泌尿系统治疗用HIFU换能器的设计

　　1引言

　　近年来，泌尿系统疾病如结石、结核、肿瘤的发病率迅速上升，并且发病年龄不断地趋于年轻化，尤其以前列腺疾病发病率居高。据统计，目前我国前列腺疾病患者高达8000多万人，前列腺癌发病率逐年上升，已成为威胁男性生命健康的重要疾病。

　　高强度聚焦超声(HighIntensity凡eusedUltrasound，HIFU)技术是通过一定聚焦方式，将超声能量聚焦于人体深部组织，从而形成一个声强较高(可达几千，甚至上万W/cmZ)的区域一焦区。焦区的超声波进行声热转化，产生瞬态高温效应，形成超高温(在1、3s升温到65℃以上)，致使组织形成不可逆的凝固性坏死，而又不伤及周围的正常组织[l]。HIFu技术是治疗肿瘤的一种真正无创、无害、安全、有效而又能保全组织的治疗方法。

　　本文在结合相关技术{2一4}的基础上，设计了泌尿系统疾病治疗用HIFU线阵换能器。

　　2换能器的形状设计

　　治疗用换能器共分为两类:腔内治疗换能器和体外聚焦换能器。一般体外聚焦换能器探头较大，可以根据不同治疗部位灵活控制。而对于肠道治疗泌尿性系统疾病，尤其是治疗前列腺增生等疾病来讲，则需要体积小、焦距短的换能器，一般采用线形结构换能器。腔内治疗探头主要采用的聚焦方式有:(l)凹球面自聚焦;(2)电子扫描或相位控制聚焦。

　　后者的空间控制准确、高速、灵活，因而一般都采用此种方式聚焦。其工作原理为:应用电子系统控制阵列的各个阵元，使其按照一定的延迟时间规则发射超声波，从而动态地控制声束聚焦。相控阵阵列能产生较高的能量及深度可变的焦点，也可以产生多个焦点，扩大加热范围，提高治疗效率。但是，由于相控阵列换能器的控制电路较为复杂，成本较高。尤其是当深度聚焦时，阵元数目大大增加，从而使得相应控制电路的体积庞大、结构复杂。

　　球面相控阵是把两种聚焦方式的优点相结合而设计出的一种新型结构，它具有较高的声强增益和较低的栅瓣，在阵元数目减少的情况下，也可以实现较高的聚焦声强Iz]。因而，球面相控阵越来越多地被现代超声热疗和手术系统所采用，在HIFU技术中也应用广泛。因此，泌尿系统治疗用HIFU换能器的设计采用球面相控阵结构，形状如图1所示。其中，阵元的个数为64，阵元间距为0.lmm。

　　3换能器的声场计算

　　根据R盯leigh一Sommerfeld积分方程[3]可近似计算出简谐信号。J耐在空间任意一点(x，y，:)处的复数声压:

　　式中，7=沪万，p和C分别为声介质的密度和声速，凡=二/c是波数，S’是激励源的面积，二为激励源的法向质点速度，r为场中任意一点到阵元的距离，a为声衰减系数。