超聲診療一體機(jī)VINNO 70空化調(diào)控功能及聲學(xué)測(cè)量的研究

張 毅 馮 爽 唐娜嬌 王亞輝 凌 濤 陳惠人 劉 政

超聲影像診斷的最大優(yōu)勢(shì)是安全性好，原因是超聲診斷儀的能量輸出限制在平均聲強(qiáng)（ISPTA）720 mW/cm2、機(jī)械指數(shù)（MI）1.9以?xún)?nèi)，其熱效應(yīng)和空化機(jī)械效應(yīng)均較弱［1］。但若循環(huán)中存在超聲造影劑微泡，診斷超聲可能產(chǎn)生一定的生物學(xué)治療效應(yīng)［2］，主要包括微血管壁或組織通透性增高、血腦屏障開(kāi)放、促進(jìn)靶向釋藥等［3］。近年來(lái)有學(xué)者［4-5］將診斷超聲聯(lián)合微泡超聲造影劑用于增強(qiáng)臨床腫瘤化療，初步取得較好的治療效果。但超聲診斷儀作為超聲治療設(shè)備存在輸出能量低、聲束不能聚焦治療、參數(shù)調(diào)控性差、工作占空比低等不足?；诖?，本實(shí)驗(yàn)在國(guó)產(chǎn)超聲診斷儀的基礎(chǔ)上，改進(jìn)研發(fā)了一種相對(duì)適合低強(qiáng)度超聲空化治療的超聲診療一體機(jī)VINNO 70，通過(guò)測(cè)量其主要聲學(xué)參數(shù)，旨在驗(yàn)證其用于調(diào)控空化參數(shù)的性能。

材料與方法

一、超聲儀器

VINNO 70超聲診療一體機(jī)（蘇州飛依諾科技有限公司），X4-12L線(xiàn)陣探頭，頻率4～12 MHz；S1-8C凸陣探頭，頻率3.5～7.0 MHz。該儀器對(duì)超聲造影成像中的微泡擊破模式（即Flash模式）進(jìn)行了改進(jìn)，可通過(guò)機(jī)械指數(shù)（MI，可調(diào)范圍0～1.3）、脈沖寬度（PL，可調(diào)范圍2～24個(gè)周期）、脈沖重復(fù)頻率（PRF，可調(diào)范圍10～2000 Hz）、探頭中心頻率（f，可調(diào)范圍3.0～6.3 MHz）、脈沖/間歇時(shí)間等5個(gè)參數(shù)調(diào)控微泡空化，該治療模式被稱(chēng)為VFlash模式。應(yīng)用1.10版本軟件的聲輸出控制模塊將聲輸出能量控制在診斷范圍。

為使超聲能量在治療感興趣區(qū)（ROI）聚集，VFlash模式具有自適應(yīng)可變焦域技術(shù)，該技術(shù)利用電子延遲相控和孔徑控制技術(shù)匯聚聲束，在掃描平面內(nèi)劃定的ROI形成任意可變的、能量高于周?chē)闹委煱袇^(qū)（可調(diào)范圍1～5 cm），使靶區(qū)內(nèi)微泡能被調(diào)控的空化參數(shù)激勵(lì)。根據(jù)ROI大小和深度，發(fā)射時(shí)各陣元激勵(lì)的超聲信號(hào)相位按兩次曲線(xiàn)變化，使各陣元發(fā)射的超聲信號(hào)經(jīng)空間疊加，合成的超聲波束產(chǎn)生聚焦現(xiàn)象（圖1）。

圖1 自適應(yīng)可變焦域技術(shù)示意圖

二、儀器與方法

1.聲學(xué)測(cè)量?jī)x器：薄膜水聽(tīng)器（HMB-0500，美國(guó)Onda公司），用于測(cè)量超聲參數(shù)及聲場(chǎng)；AIMSⅢ掃描水槽（AST3-S，美國(guó)Onda公司），掃描水槽內(nèi)盛滿(mǎn)脫氣水，應(yīng)用其自帶的三維定位系統(tǒng)精確控制探頭和水聽(tīng)器相對(duì)位置；功率放大器（2200L，美國(guó)E&I公司）；數(shù)字示波器（54830B，美國(guó)Agilent科技有限公司）。

