高强度聚焦超声肿瘤治疗系统专项技术研究

　　1　引　言

　　高强度聚焦超声技术(High Intensity FocusedUltrasound(HIFU)应用于医学领域无创治疗肿瘤[1]其基本原理是:将高强度聚焦超声能量会聚到病变组织中的一个较小区域,使该区内病变组织温度瞬间内达到70℃以上,致使焦域内的组织细胞产生凝固性坏死,失去增殖、浸润和转移能力,而对该区以外的组织基本无损。1942年美国哥伦比亚大学的J.G.Lynn首次用石英晶体凹球壳聚焦换能器对活体动物(猫和狗)脑部进行试验; 1955年美国依利诺大学的W. J. Fry首次研究高强度聚焦超声对动物(猫、狗等)的神经组织的选择性损伤作用[2];我国首次将HIFU技术运用于临床治疗恶性实体肿瘤并获得成功,并在临床治疗方面居世界领先水平。

　　高强度聚焦超声肿瘤治疗系统广泛涉及超声学、医学、工程机械学、电子学、计算机学、材料学甚至美学等多种学科,是集高强度超声聚焦、机电一体化设计、图像信息处理、超声治疗等技术于一体的复杂系统。HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统由治疗主机、超声功率源、水处理装置、治疗床以及控制台组成(见图1)。它融合了包括高强度聚焦超声技术、信号处理技术、水处理技术、超声图像三维重建技术、计算机辅助手术干预及消融鉴别技术等最新的研究成果。本文将着重对HY2900聚焦超声肿瘤治疗系统中几项重点专项技术:HIFU声场分布参数测量、HIFU温度场测量、三维重建技术中任意方位切面图像浏览及边界轮廓的实现进行讨论,介绍相关技术及方法。

　　2　HIFU声场分布参数的测量

　　HIFU的核心技术是高强度聚焦技术,故HIFU的声学性能参数成为HIFU关键的性能指标。声场分布参数主要为:焦距、焦径、焦深、声轴第一旁瓣、径向第一旁瓣。我们定义焦域为:在声场中焦点周围、大于或等于最大声压(或声强)值-6dB点的区域;声轴为过声场中焦点和换能器辐射表面轴对称中心点的直线。焦距是声场中焦点至换能器辐射表面的声轴距离值;焦径是声场中焦点处、垂直于声轴焦域截面(或称横截面)上的最大焦域直径;焦深是声场中声轴焦域截面(或称纵截面)上的最大焦域长度值。声轴第一旁瓣、径向第一旁瓣则分别是在声场中焦点处纵截面、横截面上,焦域以外最大声压(或声强)值。从以上定义可以看出,声场分布参数是综合反映整个系统声能量聚焦特性的重要指标。介质中的空化、非线性是困扰高强度声强测量精度的因素,有关资料显示介质中的空化、非线性与传播介质特性有关。由于HIFU在实际应用中介质的多样化,介质的空化阈和非线性系数是不确定的;而声场分布参数是反映整个系统声能量聚焦特性的重要指标,应排除传播介质特性的影响,所以,我们在声场分布参数测量方法上选择除气纯净水为测量传播介质,尽可能减小介质空化的产生、非线性系数。此外,虽然我们在声场分布参数测量中选用了能承受近十兆帕声压的针状PVDF微型水听器,但还是无法承受HIFU满功率高强度声强;同时考虑到HIFU在实际应用的超声剂量中,超声功率可调的工作特点,在测量与实际使用接近的原则下,我们选择在最大声压为1MPa(近10大气压)左右、相对较小功率下,进行HIFU声场分布参数测量。