共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法技术

本发明专利技术公开一种共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，包括：1)采用监控引导系统对靶组织进行定位，并调节靶组织的位置至换能器的焦点；2)进行第一阶段的毁损：控制共焦谐波叠加百微秒脉冲超声所形成的冲击波作用于焦区的空化核，且负声压超过空化阈值，发生惯性空化以产生沸腾气泡，实现组织部分均匀化；3)进行第二阶段毁损：控制共焦谐波叠百微秒脉冲序列同时辐射靶区，进一步地机械粉碎和均匀化靶组织。本发明专利技术可以显著降低组织毁损方法所需要的峰值声压，减少对焦点外周围组织的影响，实现对组织的高效毁损，并保证安全性。

【技术实现步骤摘要】
共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法
本专利技术属于聚焦超声
，涉及一种非侵入式聚焦超声组织消融模式控制方法，具体涉及一种应用成谐波关系的共焦脉冲聚焦超声波组织毁损模式控制方法。
技术介绍
高强度聚焦超声(Highintensityfocusedultrasound,HIFU)是一种非侵入式治疗手段，它通过放置在体外的高强度聚焦超声换能器，将超声能量聚焦在人体深部目标组织，精确损伤目标组织而不损伤声路径上的组织以及靶区周围正常组织。传统的HIFU热消融模式主要利用了超声的热效应；组织毁损(Histotripsy)模式主要利用HIFU的空化机械效应，将靶区组织粉碎成微米尺寸的碎片(水化，组织切割)，可用于肿瘤消融，并有治疗肾结石、心律不齐及溶栓等扩展应用。组织毁损模式比起热消融模式有其自身优势：1)组织毁损模式克服了热消融模式由于热池效应难以有效损伤大血管邻近组织的缺陷，扩展了HIFU的有效性；2)组织毁损模式治疗后形成组织可吸收的液体，相比于热消融模式中产生的凝固性损伤，易于被组织吸收，术后恢复快，更适于临床应用；3)组织毁损模式治疗过程中产生的空化云、沸腾气泡等可用B超设备监控，便于实时监控和治疗过程的评价。现有的组织毁损技术主要有利用几个微秒脉冲串长的超高强度超声波产生空化云组织毁损和利用几个毫秒脉冲串长的超声波产生沸腾气泡组织毁损两种模式。空化云组织毁损过程需控制在焦区内形成冲击波(shockwave)，且负声压超过空化阈值，由冲击波经单个微泡反射形成大幅度的负声压，并与入射波叠加瞬间产生空化云。美国密西根大学研究小组提出和发展了利用超高强度脉冲超声产生空化机械效应对软组织进行粉碎的治疗模式。授权的美国专利US6,309,355B1，专利技术人Cain，专利技术名称为“Methodandassemblyforperformingultrasoundsurgeryusingcavitation”于2001年披露了采用持续时间小于50μs的脉冲序列，在超声诱导下进行组织毁损的治疗方法。Cain在美国专利US8,057,408B2，专利技术名称为“Pulsedcavitationalultrasoundtherapy”中则进一步提出将治疗过程分为初始，维持，治疗以及反馈等子过程，控制子过程超声波的声压幅度、占空比以及脉冲重复频率等治疗参数来产生不同的空化生物效应，以提高空化云组织毁损模式的可控性。进一步的，Cain在美国专利公开US20,130,090,579A1，专利技术名称为“Pulsedcavitationaltherapeuticultrasoundwithdithering”中提出利用占空比小于1％的脉冲超声波使两组脉冲间的空化泡消散，消除“空化记忆”，令空化泡在焦区的分布更随机从而使损伤区域更均匀。Cain在国际专利WO2,015,027,164A1，专利技术名称为“Histotripsyusingveryshortultrasoundpulses”中提出使用小于2个周期的短脉冲进行组织微毁损(Microtripsy)的方法。该方法提高峰值负声压，使其超过固有空化阈值，所产生的损伤小于一个波长，且损伤区域精确可控。但过高的声压对周围组织有影响，给临床应用带来压力。沸腾气泡组织毁损主要利用几个毫秒脉冲串长的超声波引起组织的快速加热沸腾，气泡破裂时产生较强的机械作用对组织形成损伤。华盛顿大学的MichaelS.Canney等人在专利技术名称“Methodsandsystemsfornon-invasivetreatmentoftissueusinghighintensityfocusedultrasoundtherapy”的美国专利US8,876,740B2中披露了利用几个毫秒脉冲串长超声波在靶组织产生沸腾气泡的方法和装置。VeraKHOKHLOVA等人在世界专利WO2,015,148,966A1，专利技术名称“Boilinghistotripsymethodsandsystemsforuniformvolumetricablationofanobjectbyhigh-intensityfocusedultrasoundwaveswithshocks”中则披露了引导超声波在靶组织不同点产生沸腾气泡进行组织毁损的方法及装置。两个不同频率叠加增效机制在治疗超声中也有所应用。国际专利WO2,015,138,781A1，专利技术人Kuang-WeiLin，专利技术名称“Frequencycompoundingultrasoundpulsesforimagingandtherapy”中则提出了利用低频(100kHz～1MHz)声波和高频(2～10MHz)声波(非谐波)同时作用于靶组织，控制两个频率的脉冲时延形成单极脉冲进行组织毁损的方法。G.Iernetti在“Enhancementofhigh-frequencycavitationeffectsbyalowfrequencystimulation”UltrasonicsSonochemistry,vol.4,pp.263-268,1997.中研究了使用高频700kHz和低频20kHz超声波来增强空化效应：低频超声波用于在靶组织区域扩增高频超声波在不同空化阶段的气蚀作用。这种kHz作为低频叠加于高频声波的方法存在几点不足：(1)kHz的超声波焦区体积较大，无法精准损伤靶组织；(2)kHz的超声波在焦区声波幅度较低，无法高效损伤靶组织。现有的组织毁损方法仍存在以下几点需要改进：1.所需要的峰值声压较大，空化云组织毁损需要峰值负声压为15～25MPa，峰值正声压则需要大于80MPa，沸腾气泡组织毁损所需峰值负声压为10～15MPa，峰值正声压大于40MPa，这对临床安全带来一定压力。2.空化云组织毁损方法脉冲持续时间仅为10μs左右，占空比小于1％，形成损伤所需超声激励时间较长，治疗效率偏低。3.沸腾气泡组织毁损所形成的损伤形状较难控制，通常会出现近换能器端较大的情况。针对以上不足，我们进一步提出了共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，提高治疗效率及安全性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，通过MHz谐波叠加的百微秒长度脉冲序列进行两阶段组织毁损，提高治疗效率及安全性。在两个阶段中，控制两个MHz的超声波同时作用，调节其幅度和相位，在共焦焦区处干涉叠加形成更高的负压峰值，促进空化效应，而在焦区外无重叠。此外，本专利技术采用MHz谐波叠加脉冲超声还有以下目的：(1)MHz谐波叠加脉冲超声作用于靶组织，可以降低空化阈值，有利于形成损伤；(2)MHz谐波叠加脉冲超声作用于靶组织，其聚焦性能好，所形成的损伤更加精准可控；(3)MHz谐波叠加脉冲超声作用于靶组织，热效应更好，可以提高治疗效率。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：共焦谐波叠加百微秒脉冲两阶段组织毁损模式控制方法，包括以下步骤：1)采用监控引导系统对靶组织进行定位，并调节靶组织的位置至换能器的焦点；2)第一阶段毁损：控制共焦谐波叠加百微秒脉冲超声在焦区形成冲击波，且负声压超过空化阈值，发生惯性空化以产生沸腾气泡，沸腾气泡破裂产生大量空化核并实现组织部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用监控引导系统对靶组织进行定位，并调节靶组织的位置至换能器的焦点；2)第一阶段的毁损：控制共焦谐波叠加百微秒脉冲超声在焦区形成冲击波，且负声压超过空化阈值，发生惯性空化以产生沸腾气泡，沸腾气泡破裂产生空化核并实现组织部分均匀化；3)第二阶段毁损：控制共焦谐波叠加百微秒脉冲超声序列同时辐射靶区，进一步地机械粉碎和均匀化靶组织。

