高强度超声经颅聚焦的颅外驻波抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，对高强度聚焦超声经颅治疗时因颅骨存在而形成的驻波进行抑制，从而降低驻波的强度，同时可提升焦域聚焦能量的方法。它包括以下步骤：S1：利用Matlab中random函数生成随机相位序列；S2：将生成的随机相位序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中；S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用驻波比Ra评价驻波强度，选取驻波抑制效果最优的时间间隔；S4：在其他输入不变的条件下根据选取的最佳相位转换时间间隔进行驻波抑制，利用调整后的激励函数激励换能器进行聚焦。本发明专利技术可实现经颅聚焦同时有效抑制驻波，并附带提高焦域能量加速温升的效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种对高强度超声经颅聚焦产生的驻波现象进行抑制的方法，通过对 每个激励阵元的激励函数同时进行随机0或31的相位变化，调制经颅信号，使得颅骨外表 面与换能器之间的驻波强度减弱同时增强焦域能量。
技术介绍
高强度聚焦超声（high-intensity focused ultrasound, HIFU)是一种新型非侵 入治疗技术，将从体外发射超声波并向人体内治疗靶区聚集，使靶区温度瞬间升至60度以 上致死靶区病变组织的治疗技术。该技术现已在前列腺癌、肝癌、子宫肌瘤、胰腺癌、乳腺癌 等肿瘤的治疗。然而由于颅骨存在对超声波具有的反射作用，使得反射的声波与连续发射 的入射波相遇且满足振幅、频率、波长及相位差相同的条件而形成驻波。驻波的产生造成空 间能量的滞留，脑内滞留对脑组织造成损伤，而脑外滞留则造成了能量的流失。 2008年Tang等利用相控键法对驻波进行了消减，表明利用此方法可以抑制驻波 现象的产生；2010年Tang等控制频率的变化对驻波消减进行研究，利用随机修饰的方法， 其结果表明该方法同样有效；2012年Hynynen等利用改变换能器的开口直径来抑制驻波。 然而，前者只对组织中的驻波消减方法进行研究，并未对换能器与颅骨间的驻波消减的方 法进行研究讨论。另一方面，针对随机转换相位方法的转换时间间隔选择也未曾有过研究。
技术实现思路
本专利技术为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种针对高强度聚焦超声经颅 治疗时颅外驻波消减的方法。 本专利技术所采取的技术方案是： 一种高强度聚焦超声经颅治疗时颅外驻波消减的方法，包括如下步骤： 51 :利用Matlab中random函数生成随机相位序列； 52 :利用阵元激励函数：作为激励信号， 将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式改写为;其中:_为随机相位序列中的相位，(n=l，2, 3…）时读取一次震值，·"为相位变换时间间隔； W·· 53 :选择不同的相位转换时间间隔::胃，利用驻波比'评价驻波强 度，其中ih为产生驻波区域声压最大值，顯为驻波区域声压最小值，^为驻波区 域声压平均值；选定骨声窗及与其相匹配的阵元激励频率后，选取驻波比最小的时间间隔 作为相位转换间隔； S4 :在其他输入不变的条件下根据S3选取的最优相位转换时间间隔加入S1中的随机 相位进行驻波抑制，利用调整后的激励函数激励换能器进行聚焦。 声强是单位面积、单位时间的声能量，驻波消减前后输入声强以及时间不变，且换 能器激励阵元面积不变，可将保证驻波抑制前后换能器总输入能量不变以便对驻波法消减 驻波的效果进行分析。 本方法可选用的相位不仅局限于0和π，由于控制独立阵元发射的声波信号的相 位转换时间相同，转换的相位值也相同，因此也可采用不影响聚焦的其他相位进行驻波抑 制。 本专利技术具有的优点和积极效果是： a.本专利技术的高强度超声经颅聚焦的颅外驻波消减的方法，可有效的降低驻波强度，减 小驻波比。 b.本专利技术的驻波消减方法可通过对相位转换时间间隔的筛选，最优化转换时间 间隔，最大幅度增强相位转换方法的驻波消减能力。 c.本专利技术可针对不同经颅声窗所选择的不同阵元激励频率，对最大化相位转换 时间间隔做出调整，使其在不同激励条件下均可达到最佳的驻波消减效果，可适应于不同 聚焦环境。 d.采用本专利技术对相位进行调整后并不会对原聚焦焦域形状以及焦点位置产生影 响，不单不会使聚焦效果变差，反而可以实现经颅聚焦的同时降低颅骨外的驻波强度。 e.采用本专利技术在不改变焦域形状的前提下，可使聚焦能量更加集中于颅内焦域 位置，使得焦域位置的能量有大幅度提升。 f.本方法在不破坏聚焦能力的前提下提升了焦域能量，加快焦域温升速度，在一 定程度上降低了高强度聚焦超声经颅治疗的时间，可在临床治疗时减轻患者长时间治疗下 的痛苦。