基于收發(fā)一體聚焦超聲換能器的淺表組織損傷實時監(jiān)測研究*

謝 偉錢 駿田 麗譚堅文李發(fā)琪李雁浩*

(1.重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點實驗室，重慶 400016；2.重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，重慶市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)重點實驗室，重慶 400016；3.超聲醫(yī)療國家工程研究中心，重慶 401121)

高強度聚焦超聲(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是一種可以將超聲波從體外穿過復(fù)雜的人體組織進(jìn)入病灶區(qū)域殺死腫瘤組織的非侵入性無創(chuàng)技術(shù)[1-2]，近年來HIFU在淺表組織的臨床應(yīng)用中起到越來越重要的作用，其在治療宮頸炎[3]、外陰白色病變及皮膚美容[4]等方面已經(jīng)得到廣泛驗證。在HIFU臨床應(yīng)用中，由于淺表組織的特殊性，稍有不慎就可能灼傷皮膚表面造成與預(yù)期相反的效果，所以為保證治療的安全性，控制好每個聚焦目標(biāo)點的超聲劑量非常重要，因為不同淺表組織的聚焦目標(biāo)點的吸收和介入組織中的衰減有差異[5]，所以及時判斷靶組織損傷的形成至關(guān)重要，以免造成治療不徹底或者過度治療等問題[6]。

目前，在HIFU術(shù)中監(jiān)測靶組織損傷的方式主要有兩種，即超聲監(jiān)控成像和磁共振監(jiān)控成像；對此國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量對這兩種成像方法的研究，并且取得了相當(dāng)可觀的成果[7-10]。Guntur等人通過數(shù)值模擬方法預(yù)測組織瞬時溫度分布，以評估HIFU消融術(shù)期間組織中發(fā)生的熱損傷[11]；Matsuzawa等人通過分析組織焦斑的相關(guān)系數(shù)，說明了后向散射射頻信號由于組織凝固而發(fā)生變化[12]；也有學(xué)者通過各種信號處理和創(chuàng)新手段來探索組織損傷的規(guī)律，并取得了良好的結(jié)論[13-17]。

HIFU已被確立為治療各種醫(yī)學(xué)適應(yīng)癥的有效方法[18]，近年來HIFU作為一種用于皮膚除皺和緊致的新治療模式[19-21]，在醫(yī)療美容行業(yè)也得到了快速發(fā)展。但是對于宮頸、外陰、皮膚等淺表組織當(dāng)前尚無有效損傷監(jiān)測手段，多依靠臨床醫(yī)生的經(jīng)驗進(jìn)行判斷，存在一定的主觀性，因此本研究提出利用聚焦超聲換能器同時作為損傷檢測傳感器，抓住聲波在兩個不同聲阻抗介質(zhì)界面時的反射特性，利用聚焦超聲換能器自身良好的接收靈敏度，針對用于治療淺表組織換能器體積較小不能外加損傷檢測設(shè)備的問題，構(gòu)建開發(fā)了一套集治療和監(jiān)控于一體的超聲脈沖回波信號檢測系統(tǒng)，可以在不改變原有治療模式的情況下進(jìn)行組織損傷監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，在離體牛肝實驗中，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性且操作方便，可作為一種有效的實時監(jiān)測HIFU治療淺表組織焦域損傷的檢測手段。

1 材料和方法

1.1 實驗材料

選取剛從屠宰場采購的新鮮離體牛肝為實驗材料，并在6 h～8 h之內(nèi)進(jìn)行實驗，實驗前將牛肝邊緣較薄部分切除并切成40 mm×50 mm×40 mm的形狀，使用生理鹽水(濃度0.9%)洗凈后再用真空泵脫氣40 min～50 min，脫氣后待牛肝恢復(fù)室溫即可開始進(jìn)行實驗；實驗過程在脫氣水中進(jìn)行。

