用于治疗宫颈疾病的微型自聚焦超声换能器聚焦特性与图像特征_王旖旎

用于治疗宫颈疾病的微型自聚焦超声换能器聚焦特性与图像特征_王旖旎 用于治疗宫颈疾病的微型自聚焦超声换能器聚焦特性与图 像特征_王旖旎 ,1196, 2009年5月 第26卷第3期中国医学物理学杂志May(,2009Vol(26(No(3用于治疗宫颈疾病的微型自聚焦超声换能器聚焦特性与图像特征 王旖旎1，2，惠春1，寿文德1，张艳丽1，余立立1，高顺华1，徐爱兰2，陈亚珠1(1.上海交通大学生命科学技术学院，上海200030;2.上海交通大学微纳科学技术研究院，上海200030) 摘要:目的:设计用于治疗妇科宫颈疾病的环状凹球面自聚焦超声换能器，并对其聚焦性能进行检验。方法:采用正负声源的方法，对该环状凹球面自聚焦超声换能器的轴向声场强度分布进行模拟仿真，并利用自定义的声场分布系数(SIDC)的物理意义对该换能器进行优化设计。最后采用离体器官组织牛肝实验所得损伤区域的图像特征分析来检验该换能器的聚焦特性。结果:在保证一定的机械强度和设计约束条件的基础上(固有频率为6MHz~12MHz)，所设计的内环直径为6mm，外环直径为12mm的?型和内环直径为3mm，外环直径为7.5mm的?型换能器的SIDC都达到了各自约束条件下的最大值。离体器官组织牛肝实验的结果也显示了焦点附近的损毁区域的轴向长度与仿真结果一致;且?型换能器的SIDC值大于?型换能器，其损伤区域的轴向长度更长且分布也更加均匀。结论:相同能量条件下，——————————————————————————————————————————————— SIDC值较大的自聚焦超声换能器的损伤区域轴向长度更大且分布更 加均匀。 关键字:凹球面环状;自聚焦超声;声场分布系数(SIDC) 中图分类号:R318;R711.74;O422.2文献标识码:A文章编号: 1005-202X(2009)03-1196-05 CharactersandImageFeaturesofMicroSelf-focusingUltrasoundTransducerUsedtoTreatCervicalLesions WANGYi-ni,HUIChun,SHOUWen-de,ZHANGYan-li,YULi-li,GAOShun-hua,XUAi-lan,CHENYa-zhu (SchoolofLifeSciencesandBiotechnology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China;2.TheRe-searchInstituteofMicro/NanoScienceandTechnology,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200030,China) Abstract:Objective:Designanannularself-ultrasoundtransducerwithconcavesphericalsurfaceusedtotreatcervicalle- sions,andanalyzeitsfocusingperformance.Methods:Axialsoundfielddistributionofannularself-ultrasoundtransducer ——————————————————————————————————————————————— withconcavesphericalsurfaceusedtotreatcervicallesionsissimulatedbyintroducinganegativesoundsource.Andexer- ciseoptimizationdesignwiththephysicalmeaningofsoundintensitydistributioncoefficient(SIDC).Thenthefocusingper- formanceisverifiedbyimagefeatureanalysisinbeefliverexperiment.Results:Bythepremiseofmechanicalrobustnessandtheirowndesignconstrains,optimizationdesignmake? transducer(innerringdiameter;6mm;outerringdiameter:12 