高强度聚焦超声(HIFU)的声场检测

　　引言

　　高强度聚焦超声(HIFU)近年来发展十分迅速,成为医学超声工程界的研究热点。HIFU外科是将体外低声强的超声波通过某种聚焦手段(声透镜、凹球面自聚焦、电子聚焦等)汇聚到体内(图1所示),形成高强度聚焦声场。利用超声波的热效应、机械效应和空化效应等达到瞬间(0. 5~2 s)灭活肿瘤组织的目的,而不损伤正常组织的一种新方法[1~4]。

　　HIFU声场具有下述特点:

　　第一,焦点的声压非常大,当声压幅值超过空化阈值声压时,测量媒介中(通常是水)产生空化,此时空化气泡爆破产生的局部极高压力、高速射流和冲击波会损坏传感器;第二,声强非常高,最低声强不低于1000W/cm2,容易引起测量装置的温度升高,当敏感材料的温度升高到居里温度时,传感器的灵敏度急剧下降甚至失效;第三,换能器辐射面各点振动相位若不全部一致,则焦点处声强不一定正比声压的平方;第四,若辐射声波达到有限振幅波范围时,传播过程中容易滋生非线性谐波并出现声饱和现象。这都给测量带来困难。主要有三个方面:第一,HIFU声场的动态范围很大,焦点处声强比非焦点处要高很多,其数值变化有三四个数量级甚至更高;第二,在高声强条件下,空化等非线性因素对测量的影响比较大;第三,对声焦域的精细测量要求测量装置和传感器的空间分辨率高。因此对测量装置的设计要求较高。准确描述高声压下的HIFU声场的参数成为HIFU技术发展的一个重要课题也是一个难题。

　　描述HIFU声场的主要参数有:声功率、声强、声压、声焦域等。对HIFU声场的检测至今为止还没有一种完全理想的方法,每一种方法都是利用HIFU声场的某一方面效应进行检测声场的某一个或某几个参数。目前,辐射压力法、水听器测量法、光纤检测和光学检测等是HIFU声场现有的主要检测方法。

　　1 HIFU声场检测的常用方法

　　1.1 辐射力检测

　　辐射力法是侧重于在液体中测量平面超声波功率的一种公认的测量方法[5~8]。1987年,Beissner[9]曾在假设为几何声学、无衍射高频限制和远场指向性为矩形函数的条件下,导出了聚焦超声声场中全吸收靶上的辐射力计算公式,在时偏差小于0.8%。1998年,寿文德等[10]在此基础上应用几何声学方法推导了聚焦超声作用于测试靶上的辐射力的通用公式,讨论了全反射靶和全吸收靶上的辐射力,并进行了实验验证,对1.6MHz超声功率测量结果与量热法测得的声功率偏差不大于3%。2005年英国国家物理实验室的Shaw利用瑞利积分和实验验证了该通用公式的有效性,结果三者相当一致[11]。2003年,许坚毅等[12]采用基于辐射力的水柱法(水通过测量细管中液体柱的高度来反映测量点的声辐射压力或声能量密度)测量了HIFU换能器驱动电路阳极功放电压从200 V~2600V时的声场强度,指出水柱法可以将声场测量范围提高到2000W/cm2,但是当电压升高到一定时(2600V),声功率太大,在水中将产生明显的空化泡群,干扰声场使得测量声功率明显不稳定,并呈现饱和趋势。2004年和2005年我国先后通过了“声学高强度聚焦超声声功率和声场特性测量”国家标准和“高强度聚焦超声(HIFU)治疗系统”行业标准,这两个标准关于聚焦超声特性和超声功率测量的基本思路和做法是:用水听器三维扫描法找到声压焦点的位置,对聚焦声场进行扫描测量,并计算出焦斑的几何参数,然后在焦点处直接测量全功率下声压,导出最大声强。标准推荐使用水听器和辐射力法。