1.2 收發(fā)一體聚焦超聲換能器仿真研究

當(dāng)聚焦超聲換能器作為發(fā)射器時，通過逆壓電效應(yīng)使換能器的機械振動系統(tǒng)產(chǎn)生振動，進(jìn)而向介質(zhì)中輻射聲波，將超聲波聚焦在換能器的幾何焦點處，使得焦點處組織溫度升高而產(chǎn)生凝固性壞死，以達(dá)到治療的目的。而當(dāng)換能器作為接收傳感器時，外來聲波作用在換能器的振動面上，借助于壓電效應(yīng)，可以在換能器的電輸出端上接收到一個相對于聲信號的電壓信號，通過分析該信號則可以對聲通道中的情況進(jìn)行判別。本文選擇的超聲換能器基本參數(shù)如表1所示。

表1 聚焦超聲換能器參數(shù)

為驗證聚焦超聲換能器同時用于治療和損傷監(jiān)測的可行性，首先利用MATLAB中的K-wave工具包對超聲脈沖回波信號的產(chǎn)生與傳播進(jìn)行模擬仿真研究，模型參數(shù)和換能器實際尺寸相同，超聲換能器實物和仿真模型的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過在換能器的幾何焦距處設(shè)置一個虛擬的焦域，改變焦域介質(zhì)的密度和聲速[22]，觀察聲波經(jīng)過焦域后的回波信號，驗證HIFU換能器的自發(fā)自收性能。

圖1 換能器實物及其仿真示意圖

1.3 超聲脈沖回波信號檢測系統(tǒng)

本文設(shè)計開發(fā)了一種穩(wěn)定性好、可靠性高、可操作性強的回波信號監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括了硬件和軟件部分，硬件部分包括控制系統(tǒng)、功率放大器、超聲脈沖回波信號檢測模塊和高壓隔離模塊(用以隔離治療信號)和換能器，組成HIFU輻照系統(tǒng)和脈沖回波信號檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖及實驗系統(tǒng)照片如圖2所示。

圖2 聚焦超聲治療-監(jiān)控系統(tǒng)示意圖及其實驗系統(tǒng)照片

圖2中，HIFU輻照系統(tǒng)由上位機、控制板、功率源和換能器組成，當(dāng)需要治療輸出時，由上位機發(fā)送指令給控制板進(jìn)行輸出控制；回波信號采集系統(tǒng)則由PicoScope數(shù)字采集器、超聲脈沖回波采集板和換能器組成，當(dāng)需要進(jìn)行回波檢測時，由上位機控制PicoScope發(fā)送脈沖信號經(jīng)回波采集板進(jìn)行信號采集。軟件部分是基于MATLAB編程軟件自行開發(fā)設(shè)計的GUI操作界面，如圖3所示，該界面主要包括通信模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和數(shù)據(jù)顯示繪圖模塊。其中，通信模塊包括上位機與PicoScope和控制板的通訊開關(guān)；參數(shù)設(shè)置模塊包括設(shè)定輻照模式(包括輻照時長、輻照間隙時長、輻照次數(shù))等有關(guān)信號采集的重要參數(shù)；數(shù)據(jù)顯示模塊是將采集到的脈沖回波數(shù)據(jù)進(jìn)行實時繪圖顯示；該系統(tǒng)將工作中所采集到的脈沖回波信號數(shù)據(jù)均儲存于上位機中，以便于實驗結(jié)束后進(jìn)一步分析。

圖3 聚焦超聲治療-監(jiān)控系統(tǒng)上位機控制界面

1.4 參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照圖2所示原理流程圖搭建好實驗平臺后，在上位機中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，用于實驗的換能器中心頻率為9.5 MHz，在滿足采樣定律和采集速度的情況下，為了盡可能還原焦域回波信號特征，設(shè)置接收信號的采樣頻率為62.5 MHz；方案一輻照模式為單次輻照0.5 s，輻照2個回合，電功率為30 W(前向功率為29.88 W，反向功率為0.55 W，即實際電功率輸出為29.33 W)；方案二輻照模式為單次輻照0.2 s，輻照3個回合，電功率為50 W(前向功率為49.68 W，反向功率為1.51 W，即實際電功率輸出為48.17 W)；回波檢測方式為輻照前發(fā)送超聲脈沖檢測個數(shù)為10個，輻照間隙發(fā)送4個檢測脈沖，輻照后即刻發(fā)送50個檢測脈沖進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。

