驻波聚焦在体模中形成的精细损伤

罗 曼，何 敏，曾德平，宋 丹，王智彪，李发琪

（1.重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室，重庆 400016；2.超声医疗国家工程研究中心，重庆 401121）

引 言

聚焦超声消融手术（Focused ultrasound ablation surgery，FUAS）是一种新的非侵入性治疗技术，该技术已日趋成熟并广泛用于各种良恶性实体肿瘤及部分实体组织器官的疾病治疗［1］。超声换能器的聚焦方式是聚焦超声的核心技术之一，对FUAS 的疗效起着决定性的作用。现有的聚焦技术主要有透镜式、反射聚焦式、球壳式和相控阵等，还有一些新型的聚焦技术如基于透镜式改进的声超常透镜式等，都是采用行波聚焦的方式［2⁃5］。尽管行波聚焦在临床上广泛应用，其换能器制作工艺近年来也有了很大改善，但受其聚焦精度的影响，当用于具有复杂声传播路径的深度组织疾病治疗时常见并发症出现，例如文献［6⁃7］报道的子宫肌瘤治疗过程中由于肌瘤位置距离骶骨区域近，导致骶尾骨吸收声能量较多而出现骶尾骨、臀部疼痛。在前列腺癌［8］等体积较小器官的治疗过程中，由于治疗精确度不够，损伤周围临近血管、神经等组织导致勃起功能障碍、尿道直肠瘘、肛提肌坏死等并发症。因此，要实现更加安全、有效的聚焦超声消融，提高换能器聚焦精度及降低声传播路径上的能量沉积仍是需要深入研究的重要方向。

近几年，有研究者为了突破FUAS 治疗精度的瓶颈，提出了球形驻波聚焦这种新型聚焦方式［9］，同时开展了大量的理论和实验研究。Li 等［10］通过实验和仿真验证了两端开口的球形谐振腔通过驻波聚焦能实现轴向0.52λ尺度的亚波长焦域；Geng 等［11］通过实验获得了小于波长尺度的组织损伤，这些研究表明了驻波聚焦在焦域尺寸压缩方面具有明显优势。针对驻波聚焦的效率问题，Secomski 等［12］在研究驻波超声对体外培养细胞的影响时发现，相对于行波条件，要达到相同作用效果在驻波条件下所需的声强要低很多。研究表明，在获得相同的焦点能量条件下，采用驻波聚焦方法可减少超声传播路径上不必要的热效应沉积。Kenis 等［13］研究了驻波成分含量对于空化阈值的影响，结果表明，对比行波，驻波可能会带来治疗机制的差异。针对行波聚焦，于洁等［14］通过研究表明空化气泡云能够显著影响轴向损伤的形成，因此空化研究可作为研究两者治疗机制差异的必要手段，目前对比两者空化效应差异的报道较少。综上，关于驻波聚焦的研究还仅仅在起步阶段，主要集中在聚焦的物理机制及理论的研究，针对临床应用关于驻波聚焦条件下的聚焦及损伤特性研究仍然较少。

本研究基于临床应用设计了一种将两个完全相同的行波聚焦换能器同轴共焦相向放置实现驻波聚焦（Standing wave focusing，SWF）的换能器，可通过同时驱动和单边驱动并利用吸声材料遮挡对侧反射面与连接部分来实现SWF 和行波聚焦（Traveling wave focusing，TWF）。在相同焦点峰值正声压条件下，通过研究SWF 和TWF 超声分别辐照仿组织体模过程中的损伤形成过程及尺寸，同时结合不同辐照条件下的声场数值仿真、空化和非线性研究，旨在阐明行波聚焦与驻波聚焦条件下的组织损伤聚焦特性及形成机制，为驻波聚焦应用于临床提供科学依据。

1 材料和实验设置

实验所用换能器是由两个完全相同的凹球壳式聚焦超声换能器（焦距220 mm，开口直径270 mm）及110 mm 宽，5 mm 厚的铝合金弧形连接部分构成的（重庆海扶医疗科技股份有限公司，中国重庆），如图1 所示。两个凹球壳换能器同轴共焦对立放置，工作频率范围为610~630 kHz。通过控制两侧聚焦换能器的输出可获得SWF 和TWF 两种状态：SWF 由两侧换能器同时输出信号获得，TWF 只需单边换能器输出信号，同时采用吸声材料（600 kHz 频率下声压反射系数为4.8%，吸声系数99.8%）完全遮挡对侧换能器辐射面及弧形连接的内表面。实验装置结构如图2 所示，信号发生器（AFG 3252C，Tektronix，USA）产生的正弦信号由功率放大器（AG 1021，T&C，USA）进行信号放大后经匹配网络驱动如图1 所示凹球壳式聚焦换能器以产生两种输出状态。利用辐射力天平法对换能器输出的声功率进行校准并结合声功率测量标定其电声转换效率。将光纤水听器（HFO ⁃ 690，ONDA，USA）置入大小为10 cm×10 cm×5 cm 可恢复仿组织体模（重庆海扶医疗科技股份有限公司，中国重庆）中心位置，通过三维运动装置带动置入光纤水听器的仿组织体模移动，使光纤端部位于换能器焦点处测量辐照过程中的焦点峰值正声压，光纤水听器控制器转换后的声压信号由示波器（DSO0714B，Agilent Technologies，USA）采集，并用以分析两种聚焦方式的非线性情况。被动空化信号通过距焦点40 mm 的1 MHz 被动空化检测（Passive cavitation detection，PCD）探头（V309⁃SU，Olym⁃pus panametrics NDT Inc，Waltham，MA，USA）采集，采集到的空化信号经水浸数据线传入集成有NI高速数据采集卡（PXie⁃5122，National Instrument，USA）的PCD 控制平台进行数据处理。仿组织体模中的焦点损伤由高速摄像机系统（Photron FASTCAM SA4，Photron Inc，San Diego，CA，USA）采集后传至PC 进行处理。