mm)and? transducer's(innerringdiameter:3mm;outerringdiameter:7.5mm)SIDCvaluesreachmaximum.Thebeef liverexperimentresultsshowthattheaxiallengthoflesionregionnearthefocuswasconsistentwiththesimulationresults; As?transducer'sSIDCvalueisbiggerthan? transducer's,thedamageregionof?transducerisbiggerthanitof? trans-duceranddistributedmoreuniformly.Conclusions:Underthesamecondition,thetransducerwithbiggerSIDCvaluehas longertheaxiallengthoflesionregionnearthefocus,anddistributedmoreunif——————————————————————————————————————————————— ormly. Keywords:annularconcavesphericalsurface;self-focusingultrasound;SIDC 前言 收稿日期:2008-12-18 基金项目:上海市科委项目(No.0752nm027) 作者简介:王旖旎(1983-)，女，四川长宁，硕士研究生，主要从事智能 生物传感器，医疗仪器的研究，wang.edna@gmail.com。自1942年Lynn发现高强度聚焦超声(HIFU)现象以来[1]，1956年Burov首次将高强度聚焦超声(HIFU)技术用于治疗恶性肿瘤。到了二十世纪八十年代已经被当作治疗肿瘤的一种重要手段加以研究，其原理是通过超声聚焦在治疗区产生高能量，使病变组织温度在短时间内升至70?以上，从而使病变组织 ,1197, 中国医学物理学杂志 第26卷第3期 2009年5月 直接消融。2000年之后，这一原理与方法在治疗宫颈疾病方面也获得了研究进展[2]。 宫颈癌病灶多位于宫颈鳞状上皮和柱状上皮交界处的移行区的10mm内。宫颈癌0期(原位癌)至IB期，病灶间质浸润深度位于——————————————————————————————————————————————— 3mm~5mm内，宽度?7mm[4]。为此人们正在探索一种无创聚焦超声治疗技术，使得宫颈疾病获得有效治疗，这种技术要求在宫颈皮下2mm~4mm处形成深度可控，边缘清晰的组织损伤区域，直接“切除”表皮下的病灶组织，并在临床上得到应用。 但是，在精确控制聚焦特性与图像表征方面仍然存在许多需要解决的问题。于是寻找新的妇科疾病治疗方法[6]，探索HIFU应用过程中的新途径依然颇受关注[5~7]。 针对浅表妇科疾病的聚焦超声治疗系统，其核心技术自聚焦超声换能器的物理特性对聚焦超声的可控性影响较大，要求其厚度小(0.18mm~0.20mm)，聚焦超声频率高，方向性好。这些聚焦特性直接影响作用于生物组织内部所产生的温度场，及其在不同条件下温度场形成规律与图像特征。然而，当微型自聚焦超声换能器工作频率达到6MHz~12MHz，PZT陶瓷换能器材料的厚度仅0.18mm~0.20mm，几乎达到了极限厚度，加工难度非常大。因此，优化微型自聚焦超声换能器典型几何尺寸，模拟仿真研究声场分布规律就显得十分重要。为此，本文通过研究微型自聚焦凹球面环状超声换能器典型几何尺寸对声轴上声场强度的影响，进行换能器设计、加工，然后安装在聚焦超声实验装置上，进行超声波检测，对聚焦超声作用于离体器官生物组织产生的焦点及损伤区域特征用CCDSenser系统进行图像特征研究。 内环半径为a2。则某环单独激励时，声轴上任一点的声强可看作外环径为a1的凹球面正声源和外环半径为a2的凹球面负声源在该点产生的声强叠加。由此，环状凹球面轴线上声强可表示为: ——————————————————————————————————————————————— I(z)=Σ(Ii1(z)-Ii2(z)) i=1 n (3) Ii1(z)为开口直径为2a1的凹球面在声轴上Z点产生的声强，Ii2(z)为开口直径为2a2的凹球面在声轴上Z点产生的声强。