該實驗系統(tǒng)上位機控制流程由圖4所示，首先在輻照離體牛肝某個點之前，先發(fā)送數(shù)個脈沖波以得到整個聲通道上的回波信號，選取聲通道信號較好的位置進(jìn)行實驗，以便于避免干擾和后期分析；選取好實驗點之后即可以治療輸出，通過上位機設(shè)置的輻照時長和輻照回合來控制輸出時間，治療輸出時通過連續(xù)波進(jìn)行輻照，在兩回合間隙，發(fā)送超聲脈沖波進(jìn)行檢測，用以判斷前一個輻照回合內(nèi)焦域是否出現(xiàn)損傷，若焦域出現(xiàn)損傷則可以通過脈沖回波信號變化進(jìn)行判別；最后，在所有輻照回合結(jié)束后再次發(fā)送脈沖波進(jìn)行檢測，觀察輻照結(jié)束后焦域回波的信號情況。

圖4 上位機軟件控制流程

本系統(tǒng)設(shè)計旨在研究淺表組織中，用焦域處回波信號來表征組織損傷情況，為此需要將換能器接收的回波信號進(jìn)行提取分析，并計算出焦域處回波信號強弱，確定焦域范圍內(nèi)回波信號包絡(luò)積分值大小與組織損傷大小的對應(yīng)關(guān)系，信號分析均在MATLAB中進(jìn)行；首先求出濾波后回波信號的上下包絡(luò)曲線，如圖5所示，再將焦域處的包絡(luò)曲線根據(jù)復(fù)合梯形法求定積分的原理，把焦域區(qū)間[a，b]分成若干個小區(qū)間，用梯形公式求各個小區(qū)間上積分的近似值，當(dāng)各個小區(qū)間長度趨于零時，則各個小梯形面積之和即是焦域回波信號的定積分值。設(shè)第i個小梯形的寬度為hi＝xi-xi-1(i＝1，2…n)，兩底高度分別為yi-1＝f(xi-1)和yi＝f(xi)，則該積分區(qū)間數(shù)值為:

圖5 焦域處回波包絡(luò)曲線

把[a，b]區(qū)間n等分，令，故有

上式(2)中y0＝f(a)，yn＝f(b)，f(j)＝f(xj)＝f(a＋jh)，代入即可得出復(fù)合梯形求積分公式:

根據(jù)式(1)、式(2)、式(3)則可求出焦域處回波信號的積分值，令HIFU輻照前的超聲回波強度為Er，輻照不同回合后的超聲回波信號強度為Es，則組織超聲回波信號強度相對變化值K為:K＝并通過K值的變化進(jìn)行靶組織損傷評判，找出其與組織損傷的對應(yīng)關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚焦超聲換能器仿真結(jié)果

換能器1∶1仿真模型如圖6所示。虛擬焦域軸向長度為1 mm，當(dāng)焦域模擬溫度為70℃時，聲速為1 582.4 m/s，密度為985.88 kg/m3，圖7(a)為該仿真模型所接收的回波信號歸一化處理后的結(jié)果，圖7(b)為焦域范圍內(nèi)的局部放大圖，圖中標(biāo)記①和②處可以清楚分辨出虛擬焦斑的前后表面，回波出現(xiàn)的時間與理論計算相符合，驗證了將治療超聲換能器同時用于治療和損傷檢測的可行性，為后續(xù)離體組織實驗奠定了理論基礎(chǔ)。