图1 聚焦超声换能器Fig.1 Focused ultrasound transducer

图2 实验装置结构示意图Fig.2 Schematic diagram of experimental device

由于SWF 具有频率依赖特性［15］，因此实验前先采用光纤水听器间隔100 Hz 扫描焦点处的频率分布，最终确定压电换能器的最佳谐振频率f=626.9 kHz 作为激励频率，对应的超声波长λ=2.39 mm。为了对比相同焦点峰值正声压下的组织损伤，通过调节换能器激励电功率，使SWF 和TWF 的焦点峰值正压为17 MPa 时，记录下此时两种状态下的输出电功率分别为480 与1 140 W。基于该换能器在f=626.9 kHz 的电声转换效率为44.8%，可得SWF 与TWF 的声功率分别为215 与511 W。基于上述获得的声功率进行实验，辐照过程中的超声发射、PCD 控制平台和高速摄像机系统由硬件系统触发实现超声辐照和空化信号、焦点损伤变化的同步采集。采用MATLAB 软件进行图像处理，提取连续时间图像序列中，最大灰度值达到设定阈值灰度值50 的时刻为损伤出现的时间。并用Canny 算子（高边界阈值为0.4，低边界阈值为0.16）对损伤出现时刻的损伤形态进行边界提取。

焦点处的声场分布采用有限元分析软件Comsol Multiphysics（Version 5.2，COMSOL Inc.，Palo Alto，CA，USA）通过求解经典波动方程来进行仿真，计算采用二维轴对称方法来建立聚焦超声换能器模型，在计算域的边界处，添加完美匹配层（Perfect matching layer，PML）以避免不必要的反射，同时将换能器的内表面及弧形连接的内表面设置为强反射面。换能器置于装满脱气水的透明水槽中，仿真涉及到的参数设置：水的密度为1 000 kg/m3，水中的声速为1 500 m/s，水中衰减系数为0.217 dB/（MHz·m），仿组织体模密度是1 060 kg/m3，声速为1 400 m/s，声阻抗为1.48×106（Pa·s）/m。

2 结果与讨论

2.1 SWF 和TWF 辐照仿组织体模的损伤对比

图3 和图4 分别显示了SWF 和TWF 两种聚焦方式在相同焦点峰值正声压（17 MPa）下辐照仿组织体模的损伤形成过程，拍摄的帧间时间为16.7 ms，分辨率为1 024 像素×1 024 像素。SWF 情形下，损伤于辐照开始后22.82 s 出现在换能器焦点位置，呈长短轴差异不大的“ 椭球状”，尺寸大小为0.44 mm×0.6 mm（即0.18λ×0.25λ），轴向与径向比约为0.72。而在TWF 情形下，损伤于辐照开始后12.05 s 出现在换能器焦点位置，呈“雪茄型”，尺寸大小为2.18 mm×0.71 mm（即0.91λ×0.3λ），轴向尺寸明显长于SWF，轴向与径向比约为3.07，也远大于SWF。对不同时刻损伤轴向与径向的比值进行统计如图5 所示，SWF 下的组织损伤的轴向与径向的比值都明显小于TWF，表明SWF 实现了焦点轴向压缩，利用SWF 可以实现更精细的损伤形成。

图3 SWF 的损伤形成过程Fig.3 Lesion formation process of SWF

图4 TWF 的损伤形成过程Fig.4 Lesion formation process of TWF

图5 SWF 与TWF 的损伤轴向与径向尺寸比随辐照时间的变化曲线Fig.5 Change curve of lesion axial and radial size ratio with irradiation time during SWF and TWF ultrasonic irradia⁃tion

2.2 SWF 和TWF 辐照仿组织体模的损伤机制

（1）声场分布对比

考虑到仿组织体模中的声场分布无法直接测量得到，本文基于数值仿真获得了两种聚焦方式下仿组织体模中的理论轴向与径向声场分布，结果如图6 所示。可见：（a）TWF 的方式得到的声场分布呈简单递增再递减的分布，声能量在主瓣内沉积，形成轴向损伤尺寸较大，向外扩散的“雪茄”型损伤形态。（b）SWF 的声场呈明显的驻波声场特性，存在空间位置固定的波腹、波结交替分布的驻波峰。可以将能量约束在较小的驻波峰范围内，由于中心波峰值最高，损伤优先出现在中间波峰位置，由此实现更小的损伤。

