基于红外热成像的高强度聚焦超声相控特性测量方法

基于红外热成像的高强度聚焦超声相控特性测量方法

【作 者】张光汉1,2，白景峰1,2

1 上海交通大学生物医学工程学院生物医学仪器研究所，上海市，200030

2 上海交通大学Med-X研究院，上海市，200030

相控聚焦超声的三维热场分布是衡量高强度聚焦超声相控换能器性能的关键指标，利用红外热成像技术定性测量相控聚焦超声换能器的声热场特性取得了显著进展。该文提出一种基于红外热成像测量相控聚焦超声相控特性的方法，并建立一套完整的测量系统。研究结果表明，该文提出的测量系统可以有效地测量相控聚焦超声换能器的相控特性，对相控聚焦超声声场特性测量的标准化具有重要意义。

相控聚焦超声；聚焦声场测量系统；红外热成像；相控特性测量

【 Writers 】ZHANG Guanghan1,2, BAI Jingfeng1,2

1 Biomedical Instrument Institute, School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

2 Med-X Research Institute, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200030

【 Abstract 】Phase-Controlled high intensity focused ultrasound 3D temperature distribution is the key indicator for measuring the ef fi ciency of HIFU transducer. Considerable progress has been achieved in the use of infrared (IR) imaging techniques for qualitative mapping of acoustic and thermal fi eld of high intensity focused ultrasound (HIFU) transducers. This article proposes a method to measure phased-controlled characteristics of HIFU based on infrared thermal imaging and establishes a whole measurement system to make the method more quantitative and reliable. The result shows that the proposed measurement system is able to measure pHIFU characteristics rapidly and precisely, which will be of great signi fi cance in standardizing the measurement of pHIFU acoustic fi eld.

0 引言

高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound, HIFU)作为一种非侵入式(non-invasive)治疗技术，为临床医生进行肿瘤治疗提供了除手术、化疗和放疗以外一种绿色物理治疗的选择，引起了国内外医学界的高度关注，正进行着广泛的临床应用研究。HIFU的基本原理是利用超声波特有的穿透性、方向性和聚焦性，将超声波束聚焦到病变组织内一个预先设定的靶点（即焦点），在聚焦区域内沉淀的超声能量转化为热能，使局部温度迅速升高并导致组织发生凝固性坏死（又称为热损伤），同时周围正常组织不受到伤害[1]。相控聚焦超声(pHIFU)是在HIFU的基础上利用电子相控技术控制聚焦区域中焦点的形状、位置、个数，实现高精度、高效率的治疗。在pHIFU治疗系统的研究中，相控聚焦换能器的相控声场特性是衡量其性能的主要参数[2]。实际测量在进行性能评价时，由于所采用的换能器或换能器阵列多种多样，现有测量聚焦换能器相控特性的方法不能完整描述这些换能器或换能器阵列的一些特性，如偏转特性等相控特性。因此相控聚焦超声的相控声场特性测量方法研究是pHIFU研究领域的一个重要课题。

利用红外热成像技术测量超声吸收体表面的声热转化效应是近年来提出的测量HIFU声场的新方法[3]。红外热成像具有数据易采集、图像空间分辨率高，测温范围广等优点[3]，本文就是利用红外热成像技术的这些优点，提出一种测量pHIFU换能器的相控声场特性的新方法，并构建一套测量系统，在现有关于聚焦换能器的测量方法上进一步测量和刻画相控型聚焦换能器的相控特性。

1 方法

1.1 现有HIFU声热场特性测量方法

目前IEC超声委员会推荐测量超声功率的方法是辐射力法，推荐测量超声声场分布的方法是水听器法[4-5]。这两种方法的基本思想是：在小功率条件下，用水听器三维扫描法找到声压焦点位置，对聚焦声场进行扫描测量，并计算出焦点的几何参数；用水听器或辐射力法测量超声功率，再按照相关公式求出最大声强。这两种方法的主要缺点是扫描三维声场耗时长、仅适用于小功率条件下测量、不能很好地描述相控声场的偏转特性等。

对于聚焦声场热场分布的测量，目前还没有标准的测量方法，前人提出了热电偶、BSA、非离子表面活性剂等方法，但是这些方法都有一定的局限性。近年研究利用新型材料制成的仿体对温度分布进行可视化测量取得显著发展[6]，这种方法可以直观、快速地测量聚焦声场的温度分布。

1.2 基于红外热成像的HIFU声场相控特性测量方法原理

为弥补现有方法测量相控声场特性的不足，本文提出基于红外热成像的pHIFU声场特性测量方法。该方法是基于红外热成像测量HIFU声场方法[7]的扩展，主要原理是利用红外热成像技术实时地测量pHIFU声场中的超声吸收体被辐照表面的温度分布，通过移动被照超声吸收体的位置得到被辐照表面在声场中不同位置的温度分布，经过三维重建后，就可以得到相控声场的用热场表示的焦点大小、－6 dB焦域尺寸等聚焦参数及相关的偏转精度等相控热性。该方法通过直接测热场分布来表征聚焦换能器的相控特性，可以有效解决目前已有标准和方法的不足，提供一种能快速、高效表征HIFU聚焦换能器相控特性的测量方法，因此研究并实现这种技术具有重要的理论意义和工程应用价值。

1.3 声热转换计算模型分析

通过本文提出的测量方法得到聚焦换能器的温度场分布，以及用热场表征的聚焦声场的相控特性，作为对比，需测得同等条件下声场分布。利用基于水听器和红外热成像测量HIFU声场的方法[7]即可测得声场中任意一个位置的声强估计值：

