基于收发一体聚焦超声换能器的浅表组织损伤实时监测研究*

谢 伟钱 骏田 丽谭坚文李发琪李雁浩*

(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.重庆医科大学生物医学工程学院，重庆市生物医学工程学重点实验室，重庆 400016；3.超声医疗国家工程研究中心，重庆 401121)

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是一种可以将超声波从体外穿过复杂的人体组织进入病灶区域杀死肿瘤组织的非侵入性无创技术[1-2]，近年来HIFU在浅表组织的临床应用中起到越来越重要的作用，其在治疗宫颈炎[3]、外阴白色病变及皮肤美容[4]等方面已经得到广泛验证。在HIFU临床应用中，由于浅表组织的特殊性，稍有不慎就可能灼伤皮肤表面造成与预期相反的效果，所以为保证治疗的安全性，控制好每个聚焦目标点的超声剂量非常重要，因为不同浅表组织的聚焦目标点的吸收和介入组织中的衰减有差异[5]，所以及时判断靶组织损伤的形成至关重要，以免造成治疗不彻底或者过度治疗等问题[6]。

目前，在HIFU术中监测靶组织损伤的方式主要有两种，即超声监控成像和磁共振监控成像；对此国内外学者已经开展了大量对这两种成像方法的研究，并且取得了相当可观的成果[7-10]。Guntur等人通过数值模拟方法预测组织瞬时温度分布，以评估HIFU消融术期间组织中发生的热损伤[11]；Matsuzawa等人通过分析组织焦斑的相关系数，说明了后向散射射频信号由于组织凝固而发生变化[12]；也有学者通过各种信号处理和创新手段来探索组织损伤的规律，并取得了良好的结论[13-17]。

HIFU已被确立为治疗各种医学适应症的有效方法[18]，近年来HIFU作为一种用于皮肤除皱和紧致的新治疗模式[19-21]，在医疗美容行业也得到了快速发展。但是对于宫颈、外阴、皮肤等浅表组织当前尚无有效损伤监测手段，多依靠临床医生的经验进行判断，存在一定的主观性，因此本研究提出利用聚焦超声换能器同时作为损伤检测传感器，抓住声波在两个不同声阻抗介质界面时的反射特性，利用聚焦超声换能器自身良好的接收灵敏度，针对用于治疗浅表组织换能器体积较小不能外加损伤检测设备的问题，构建开发了一套集治疗和监控于一体的超声脉冲回波信号检测系统，可以在不改变原有治疗模式的情况下进行组织损伤监控。实验结果表明，在离体牛肝实验中，该系统具有良好的稳定性且操作方便，可作为一种有效的实时监测HIFU治疗浅表组织焦域损伤的检测手段。

1 材料和方法

1.1 实验材料

选取刚从屠宰场采购的新鲜离体牛肝为实验材料，并在6 h～8 h之内进行实验，实验前将牛肝边缘较薄部分切除并切成40 mm×50 mm×40 mm的形状，使用生理盐水(浓度0.9%)洗净后再用真空泵脱气40 min～50 min，脱气后待牛肝恢复室温即可开始进行实验；实验过程在脱气水中进行。

1.2 收发一体聚焦超声换能器仿真研究

当聚焦超声换能器作为发射器时，通过逆压电效应使换能器的机械振动系统产生振动，进而向介质中辐射声波，将超声波聚焦在换能器的几何焦点处，使得焦点处组织温度升高而产生凝固性坏死，以达到治疗的目的。而当换能器作为接收传感器时，外来声波作用在换能器的振动面上，借助于压电效应，可以在换能器的电输出端上接收到一个相对于声信号的电压信号，通过分析该信号则可以对声通道中的情况进行判别。本文选择的超声换能器基本参数如表1所示。

表1 聚焦超声换能器参数

为验证聚焦超声换能器同时用于治疗和损伤监测的可行性，首先利用MATLAB中的K-wave工具包对超声脉冲回波信号的产生与传播进行模拟仿真研究，模型参数和换能器实际尺寸相同，超声换能器实物和仿真模型的几何结构如图1所示。通过在换能器的几何焦距处设置一个虚拟的焦域，改变焦域介质的密度和声速[22]，观察声波经过焦域后的回波信号，验证HIFU换能器的自发自收性能。

