基于Chirp編碼激勵(lì)的微型介入式超聲消融方法研究

陳貝翼， 寧傳龍， 張 瑞， 黃文昌，徐 杰， 邵維維， 崔崤峣*

1. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院(蘇州)， 生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部， 江蘇 蘇州 215000；2. 中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所， 江蘇 蘇州 215163

1 引言

近年來，針對腫瘤、心腦血管等重大疾病的治療更多趨于微創(chuàng)或無創(chuàng)的新型物理治療技術(shù)，其中，高強(qiáng)度超聲治療技術(shù)以其安全性高、不良反應(yīng)小、成本低、適用范圍廣等特點(diǎn)倍受關(guān)注[1]。高強(qiáng)度超聲治療一般為高強(qiáng)度聚焦超聲(high-intensity focused ultrasound，HIFU)，采用體外聚焦的超聲探頭，將超聲波能量聚焦于體內(nèi)某靶區(qū)部位，利用超聲的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)等特性，使靶區(qū)內(nèi)的組織溫度升高至60 ℃及以上，造成組織細(xì)胞不可逆凝固性壞死，從而達(dá)到腫瘤等病灶消融的目的[2]。目前，一方面，現(xiàn)有的HIFU設(shè)備對病灶區(qū)域的消融多是通過機(jī)械掃描方式逐點(diǎn)移動體外聚焦式超聲探頭，使得能量逐漸覆蓋病灶區(qū)域。受探頭焦點(diǎn)尺寸的限制，婦科腫瘤等疾病的治療時(shí)間將長達(dá)1～2 h。這樣治療過程中可能會因?yàn)榛颊叩闹w位移，造成消融區(qū)域的不準(zhǔn)確[3,4]。另一方面，對于一些深部組織病變，由于體位和器官遮擋等，HIFU從體外的聚焦方式不能很好地滿足臨床的需求。

因此，采用微型介入式超聲探頭，通過自然腔道或者是介入手術(shù)的方式，在體內(nèi)更接近病灶部位的地方實(shí)施高強(qiáng)度超聲治療，可以最大程度避免不必要的熱損傷，獲得更好的治療效果。Nazer等[5]研究表明介入式超聲可以在不破壞健康的心外膜組織的情況下，對內(nèi)部的病灶實(shí)現(xiàn)消融。Ghoshal等的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了介入式超聲消融治療腦組織的可行性[6]，介入式超聲探頭可以通過微創(chuàng)的方式在體外超聲不易達(dá)到的位置對病灶進(jìn)行消融[7]。通常來說，功率型治療換能器的能量轉(zhuǎn)換率與其體積成正比，介入式超聲治療探頭體積一般較小，在一定激勵(lì)條件下所產(chǎn)生的能量有限，也使覆蓋同樣尺寸病灶所需的時(shí)間較長[6]。

一般的治療超聲激勵(lì)多采用恒定頻率的正弦波，在超聲成像領(lǐng)域有較多研究采用Chirp編碼激勵(lì)方式來提高高頻超聲成像的信噪比[8]。Wang等研究表明，Chirp編碼激勵(lì)高強(qiáng)度超聲會影響超聲的熱效應(yīng)和空化效應(yīng)[9-12]。為了在微創(chuàng)介入治療情況下，盡可能擴(kuò)大消融治療區(qū)域、縮短治療時(shí)長，本文提出一種基于Chirp編碼激勵(lì)的介入式超聲消融方法。

2 方法

Chirp編碼信號一般是正弦信號在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)經(jīng)過線性調(diào)頻產(chǎn)生，主要有頻率信息豐富、發(fā)射帶寬寬等特點(diǎn)，影響其性能的參數(shù)有掃頻區(qū)間、掃頻周期、掃頻方向，Chirp編碼波形及參數(shù)示意圖如圖1所示。掃頻區(qū)間表示起始頻率至終止頻率的跨度，掃頻周期表示從起始頻率線性增減至終止頻率的周期所需要的時(shí)間，掃頻方向表示在掃頻周期內(nèi)頻率是線性遞增(向上掃頻)還是線性遞減(向下掃頻)。

圖1 Chirp編碼波形及參數(shù)示意圖

本文首先自主設(shè)計(jì)并研制了一套功率型超聲Chirp編碼激勵(lì)電路模塊，接著在自制的實(shí)驗(yàn)平臺上，對Sonic Concepts公司的HIFU探頭分別采用恒定頻率和Chirp編碼激勵(lì)方法，比較驗(yàn)證消融結(jié)果。最后進(jìn)一步將Chirp編碼激勵(lì)方法運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室自主研制的微型介入式超聲換能器，通過仿體實(shí)驗(yàn)充分比較驗(yàn)證這種基于Chirp編碼的激勵(lì)方法用于介入式超聲治療的可行性和有效性。

