作 者】張光漢1,2，白景峰1,2

1 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)儀器研究所，上海市，200030

2 上海交通大學(xué)Med-X研究院，上海市，200030

相控聚焦超聲的三維熱場分布是衡量高強(qiáng)度聚焦超聲相控?fù)Q能器性能的關(guān)鍵指標(biāo)，利用紅外熱成像技術(shù)定性測量相控聚焦超聲換能器的聲熱場特性取得了顯著進(jìn)展。該文提出一種基于紅外熱成像測量相控聚焦超聲相控特性的方法，并建立一套完整的測量系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，該文提出的測量系統(tǒng)可以有效地測量相控聚焦超聲換能器的相控特性，對相控聚焦超聲聲場特性測量的標(biāo)準(zhǔn)化具有重要意義。

相控聚焦超聲；聚焦聲場測量系統(tǒng)；紅外熱成像；相控特性測量

【 Writers 】ZHANG Guanghan1,2, BAI Jingfeng1,2

1 Biomedical Instrument Institute, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

2 Med-X Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

【 Abstract 】Phase-Controlled high intensity focused ultrasound 3D temperature distribution is the key indicator for measuring the ef fi ciency of HIFU transducer. Considerable progress has been achieved in the use of infrared (IR) imaging techniques for qualitative mapping of acoustic and thermal fi eld of high intensity focused ultrasound (HIFU) transducers. This article proposes a method to measure phased-controlled characteristics of HIFU based on infrared thermal imaging and establishes a whole measurement system to make the method more quantitative and reliable. The result shows that the proposed measurement system is able to measure pHIFU characteristics rapidly and precisely, which will be of great signi fi cance in standardizing the measurement of pHIFU acoustic fi eld.

0 引言

高強(qiáng)度聚焦超聲(High-Intensity Focused Ultrasound, HIFU)作為一種非侵入式(non-invasive)治療技術(shù)，為臨床醫(yī)生進(jìn)行腫瘤治療提供了除手術(shù)、化療和放療以外一種綠色物理治療的選擇，引起了國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界的高度關(guān)注，正進(jìn)行著廣泛的臨床應(yīng)用研究。HIFU的基本原理是利用超聲波特有的穿透性、方向性和聚焦性，將超聲波束聚焦到病變組織內(nèi)一個預(yù)先設(shè)定的靶點（即焦點），在聚焦區(qū)域內(nèi)沉淀的超聲能量轉(zhuǎn)化為熱能，使局部溫度迅速升高并導(dǎo)致組織發(fā)生凝固性壞死（又稱為熱損傷），同時周圍正常組織不受到傷害[1]。相控聚焦超聲(pHIFU)是在HIFU的基礎(chǔ)上利用電子相控技術(shù)控制聚焦區(qū)域中焦點的形狀、位置、個數(shù)，實現(xiàn)高精度、高效率的治療。在pHIFU治療系統(tǒng)的研究中，相控聚焦換能器的相控聲場特性是衡量其性能的主要參數(shù)[2]。實際測量在進(jìn)行性能評價時，由于所采用的換能器或換能器陣列多種多樣，現(xiàn)有測量聚焦換能器相控特性的方法不能完整描述這些換能器或換能器陣列的一些特性，如偏轉(zhuǎn)特性等相控特性。因此相控聚焦超聲的相控聲場特性測量方法研究是pHIFU研究領(lǐng)域的一個重要課題。

利用紅外熱成像技術(shù)測量超聲吸收體表面的聲熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)是近年來提出的測量HIFU聲場的新方法[3]。紅外熱成像具有數(shù)據(jù)易采集、圖像空間分辨率高，測溫范圍廣等優(yōu)點[3]，本文就是利用紅外熱成像技術(shù)的這些優(yōu)點，提出一種測量pHIFU換能器的相控聲場特性的新方法，并構(gòu)建一套測量系統(tǒng)，在現(xiàn)有關(guān)于聚焦換能器的測量方法上進(jìn)一步測量和刻畫相控型聚焦換能器的相控特性。

1 方法

1.1 現(xiàn)有HIFU聲熱場特性測量方法

目前IEC超聲委員會推薦測量超聲功率的方法是輻射力法，推薦測量超聲聲場分布的方法是水聽器法[4-5]。這兩種方法的基本思想是：在小功率條件下，用水聽器三維掃描法找到聲壓焦點位置，對聚焦聲場進(jìn)行掃描測量，并計算出焦點的幾何參數(shù)；用水聽器或輻射力法測量超聲功率，再按照相關(guān)公式求出最大聲強(qiáng)。這兩種方法的主要缺點是掃描三維聲場耗時長、僅適用于小功率條件下測量、不能很好地描述相控聲場的偏轉(zhuǎn)特性等。

