平面型全電子聚焦HIFU 相控陣：聲場(chǎng)測(cè)試研究

王祥達(dá) 李 萍 郭 甲 李建霖 呂根品

（1、乳源瑤族自治縣東陽(yáng)光實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 韶關(guān)512721 2、韶關(guān)東陽(yáng)光自動(dòng)化設(shè)備有限公司，廣東 韶關(guān)512721）

高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）是一種蓬勃發(fā)展的微無(wú)創(chuàng)治療方法，可用于治療子宮肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、肝癌、腎癌、胰腺癌和甲狀腺癌、骨轉(zhuǎn)移、原發(fā)性震顫和帕金森病等。典型的HIFU 系統(tǒng)采用球形彎曲換能器/作為治療頭。[1-3]治療頭一般包含單個(gè)、數(shù)十個(gè)或數(shù)百個(gè)陣元，可以在幾何焦點(diǎn)周圍實(shí)現(xiàn)高能沉積。[4]然而，這種換能器在遠(yuǎn)離其幾何焦點(diǎn)的區(qū)域不能很好的聚焦，需要機(jī)械平移來(lái)完成較大范圍的焦點(diǎn)調(diào)控，從而導(dǎo)致治療時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。為了縮短治療時(shí)間，可采用單元間距不超過(guò)半個(gè)波長(zhǎng)的平面型相控陣實(shí)現(xiàn)全電子式的大范圍聚焦控制，其可行性已經(jīng)得到驗(yàn)證。[5]不過(guò)，這種具有不同焦點(diǎn)的平面陣列的聚焦超聲場(chǎng)分布比具有固定幾何焦點(diǎn)的球形換能器的空間聚焦超聲場(chǎng)分布更為復(fù)雜。因此，研究平面陣列的空間聚焦性能具有重要意義。本文通過(guò)聲場(chǎng)測(cè)試，對(duì)6144 單元全電子聚焦HIFU 相控陣的聚焦振幅和聚焦偏差的空間分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 6144 陣元平面型HIFU 相控陣

本文所測(cè)試的平面陣列由96 個(gè)平面型模塊組成，如圖1(a)所示。每個(gè)模塊有8×8=64 個(gè)正方形陣元，如圖1(b)所示。該陣列的發(fā)射超聲頻率f0=516 kHz，對(duì)應(yīng)一般生物軟組織中的波長(zhǎng)約為λ=ct/f0=3mm，其中ct=1540m/s 為一般生物軟組織中的聲速。圖1(a)中相鄰模塊中心點(diǎn)間距為14.1mm；圖1(b)中相鄰陣元中心點(diǎn)間距為1.5 mm，約為半個(gè)波長(zhǎng)λ/2，每個(gè)陣元尺寸為1.35×1.35mm2。該陣列的相位和振幅均可單獨(dú)控制。

圖1

2 全電子聚焦方法

為了實(shí)現(xiàn)平面相控陣激發(fā)的超聲波能夠聚焦在選定的焦點(diǎn)處，就必須對(duì)每個(gè)陣元的超聲發(fā)射相位進(jìn)行調(diào)控。本文采用的聚焦方案是基于聲線理論[6]對(duì)平面相控陣的每個(gè)陣元進(jìn)行相位補(bǔ)償。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于平面相控陣上的每個(gè)陣元，其發(fā)射聲壓為：

其中，每個(gè)換能器單元的發(fā)射聲壓幅值統(tǒng)一是p0，發(fā)射聲壓初始相位是θ0n，下標(biāo)n 代表平面陣列的第n 個(gè)陣元。

平面陣列發(fā)射超聲聚焦的核心是每個(gè)發(fā)射的超聲波在傳播到選定的焦點(diǎn)處是的相位一致，形成線性疊加效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)超聲聚焦。

如圖1(a)所示，平面陣列表面位于xOy 平面上，陣列中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，z 軸垂直于陣列表面并穿過(guò)陣列中心。對(duì)于陣列前方空間內(nèi)選定的焦點(diǎn)F(xF, yF, zF)，為確保每個(gè)陣元在焦點(diǎn)F 處的相位一致性，根據(jù)聲線理論，可計(jì)算每個(gè)陣元的相位補(bǔ)償為：

其中，ω0=2πf0是角頻率，(xn, yn,0)是第n 個(gè)陣元中心點(diǎn)的坐標(biāo)，cm是超聲傳播介質(zhì)的聲速。對(duì)于本文的測(cè)試研究而言，cm即水中聲速。