【技术特征摘要】
1.共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用监控引导系统对靶组织进行定位，并调节靶组织的位置至换能器的焦点；2)第一阶段的毁损：控制共焦谐波叠加百微秒脉冲超声在焦区形成冲击波，且负声压超过空化阈值，发生惯性空化以产生沸腾气泡，沸腾气泡破裂产生空化核并实现组织部分均匀化；3)第二阶段毁损：控制共焦谐波叠加百微秒脉冲超声序列同时辐射靶区，进一步地机械粉碎和均匀化靶组织。2.根据权利要求1所述的共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，其特征在于，步骤1)具体包括以下步骤：通过换能器中心的探头进行图像引导，调节靶组织的空间位置，使其位于换能器的焦点处。3.根据权利要求1所述的共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，其特征在于，步骤1)中根据靶组织的体积大小选取方案：对靶组织适形边沿切割，将靶组织与正常组织切割出来，或直接损毁靶组织。4.根据权利要求1所述的共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，其特征在于，换能器包括基频阵元和谐波频率阵元；步骤2)中脉冲聚焦超声波的占空比DC范围为：3％<DC<10％；百微秒长度是指单个脉冲持续时间大于100μs，而小于1000μs；基频阵元的脉冲聚焦超声波的工作范围为1～3MHz，谐波频率阵元的脉冲聚焦超声波的工作范围为2～10MHz，脉冲重复频率为20～900Hz。5.根据权利要求1所述的共焦谐波叠加百微秒脉冲超声组织毁损模式控制方法，其特征在于，换能器包括基频阵元和谐波频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆明珠，刘妍杉，王睿，李玉娇，张灵璐，韩丹，马风超，黄伟骏，万明习，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61