基于超声散射回波分析的测温方法研究

　　1 引言

　　高强度聚焦超声(HIFU)是 20 世纪 90 年代以后发展起来的一种局部超高温(>70℃)治疗新技术。它利用了超声波的可视性、穿透性和聚焦性等物理学特征, 通过其热效应、空化效应和机械效应, 从体外定位直接或协助药物破坏靶区内的组织。HIFU 破坏肿瘤细胞的作用机制主要是热效应。当超声波在人体组织内传播时, 由于组织内的摩擦粘滞损耗、热传导损耗和一些分子的弛豫过程, 不断地把一部分有序的声波振动能量转化为无序的分子热运动能量。鉴于热效应在 HIFU 治疗中的作用, HIFU 作用下治疗区域的温度对于 HIFU 的医疗应用和理论研究都有着重要的意义。测量体内组织温度的方法有有损和无损两种, 超声无损测温技术利用超声扫描生物组织, 对超声信号进行分析, 有效地提取组织温度信息, 较其他方法具有更好的综合性能。

　　2 测温原理

　　2.1 超声散射回波能量

　　因为 HIFU 击打组织后引起组织的热效应、空化效应和机械效应, 从而影响组织超声散射回波的幅值。Esignal令为组织超声散射回波的幅值平方值, 也就是超声回波能量; Ereference是基准温度 T0=37℃时的组织超声散射回波的幅值平方值, 则组织超声散射回波的幅值变化和组织温度变化之间的关系可用下式表示:

　　其中

　　利用上式计算出超声散射回波能量的相对变化, 可分析温度变化对超声散射回波信号幅值的影响。

　　2.2 小波能量

　　小波变换是一种多分辨分析方法。离散小波变换使用二进膨胀和位移。对于许多信号, 低频成分蕴含着信号的特征,高频成分则给出信号的细节或差别。在小波分析中常用到近似与细节。近似表示信号的高尺度, 低频成分; 而细节表示的是低尺度, 高频成分。通过小波分解, 可将信号分解成许多低分辨率成分。用指定小波进行信号 S 的 N 层一维小波分解, 得到 cA(N)近似小波系数向量, cD(i)细节小波系数向量, 其中 i=1,···,N。定义细节小波系数向量的平方和为小波系数能量, 各层细节小波系数能量的和为小波能量。则有:

　　其中

　　式中 Esignal是组织超声散射回波的小波能量, Ereference是基准温度 T0=37℃时的组织超声散射回波的小波能量。实验中对组织超声散射回波进行 5 层的 db20 小波分解, 得到 5 层细节小波系数向量。

　　3 实验与结果分析

　　3.1 实验系统与方法

　　实验所用装置如图 1 所示, 图中 1 为凹球面自聚焦 HIFU源, 工作频率为 1319KHz, 几何焦距为 16cm; 2 为 B 超探头, 工作频率为 3.5MHz , B 超探头距离组织 8cm, B 超设备以 M 模式工作, 信号通过高速数据采集卡送入计算机; 3 为猪肌肉组织, 样品尺寸为 13cm×7cm×4cm; 4 为 T 型热电偶, 测温传感器为铜—康铜材质, 一端插入组织, 一端连接数字温度显示器; 5为吸声大水槽, 水槽四周和底部装有吸声橡胶。