[发明专利]基于随机分布82阵元相控超声换能器多频分区激励方法

说明书

本发明公开了一种基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，步骤如下：根据阵元三维空间坐标将各个阵元划分为不同的激励区域；在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；在开颅状态下的数值仿真模型中研究频率分区数目及不同分区之间的频率差对HIFU聚焦性能的影响，并获得聚焦效果最好时的频率分区数目及相应频率组合；基于开颅数值仿真模型中获得的聚焦效果最好时的频率分区数目对经颅模型中的82阵元相控换能器进行两分区激励，研究不同分区之间的频率差对经颅HIFU聚焦性能的影响，确定聚焦性能最优时的频率组合。本发明减小组织消融所需输入功率和治疗时间的同时增大焦域温度及可治疗焦域体积。

技术领域

本发明涉及高强度聚焦超声技术领域，具体是一种基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法。

背景技术

高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)凭借其无创/微创、可重复施治等优势而被应用于乳腺癌、前列腺癌、子宫肌瘤等实体软组织肿瘤的临床治疗。而在经颅治疗过程中，由于颅骨对超声波的强衰减性和颅骨结构、密度的高度非均一性导致不同方位上换能器发出的超声束经颅骨传播后其衰减程度不同，各方位的超声束到达焦域的能量差异较大，最终导致HIFU经颅聚焦所形成焦域处的温度较低而达不到治疗目的。为了避免该问题的发生，在与单频超声激励保持相同输入功率及辐照时间的条件下，可通过多频激励提高焦域温度，改善HIFU聚焦性能。

一般而言，脑组织100％致死的阈值温度为54℃，而HIFU脑肿瘤治疗焦域的温度通常控制在54-65℃之间。若脑组织温度过高可能导致毛细血管膨胀破裂出血；温度过低则达不到治疗目的。由于目标区域温度较低导致治疗失败的问题时有发生。2010年McDannold等利用ExAblate 3000经颅磁共振引导的聚焦超声系统治疗了三名胶质母细胞瘤患者(47岁、23岁、34岁)，经颅治疗20s的试验结果表明三名患者的焦域处最高温度分别仅达到42℃、51℃和48℃，未能达到设定为55℃的目标焦域温度，没有形成致死靶区组织的治疗效果；2014年Chang等人利用ExAblate 4000治疗系统对11位震颤患者进行除颤治疗，试验结果表明其中三名患者由于目标区域温度较低最终导致治疗失败。虽然通过提高辐照功率或延长辐照时间可解决这一问题，但这也对治疗系统的输出功率提出了更高的要求，还可能对浅部颅骨及其周边软组织造成伤害。2013年Guo等通过两个频率分别为1.5MHz和3.3MHz的单阵元聚焦换能器对离体鸡胸组织进行辐照，实验结果表明双频聚焦超声可实现更高的组织温升；2014年Saletes等通过535kHz和565kHz双频超声同时激励单阵元聚焦换能器，研究结果表明双频激励可使溶栓所需功率降低40％；2015年Suo等分别通过单频及双频高强度聚焦超声治疗离体牛血栓，实验结果表明在相同的声功率和激励条件下，双频溶栓效率显著优于单频。这些研究结果均表明在治疗设备输出功率有限的条件下，可通过双频激励提高焦域温度。上述专家对基于单阵元聚焦换能器的多频超声激励进行了研究，但未涉及经颅治疗中所用的相控换能器，且未详细讨论频率分区数目及相邻区间频率差对HIFU聚焦性能的影响。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种基于开颅状态下82阵元随机分布相控阵超声换能器的多频分区激励方法，包括以下步骤：

S1：根据阵元三维空间坐标位置将各个阵元划分为不同激励区域；

S2：在各个分区激励面积相等的条件下，针对不同分区的阵元施加不同工作频率的正弦波；

S3：在开颅状态下的数值仿真模型中对82阵元随机分布相控阵超声换能器进行多频区激励，激励信号为