I(z)为内环值几个为2a1和外 环直径为的环状凹球面在声轴上产生的声强。 根据公式(3)，模拟仿真时采用Matlab编程实现。先计算出开口直径为2a1的凹球面自聚焦换能器在声轴上Z(x，y，z)点产生的声强I1，再计算出对应位置开口直径为2a2的凹球面自聚焦换能器在声轴上Z(x，y，z)点产生的负声强I2，该点声强Iz=I1-I2，即为外环直径为a1，内环直径为a2的凹球面环状自聚焦换能器在Z产生的声强强度。最后，依次计算出声轴上各点声强，即可得仿真结果。1.2模拟仿真结果 根据治疗宫颈疾病对治疗头的要求，需要设计两种尺寸规格的凹球面环状换能器:一种是?型换能 1模拟仿真 1.1模拟仿真原理 O'Neil将本来只适用于计算平面辐射的Rayleigh 积分公式推广到浅度凹曲面的声辐射上[1，18]。后来的研究说明，这种推广造成的误差在容许的范围之内。按图1所示的凹球面坐标系，——————————————————————————————————————————————— Rayleigh积分写为 图1 自聚焦超声换能器原理结构图 Fig1.principleconstructiondiagramofself-focusingultrasoundtransducer 2v Φ(A，θ，φ)=0 乙乙 2 π b 1e-jklA'dA'dφ'(1) 式中Φ满足HelmHoltz方程塄2「+k2=0，k=ω/c0=2π/λ，k是波数，c0是介质中声速。波函数等于「乘以时间因子ejω，j为虚数符号。 凹球面辐射中心轴线上的声强可表示为: I=I0 2Rsin)+()(x-hak-x)/2姨R-x )) 2 (2) 图2坐标及凹球面状环形聚焦声源 ——————————————————————————————————————————————— 计算环状凹球面轴线上声强时，可将其分割成许 多独立的环，如图2所示，假设各环的外环半径为a1， Fig2.Coordinateandconcavesphericalsurfaceannularfocusingsoundsource ,1198, 中国医学物理学杂志 第26卷第3期 2009年5月 器，外环直径2a1控制在12mm~15mm，内环直径2a2控制在6mm~9mm;另一种是?型换能器，外环直径2a1控制在7.8mm~10.8mm，内环直径2a2控制在3mm~6mm。焦点需定位在治疗表面2mm~4mm以下，换能器轴向安装位置可在一定范围内调节(?3mm)，因此，声轴上焦点的位置设计在横坐标轴正向7mm处。 1.2.1?型换能器轴向声场强度仿真 带入?型换能器的几何数据，Matlab仿真结果如图3所示。 2750I0、2000I0、1500I0、1000I0。因此，外环直径变化范 围不大时，对换能器的焦点位置无影响;但对换能器的聚焦性能有一定影响，外环直径分别为15mm和12mm时两者的主峰波底长度B相差1.0mm，外环直径越大声强越集中;而且其对焦点声场场强有较大影响，外环直径分别为15mm和12mm时两者的焦点处声场强度相差2.75倍，外环直径越大，焦点声场场强越大。 由图4仿真结果可以看出，当内环直径分别为6mm、7mm、8mm、——————————————————————————————————————————————— 9mm时，焦点均位于声轴上距离换能器开口几何平面7mm处;主峰波底长度B略有差别，分别为:2.8mm、2.6mm、2.4mm、2.1mm;声场强度(即主峰波峰高度h)差别较大，分别为1050I0、1000I0、950I0、800I0。因此，内环直径变化范围不大时，对换能器的焦点位置无影响;但对换能器的聚焦性能有一定影响，内环直径分别为6mm和9mm时其主峰波底长度B相差0.7mm，内环直径越大声强分布越集中;而且其对焦点声场场强也有一定影响，但h的最大值和最小值间仅相差1.31倍，内环直径越小，焦点声场场强越大。 1.2.2?型换能器轴向声场强度仿真 ?型换能器轴向声场强度Matlab仿真结果如图5所示。 由图5仿真结果可以看出，当外环直径为7.8mm、8.8mm、9.8mm、10.8mm时，焦点分别位于声轴上距离换能器开口7.0mm、7.2mm、7.4mm、7.6mm处;主峰波底长度B有较大差别，分别为:5.1mm、4.5mm、4.0mm、3.5mm;声场强度(即主峰波峰高度h)差别也较大，分别为160I0、300I0、450I0、650I0。