双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，包括以下步骤：S1：分别在目标焦点F1、F2处设置正弦波点声源，基于时间反转法分别获取F1、F2处的激励信号；S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下同时实现F1、F2聚焦；S3：在一个周期内改变△t的取值进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场接近平台式分布的△t；S4：在保证总输入功率不变的条件下，针对目标焦点F1、F2的温度极大值调控激励信号幅值，并归纳出开颅和经颅两种状态下不同的幅值调控系数M计算公式，根据公式所得结果重新调整换能器阵元激励信号进行聚焦。本发明专利技术可分别实现开颅和经颅状态下聚焦温度场呈平台式分布，同时可改变焦域大小，提高消融速率。

Double excitation signal superposition control method for focusing ultrasonic focal region platform temperature distribution

The invention discloses a method of adjusting the temperature distribution of the focused ultrasonic focal domain platform by superposition of double excitation signal, including the following steps: S1: setting the sine wave point source at the target focus F1 and F2 respectively, obtaining the excitation signals at F1 and F2 respectively based on the time reversal method; S2: the power is constant when the focus is guaranteed to focus with the single focus. F1 and F2 focusing are implemented at the same time; S3: changing the value of delta T in a period to focus, screening the delta T which is a focal region and the temperature field near the platform distribution; S4: under the condition that the total input power is constant, the amplitude of the excitation signal is regulated by the maximum temperature of the target focus F1 and F2, and the craniotomy is summed up. According to the results of the formula, the amplitude modulation coefficient M formula of two different states of cranium and cranium is adjusted according to the formula. The invention can realize the platform temperature distribution of the focusing temperature field in craniotomy and craniotomy respectively, and simultaneously can change the size of the focal field and improve the ablation rate.