图1 换能器实物及其仿真示意图

1.3 超声脉冲回波信号检测系统

本文设计开发了一种稳定性好、可靠性高、可操作性强的回波信号监测系统。该系统包括了硬件和软件部分，硬件部分包括控制系统、功率放大器、超声脉冲回波信号检测模块和高压隔离模块(用以隔离治疗信号)和换能器，组成HIFU辐照系统和脉冲回波信号检测系统，系统示意图及实验系统照片如图2所示。

图2 聚焦超声治疗-监控系统示意图及其实验系统照片

图2中，HIFU辐照系统由上位机、控制板、功率源和换能器组成，当需要治疗输出时，由上位机发送指令给控制板进行输出控制；回波信号采集系统则由PicoScope数字采集器、超声脉冲回波采集板和换能器组成，当需要进行回波检测时，由上位机控制PicoScope发送脉冲信号经回波采集板进行信号采集。软件部分是基于MATLAB编程软件自行开发设计的GUI操作界面，如图3所示，该界面主要包括通信模块、参数设置模块和数据显示绘图模块。其中，通信模块包括上位机与PicoScope和控制板的通讯开关；参数设置模块包括设定辐照模式(包括辐照时长、辐照间隙时长、辐照次数)等有关信号采集的重要参数；数据显示模块是将采集到的脉冲回波数据进行实时绘图显示；该系统将工作中所采集到的脉冲回波信号数据均储存于上位机中，以便于实验结束后进一步分析。

图3 聚焦超声治疗-监控系统上位机控制界面

1.4 参数设置以及数据预处理

按照图2所示原理流程图搭建好实验平台后，在上位机中进行参数设置，用于实验的换能器中心频率为9.5 MHz，在满足采样定律和采集速度的情况下，为了尽可能还原焦域回波信号特征，设置接收信号的采样频率为62.5 MHz；方案一辐照模式为单次辐照0.5 s，辐照2个回合，电功率为30 W(前向功率为29.88 W，反向功率为0.55 W，即实际电功率输出为29.33 W)；方案二辐照模式为单次辐照0.2 s，辐照3个回合，电功率为50 W(前向功率为49.68 W，反向功率为1.51 W，即实际电功率输出为48.17 W)；回波检测方式为辐照前发送超声脉冲检测个数为10个，辐照间隙发送4个检测脉冲，辐照后即刻发送50个检测脉冲进行持续监测。

该实验系统上位机控制流程由图4所示，首先在辐照离体牛肝某个点之前，先发送数个脉冲波以得到整个声通道上的回波信号，选取声通道信号较好的位置进行实验，以便于避免干扰和后期分析；选取好实验点之后即可以治疗输出，通过上位机设置的辐照时长和辐照回合来控制输出时间，治疗输出时通过连续波进行辐照，在两回合间隙，发送超声脉冲波进行检测，用以判断前一个辐照回合内焦域是否出现损伤，若焦域出现损伤则可以通过脉冲回波信号变化进行判别；最后，在所有辐照回合结束后再次发送脉冲波进行检测，观察辐照结束后焦域回波的信号情况。

图4 上位机软件控制流程

本系统设计旨在研究浅表组织中，用焦域处回波信号来表征组织损伤情况，为此需要将换能器接收的回波信号进行提取分析，并计算出焦域处回波信号强弱，确定焦域范围内回波信号包络积分值大小与组织损伤大小的对应关系，信号分析均在MATLAB中进行；首先求出滤波后回波信号的上下包络曲线，如图5所示，再将焦域处的包络曲线根据复合梯形法求定积分的原理，把焦域区间[a，b]分成若干个小区间，用梯形公式求各个小区间上积分的近似值，当各个小区间长度趋于零时，则各个小梯形面积之和即是焦域回波信号的定积分值。设第i个小梯形的宽度为hi＝xi-xi-1(i＝1，2…n)，两底高度分别为yi-1＝f(xi-1)和yi＝f(xi)，则该积分区间数值为:

图5 焦域处回波包络曲线

把[a，b]区间n等分，令，故有

上式(2)中y0＝f(a)，yn＝f(b)，f(j)＝f(xj)＝f(a＋jh)，代入即可得出复合梯形求积分公式:

根据式(1)、式(2)、式(3)则可求出焦域处回波信号的积分值，令HIFU辐照前的超声回波强度为Er，辐照不同回合后的超声回波信号强度为Es，则组织超声回波信号强度相对变化值K为:K＝并通过K值的变化进行靶组织损伤评判，找出其与组织损伤的对应关系。

2 结果与分析

2.1 聚焦超声换能器仿真结果

换能器1∶1仿真模型如图6所示。虚拟焦域轴向长度为1 mm，当焦域模拟温度为70℃时，声速为1 582.4 m/s，密度为985.88 kg/m3，图7(a)为该仿真模型所接收的回波信号归一化处理后的结果，图7(b)为焦域范围内的局部放大图，图中标记①和②处可以清楚分辨出虚拟焦斑的前后表面，回波出现的时间与理论计算相符合，验证了将治疗超声换能器同时用于治疗和损伤检测的可行性，为后续离体组织实验奠定了理论基础。

图6 发射与接收阵元仿真模型

图7 超声回波仿真信号接收结果

2.2 收发一体实验系统准确性测试结果

为验证该收发一体实验系统的信号接收灵敏度，分别将强反射面置于HIFU换能器焦域前、中、后位置，以验证HIFU换能器对焦域处超声脉冲回波的接收性能。实验结果如图8所示，在发射波信号参数相同的条件下，当强反射面位于焦域处时，可以接收到最强的脉冲回波信号，如图8中标记②处；而当强反射面置于焦域前场和后场时，HIFU换能器接收到的回波信号明显低于焦域处的信号，如图8中标记①和标记③处所示。结果证明了HIFU换能器优异的自发自收性能，验证了将其用以监控焦域组织损伤的可行性和高灵敏性，并为离体牛肝实验提供了佐证。

图8 强反射界面在焦点前、中、后的超声脉冲回波信号

2.3 离体组织超声脉冲回波信号监测结果

在两种不同辐照功率、不同辐照时间及回合数参数下进行实验，方案一参数条件下实验结果如下:图9是30 W电功率下，辐照前、辐照间隙和辐照后实时绘制在GUI界面上的超声脉冲回波信号情况，图9(a)(d)是辐照前和辐照后的回波信号，图9(b)、(c)是辐照一、二回合后即刻的回波信号，图10是每帧超声脉冲回波信号在焦域范围内的积分值大小变化趋势；结果显示在一个辐照回合结束，即检测到焦域处超声脉冲回波信号出现了明显变化，回波信号的相对变化值K1为1.9，切开组织也可发现微小损伤；第二个辐照回合后回波信号明显增强，信号强度相对变化值K2为5.7，切开牛肝组织可发现明显损伤，图11(a)(b)是该参数下对应的离体牛肝组织损伤情况。超声脉冲回波信号相对变化值K越大，组织声轴横切面损伤面积越大，超声脉冲回波信号变化情况与组织损伤大小对应良好，该实验结果证明了利用超声脉冲回波信号可以检测到焦域组织损伤的形成。