圖6 發(fā)射與接收陣元仿真模型

圖7 超聲回波仿真信號接收結(jié)果

2.2 收發(fā)一體實驗系統(tǒng)準(zhǔn)確性測試結(jié)果

為驗證該收發(fā)一體實驗系統(tǒng)的信號接收靈敏度，分別將強反射面置于HIFU換能器焦域前、中、后位置，以驗證HIFU換能器對焦域處超聲脈沖回波的接收性能。實驗結(jié)果如圖8所示，在發(fā)射波信號參數(shù)相同的條件下，當(dāng)強反射面位于焦域處時，可以接收到最強的脈沖回波信號，如圖8中標(biāo)記②處；而當(dāng)強反射面置于焦域前場和后場時，HIFU換能器接收到的回波信號明顯低于焦域處的信號，如圖8中標(biāo)記①和標(biāo)記③處所示。結(jié)果證明了HIFU換能器優(yōu)異的自發(fā)自收性能，驗證了將其用以監(jiān)控焦域組織損傷的可行性和高靈敏性，并為離體牛肝實驗提供了佐證。

圖8 強反射界面在焦點前、中、后的超聲脈沖回波信號

2.3 離體組織超聲脈沖回波信號監(jiān)測結(jié)果

在兩種不同輻照功率、不同輻照時間及回合數(shù)參數(shù)下進(jìn)行實驗，方案一參數(shù)條件下實驗結(jié)果如下:圖9是30 W電功率下，輻照前、輻照間隙和輻照后實時繪制在GUI界面上的超聲脈沖回波信號情況，圖9(a)(d)是輻照前和輻照后的回波信號，圖9(b)、(c)是輻照一、二回合后即刻的回波信號，圖10是每幀超聲脈沖回波信號在焦域范圍內(nèi)的積分值大小變化趨勢；結(jié)果顯示在一個輻照回合結(jié)束，即檢測到焦域處超聲脈沖回波信號出現(xiàn)了明顯變化，回波信號的相對變化值K1為1.9，切開組織也可發(fā)現(xiàn)微小損傷；第二個輻照回合后回波信號明顯增強，信號強度相對變化值K2為5.7，切開牛肝組織可發(fā)現(xiàn)明顯損傷，圖11(a)(b)是該參數(shù)下對應(yīng)的離體牛肝組織損傷情況。超聲脈沖回波信號相對變化值K越大，組織聲軸橫切面損傷面積越大，超聲脈沖回波信號變化情況與組織損傷大小對應(yīng)良好，該實驗結(jié)果證明了利用超聲脈沖回波信號可以檢測到焦域組織損傷的形成。

圖9 30 W電功率下，每回合輻照0.5 s時的超聲脈沖回波信號

圖10 30 W電功率下，焦域處回波信號強度變化

圖11 30 W電功率下，兩輻照回合間隙牛肝損傷情況

為了檢驗對于更小損傷的監(jiān)測效果，選擇短時高功率輻照方式下的方案二實驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行實驗，實驗結(jié)果如下:圖12是50 W電功率下，單次輻照0.2 s，輻照三個回合的回波信號實時圖，圖12(a)、(e)是輻照前和輻照后的回波信號，圖12(b)、(c)、(d)分別為三個輻照回合間隙檢測的回波信號。圖13是該實驗參數(shù)下，焦域處回波信號積分值大小的變化情況；結(jié)果表明，在該參數(shù)下，輻照一回合后，牛肝即出現(xiàn)了極微小損傷，監(jiān)控系統(tǒng)亦檢測到焦域回波信號發(fā)生明顯變化；在輻照完第二回合和第三回合后即刻，脈沖檢測回波信號相較于前一回合間隙明顯增加，回波信號相對變化值K逐漸增大，分別為K1＝2.1，K2＝4.3，K3＝6；且牛肝的實際損傷面積也逐漸變大。組織損傷面積隨輻照回合的增加而增大，組織損傷面積與回波信號強度變化情況對應(yīng)良好，即回波信號強度隨組織損傷面積增大而增強。圖14分別是該參數(shù)下不同輻照回合后的牛肝組織損傷情況。實驗結(jié)果證明在短時間高功率輸出條件下，當(dāng)組織產(chǎn)生極微小損傷時，監(jiān)測系統(tǒng)也可以檢測到超聲換能器接收到的回波信號變化情況，這對于有效控制焦域組織損傷大小、及時停止HIFU輸出具有重要意義，可以有效防止過度治療的情況，是兼顧治療效果和安全性的重要保障手段。