因此，对?型自聚焦超声换能器而言，外环直径变化范围虽然不大，但对换能器的多项性能都产生了较大影响。焦点位置随着外环直径的变大而向换能器方向移动，移动距离达0.6mm; 外环直径的变化对换能器的聚焦性 图3外环直径变化时?微型自聚焦超声换能器声轴上声强分布图 Fig3Axialsoundfielddistributionofmicroself-focusingtransducer?——————————————————————————————————————————————— withdifferentdiametersofoutsideannulus 由图3仿真结果可以看出，当外环直径为15mm、14mm、13mm、12mm时，焦点均位于声轴上距离换能器开口几何平面7mm处;主峰波底长度B范围略有差别，分别为:1.6mm、2.0mm、2.3mm、2.6mm;但声场强度(即主峰波峰高度h)差别较大，分别为 图4内环直径变化时?微型自聚焦超声换能器声轴上声强分布图图5外环直径变化时?微型自聚焦超声换能器声轴上声强分布图 Fig.4Axialsoundfielddistributionof? microself-ultrasoundtransducerwithdifferentdiametersofinsideannulus Fig.5Axialsoundfielddistributionofmicroself-focusingtransducer?withdifferentdiametersofoutsideannulus ,1199, 中国医学物理学杂志 第26卷第3期 2009年5月 图6内环直径变化时?微型自聚焦超声换能器声轴上声强分布图 Fig.6Axialsoundfielddistributionof? microself-focusingtransducerwithdifferentdiametersofinsideannulus 由图3的仿真结果可得，SIDC分别为5.82×10-4 mm/I0、10.00×10-4mm/I0、15.33×10-4mm/I0、26.00× 10-4mm/I0，当外环直径2a1为12mm时，SIDC达到最大值26.00×——————————————————————————————————————————————— 10-4mm/I0，因此，?型换能器选取外环直径12mm。同理，在图4的仿真结果中SIDC最大值为26.67×10-4mm/I0，与之对应的?型换能器内环直径选取为6mm。图5、图6的仿真结果中，SIDC最大的分别为31.88×10-4mm/I0、44.00×10-4mm/I0，与之相对应的几何参数分别为外环直径7.8mm和内环直径6mm，但此时球面环状径向仅宽1.8mm，机械强度过低，因此调整为SIDC次大值33.55×10-4mm/I0所对应的内环直径3mm。由此，经优化设计，换能器参数如表1所示。 能也产生了较大影响，B相差了1.5mm，外环直径越大声场强度越集中;而且外环直径的变化对焦点声场场强也有较大影响，外环直径越大，焦点声场场强越大，外环直径为7.8mm时的焦点声场强度与外环直径为10.8mm时，h相差了3.61倍。 由图6所示仿真结果可以看出，当内环直径为3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mm时，焦点均位于声轴上距离换能器开口7.0mm处;主峰波底长度B范围有细微差别，分别为:5.2mm、5.0mm、4.4mm、4.4mm;声场强度(即主峰波峰高度h)也有一定差别，分别为155I0、150I0、132I0、100I0。因此，内环直径变化范围不大时，对换能器的焦点位置无影响;但对换能器的聚焦性能有一定影响，内环直径分别为3.0mm和6.0mm时其B值相差0.3mm，内环直径越大声场强度分布越集中;而且其对焦点声场场强也有一定影响，但h的最大值和最小值间仅相差1.55倍，内环直径越小，焦点声场场强越大。 1.3生物学声强分布系数(SIDC) ——————————————————————————————————————————————— 微型自聚焦超声换能器声轴上声强分布图中有两个重要的物理参量:主峰波底宽度B和主峰波峰高度h，两者的焦域物理意义分别为:B越宽，焦域范围越大，声强分布越均匀，因此，温度的分布也越均匀;B越窄，焦域范围越小，声强分布越集中，因此，温度的分布也越不均匀。