图6 SWF 与TWF 径向与轴向仿真声场分布Fig.6 Radial and axial simulated sound field distribution of SWF and TWF

（2）空化强度对比

SWF 与TWF 辐照体模过程中的宽带噪声信号如图7 所示。其中黑色实线是无超声激励下PCD 检测到的系统基线水平，红色实线和蓝色实线分别表示相同焦点峰值正声压（17 MPa）辐照下的宽带噪声信号。从图7 中可以看出SWF 和TWF 的噪声信号均高于基线水平，且两者幅值相当，无明显差别。这表明在相同的焦点峰值正声压下，SWF 和TWF 都有空化出现，且空化程度相当。

图7 宽带噪声信号Fig.7 Wideband noise signal

（3）非线性声传播效应对比

为了比较相同焦点峰值正声压下SWF 与TWF 辐照仿组织体模过程中非线性传播的影响，分析辐照过程中经光纤水听器检测到的焦点声压信号（图8（a））及快速傅里叶变换后的相应频谱信息（图8（b）），同时分别获得了各次谐波与基波的比值，如表1 所示，表1 中TWF 的各次谐波幅值与基波幅值的比值均高于SWF。结果可见，在相同的626.9 kHz 基波激励，相同的焦点峰值正声压下，TWF 的非线性特性要强于SWF 下的非线性特性。

表1 各次谐波幅值与基波幅值的比值Table 1 Ratio of the amplitude of each harmonic to fundamental frequency

图8 17 MPa 焦点正声压下的焦点声压波形Fig.8 Time domain information frequency domain information focus sound pressure waveform under 17Mpa focus positive pressure

以上结果可见：（1）TWF 方式得到的声场分布主瓣呈简单递增再递减的分布，相应的损伤为向外扩散的“雪茄”型损伤形态；SWF 的声场呈明显的驻波声场特性，存在空间位置固定的波腹、波结交替分布的驻波峰，能量被约束在驻波峰内，形成轴向压缩明显的损伤，说明SWF 和TWF 辐照条件下的损伤与声场分布直接相关。（2）SWF 和TWF 的宽带噪声信号均高于基线水平且两者幅值相当，说明SWF 和TWF 辐照条件下均发生了空化，但与两者之间存在损伤差异无直接的相关关系。（3）通过对焦点的声压信号进行对比可见，TWF 的各次谐波幅值与基波幅值的比值均高于SWF，说明TWF 的非线性特性要强于SWF 下的非线性特性，而实验也观察到在17 MPa 相同峰值焦点峰值正声压条件下SWT 辐照出现损伤的时间为22.82 s，远大于TWF 辐照出现损伤所需的时间12.05 s。因此，在相同焦点峰值正声压条件下，相比于空化作用，非线性效应对损伤出现快慢影响更大。由于非线性增加了声传播过程中的高次谐波成分，而组织的声吸收系数会随着频率的增加而增加，从而引起了组织单位体积内的热效应增加，进而加快了损伤的形成，这与Reed 等［16］的研究结果一致。（4）为了实现17 MPa 相同峰值焦点峰值正声压，SWF 需要的表面声压为71 kPa，仅为TWF 的0.46 倍，表明SWF 声通道上声压幅值更低，更有利于保护声通道安全性。若将SWF 的表面声压调整为与TWF 相同的状态，则SWF 势必会更快形成损伤。

3 结束语

本文基于两个完全相同的，频率为0.6 MHz 的行波聚焦换能器同轴共焦相向放置实现SWF。在相同焦点峰值正声压（17 MPa）条件下，对比研究了SWF 和TWF 超声分别辐照仿组织体模过程中的损伤变化。研究可见，相同焦点峰值正声压条件下SWF 辐照形成的组织初始损伤尺寸0.18λ×0.25λ，远小于TWF 辐照形成的组织初始损伤尺寸0.91λ×0.3λ。SWF 初始损伤的轴径比为0.72，也远小于TWF的轴径比3.07，且随着辐照时间的增加，SWF 损伤的轴径比都明显低于TWF，表明SWF 可以压缩轴向方向的损伤大小，有助于实现更精细的损伤。此外，本研究结合组织中的声场数值仿真、空化和非线性研究进一步揭示SWF 与TWF 损伤的形成机制。研究表明SWF 轴向声场分布明显异于TWF，驻波特性有助于压缩轴向损伤尺寸。相同焦点峰值正声压下，TWF 焦点形成初始损伤更快，主要与非线性效应相关。而达到相同焦点峰值正声压，SWF 所需的换能器表面声压仅为TWF 的0.46 倍，表明声通道上声压幅值更低，更有利于保护声通道安全性。研究说明基于同轴共焦相向放置两换能器形成的驻波聚焦相比行波聚焦可以实现更精细的损伤，且声通道更安全，为驻波聚焦应用于临床提供了理论参考，有望推动聚焦超声消融手术在更多适应症的推广。