2.f、PL及PRF的測(cè)量：使用水聽(tīng)器法，掃描水槽盛滿(mǎn)脫氣水，將薄膜水聽(tīng)器和超聲探頭置于水槽內(nèi)，通過(guò)掃描水槽自帶定位系統(tǒng)使超聲探頭中心和薄膜水聽(tīng)器位于同一垂直線(xiàn)，探頭位于水聽(tīng)器上方2 cm處。于VFlash模式下設(shè)置不同的PL和f，檢測(cè)f、PL、PRF是否與儀器顯示值一致，測(cè)量時(shí)超聲與示波器同步且僅采集單根線(xiàn)的結(jié)果，分別對(duì)2個(gè)探頭的聲場(chǎng)分布進(jìn)行三維掃描檢測(cè)。

3.聲場(chǎng)分布及峰值負(fù)壓（PNP）和MI的測(cè)量：將薄膜水聽(tīng)器和探頭置于充滿(mǎn)脫氣水的水槽中，水聽(tīng)器位于探頭下方2 cm或5 cm平面，固定f、PL參數(shù)，間隔時(shí)間0.5 s，聲功率設(shè)置為100%。PRF調(diào)控范圍為10～2000 Hz，脈沖時(shí)間取最大。取不同MI值，通過(guò)掃描水槽自帶三維定位系統(tǒng)移動(dòng)水聽(tīng)器，掃描所得的PNP最大值為此條件下的實(shí)測(cè)PNP。VINNO 70能從f、PL、PRF等多方面調(diào)控空化效應(yīng)，測(cè)定時(shí)采用控制變量法觀察PNP，根據(jù)實(shí)測(cè)PNP計(jì)算實(shí)測(cè)MI［6］，公式：MI=PNP×10-αzf/20×f-1/2/C。其中C=1 MPa·MHz-1/2，α為聲衰減系數(shù)，取值0.3 dB·cm-1·MHz-1，z為從換能器到測(cè)量點(diǎn)的距離。

4.自適應(yīng)可變焦域技術(shù)靶向擊破微泡能力的檢測(cè)：采用電子延遲相控技術(shù)匯聚聲束，在超聲影像橫向聲場(chǎng)方向?qū)崿F(xiàn)可任意調(diào)節(jié)形狀的1～5 cm大小的可變焦域。在盛滿(mǎn)脫氣水的水槽中加入0.1 ml脂氟顯微泡［（陸軍軍醫(yī)大學(xué)新橋醫(yī)院自制，平均直徑2.0μm，濃度（2～9）×109/ml］，混勻后稍靜置，將探頭置于含微泡的脫氣水中，調(diào)整靶向ROI至合適范圍，開(kāi)啟VFlash模式，記錄聲場(chǎng)中微泡擊破程度。

結(jié) 果

一、f、PL、PRF及聲場(chǎng)分布測(cè)量結(jié)果

X4-12L線(xiàn)陣探頭與S1-8C凸陣探頭測(cè)量f、PL、PRF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)值與超聲診療一體機(jī)顯示值均一致（圖2A～F）。VFlash模式下兩種探頭采集的聲場(chǎng)分布見(jiàn)圖2G、H。聲場(chǎng)在Y軸方向基本符合高斯分布；在X軸方向，對(duì)于X4-12L線(xiàn)陣探頭，ROI內(nèi)聲場(chǎng)基本呈標(biāo)準(zhǔn)矩形分布，對(duì)于S1-8C凸陣探頭，ROI內(nèi)聲場(chǎng)呈半周期余弦分布。ROI內(nèi)聲場(chǎng)較ROI外明顯增強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)ROI的弱聚焦。

圖2 X4-12L線(xiàn)陣探頭和S1-8C凸陣探頭的PL、f、PRF實(shí)測(cè)圖與聲場(chǎng)分布圖

二、MI實(shí)測(cè)結(jié)果

1.使用X4-12L線(xiàn)陣探頭時(shí)，MI實(shí)測(cè)值與儀器顯示值變化趨勢(shì)一致，但實(shí)測(cè)值均高于顯示值。當(dāng)f為3.7 MHz，探頭距離為2 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的112%～157%（圖3A）；探頭距離為5 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的185%～267%（圖3B）。當(dāng)f為3.0 MHz，探頭距離為2 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的83%～129%；當(dāng)探頭距離為5 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的134%～195%。

