凹球面聚焦换能器焦点温升计算 论文题目

高强度聚焦超声(HIFU)ZL肿瘤时，分析其对人体正常组织发生不同程度的伤害原因，与声场系统的旁瓣有何关系？本文仅就旁瓣的形成原理、工程实施、临床效应、测量检验和YZ方法等作一简要分析，以资参考。

一 形成原理

HIFU的声束聚焦是为了提高单个ZL焦点的声功率密度，以利热凝效果; 超声诊断的声聚焦是为了在尽量大的区域都有较高的分辨率，以利成像效果，这二个系统的声聚焦是有重大区别的。为描述HIFU的声束聚焦(Beam Focused)，选择可供观察和测量的物理量，在工程上参考诊断超声场中的主瓣、旁瓣及焦点的焦域焦深等参数，实践表明还不够完整。主瓣为指向性立体图中声辐射能量Z大值的波瓣，它表征了系统能量的集聚特性; 旁瓣为次极大值和其余波瓣的统称，它表征了系统能量的分散特性。能量聚焦声场中的主、旁瓣的含义远比自由平面回波声场复杂，主要表现在: 焦点是个能量集中区域且会偏离轴向，旁瓣多杂亦较大，在观察期内其合成结果不太稳定。主旁瓣的形成和控制，除了换能器的辐射特性外，还根据空间传播特性中同频同相或同幅子波的叠加并合成的原理。分析HIFU旁瓣值较大的原因大致有: 焦域距声源太近，大面积换能器已不能视作点源，聚焦基阵的基元间距d已大于波长λ很多倍，靶组织既在充分吸收又在强烈反射声能，窄小区域内主辐射波与多层生物组织产生的大量杂波发生重度叠加，实际传媒边界环境与估算理论条件存在较大矛盾，存在板波辐射和水中测量的误差等等。这些原因也形成了旁瓣的模拟估算值、水中测量值和实际ZL值间的某些差异。

二 工程实施

参考几何光学聚焦原理，目前国内多数用球面波聚于球心附近获得焦点的方案，但难达到光学聚焦效果。为减小焦域降低旁瓣，不断进行了改进。具体有：

1.声透镜法：为单个圆盘形换能器，贴凹球形冠状声透镜。

2.球壳形会聚法：多个(N≈200~300个)圆平片或六角形平面小换能器，离散拼装在球冠壳体内侧。

3.球壳形有源自聚焦法：单个换能器取部分球壳形状，多个离散拼装在球冠壳体内侧。

以上主瓣的极大值基本与Z轴重合分布，旁瓣等间隔分布在主瓣周围。从加声透镜到球壳形会聚，再演变到球壳形有源自聚焦; 从单一圆盘换能器，到多基元的离散分布，再演变到准连续分布，焦域逐渐变小，旁瓣有所下降但还都偏大，超出了计算机模拟预测值(约25%)，难以达到临床ZL希望的15%左右。球壳ZY，因安装B超探头，凹球壳变成凹球带形辐射体，除拉长焦域外，还会使主瓣焦点声强降低，相对讲旁瓣值显著升高。大功率相控基阵的电子聚焦尚在研究中，按聚焦特性的要求布阵，其扫描偏转角增大时，不采用特殊措施其旁瓣更大，甚至会超过主瓣。以上聚焦的性能评价，取决于临床应用效果。

三 临床效应

根据超声学原理，主瓣越窄，旁瓣增大；旁瓣减小，主瓣变宽。在HIFU中，要保证焦点具有足够的ZL能量，主瓣尖锐使焦域变小其功率密度上升，但旁瓣增大，其区域内的离散能量也上升，易导至灼伤肿瘤周围正常组织。为此必须降低旁瓣，但主瓣将变宽，导至焦域变大其功率密度下降; 又为了要保持或提高焦域的能量密度，就可能提高声功率输出，如此则又会导致超过阈值，造成靠近声源的皮肤，声传布路径上及靶瘤周围正常组织的伤害。HIFU声场中旁瓣的声能增大，其热积累同样会产生热凝或空化效应，如有旁刀，将干扰主刀的ZL路线和计划，也会伤害敏感或边缘组织，相比超声成像，其危害性更为严重。