對于聚焦聲場熱場分布的測量，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的測量方法，前人提出了熱電偶、BSA、非離子表面活性劑等方法，但是這些方法都有一定的局限性。近年研究利用新型材料制成的仿體對溫度分布進(jìn)行可視化測量取得顯著發(fā)展[6]，這種方法可以直觀、快速地測量聚焦聲場的溫度分布。

1.2 基于紅外熱成像的HIFU聲場相控特性測量方法原理

為彌補現(xiàn)有方法測量相控聲場特性的不足，本文提出基于紅外熱成像的pHIFU聲場特性測量方法。該方法是基于紅外熱成像測量HIFU聲場方法[7]的擴(kuò)展，主要原理是利用紅外熱成像技術(shù)實時地測量pHIFU聲場中的超聲吸收體被輻照表面的溫度分布，通過移動被照超聲吸收體的位置得到被輻照表面在聲場中不同位置的溫度分布，經(jīng)過三維重建后，就可以得到相控聲場的用熱場表示的焦點大小、－6 dB焦域尺寸等聚焦參數(shù)及相關(guān)的偏轉(zhuǎn)精度等相控?zé)嵝?。該方法通過直接測熱場分布來表征聚焦換能器的相控特性，可以有效解決目前已有標(biāo)準(zhǔn)和方法的不足，提供一種能快速、高效表征HIFU聚焦換能器相控特性的測量方法，因此研究并實現(xiàn)這種技術(shù)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1.3 聲熱轉(zhuǎn)換計算模型分析

通過本文提出的測量方法得到聚焦換能器的溫度場分布，以及用熱場表征的聚焦聲場的相控特性，作為對比，需測得同等條件下聲場分布。利用基于水聽器和紅外熱成像測量HIFU聲場的方法[7]即可測得聲場中任意一個位置的聲強(qiáng)估計值：

根據(jù)聚焦聲場的聲場分布，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)[4-5]中的相關(guān)參數(shù)定義，計算得到用聲強(qiáng)表征的焦點、－6 dB焦域尺寸、偏轉(zhuǎn)精度等相控特性，并與本文提出的方法測量得到的用熱場表征的相控特性比較。

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)搭建

為了實現(xiàn)基于紅外熱成像的HIFU聲熱場測量，構(gòu)建一套完整的測量系統(tǒng)[8]。這套測量系統(tǒng)可以滿足本文提出的聚焦聲場熱場測量方法的要求，同時也可以滿足水聽器測量方法的要求。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型HIFU聲熱場測量系統(tǒng)框架圖Fig. 1 Framework of the new HIFU fi eld measurement system

硬件系統(tǒng)主要由定位系統(tǒng)和水槽構(gòu)成。定位系統(tǒng)用于在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)固定和自由移動超聲換能器、超聲吸收體及測量設(shè)備（水聽器、紅外熱像儀等），水槽用于盛裝蒸餾或去離子的除氣水。

軟件系統(tǒng)主要包括位移控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及上位機(jī)界面模塊。位移控制模塊用于操控定位系統(tǒng)，以實現(xiàn)三軸（X，Y，Z）定位、按照設(shè)定路徑掃描聲場等功能。數(shù)據(jù)采集模塊則負(fù)責(zé)將水聽器和紅外熱成像儀采集到的信號通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口采集到系統(tǒng)中并保存。數(shù)據(jù)處理模塊為軟件系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)將采集的信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的聲場測量參數(shù)。上位機(jī)界面模塊實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的人機(jī)交互，主要包括實時測量數(shù)據(jù)和結(jié)果的展示、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等。

2.2 聚焦聲場溫度分布的測量

根據(jù)搭建的測量系統(tǒng)（圖2），相控聲場特性的測量主要包括以下步驟。

圖2 測量系統(tǒng)Fig. 2 Measurement system

(1) 確定聲場中超聲吸收體的表面溫升最大時所在的位置，記錄此時的最大溫升率，用于計算式(1)中的復(fù)合量G，描繪出該位置所在平面的－6 dB等溫線，并計算出該平面的－6 dB焦域尺寸；

