微波热疗组织超声衰减系数的温度相关性研究

吴薇薇，任稆平，吴水才

北京工业大学 a.电子信息与控制工程学院；b.生命科学与生物工程学院，北京 100124

微波热疗组织超声衰减系数的温度相关性研究

吴薇薇a，任稆平b，吴水才b

北京工业大学 a.电子信息与控制工程学院；b.生命科学与生物工程学院，北京 100124

研究微波热疗组织超声衰减系数的温度相关性，以期实现肿瘤微波热疗超声无创测温。通过对离体猪肝进行微波加热实验，采集肝组织在不同温度下的超声回波信号，计算不同温度下离体猪肝的超声衰减系数，获得超声衰减系数的温度相关性。实验结果表明超声衰减系数与温度具有较强的相关性（相关系数在0.5以上），基于超声衰减系数的温度相关性进行温度检测具有较高的温度测量精度（温差范围在0.2～4℃之间）。

微波热疗；超声衰减系数；温度相关性

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课题/研究背景：论文研究内容为国家自然科学基金项目“肿瘤微波消融温度及凝固区变化的超声监测方法研究(No.30770547)”。肿瘤微波消融治疗已应用于临床，热疗中温度的无创实时监测和疗效评估是急需解决的问题。生物组织超声特征参数(如衰减系数、背向散射积分、回波时移和频移、背向散射能量)具有温度相关性，若能通过实验确定超声特征参数的温度相关性，就能实现超声无创监测热疗时组织温度和凝固区的变化。北京工业大学生物医学工程中心生物热物理实验室多年来与解放军总医院合作，进行微波热疗关键技术的研究——手术规划、温度监测和疗效评估。本论文研究的是热疗组织超声衰减系数与温度的相关性，目的是从各种超声特征参数中寻找具有最好温度相关性的特征参数，并融合这些参数实现超声无创监测组织温度和凝固区变化。

0 前言

肿瘤热疗是指利用某种加热方法将肿瘤组织加热至超过其耐热温度以杀死癌细胞。将被治疗组织中的温度分布控制在适宜范围内是治疗效果的保证，因此对组织温度进行准确测控非常重要。侵入肿瘤的点测量方法相对危险，且无法得到组织的整体温度分布，因此寻求具有适当精度的无创检测技术成为紧迫而重要的课题。超声测温是利用超声波的某些声特性参数与温度的相关性来获取组织温度信息的无创测温技术[1-3]。

超声衰减是指超声波在媒质中传播的总能量损失，由于正常组织和病变组织的声衰减系数存在差异，且温度系数较大，利用其温度相关性测温可获得较高分辨率[4-7]。本文研究了微波加热离体猪肝组织超声衰减系数的变化趋势及其温度相关性。实验结果表明在微波热消融过程中，温升和凝固性坏死造成了组织结构的变化，声衰减系数与温度间具有相关性，根据其相关性，能够通过提取超声衰减系数进行温度估计，初步实现了微波热疗中的超声无创测温，但其测温准确度还需要提高。

1 材料和方法

1.1 实验系统及方法

微波热疗实验系统结构如图1所示，主要由脉冲超声发射接收器PR5800（OLYMPUS 公司）、数字示波器PM3380B（FLUKE公司）、水冷式微波热凝固治疗仪MTC-3（南京庆海微波研究所）、热电偶温度数据采集器Agilent34970A（HP公司）和 PC 机构成。

图 1 实验系统结构图

图 2 超声回波信号图

实验材料采用离体猪肝，因猪肝的性质与人体肝脏比较接近。超声波信号通过超声波发射接收器采集到PC机，利用数据示波器进行超声信号的模数转换。热电偶实时采集微波天线加热过程中组织的温度。水冷式微波治疗仪输出微波频率为2450MHz，辐射天线外径 1.7mm，表面经防粘处理缝隙发射，配用保定兰格 BTDI-100 型蠕动泵作为水循环动力泵，冷却用水为室温生理盐水。超声探头（3.5MHz）固定于肝叶顶部，采用去气水袋作为声耦合。自制的坐标支架确保热电偶与微波电极以固定间距（1cm）水平进入肝组织内部。设定微波加热功能为50W，加热时间为5min。开始加热后，每5s采集一组超声回波波信号，同时记录相应组织温度，直到加热结束。图2为采集到的一幅超声回波信号图，图中纵坐标代表超声反射回波的幅值，横坐标表示采样点数，即超声传播时间。整个回波包含512个数据点，对应时间100μs，时间零点对应超声脉冲触发起始点。

1.2 数据处理

图 3 超声衰减系数与温度的相关性曲线

2 结果与分析

表1列出10例猪肝超声衰减系数与温度的相关函数，相关系数R均大于0.5，表明超声衰减系数与温度具有较强的相关性。

表 1 微波热疗超声衰减系数与温度的相关函数

将上述10例实验所得函数进行平均拟合，得到超声衰减系数温度相关性函数为y=0.000074x2+0.00546x+0.2342，其中y代表声衰减系数，x代表温度。利用此函数进行多例超声测温实验，超声所测温度与热电偶测温值相比较，图4为其中一例实验检测结果，横坐标对应时间变化，纵坐标为温度。可见超声测温得到的温度变化趋势与热电偶实测结果基本一致，温差范围在0.2～4℃之间。

图 4 超声测温与热电偶测温结果比较

3 讨论与结论

本文通过对离体猪肝进行微波加热实验、采集肝组织在不同温度下的超声回波信号，计算不同温度下离体猪肝的超声衰减系数，通过10例实验初步获得超声衰减系数的温度相关性，结果表明超声衰减系数与温度具有较强的相关性（相关系数R在0.5以上）。利用超声衰减系数的温度相关性进行温度检测实验，超声测温得到的温度变化趋势与热电偶实测结果基本一致，差值范围在0.2～4℃之间，基于超声衰减系数的温度相关性进行温度检测具有较高的温度测量精度。

本文的研究结果还是初步的，要提高超声测温精度还需通过更多的实验来获取更准确的超声衰减系数的温度相关函数，此外还需通过动物活体实验和临床实验对相关函数作进一步修正。

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Study on the Temperature Correlation of Ultrasonic Attenuation Coefficient in Microwave Hyperthermia

WU Wei-wei1, REN Rui-ping2, WU Shui-cai2

a.Electronic Information and Control Engineering College;b.Life Science and Bioengineering College,Beijing University of Technology, Beijing 100124,China

The temperature correlation of ultrasound attenuation coefficient in the organization of microwave hyperthermia is researched in order to achieve non-invasive organization temperature. Microwave heating experiments are carried out in vitro pig liver tissues, and ultrasonic echo signals are collected at different temperatures. The ultrasound attenuation coefficient in vitro liver are calculated at different temperatures, and temperature dependence of ultrasound attenuation coefficient are confirmed. The experiment results show that ultrasonic attenuation coefficient and temperature has a strong correlation (correlation coefficient is 0.5 or above), and there is a high temperature measurement accuracy (temperature error range is 0.2-4℃)based on the method of using the temperature dependence of ultrasonic attenuation coefficient to detect organization temperature in microwave hyperthermia.

microwave hyperthermia;ultrasonic attenuation coefficient; temperature correlation

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.04.006

1674-1633(2010)04-0015-03

2009-09-17

2009-12-29

国家自然科学基金项目（30770547）资助。

吴水才，教授，硕士研究生导师。

通讯作者邮箱：wushuicai@bjut．edu．cn