参考冯若先生关于组织温升的经验公式△T=0.012·I·t·f1.1(℃)，取f=1MHz、t=2s、I=3000W/cm2，可得△T=72℃，组织体温达109℃。参考张德俊先生关于旁瓣的研究，以HIFU用单元凹球壳换能器为例，因可能存在板波附加辐射，旁瓣相对焦点声压可严重为50%量级，则旁瓣处的I= 750W/cm2，△T=18℃，组织体温达55℃，这温度已超过组织许可承受的40℃。将上述两种参考结合分析，可定性说明，较大的旁瓣热伤害正常生物组织的可能性是存在的，临床还表明，脏器温度升至50℃时细胞死亡率急增。参考大量动物或离体的实验声功率摸拟值，若忽视了旁瓣的热效应，确定HIFU (主瓣)焦点的辐照ZL剂量标准，用于人体临床ZL，加上非实时的差异性和间接性，都可能成为伤害的隐患。

四 测量检验

以辐射压力天平法，测定球面波聚焦声场的声功率，再测定焦域的有效面积，存在测量误差而需校正。也有采用微型水听器测定声压后再折算声强，以减小测量误差。也有探索多普勒相干光测法，值得重视。

HIFU声场的计算机模拟，先建立数学模式，以线性声学计算各点声压或声强，进行工程设计后用水中测量实施检验。非线性效应使焦点处温升更快，热效应更显著，也就产生靶内微观和系统宏观的误差，这样估算的组织温升值往往偏低，导致工程设计偏于保守，临床使用时危险性增大。许多现象和学术交流说明，水中旁瓣测量值会大于计算机模拟值，生物组织中的不均匀性和非线性远大于水中，其旁瓣(如离体中)又会不同于(至少不小于)水中测量值，故调试和控制十分重要。水中测量的是声场，不是实际使用的热能场，忽视这点，容易掩盖旁瓣的热损伤。

五 YZ方法

聚焦，一要焦域有足够的能量，二要YZ其旁瓣。若主瓣焦点在人体某组织内产生约70℃高温时，预测旁瓣约为(20~25)%引起的体温不超过40℃，则问题不大。

为YZ旁瓣，较多采用多元小间隔离散布阵，辅以幅度加权，但焦斑较大、温升较慢。也有强吸声的多孔障板式幅度加权，但存在衍射，也仅见于加拿大多伦多大学癌症ZLZX研制的设备中。在生产工艺中，严格挑选晶片，获得良好的一致性，也可以降低旁瓣值。在保证有效ZL温度时，可缩短脉冲持续时间，使多个杂波无法相关叠加，以降低旁瓣值。相控阵YZ旁瓣可通过振幅加权，也有人提出了用球面随机超声相控阵YZ次极大与旁瓣的设想，或是用某种随机方法选取阵元的位置，或是先设计等距阵，然后随机地取消一定数量的阵元。这些办法可归纳为加权法或布阵法，其中之一都可收到某些效果。对特定基阵在幅度加权的同时进行相位加权，能否有效YZ旁瓣，只能看效果而定。据互易定理，同一个换能器在发射与接收时的指向性是相同的，为此建议，在焦点处用水听器小功率发射，来检测HIFU换能器的辐射特性，找出YZ旁瓣的设计途径。

许多专家认为聚焦超声在临床上的有效和安全使用依赖于对超声束在组织中的影响有足够了解(见本刊2001.11 P26)。本文所作的分折，尚需继续实验证实，但目的也仅此而已。HIFU利用超声波在生物组织中的透射特性形成焦点，但也遇到了旁瓣较大的问题。在如此窄小又很不均匀的传媒中，利用主瓣聚焦之优点，欲避旁瓣较大的弊端，应用亥姆霍兹—克希霍夫等定律的线性化方程，采用一般常用的加权等法，实践证明有所改善但效果不够理想，说明这是一个不能一笔带过的原理性问题。