【附图说明】 图1为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦空间示意图。 图2为64阵元球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦模型图。 图3为选择颞骨鳞部骨声窗时阵元激励频率筛选图。 图4为驻波声压分布不意图及声轴曲线图。 图5为不同相位转换时间间隔下驻波比值曲线图。 图6为焦点处及颅骨最大处声压在不同相位转换时间间隔下的曲线图。 图7等时间间隔相位转换驻波消减法驻波对驻波消减前（a)及驻波消减后（b)的 声压分布图（X-Y平面）。 图8辐照时间16s时，驻波消减前后声轴（X轴)声压曲线图（a)及温度曲线图（b)。 图9辐照时间16s时，驻波消减前后焦点处的温度与颅骨最大处的温度随时间变 化曲线。 图10辐照时间相等时驻波消减前（a)与驻波消减后（b)的焦域及辐照至焦点处等 温度时驻波消减前（C)与驻波消减后（d)的焦域图。 图11焦点处及颅骨处声压随的变化曲线（a)颞骨窗（0. 6MHz)，（c)枕骨窗 (0. 7MHz)，（e)顶骨窗（0. 7MHz)及对应驻波比。 图12本专利技术的等时间间隔相位转换驻波消减法方法流程图。 图中主要标号说明： 1 一凹球面64阵元相控阵列超声换能器 2- 人体颅骨模型 3- 目标焦点 4 一脱气水 5- 头皮组织 6- 颞骨骨窗 7- 脑组织 8- 换能器相控单阵元 Φ1-换能器开口直径 Φ 2-阵元直径 Φ 3-换能器中心开孔直径。【具体实施方式】 以下结合附图和实例对本专利技术的技术方案作进一步说明描述。本专利技术的优选实例 不构成对本专利技术的限制。 本专利技术提供了一种高强度聚焦超声经颅治疗时颅外驻波消减的方法。该方法基于 时间反转法，颅骨处高热点消减法，利用对阵元发射信号的相位做等时间间隔随机转换的 方法对存在于颅外的驻波进行抑制。通过该方法不仅降低了驻波强度，更在不改变输入条 件的前提下提高的聚焦区域的能量，加快温升速度，提高治疗效率。 实施例1 图1为球冠状凹球面相控换能器经颅聚焦空间示意图，图2所示为实例模型，在这里 以颞骨鳞部作为骨声窗，其中换能器以一球冠状凹球面64阵元相控阵列换能器在频率为 0. 6MHz条件下辐照为例，按如下步骤实施。 S1 :利用Matlab中random函数生成随机0或π的序列。本例声窗模型选取颞骨 窗，颅内焦点位于换能器几何焦点处，即设定焦点距离换能器80mm处。 S2:根据颅内靶区位置及相控换能器可变焦范围，选定治疗目标深度为 =25mm，即颅骨和相控换能器的距离为& =55mm。利用公式（1) 作为激励信号，对颞骨骨窗的最适阵元激励频率做筛 选，如图3所示，选定聚焦效果最优且无颅内损伤的激励频率0. 6MHz。由于颅骨的存在而产 生的条带状驻波如图（4)所示。将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数 中，将公式（1)改写为公式（2) ) +穸(>_})。其4#为0或 π的相位，取自random函数生成的0与π随机相位序列，公式（3) (n=l, 2, 3···) ·?'；.时读取一次I5值，I； Λ相位变换时间间隔。 S3 :选择不同的相位转换时间间隔，利用公式（4)驻波比 评 价驻波强度，其中__为产生驻波区域声压最大值，)??为驻波区域声压最小值， 为驻波区域声压平均值。如图5所示，选出驻波比最小的即驻波消减效果最好时间间隔 值。在这里与颞骨骨窗在〇. 6MHz下匹配最佳的时间间隔为6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度超声经颅聚焦时产生的驻波抑制方法，其特征在于，该方法在其他输入条件不变的前提下，只需每隔固定时间间隔对相位进行0、π/2、π或3π/2的变化，抑制驻波强度；该方法包括以下步骤：S1：利用Matlab中random函数生成随机相位序列；S2：利用阵元激励函数作为激励信号，将生成的随机序列每隔固定时间间隔加入至阵元激励函数中，将公式改写为；其中为随机相位序列中的相位，（n=1,2,3…）时读取一次值，为相位变换时间间隔；S3：选择不同的相位转换时间间隔，利用驻波比评价驻波强度，其中为产生驻波区域声压最大值，为驻波区域声压最小值，为驻波区域声压平均值；选定骨声窗及与其相匹配的阵元激励频率后，选取驻波比最小的时间间隔作为相位转换间隔；S4：在其他输入不变的条件下根据S3选取的最优相位转换时间间隔加入S1中的随机相位进行驻波抑制，利用调整后的激励函数激励换能器进行聚焦。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：菅喜岐，曾苗苗，
申请(专利权)人：天津医科大学，
类型：发明
国别省市：天津;12