2.使用S1-8C凸陣探頭時(shí)，MI實(shí)測(cè)值與儀器顯示值變化趨勢(shì)一致，但實(shí)測(cè)值均低于顯示值。當(dāng)f為1.7 MHz，探頭距離為5 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的59%～67%（圖3C）；探頭距離為10 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的58%～81%（圖3D）。當(dāng)f為2.0 MHz，探頭距離為5 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的59%～70%；探頭距離為10 cm時(shí)，實(shí)測(cè)值約為顯示值的60%～80%。

3.X4-12L線(xiàn)陣探頭和S1-8C凸陣探頭MI實(shí)測(cè)值與探頭距離及f的關(guān)系：X4-12L探頭距離為5 cm較距離為2 cm的MI實(shí)測(cè)值低；S1-8C凸陣探頭距離為10 cm較距離為5 cm的MI實(shí)測(cè)值低（圖4A、B）。對(duì)于X4-12L線(xiàn)陣探頭，f為3.7 MHz時(shí)較f為3.0 MHz的實(shí)測(cè)值低；對(duì)于S1-8C凸陣探頭，f為2.0 MHz較f為1.7 MHz的實(shí)測(cè)值高（圖4C、D）。

三、自適應(yīng)可變焦域技術(shù)擊破微泡檢測(cè)結(jié)果

診斷脈沖（超聲造影模式）時(shí)，微泡均勻充滿(mǎn)各個(gè)區(qū)域；治療脈沖時(shí)，ROI內(nèi)微泡被靶向性擊破，下一次診斷脈沖可見(jiàn)微泡再灌注，直到下一次治療脈沖再次被擊破（圖5）。ROI內(nèi)超聲擊破微泡的參數(shù)：PL為18個(gè)周期、PRF為50 Hz，X4-12L線(xiàn)陣探頭顯示MI為0.46，S1-8C凸陣探頭顯示MI為1.01，脈沖/間歇時(shí)間為0.5 s/1 s。

圖4 X4-12L線(xiàn)陣探頭與S1-8C凸陣探頭MI實(shí)測(cè)值與探頭距離及f的關(guān)系

圖5 VINNO 70超聲診療一體機(jī)自適應(yīng)可變焦域靶向擊破微泡實(shí)驗(yàn)圖

討 論

近年來(lái)，超聲空化技術(shù)在基礎(chǔ)和臨床領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用，特別是低強(qiáng)度超聲激勵(lì)微泡空化諧振，在基因轉(zhuǎn)染、靶向藥物釋放、開(kāi)放血腦屏障及腫瘤放化療方面均有重要意義［7-8］。普通超聲診斷儀僅能通過(guò)單一參數(shù)MI調(diào)控空化，空化相關(guān)的f、PL、PRF等參數(shù)則無(wú)法調(diào)控，特別是PL在普通診斷超聲發(fā)射中僅1～2個(gè)周期，幾乎不能產(chǎn)生慣性空化諧振。由于空化發(fā)生的隨機(jī)性特點(diǎn)，單一的MI調(diào)節(jié)難以保證空化強(qiáng)度的穩(wěn)定性和持續(xù)性［9］。因此，國(guó)外已開(kāi)始對(duì)超聲診斷儀進(jìn)行改進(jìn)，以保證在診斷超聲能量范圍內(nèi)進(jìn)行空化治療，但調(diào)控參數(shù)及范圍仍然有限，如Philips iE 33和西門(mén)子Sequoia 512僅對(duì)PL增加了2檔調(diào)節(jié)，對(duì)其他空化相關(guān)參數(shù)（f、PRF等）仍無(wú)法調(diào)節(jié)，且不具備自適應(yīng)可變焦域功能［10］。VINNO 70超聲診療一體機(jī)是一種兼有完整的超聲影像診斷與微泡超聲空化調(diào)控治療功能的新型診療一體機(jī)，其可從f、PL、PRF等方面多檔調(diào)控空化，具有自適應(yīng)可變焦域技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)靶向弱聚焦，能更加精準(zhǔn)地在ROI靶區(qū)調(diào)控空化。

