吳薇薇，任稆平，吳水才

北京工業(yè)大學(xué) a.電子信息與控制工程學(xué)院；b.生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124

微波熱療組織超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性研究

吳薇薇a，任稆平b，吳水才b

北京工業(yè)大學(xué) a.電子信息與控制工程學(xué)院；b.生命科學(xué)與生物工程學(xué)院，北京 100124

研究微波熱療組織超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性，以期實(shí)現(xiàn)腫瘤微波熱療超聲無創(chuàng)測(cè)溫。通過對(duì)離體豬肝進(jìn)行微波加熱實(shí)驗(yàn)，采集肝組織在不同溫度下的超聲回波信號(hào)，計(jì)算不同溫度下離體豬肝的超聲衰減系數(shù)，獲得超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲衰減系數(shù)與溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)在0.5以上），基于超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性進(jìn)行溫度檢測(cè)具有較高的溫度測(cè)量精度（溫差范圍在0.2～4℃之間）。

微波熱療；超聲衰減系數(shù)；溫度相關(guān)性

本文導(dǎo)讀 ＞＞

課題/研究背景：論文研究?jī)?nèi)容為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“腫瘤微波消融溫度及凝固區(qū)變化的超聲監(jiān)測(cè)方法研究(No.30770547)”。腫瘤微波消融治療已應(yīng)用于臨床，熱療中溫度的無創(chuàng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和療效評(píng)估是急需解決的問題。生物組織超聲特征參數(shù)(如衰減系數(shù)、背向散射積分、回波時(shí)移和頻移、背向散射能量)具有溫度相關(guān)性，若能通過實(shí)驗(yàn)確定超聲特征參數(shù)的溫度相關(guān)性，就能實(shí)現(xiàn)超聲無創(chuàng)監(jiān)測(cè)熱療時(shí)組織溫度和凝固區(qū)的變化。北京工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程中心生物熱物理實(shí)驗(yàn)室多年來與解放軍總醫(yī)院合作，進(jìn)行微波熱療關(guān)鍵技術(shù)的研究——手術(shù)規(guī)劃、溫度監(jiān)測(cè)和療效評(píng)估。本論文研究的是熱療組織超聲衰減系數(shù)與溫度的相關(guān)性，目的是從各種超聲特征參數(shù)中尋找具有最好溫度相關(guān)性的特征參數(shù)，并融合這些參數(shù)實(shí)現(xiàn)超聲無創(chuàng)監(jiān)測(cè)組織溫度和凝固區(qū)變化。

0 前言

腫瘤熱療是指利用某種加熱方法將腫瘤組織加熱至超過其耐熱溫度以殺死癌細(xì)胞。將被治療組織中的溫度分布控制在適宜范圍內(nèi)是治療效果的保證，因此對(duì)組織溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)控非常重要。侵入腫瘤的點(diǎn)測(cè)量方法相對(duì)危險(xiǎn)，且無法得到組織的整體溫度分布，因此尋求具有適當(dāng)精度的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)成為緊迫而重要的課題。超聲測(cè)溫是利用超聲波的某些聲特性參數(shù)與溫度的相關(guān)性來獲取組織溫度信息的無創(chuàng)測(cè)溫技術(shù)[1-3]。

超聲衰減是指超聲波在媒質(zhì)中傳播的總能量損失，由于正常組織和病變組織的聲衰減系數(shù)存在差異，且溫度系數(shù)較大，利用其溫度相關(guān)性測(cè)溫可獲得較高分辨率[4-7]。本文研究了微波加熱離體豬肝組織超聲衰減系數(shù)的變化趨勢(shì)及其溫度相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在微波熱消融過程中，溫升和凝固性壞死造成了組織結(jié)構(gòu)的變化，聲衰減系數(shù)與溫度間具有相關(guān)性，根據(jù)其相關(guān)性，能夠通過提取超聲衰減系數(shù)進(jìn)行溫度估計(jì)，初步實(shí)現(xiàn)了微波熱療中的超聲無創(chuàng)測(cè)溫，但其測(cè)溫準(zhǔn)確度還需要提高。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

微波熱療實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由脈沖超聲發(fā)射接收器PR5800（OLYMPUS 公司）、數(shù)字示波器PM3380B（FLUKE公司）、水冷式微波熱凝固治療儀MTC-3（南京慶海微波研究所）、熱電偶溫度數(shù)據(jù)采集器Agilent34970A（HP公司）和 PC 機(jī)構(gòu)成。