h对焦域范围的影响较B小很多，h的焦域物理意义为:h越小，焦域范围内声强分布越均匀;越大，则反之。因此，定义B/h为声强分布系数(SoundIntensityDistributeCoefficient，SIDC)，其物理意义为:SIDC越大，焦域范围内的声强分布越均匀，焦点和焦域边缘的温度差值越小，能量利用率也越高;反之，则焦域范围内的声强分布集中，温度分布也不均匀，当焦域边缘达到“切除”病灶所需的能量时，焦点处能量过高，降低能量利用率。由此，微小自聚焦换能器的几何尺寸设计就是要使其SIDC在机械强度和设计要求范围内达到最大值。 表1环状凹球面聚焦超声换能器设计参数 Tab.1Thedesignparametersofannularconcavesphericalsurfacefocusedultr asound 换能器型号 内环直径(mm) 外环直径(mm) 曲率半径(mm) ?型12.06.07.0,7.22聚焦特性及CCDSensor图像特征 ——————————————————————————————————————————————— 按照设计尺寸加工完成?型和?型自聚焦超声换能器，并对离体器官组织牛肝进行聚焦超声作用下所形成损伤区域规律进行CCDSensor图像表征。 在离体器官牛肝目标组织表面均匀得涂抹一层超声耦合剂，然后将安装有?型和?型换能器的治疗头紧贴其组织表面，在声功率为3.5W、作用时间10s的条件下进行实验。最后将牛肝纵向切开，对截面用CCDSensor系统放大观察、拍照，其图像特征分别如图7、图8所示。 从图7可看出?型自聚焦超声换能器对离体器官牛肝作用所产生的组织损毁区域长约2.8mm，而从图3、图4模拟结果可知主峰值范围为2.6mm~2.8mm。组织损毁区域长度正好与主峰波底宽度B相符。从图8可看出?型自聚焦超声换能器对离体器官牛肝作用所产生的组织损毁区域长约5.0mm，而从图5、图6模拟结果可知主峰值范围为5.0mm~5.2mm。组织损毁区域长度也正好与主峰波底宽度B相符。?、?型自聚焦超声换能器的焦域分布实验结果都与仿真结果一致。 ?型自聚焦超声换能器仿真结果的SIDC值为26.00×10-4mm/I0~26.67×10-4mm/I0;?型仿真结果的SIDC值为31.88×10-4mm/I0~33.55×10-4mm/I0。因此，?型换能器的声强均匀性、温度均匀性应比?型高。从实验结果观察，?、?型换能器的声功率和作用时间都相同，即对目标组织所施加能量相同， 但 ——————————————————————————————————————————————— ,1200, 中国医学物理学杂志 第26卷第3期 2009年5月 图7? 型换能器作用于离体牛肝组织产生的焦域损毁区图像图8? 型换能器作用于离体牛肝组织产生的焦域损毁区图像 Fig.7FocallesionregionofbeefLiverinvidrobytransducer?Fig.8FocallesionregionofbeefLiverinvidrobytransducer? 图8所示焦域范围明显大于图7所示焦域范围，而且图8所示焦域中心与焦域边缘的色差较小，而图7的焦域中心与焦域边缘色差较大，这是因为?型换能器的SIDC值较小，声强分布过于集中造成的;而?型换能器的SIDC值较大，所得焦域的声强和温度分布都较均匀。因此，二者在功率和能量都相同的情况下，SIDC较大的换能器能形成分布更加均匀、范围更大的焦域，其能量也得到了更有效地利用。 3结论 本文采用正负声源的方法计算模拟了环状凹球面自聚焦超声换能器的轴向声场强度分布;定义了声场分布系数SIDC，利用其物理意义对环状凹球面自聚焦超声换能器进行科学优化设计，使其在保证一定的机械强度和设计条件的基础上，SIDC达到最大值。再采用加工好的?型和?型微小自聚焦超声换能器进行离体器官组织牛肝实验，在3.5W超声功率作用下，经过10s在目标组织表面下数毫米深处形成——————————————————————————————————————————————— 组织损毁区域。?型微小自聚焦超声换能器的组织损毁区域长2.8mm， ?型微小自聚焦超声换能器的组织损毁区域长5.0mm，均与仿真结果 的相对声强的主峰波底宽度B相符，达到了设计要求，也验证了SIDC 值较大的自聚焦超声换能器的焦域分布更加均匀。