2.1 Chirp編碼激勵(lì)電路模塊的設(shè)計(jì)研制

為了更好地實(shí)現(xiàn)Chirp編碼激勵(lì)中掃頻參數(shù)的任意可調(diào)，本文自主研制的Chirp編碼激勵(lì)電路模塊的整體框圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。上位機(jī)界面可供用戶選擇掃頻參數(shù)，F(xiàn)PGA通過串口接收掃頻指令[13]，分解為起止頻率和變頻速率，然后采用頻率可變的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)輸出Chirp編碼掃頻數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)掃頻參數(shù)的任意可調(diào)。為了驅(qū)動超聲換能器，設(shè)計(jì)了四級放大電路，輸出功率可至30 W以上。本文對研制的Chirp編碼激勵(lì)模塊進(jìn)行了初步測試，設(shè)計(jì)要求為產(chǎn)生掃頻區(qū)間200 kHz(8.0～8.2 MHz)的Chirp編碼信號。數(shù)字示波器顯示的輸出信號頻譜圖如圖4所示，僅有8.0～8.2 MHz的頻率成分的功率絕對值在-30 dBm以上，輸出頻譜結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 Chirp編碼激勵(lì)模塊整體框圖

圖3 Chirp編碼激勵(lì)電路模塊實(shí)物圖

圖4 模塊輸出頻譜圖

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺與仿體

本文的仿體實(shí)驗(yàn)采用聚丙烯酰胺(PAA)仿體，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。PAA仿體是添加了30%蛋白的聚丙烯酰胺凝膠，聲學(xué)參數(shù)與離體肝臟和肌肉相似。室溫下仿體呈透明色，研究表明當(dāng)溫度上升到60 ℃及以上，仿體會變成不透明白色，因此經(jīng)常選用它來進(jìn)行HIFU消融實(shí)驗(yàn)[14]。仿體和超聲換能器均浸沒于裝滿除氣去離子水的恒溫箱中，恒溫箱溫度設(shè)為35 ℃，以模仿人體內(nèi)的基礎(chǔ)溫度。仿體和超聲換能器由夾持件固定，周圍的反射面均放置了吸聲海綿。實(shí)驗(yàn)采用的高強(qiáng)度超聲換能器參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)室自主研制的微型介入式換能器實(shí)物圖及聲場分布如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1 高強(qiáng)度超聲換能器參數(shù)

2.3 治療效果評估方法

根據(jù)PAA仿體達(dá)60 ℃變白的特性，實(shí)驗(yàn)后仿體的白色區(qū)域即超聲消融的有效范圍。本文采用俯視[圖6(b)中的Y方向]剖面的仿體白色區(qū)域來量化評估治療效果，定義白色區(qū)域與超聲發(fā)射方向垂直的最寬距離為橫向?qū)挾?，白色區(qū)域與超聲發(fā)射方向平行的最長距離為徑向長度。高強(qiáng)度超聲換能器消融的橫向?qū)挾?、徑向長度分別如圖7、圖8所示。用直尺分別測量消融范圍的橫向?qū)挾群蛷较蜷L度，記錄上述消融結(jié)果并做統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用雙尾t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)兩種不同激勵(lì)方法的消融結(jié)果間的差異性，若t檢驗(yàn)的P<0.05，則認(rèn)為兩種激勵(lì)方法的消融結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即檢驗(yàn)的兩種激勵(lì)方法改變了超聲的消融范圍的大小。

圖6 微型介入式換能器實(shí)物圖及聲場分布(a) 實(shí)物圖； (b) 聲場測量示意圖； (c) XOZ平面； (d) YOZ平面； (e) 10 mm處XOY平面； (f) 25 mm處XOY平面

圖7 仿體內(nèi)恒頻與Chirp編碼激勵(lì)HIFU消融俯視剖面對比(直尺最小刻度1 mm)

圖8 仿體內(nèi)恒頻與Chirp編碼激勵(lì)微型介入式換能器消融俯視剖面對比(直尺最小刻度1 mm)

3 結(jié)果與討論

3.1 高強(qiáng)度聚焦超聲探頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 仿體內(nèi)恒定頻率與Chirp編碼激勵(lì)HIFU消融對比實(shí)驗(yàn)