圖 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 2 超聲回波信號(hào)圖

實(shí)驗(yàn)材料采用離體豬肝，因豬肝的性質(zhì)與人體肝臟比較接近。超聲波信號(hào)通過超聲波發(fā)射接收器采集到PC機(jī)，利用數(shù)據(jù)示波器進(jìn)行超聲信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。熱電偶實(shí)時(shí)采集微波天線加熱過程中組織的溫度。水冷式微波治療儀輸出微波頻率為2450MHz，輻射天線外徑 1.7mm，表面經(jīng)防粘處理縫隙發(fā)射，配用保定蘭格 BTDI-100 型蠕動(dòng)泵作為水循環(huán)動(dòng)力泵，冷卻用水為室溫生理鹽水。超聲探頭（3.5MHz）固定于肝葉頂部，采用去氣水袋作為聲耦合。自制的坐標(biāo)支架確保熱電偶與微波電極以固定間距（1cm）水平進(jìn)入肝組織內(nèi)部。設(shè)定微波加熱功能為50W，加熱時(shí)間為5min。開始加熱后，每5s采集一組超聲回波波信號(hào)，同時(shí)記錄相應(yīng)組織溫度，直到加熱結(jié)束。圖2為采集到的一幅超聲回波信號(hào)圖，圖中縱坐標(biāo)代表超聲反射回波的幅值，橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)數(shù)，即超聲傳播時(shí)間。整個(gè)回波包含512個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間100μs，時(shí)間零點(diǎn)對(duì)應(yīng)超聲脈沖觸發(fā)起始點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

圖 3 超聲衰減系數(shù)與溫度的相關(guān)性曲線

2 結(jié)果與分析

表1列出10例豬肝超聲衰減系數(shù)與溫度的相關(guān)函數(shù)，相關(guān)系數(shù)R均大于0.5，表明超聲衰減系數(shù)與溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表 1 微波熱療超聲衰減系數(shù)與溫度的相關(guān)函數(shù)

將上述10例實(shí)驗(yàn)所得函數(shù)進(jìn)行平均擬合，得到超聲衰減系數(shù)溫度相關(guān)性函數(shù)為y=0.000074x2+0.00546x+0.2342，其中y代表聲衰減系數(shù)，x代表溫度。利用此函數(shù)進(jìn)行多例超聲測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，超聲所測(cè)溫度與熱電偶測(cè)溫值相比較，圖4為其中一例實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)時(shí)間變化，縱坐標(biāo)為溫度?？梢姵暅y(cè)溫得到的溫度變化趨勢(shì)與熱電偶實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，溫差范圍在0.2～4℃之間。

圖 4 超聲測(cè)溫與熱電偶測(cè)溫結(jié)果比較

3 討論與結(jié)論

本文通過對(duì)離體豬肝進(jìn)行微波加熱實(shí)驗(yàn)、采集肝組織在不同溫度下的超聲回波信號(hào)，計(jì)算不同溫度下離體豬肝的超聲衰減系數(shù)，通過10例實(shí)驗(yàn)初步獲得超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性，結(jié)果表明超聲衰減系數(shù)與溫度具有較強(qiáng)的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)R在0.5以上）。利用超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性進(jìn)行溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，超聲測(cè)溫得到的溫度變化趨勢(shì)與熱電偶實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，差值范圍在0.2～4℃之間，基于超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)性進(jìn)行溫度檢測(cè)具有較高的溫度測(cè)量精度。

本文的研究結(jié)果還是初步的，要提高超聲測(cè)溫精度還需通過更多的實(shí)驗(yàn)來獲取更準(zhǔn)確的超聲衰減系數(shù)的溫度相關(guān)函數(shù)，此外還需通過動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)和臨床實(shí)驗(yàn)對(duì)相關(guān)函數(shù)作進(jìn)一步修正。

[1] Arthur R M, Straube W L, Trobaugh J W, et al． Non-invasive estimation of hyperthermia temperatures with ultrasound[J]．International Journal of Hyperthermia, 2005,21(6):589-600．

[2] 任新穎,吳水才,曾毅．癌熱療中超聲無創(chuàng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的新進(jìn)展[J]．北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2007,26(3):324-326．

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Study on the Temperature Correlation of Ultrasonic Attenuation Coefficient in Microwave Hyperthermia

WU Wei-wei1, REN Rui-ping2, WU Shui-cai2

a.Electronic Information and Control Engineering College;b.Life Science and Bioengineering College,Beijing University of Technology, Beijing 100124,China

The temperature correlation of ultrasound attenuation coefficient in the organization of microwave hyperthermia is researched in order to achieve non-invasive organization temperature. Microwave heating experiments are carried out in vitro pig liver tissues, and ultrasonic echo signals are collected at different temperatures. The ultrasound attenuation coefficient in vitro liver are calculated at different temperatures, and temperature dependence of ultrasound attenuation coefficient are confirmed. The experiment results show that ultrasonic attenuation coefficient and temperature has a strong correlation (correlation coefficient is 0.5 or above), and there is a high temperature measurement accuracy (temperature error range is 0.2-4℃)based on the method of using the temperature dependence of ultrasonic attenuation coefficient to detect organization temperature in microwave hyperthermia.

microwave hyperthermia;ultrasonic attenuation coefficient; temperature correlation

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.04.006

1674-1633(2010)04-0015-03

2009-09-17

2009-12-29

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30770547）資助。

吳水才，教授，碩士研究生導(dǎo)師。

通訊作者郵箱：wushuicai@bjut．edu．cn