参考文献: [1]J.G.Lynn,R.L.Zwemer,etal.Anewmethodforgenerationanduse offocusedultrasoundinexperimentalbiology,J.Gen.Physical,1942(26):179-193. [2]WangZB.Theapplicationofhighintensityfoucedultrasoundtech-niquesinobstetric&gynecologic[J].ChineseJournalofObstetricsandGynecology,2003,8(38):511-512. [3]ChengzhiLi,DuhongBian,WenzhiChen,etal.Foucedultrasound therapyofvulvardystrophies:Afesibilitystudy[J].ObstetGynecol,2004,104(5):915-921. [4]刘新民,宋玉琴,万小平,等.现代妇产科疾病诊断与治疗[M].人 民卫 生出版社,1998. [5]FrazerIH.Preventionofcervicalcancerthroughpapillomavirusvacci-nation[J].NatRevImmunol2004,4:46-54. ——————————————————————————————————————————————— [6]Dongmeilai,DennySakkas,YingqunHuang.ThefragileXmentalre-tardationproteininteractswithadistinctmRNAnuclearexportfactor[J].NXF2.RNA.2006,12:1-4. [7]HuZL,YangXY,LiuYB,etal.Releaseofendogenousdangersig-nalsfromHIFU-treatedtumorcellsandtheirstimulatoryeffectsonAPCs[J].BiochemicalandBiophysicalResearchCommunications,2005,335:124-131. [8]HuZL,YangXY,LiuYB,MorseMA,LyerlyHK,ClayTM,ZhongP. InvestigationofHIFU-inducedanti-tumorimmunityinamurinetu-mormodel[J].THERAPEUTICULTRASOUND:5thInternationalSymposiumonTerapeuticUltrasound.2006,829:241-245. [9]张传开.干扰素治疗宫颈糜烂的研究进展[J].实用妇产科杂志, 1997,13(4):188-189. [10]魏丽惠,屠铮,王悦.宫颈病变的筛查与治疗进展[J].当代医学, 2001,4:25-28. [11]李荷莲,何津.宫颈癌治疗方法对生存质量的影响[J].中国实用 妇 科与产科杂志,2003,19(3):142-144. [12]刘玉娟,吴艺佳,袁小莉,等.聚焦超声治疗慢性宫颈炎的临床研 究 ——————————————————————————————————————————————— [J].中国妇幼健康研究,2006,17(1):17-19. [13]赵晓利,李力.宫颈癌治疗模式进展[J].国外医学肿瘤学分册, 2004,31(5):380-383. [14]周刚,寿文德,夏荣民.开口凹球面聚焦超声声场分析[J].声学技术, 2002,22(1):18-21. [15]程建政,周玉禄,毛彦欣,等.基于瑞利积分叠加法的聚焦换能器器 声场特性研究[J].计算物理,2008,25(4):493-498. [16]钱盛友,周心一,刘习春.热疗用凹球面状环形换能器的研究[J].压 电与声光,2005,27(4):379-381. [17]LordRayleigh.TheoryofSound[M].NewYork,Dover,1945. [18]王鸿樟.声学及医学超声应用[M].上海交通大学出版社,1991.[19]钱盛友,周心一,刘习春.热疗用凹球面环状换能器的研究[J].压电 与声光,2005,27(4):279-381. ———————————————————————————————————————————————