3 水聽(tīng)器測(cè)試裝置和方案

本文針對(duì)平面陣列超聲聚焦性能所使用的測(cè)試方法為水聽(tīng)器法[7]。測(cè)試實(shí)驗(yàn)的裝置示意圖如圖2 所示。平面超聲相控陣由安裝在計(jì)算機(jī)2 中的治療計(jì)劃系統(tǒng)(TPS)通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行相位和幅度調(diào)控。平面陣列通過(guò)除氣水進(jìn)行耦合。計(jì)算機(jī)1 通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制針式水聽(tīng)器移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)不同位置的超聲聲場(chǎng)拾取測(cè)量，水聽(tīng)器接收到的信號(hào)通過(guò)示波器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)1進(jìn)行記錄保存，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖2 水聽(tīng)器法測(cè)試平面陣列超聲聚焦性能的裝置示意圖

待測(cè)超聲聚焦區(qū)域?yàn)槠矫骊嚵姓戏桨霃綖?0mm、高度為170mm 的圓柱體，且圓柱體的中心軸與陣列的z 軸重合，其底面在陣列上方30.0 mm 處。在被測(cè)區(qū)域，從圓柱體底面開(kāi)始，在高度方向上每隔10 mm 設(shè)置一個(gè)被測(cè)平面。在每個(gè)被測(cè)平面上，以圓心為起點(diǎn)：方位角從0 °開(kāi)始，每45 °畫(huà)一條半徑線，徑向以半徑分別為30、60、70、80、90 mm 的圓分開(kāi)。所有測(cè)線的交點(diǎn)就是本文選定的待測(cè)超聲焦點(diǎn)，如圖3 所示。在TPS 上設(shè)置平面陣列統(tǒng)一以1 W 的聲功率發(fā)射超聲波，在選定的焦點(diǎn)位置進(jìn)行電子聚焦。針式水聽(tīng)器捕捉選定的焦點(diǎn)周圍的超聲波信號(hào)。對(duì)于每個(gè)選定的焦點(diǎn)，焦點(diǎn)周圍的最大電壓峰峰值由水聽(tīng)器確定，并記錄其相應(yīng)的實(shí)際焦點(diǎn)坐標(biāo)位置，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

圖3

4 測(cè)試結(jié)果

圖4 給出了水聽(tīng)器在選定的焦點(diǎn)周圍測(cè)得的最大電壓峰峰值的三維分布圖，也即實(shí)際焦點(diǎn)處的電壓峰峰值三維分布圖。其中，最大值約為Vpp,max=2.59 V，最小值約為Vpp,min=0.78 V。圖4 顯示，總體上，該平面陣列在其正上方中間且靠近z 軸附近的區(qū)域，聚焦超聲強(qiáng)度更大；越靠近四周，聚焦超聲強(qiáng)度則相對(duì)下降。

圖4 焦點(diǎn)電壓峰峰值三維分布圖

圖4 中電壓峰峰值三維分布圖所對(duì)應(yīng)的實(shí)際焦點(diǎn)和選定焦點(diǎn)的位置的三位分布對(duì)比如圖5(a)所示：藍(lán)色圓圈代表圖3中的選定焦點(diǎn)，橙色五星則代表實(shí)際焦點(diǎn)。圖5(a)顯示，實(shí)際焦點(diǎn)與選定焦點(diǎn)的位置具有較好的重合度，一致性較好。實(shí)際焦點(diǎn)與選定焦點(diǎn)之間的量化聚焦偏差如圖5(b)所示。其中，最大聚焦偏差約為Dmax=4.41mm。圖5(b)顯示，總體上，該平面陣列在其正上方中間且靠近z 軸附近的區(qū)域，聚焦偏差更小；越靠近四周，聚焦偏差則相對(duì)增大。

圖5

5 結(jié)論

利用水聽(tīng)器法對(duì)6144 陣元平面型HIFU 相控陣的全電子式超聲聚焦性能的測(cè)試結(jié)果表明：在平面陣列正上方半徑為90mm、高度為170mm 的圓柱體被測(cè)區(qū)域內(nèi)，基于聲線理論對(duì)初始相位進(jìn)行補(bǔ)償后，最大聚焦偏差為4.41mm，整體上聚焦偏差不大，聚焦精度較好；最大和最小電壓峰峰值分別為2.59V 和0.78V，聚焦超聲強(qiáng)度分布的影響有待進(jìn)一步分析?？傮w上，該相控陣具有較好的全電子超聲聚焦性能。