【技术实现步骤摘要】
双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法
本专利技术涉及超声波疗法，具体是一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法。
技术介绍
高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound,HIFU)作为一种新兴的肿瘤治疗技术以其非侵入性、无毒副作用和可重复施治等特性已成功应用于子宫肌瘤、乳腺癌、前列腺癌和肝癌等实体软组织肿瘤的临床治疗。对于有颅骨包裹的脑肿瘤治疗而言，由于颅骨的密度、声速等与软组织相差较大，且对超声波的衰减和吸收较强，在早些年的研究中需要去除一部分颅骨以便超声波进入脑部。随着换能器相控阵技术的发展研究者们利用电子相控技术实现了HIFU经颅骨传播，1996年Fink等人引入时间反转技术实现了HIFU经颅骨聚焦；1998年Hynynen等人利用水听器记录聚焦超声换能器各阵元经离体人颅骨传播的声波信号并进行相位校正，重新触发换能器在颅骨后方的兔脑组织内形成了凝固性坏死。近年来，研究者通过医学图像获取颅骨的结构及参数信息，建立HIFU经颅的数值仿真模型并进行相关数值仿真研究。1998年Sun和Hynynen利用MRI图像获取颅骨结构信息，建立模型并采用相位共轭方法仿真实现HIFU经颅聚焦。2003年Abury等人利用离体颅骨CT图像数据计算颅骨声学参数，数值仿真相控换能器经颅聚焦的激励信号及HIFU声压场，得到与离体实验一致的结果；2004年Pernot等人利用CT图像建立了三维仿真模型计算HIFU温度场，与实测的颅骨表面温度接近；2009年Marquet等基于离体人体颅骨CT扫描数据，利用时间反转技术对离体猴头骨和干燥人颅骨进行了HIFU经颅聚焦仿真研究并通过离体实验进行了验证，表明无创经颅聚焦治疗是可行的。为了降低颅骨处声压和温度避免颅骨及周围组织的烫伤，2000年Clement仿真研究了半球形相控换能器的经颅声压场，结果表明半球形相控换能器可以最大化颅骨表面的声束透过面积，降低颅骨中的热沉积；2012年Matsumoto等提出热点消除算法，一定程度解决了球冠状换能器治疗浅表肿瘤颅骨处热点沉积的问题；2013年Narumi等利用时间反转方法结合相关处理对换能器激励信号进行相位校正和幅值补偿，使超声波能量更有效的穿透仿骨体膜聚焦到目标区域；2015年Ding等人基于时间反转方法提出换能器相位调制和幅值补偿结合颅骨处热点消除的方法，在降低颅骨处温度的同时使得目标区域的温度得到了提升。2010年McDannold等人利用ExAblate3000治疗系统对三位胶质瘤患者进行临床治疗试验，但由于设备功率的限制，三位患者颅内靶区未形成凝固性坏死；2012年Jeanmomod等人利用ExAblate4000系统对12位慢性神经痛患者进行临床治疗试验，结果表明大部分患者得到了缓解，一位患者术后及术后48小时均在颅内检测到8-10mm的出血点；2013年Elisa等人利用MRI引导的聚焦超声对15名震颤患者进行治疗，结果显示所有病人丘脑部分都产生了热损伤，震颤患者得到缓解，但在四名患者身上出现了持续性感觉异常等副作用；2014年Chang等人利用ExAblate4000系统对11位震颤患者进行除颤治疗，其中8名患者完成了治疗且在6个月后震颤症状都有缓解，而其他三名患者由于目标区域最高温度低于42℃未达到治疗目的；2014年Coluccia等人利用MRI引导的HIFU经颅治疗系统对一位63岁的胶质瘤患者进行治疗试验，部分消融了颅内肿瘤且未引发并发症。HIFU治疗过程中温度的控制直接影响治疗效果，治疗温度过高可能引发严重的后遗症甚至可能危及患者生命，治疗温度偏低又没有效果。HIFU单次辐照形成的焦域温度梯度较大，焦域中心温度较高，容易形成高热副作用。为了控制HIFU治疗区域内的能量沉积，1989年Ebbini等人利用伪逆矩阵方法在四个目标位置分别产生了声强相等的焦点；2013年Partanen等人在HIFU温热疗法中利用单次多焦点辐照降低峰值声压并控制治疗区域形状；2000年Salomir等人将HIFU辐照轨迹设定为双螺旋线得到了温度分布均匀的一个大的治疗区域；2013年ZhouYF仿真优化了辐照路径、辐照间隔使得目标消融区域能量分布更均匀。上述专家虽然通过开颅的方法解决了颅骨处能量沉积问题，但未对治疗时间长和焦域处温升过高可能引发脑组织出血问题进行研究讨论，同时也未对经颅状态及双激励信号叠加的方法进行研究。
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，提供了一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，包括以下步骤：S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源S0(t)＝I0sin(ωt).....................................................公式(1)，基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为其中，为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；S3：在一个周期内改变△t进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的△t值；S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦点F1、F2处的两个温度极大值T1、T2对激励信号幅值进行调控，幅值调制后的激励信号为Si(t)＝(1-M)S1i(t-△t)+MS2i(t)...............................公式(5)，其中，激励信号幅值调控系数T0为媒质初始温度。在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，在这一个周期内调整S1i(t)和S2i(t)两个信号的相对触发延迟时间；幅值调控时，在功率不变的条件下，只需重新分配阵元激励信号幅值。一种双激励信号叠加调控经颅聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，包括以下步骤：S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源S0(t)＝I0sin(ωt).....................................................公式(1)，基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为其中，为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；S3：在一个周期内改变△t进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的△t值；S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源S0(t)＝I0sin(ωt)....................................................公式(1)，基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为

【技术特征摘要】
1.一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源S0(t)＝I0sin(ωt)....................................................公式(1)，基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为其中，为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；S3：在一个周期内改变△t进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的△t值；S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦点F1、F2处的两个温度极大值T1、T2对激励信号幅值进行调控，幅值调制后的激励信号为Si(t)＝(1-M)S1i(t-△t)+MS2i(t)...............................公式(5)，其中，激励信号幅值调控系数T0为媒质初始温度。2.根据权利要求1所述的一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，在这一个周期内调整S1i(t)和S2i(t)两个信号的相对触发延迟时间；幅值调控时，在功率不变的条件下，只需重新分配阵元激励信号幅值。3.一种双激励信号叠加调控经颅聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，包括以...

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