在現(xiàn)行診斷超聲標(biāo)準(zhǔn)（平均聲強(qiáng)ISPTA720 mW/cm2，MI 1.9，熱指數(shù)6.0）限制下［1］，實(shí)施空化參數(shù)大范圍調(diào)控較困難，但本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，VINNO 70可調(diào)控f、PL、PRF及脈沖/間歇時(shí)間，表明其可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行空化參數(shù)的調(diào)控。結(jié)合臨床治療實(shí)際應(yīng)用情況，線(xiàn)陣探頭治療深度主要為2～5 cm，凸陣探頭治療深度主要為5～10 cm，因此，本實(shí)驗(yàn)線(xiàn)陣探頭深度選取2 cm和5 cm，凸陣探頭深度選取5 cm和10 cm。研究［11］顯示，空化參數(shù)中PNP與微泡空化的強(qiáng)度相關(guān)性最佳，而在診斷超聲中，PNP與f相結(jié)合以MI表示。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，MI實(shí)測(cè)值與儀器顯示值仍有較大差距，偏差約58%～267%。分析原因可能為：①一般儀器MI顯示值是通過(guò)測(cè)量聲場(chǎng)多個(gè)取樣點(diǎn)后，推算其聲場(chǎng)分布得出的估測(cè)值，與該點(diǎn)的實(shí)測(cè)值有一定差異；②本儀器設(shè)置的自適應(yīng)可變焦域技術(shù)使聲束在ROI弱聚焦，進(jìn)一步增加了聲壓的差異。本實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)情況發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)陣探頭MI實(shí)測(cè)值高于顯示值，水聽(tīng)器與探頭的距離從2 cm增加到5 cm后，ROI自適應(yīng)可變焦域聚焦可能避免了聲場(chǎng)中常見(jiàn)的近場(chǎng)干擾［12］，聚焦效果有所改善，因此，PNP實(shí)測(cè)值較顯示值偏差更大（約185%～267%）。凸陣探頭的MI實(shí)測(cè)值低于顯示值，當(dāng)水聽(tīng)器與探頭距離為5 cm時(shí)，PNP實(shí)測(cè)值與顯示值偏差較大（約59%～67%），再次證實(shí)近場(chǎng)干擾對(duì)PNP影響較大。另外，改變探頭f也會(huì)影響MI實(shí)測(cè)值。

除MI外，VINNO 70超聲診療一體機(jī)還可以較大范圍地調(diào)控其他參數(shù)，如f、PL及PRF。這些參數(shù)均是由高頻放大電路信號(hào)激勵(lì)換能器晶片產(chǎn)生的聲輸出，因此，可以從理論上推測(cè)顯示值與實(shí)測(cè)值無(wú)差別［13］。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量了f、PL及PRF，其實(shí)測(cè)值均與儀器顯示值一致，說(shuō)明超聲儀器基本聲學(xué)參數(shù)變化不大，可以保證超聲調(diào)控參數(shù)的穩(wěn)定性。自適應(yīng)可變焦域技術(shù)產(chǎn)生的靶向弱聚焦不僅在聲場(chǎng)分布中得到驗(yàn)證，在實(shí)際的水槽微泡擊破實(shí)驗(yàn)中，也可觀察到ROI內(nèi)微泡靶向擊破，與聲場(chǎng)分布一致。表明該技術(shù)產(chǎn)生的弱聚焦在實(shí)際應(yīng)用中可以靶向擊破微泡。

盡管VINNO 70超聲診療一體機(jī)有一定優(yōu)勢(shì)，但其仍有不足：該儀器僅在二維平面上實(shí)現(xiàn)了空化調(diào)控和弱聚焦功能，在實(shí)際腫瘤治療中需結(jié)合探頭偏轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)才能實(shí)現(xiàn)靶區(qū)的三維覆蓋。另外，該儀器工作占空比低，雖然實(shí)現(xiàn)了將診斷超聲的占空比從0.001%提高到了0.1%，但作為治療超聲能量密度仍不足。今后的實(shí)驗(yàn)應(yīng)對(duì)上述不足進(jìn)一步分析。

綜上所述，VINNO 70超聲診療一體機(jī)能從多個(gè)參數(shù)調(diào)控超聲空化，且具有自適應(yīng)可變焦域技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)靶向弱聚焦。但實(shí)施超聲治療時(shí)MI值應(yīng)以聲學(xué)實(shí)測(cè)值為準(zhǔn)，且測(cè)量時(shí)需估算好超聲治療靶區(qū)與換能器的距離，以免產(chǎn)生較大的治療效應(yīng)差別。