圖12 50 W電功率下，每回合輻照0.2 s時的超聲脈沖回波信號

圖13 50 W電功率下輻照一、二、三回合后焦域處回波信號強度變化

圖14 50 W電功率下，輻照一、二、三回合后牛肝損傷情況

超聲換能器回波仿真實驗結(jié)果顯示，利用聚焦超聲換能器作為回波信號接收傳感器時，可以通過回波信號判斷出焦斑區(qū)域的前后表面，說明當(dāng)焦域組織出現(xiàn)損傷時也應(yīng)該可以通過脈沖回波信號進(jìn)行判別。離體牛肝實驗結(jié)果顯示，在不同輻照模式和輸出模式的實驗中，當(dāng)接收到的超聲脈沖回波信號相對變化值K大于1.5時，即可判斷組織出現(xiàn)損傷，且K值越大，組織損傷面積越大。當(dāng)高功率短時間輸出時，在該系統(tǒng)可以靈敏地監(jiān)測到極微小損傷形成時的回波信號，如方案二實驗結(jié)果圖所示，這是其他對于淺表組織損傷的判別方法不能比擬的。理論仿真實驗結(jié)果與離體組織實驗結(jié)果相吻合，在各參數(shù)下的實驗結(jié)果和規(guī)律性良好。此外，在輻照間隙和輻照后的超聲脈沖回波檢測中可以發(fā)現(xiàn)，所接收到的回波信號逐漸減弱，分析原因有二，其一是輻照結(jié)束即刻焦域處溫度最高，其二是焦域處產(chǎn)生了一些微泡。Coussios[23]等人研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生B超收到強回聲的原因之一可能是沸騰泡。二者會在一定程度上影響回波信號大小。隨著溫度的降低和微泡的破裂，回波信號強度也有所減弱，最后的穩(wěn)定值即是組織的損傷所產(chǎn)生的回波信號。通過上述實驗結(jié)果中焦域回波信號強弱和牛肝組織實際損傷的對應(yīng)關(guān)系驗證了該損傷監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，證明了利用超聲脈沖回波信號對淺表組織損傷進(jìn)行判別的有效性。

3 結(jié)論

本研究針對利用聚焦超聲換能器治療淺表組織疾病尚無有效損傷監(jiān)控的問題，從仿真研究和離體實驗驗證做起，基于MATLAB開發(fā)了GUI操控界面，通過構(gòu)建收發(fā)一體聚焦超聲換能器的HIFU治療淺表組織損傷實時判別系統(tǒng)，將治療換能器同時作為損傷檢測傳感器，實現(xiàn)HIFU治療和監(jiān)控一體化；有效避免了由于用于淺表組織的治療頭體積較小，無法用傳統(tǒng)B超監(jiān)控或者外加檢測傳感器進(jìn)行組織損傷監(jiān)控的問題，該系統(tǒng)具有操作簡便、可靠性好、靈敏度高的特點。

實驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)所接收到超聲脈沖回波信號強弱與離體組織損傷大小有良好的吻合度，且可以監(jiān)測到亞毫米級損傷時的回波信號，可以很好地將超聲脈沖回波信號用來實時判別淺表組織損傷情況；該系統(tǒng)的成功對于當(dāng)前淺表組織損傷難以判別的情況可以起到有效的幫助，可以在不改變現(xiàn)有HIFU治療淺表組織的模式下輔助臨床醫(yī)生對損傷的形成進(jìn)行實時客觀判別。

該收發(fā)一體系統(tǒng)為臨床輻照過程中監(jiān)控淺表組織微小損傷的形成提供了一種可行的方法，對于后續(xù)淺表組織損傷監(jiān)測在臨床中的應(yīng)用和超聲治療淺表組織效果評估具有一定的積極意義。