恒定頻率與Chirp編碼激勵(lì)HIFU消融俯視剖面圖(對照組A與實(shí)驗(yàn)組A1、A2，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次)見圖7，超聲發(fā)射方向從上往下。量取HIFU消融的橫向?qū)挾群蛷较蜷L度，多次數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，向上掃頻、向下掃頻的激勵(lì)方法在橫向?qū)挾群蛷较蜷L度上的均值都大于恒定頻率的結(jié)果。將恒定頻率的消融結(jié)果分別與向上掃頻、向下掃頻兩種激勵(lì)方法的樣本做t檢驗(yàn)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。所以，在相同條件下，Chirp編碼的激勵(lì)方法能有效增大HIFU單次消融的橫向?qū)挾群蛷较蜷L度，擴(kuò)大消融范圍。

圖9 仿體內(nèi)恒頻與Chirp編碼激勵(lì)HIFU消融結(jié)果對比(n = 3，*：P<0.05，**：P<0.01)

HIFU實(shí)驗(yàn)還探討了Chirp編碼的掃頻方向、掃頻周期對消融范圍的影響，比較不同掃頻方向(實(shí)驗(yàn)組A1、A2)、掃頻周期(實(shí)驗(yàn)組A1、A3、A4)的HIFU消融范圍。經(jīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，向上掃頻與向下掃頻的消融結(jié)果均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。不同掃頻周期的俯視剖面如圖10所示，圖10中可以看出改變掃頻周期對HIFU消融范圍的影響不大。掃頻方向、掃頻周期兩參數(shù)在微型介入式換能器的實(shí)驗(yàn)中不再討論。

圖10 仿體內(nèi)不同掃頻周期HIFU消融俯視剖面對比(直尺最小刻度1 mm)

3.2 微型介入式超聲換能器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 仿體內(nèi)恒定頻率與Chirp編碼激勵(lì)微型介入式超聲換能器消融對比實(shí)驗(yàn)

圖11 仿體內(nèi)恒頻與Chirp編碼激勵(lì)微型介入式換能器消融結(jié)果對比(n = 3，****：P<0.0001)

圖12 仿體內(nèi)恒頻與Chirp編碼激勵(lì)微型介入式換能器不同距離溫度曲線對比(n=3)

改變Chirp編碼的掃頻區(qū)間，探究不同掃頻區(qū)間對微型介入式換能器消融范圍的影響。圖13為微型介入式換能器消融不同掃頻區(qū)間的俯視剖面圖(實(shí)驗(yàn)組B2、B3、B4)，超聲發(fā)射方向?yàn)閺淖蟮接?。量取微型介入式換能器消融的橫向?qū)挾群蛷较蜷L度，多次數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖14所示。結(jié)果表明，增加掃頻區(qū)間至1 MHz(7.5～8.5 MHz)、2 MHz(7.0～9.0 MHz)，微型介入式換能器消融的橫向?qū)挾?、徑向長度的均值反而增大。將掃頻區(qū)間分別為2 MHz與400 kHz的消融結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，兩組的橫向?qū)挾取较蜷L度的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，擴(kuò)大掃頻區(qū)間不會縮小微型介入換能器的消融范圍，即實(shí)驗(yàn)室自研的微型介入換能器在至少2 MHz的帶寬內(nèi)頻率響應(yīng)良好。

圖13 仿體內(nèi)不同掃頻區(qū)間激勵(lì)微型介入式換能器消融俯視剖面對比(直尺最小刻度1 mm)

圖14 仿體內(nèi)不同掃頻區(qū)間激勵(lì)微型介入式換能器消融結(jié)果對比(n=3，*：P<0.05，**：P<0.01，ns：P>0.05)

3.3 討論

Chirp編碼的激勵(lì)方法導(dǎo)致超聲消融范圍擴(kuò)大，原因可能是功率型超聲的作用區(qū)域會隨頻率變化，這使原來有限區(qū)域內(nèi)過剩的高溫分散，從而使達(dá)60 ℃以上的區(qū)域更大，即擴(kuò)大了臨床所需的消融范圍。圖12中仿體10 mm處，采用Chirp編碼比恒定頻率的最高溫度更低，但25 mm處采用Chirp編碼的最高溫度卻更高，達(dá)到了60 ℃以上，這樣的現(xiàn)象支撐了Chirp編碼使高溫分散，從而導(dǎo)致相同時(shí)間內(nèi)消融范圍擴(kuò)大的推論。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于Chirp編碼激勵(lì)的介入式超聲消融方法，并結(jié)合自主研制的微型介入式超聲換能器和小型化Chirp編碼激勵(lì)電路模塊，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證討論了該方法的有效性。PAA仿體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用Chirp編碼激勵(lì)方法，可以在相同時(shí)間內(nèi)擴(kuò)大單次消融的有效治療區(qū)域；在保證完整覆蓋所需治療面積的基礎(chǔ)上，Chirp編碼激勵(lì)方法能有效減少整體的消融時(shí)間。上述研究工作為后續(xù)進(jìn)一步相關(guān)儀器開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。