(2) 分別設(shè)定換能器為自然焦點和偏轉(zhuǎn)焦點模式，記錄相應(yīng)模式下的超聲吸收體表面溫升紅外熱圖，確定各自最大溫升點的平面坐標(biāo)，在相同坐標(biāo)系內(nèi)比較，二者之間的距離即為相控偏轉(zhuǎn)精度(DFS)；

(3) 以一定間隔移動超聲吸收體（以溫升等于焦平面溫升的1/4為間隔），使用相同的加熱時間，得到不同平面加熱過程中的紅外熱圖像，并根據(jù)紅外熱圖像描繪出聲束軸上－6 dB的等溫線；

(4) 取出步驟（2）獲得的各個層面的溫度分布進(jìn)行分析，計算得到熱場表征的相控特性參數(shù)。三維重建后即可得到換能器的－6dB三維體；

(5) 利用步驟（1）得到的G以及步驟（3）得到的各層面上的溫度分布，根據(jù)式（1）可求得各層面的聲強(qiáng)的分布，進(jìn)一步計算出聲強(qiáng)表征的相控特性參數(shù)，并與步驟（4）的結(jié)果進(jìn)行對比。

3 仿真與結(jié)果

3.1 理論仿真

針對本文提出的基于紅外熱成像測量聚焦超聲聲熱場進(jìn)行了理論仿真。使用兩種具有不同聲學(xué)參數(shù)、熱學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù)的超聲吸收體S1和S2，從理論上驗證該方法的適用范圍。

表1 仿真實驗所用超聲吸收體的聲、熱學(xué)參數(shù)Tab.1 The acoustic and thermal parameters of absorbers used in simulations

其中超聲吸收體S1的聲、熱學(xué)參數(shù)與生物組織的參數(shù)相近，超聲吸收體S2是根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究方法設(shè)定的，兩種超聲吸收體的厚度均為2 mm。

選用超聲吸收體S1進(jìn)行真實輻照仿真，HIFU聲強(qiáng)設(shè)定為1 060 W/cm2，輻照時間為200 ms，2.4 s內(nèi)超聲吸收體表面的溫度及溫升變化如圖3所示。圖3(a)表示超聲吸收體表面的溫度隨時間的變化，圖3(b)表示超聲吸收體表面的溫升率隨時間的變化。

圖3 S1的表面溫度分布圖Fig.3 Temperature distribution of absorber S1 surface

分別將超聲吸收體S1和超聲吸收體S2放置在聲場中的5個位置（焦平面及其左右各2個面）進(jìn)行仿真，輻照時間200 ms，換能器參數(shù)為65陣元，焦距為130 mm，直徑為100 mm。仿真結(jié)果見表2和表3。

表2 －6 dB寬度和軸線聲強(qiáng)在S1下的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results S1 of －6 dB width and on-axis intensity

表3 -6 dB寬度和軸線聲強(qiáng)在S2下的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results S1of -6 dB width and on-axis intensity

從仿真結(jié)果可以看出，使用本文提出的方法得出的－6 dB寬度、軸線聲強(qiáng)與理論值之間的相對誤差跟水聽器法相應(yīng)的結(jié)果相比更小，因此相對更加精確。

3.2 實驗測量

利用圖2所示的測量系統(tǒng)進(jìn)行了初步實驗測量，由于條件限制，只做了水聽器測量焦點聲強(qiáng)部分，結(jié)果如圖4所示。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊計算焦點處的聲強(qiáng)為5.64 W/cm2。

4 結(jié)論

圖4 水聽器測得的焦平面聲強(qiáng)Fig.4 The intensity of focal plane measured by hydrophone

本文研究了基于紅外熱成像的聚焦超聲相控特性測量方法，設(shè)計了一套適配的測量系統(tǒng)和測量步驟。從仿真結(jié)果可以看出，本文提出的測量方法能夠快速有效地測得紅外熱像圖，由此計算得出的軸線聲強(qiáng)和聲束－6 dB 寬度與理論計算結(jié)果吻合度很高，總體上驗證了本文提出的聚焦超聲相控特性測量方法的可行性。后續(xù)完善實驗測量平臺后，需進(jìn)一步完善該測量方法并標(biāo)準(zhǔn)化，這對相控聚焦超聲聲場測量標(biāo)準(zhǔn)化具有重要意義。

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Measurement of Phase-controlled Characteristics of HIFU Based on Infrared Thermal Imaging

pHIFU, acoustic fi eld measurement, infrared thermal imaging, phase-controlled characteristics

TB559

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.007

1671-7104(2017)02-0103-04

2016-10-13

張光漢，E-mail: hankzhang@sjtu.edu.cn