图9 30 W电功率下，每回合辐照0.5 s时的超声脉冲回波信号

图10 30 W电功率下，焦域处回波信号强度变化

图11 30 W电功率下，两辐照回合间隙牛肝损伤情况

为了检验对于更小损伤的监测效果，选择短时高功率辐照方式下的方案二实验模式进行实验，实验结果如下:图12是50 W电功率下，单次辐照0.2 s，辐照三个回合的回波信号实时图，图12(a)、(e)是辐照前和辐照后的回波信号，图12(b)、(c)、(d)分别为三个辐照回合间隙检测的回波信号。图13是该实验参数下，焦域处回波信号积分值大小的变化情况；结果表明，在该参数下，辐照一回合后，牛肝即出现了极微小损伤，监控系统亦检测到焦域回波信号发生明显变化；在辐照完第二回合和第三回合后即刻，脉冲检测回波信号相较于前一回合间隙明显增加，回波信号相对变化值K逐渐增大，分别为K1＝2.1，K2＝4.3，K3＝6；且牛肝的实际损伤面积也逐渐变大。组织损伤面积随辐照回合的增加而增大，组织损伤面积与回波信号强度变化情况对应良好，即回波信号强度随组织损伤面积增大而增强。图14分别是该参数下不同辐照回合后的牛肝组织损伤情况。实验结果证明在短时间高功率输出条件下，当组织产生极微小损伤时，监测系统也可以检测到超声换能器接收到的回波信号变化情况，这对于有效控制焦域组织损伤大小、及时停止HIFU输出具有重要意义，可以有效防止过度治疗的情况，是兼顾治疗效果和安全性的重要保障手段。

图12 50 W电功率下，每回合辐照0.2 s时的超声脉冲回波信号

图13 50 W电功率下辐照一、二、三回合后焦域处回波信号强度变化

图14 50 W电功率下，辐照一、二、三回合后牛肝损伤情况

超声换能器回波仿真实验结果显示，利用聚焦超声换能器作为回波信号接收传感器时，可以通过回波信号判断出焦斑区域的前后表面，说明当焦域组织出现损伤时也应该可以通过脉冲回波信号进行判别。离体牛肝实验结果显示，在不同辐照模式和输出模式的实验中，当接收到的超声脉冲回波信号相对变化值K大于1.5时，即可判断组织出现损伤，且K值越大，组织损伤面积越大。当高功率短时间输出时，在该系统可以灵敏地监测到极微小损伤形成时的回波信号，如方案二实验结果图所示，这是其他对于浅表组织损伤的判别方法不能比拟的。理论仿真实验结果与离体组织实验结果相吻合，在各参数下的实验结果和规律性良好。此外，在辐照间隙和辐照后的超声脉冲回波检测中可以发现，所接收到的回波信号逐渐减弱，分析原因有二，其一是辐照结束即刻焦域处温度最高，其二是焦域处产生了一些微泡。Coussios[23]等人研究发现产生B超收到强回声的原因之一可能是沸腾泡。二者会在一定程度上影响回波信号大小。随着温度的降低和微泡的破裂，回波信号强度也有所减弱，最后的稳定值即是组织的损伤所产生的回波信号。通过上述实验结果中焦域回波信号强弱和牛肝组织实际损伤的对应关系验证了该损伤监测系统的准确性，证明了利用超声脉冲回波信号对浅表组织损伤进行判别的有效性。

3 结论

本研究针对利用聚焦超声换能器治疗浅表组织疾病尚无有效损伤监控的问题，从仿真研究和离体实验验证做起，基于MATLAB开发了GUI操控界面，通过构建收发一体聚焦超声换能器的HIFU治疗浅表组织损伤实时判别系统，将治疗换能器同时作为损伤检测传感器，实现HIFU治疗和监控一体化；有效避免了由于用于浅表组织的治疗头体积较小，无法用传统B超监控或者外加检测传感器进行组织损伤监控的问题，该系统具有操作简便、可靠性好、灵敏度高的特点。

实验结果表明:该系统所接收到超声脉冲回波信号强弱与离体组织损伤大小有良好的吻合度，且可以监测到亚毫米级损伤时的回波信号，可以很好地将超声脉冲回波信号用来实时判别浅表组织损伤情况；该系统的成功对于当前浅表组织损伤难以判别的情况可以起到有效的帮助，可以在不改变现有HIFU治疗浅表组织的模式下辅助临床医生对损伤的形成进行实时客观判别。

该收发一体系统为临床辐照过程中监控浅表组织微小损伤的形成提供了一种可行的方法，对于后续浅表组织损伤监测在临床中的应用和超声治疗浅表组织效果评估具有一定的积极意义。