根据聚焦声场的声场分布，结合现有标准[4-5]中的相关参数定义，计算得到用声强表征的焦点、－6 dB焦域尺寸、偏转精度等相控特性，并与本文提出的方法测量得到的用热场表征的相控特性比较。

2 测量系统设计

2.1 测量系统搭建

为了实现基于红外热成像的HIFU声热场测量，构建一套完整的测量系统[8]。这套测量系统可以满足本文提出的聚焦声场热场测量方法的要求，同时也可以满足水听器测量方法的要求。测量系统结构如图1所示。

图1 新型HIFU声热场测量系统框架图Fig. 1 Framework of the new HIFU fi eld measurement system

硬件系统主要由定位系统和水槽构成。定位系统用于在统一的坐标系统内固定和自由移动超声换能器、超声吸收体及测量设备（水听器、红外热像仪等），水槽用于盛装蒸馏或去离子的除气水。

软件系统主要包括位移控制模块、数据采集模块、数据处理模块以及上位机界面模块。位移控制模块用于操控定位系统，以实现三轴（X，Y，Z）定位、按照设定路径扫描声场等功能。数据采集模块则负责将水听器和红外热成像仪采集到的信号通过相应的数据接口采集到系统中并保存。数据处理模块为软件系统的核心部分，负责将采集的信号转换为相应的声场测量参数。上位机界面模块实现软件系统的人机交互，主要包括实时测量数据和结果的展示、系统参数设置等。

2.2 聚焦声场温度分布的测量

根据搭建的测量系统（图2），相控声场特性的测量主要包括以下步骤。

图2 测量系统Fig. 2 Measurement system

(1) 确定声场中超声吸收体的表面温升最大时所在的位置，记录此时的最大温升率，用于计算式(1)中的复合量G，描绘出该位置所在平面的－6 dB等温线，并计算出该平面的－6 dB焦域尺寸；

(2) 分别设定换能器为自然焦点和偏转焦点模式，记录相应模式下的超声吸收体表面温升红外热图，确定各自最大温升点的平面坐标，在相同坐标系内比较，二者之间的距离即为相控偏转精度(DFS)；

(3) 以一定间隔移动超声吸收体（以温升等于焦平面温升的1/4为间隔），使用相同的加热时间，得到不同平面加热过程中的红外热图像，并根据红外热图像描绘出声束轴上－6 dB的等温线；

(4) 取出步骤（2）获得的各个层面的温度分布进行分析，计算得到热场表征的相控特性参数。三维重建后即可得到换能器的－6dB三维体；

(5) 利用步骤（1）得到的G以及步骤（3）得到的各层面上的温度分布，根据式（1）可求得各层面的声强的分布，进一步计算出声强表征的相控特性参数，并与步骤（4）的结果进行对比。

3 仿真与结果

3.1 理论仿真

针对本文提出的基于红外热成像测量聚焦超声声热场进行了理论仿真。使用两种具有不同声学参数、热学参数、几何参数的超声吸收体S1和S2，从理论上验证该方法的适用范围。

表1 仿真实验所用超声吸收体的声、热学参数Tab.1 The acoustic and thermal parameters of absorbers used in simulations

其中超声吸收体S1的声、热学参数与生物组织的参数相近，超声吸收体S2是根据文献[9]的研究方法设定的，两种超声吸收体的厚度均为2 mm。

选用超声吸收体S1进行真实辐照仿真，HIFU声强设定为1 060 W/cm2，辐照时间为200 ms，2.4 s内超声吸收体表面的温度及温升变化如图3所示。图3(a)表示超声吸收体表面的温度随时间的变化，图3(b)表示超声吸收体表面的温升率随时间的变化。

图3 S1的表面温度分布图Fig.3 Temperature distribution of absorber S1 surface

分别将超声吸收体S1和超声吸收体S2放置在声场中的5个位置（焦平面及其左右各2个面）进行仿真，辐照时间200 ms，换能器参数为65阵元，焦距为130 mm，直径为100 mm。仿真结果见表2和表3。

表2 －6 dB宽度和轴线声强在S1下的仿真结果Tab.2 Simulation results S1 of －6 dB width and on-axis intensity

表3 -6 dB宽度和轴线声强在S2下的仿真结果Tab.3 Simulation results S1of -6 dB width and on-axis intensity

从仿真结果可以看出，使用本文提出的方法得出的－6 dB宽度、轴线声强与理论值之间的相对误差跟水听器法相应的结果相比更小，因此相对更加精确。

3.2 实验测量

利用图2所示的测量系统进行了初步实验测量，由于条件限制，只做了水听器测量焦点声强部分，结果如图4所示。经过数据处理模块计算焦点处的声强为5.64 W/cm2。

4 结论

图4 水听器测得的焦平面声强Fig.4 The intensity of focal plane measured by hydrophone

本文研究了基于红外热成像的聚焦超声相控特性测量方法，设计了一套适配的测量系统和测量步骤。从仿真结果可以看出，本文提出的测量方法能够快速有效地测得红外热像图，由此计算得出的轴线声强和声束－6 dB 宽度与理论计算结果吻合度很高，总体上验证了本文提出的聚焦超声相控特性测量方法的可行性。后续完善实验测量平台后，需进一步完善该测量方法并标准化，这对相控聚焦超声声场测量标准化具有重要意义。

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Measurement of Phase-controlled Characteristics of HIFU Based on Infrared Thermal Imaging

pHIFU, acoustic fi eld measurement, infrared thermal imaging, phase-controlled characteristics

TB559

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2017.02.007

1671-7104(2017)02-0103-04

2016-10-13

张光汉，E-mail: hankzhang@sjtu.edu.cn