沈國峰，余瑛，張鶴林，程春雷，汪燦華

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紅外熱成像聚焦超聲聲場測量方法綜述

沈國峰1*，余瑛2*，張鶴林2，程春雷2，汪燦華2

(1. 上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，上海 200240； 2.江西中醫(yī)藥大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，江西南昌 330004)

基于紅外熱成像技術(shù)對聚焦超聲聲場進(jìn)行快速、定量測量的方法具有掃描速度快、空間分辨率高、適用頻率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。但是由于紅外線的穿透能力限制，在紅外攝像儀和超聲吸收體之間需要一個(gè)空氣層，因此使得超聲吸收體內(nèi)部聲場較為復(fù)雜，目前已有三種模型對此進(jìn)行描述，且都得到了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文通過分析基于三種模型的超聲吸收體內(nèi)部聲場分布和聲強(qiáng)估計(jì)方法，對其進(jìn)行了較為詳細(xì)的描述。為進(jìn)一步研究該項(xiàng)技術(shù)提供了理論參考依據(jù)。

聚焦超聲；聲場測量；紅外熱成像

0 引言

聚焦超聲作為非侵入式的治療手段，可以治療肝臟、子宮、乳腺、胰腺、前列腺、腎臟以及骨等器官或組織的良、惡性腫瘤[1-8]。為了保證治療的安全性和療效，需要精確控制超聲設(shè)備的聲功率、聲場分布等輸出參數(shù)[9-11]。因此，對聚焦超聲聲場進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的測量具有重要意義。聚焦超聲聲場測量參數(shù)包括聲功率、聲強(qiáng)、聲焦域、聲壓等[12]。自上世紀(jì)90年代以來，國際電工學(xué)會(International Electrotechnical Commission, IEC)在聚焦超聲聲場參數(shù)測量方面制定了大量的標(biāo)準(zhǔn)。目前聲功率的主要測量方法有輻射力法、量熱法和聲光衍射法等，聲場分布主要通過水聽器法來測量[9]。

基于紅外熱成像技術(shù)對聚焦超聲的聲場參數(shù)進(jìn)行快速、定量測量的方法得到了日益廣泛的關(guān)注[9-11,13-15]。該項(xiàng)技術(shù)具有：聲場掃描速度快、空間分辨率高、適用頻率范圍廣、適合聚焦超聲設(shè)備“在線”測量等優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)的主要原理是利用紅外熱成像技術(shù)對超聲吸收體表面溫升進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并根據(jù)溫度變化求解出入射波聲強(qiáng)的大小和二維分布，然后通過不斷平移超聲吸收體或探頭，實(shí)現(xiàn)三維聲場的快速、定量測量。

聲場掃描速度快是由于該方法是利用超聲吸收體的表面溫升推算出入射波聲強(qiáng)的二維分布及其大小，故較傳統(tǒng)的水聽器單點(diǎn)掃描法有較大的速度優(yōu)勢；空間分辨率高是因?yàn)樵摲椒ǖ目臻g分辨率主要是由紅外熱像儀的空間分辨率決定的，通過配備高空間分辨率的放大鏡頭可以方便地提高測量結(jié)果的空間分辨率，且沒有增加額外的掃描時(shí)間；測量頻率范圍廣是因?yàn)樵摲椒ㄍㄟ^超聲吸收體表面溫升來推算入射波聲強(qiáng)，因此在理論上，各種頻率的超聲波在超聲吸收體內(nèi)部由于相應(yīng)的吸收作用后產(chǎn)生的溫升都可以用來計(jì)算入射波聲強(qiáng)；適合“在線”測量的特點(diǎn)在于，該方法的主要測量儀器為紅外熱成像儀和超聲吸收體，沒有其他機(jī)械移動機(jī)構(gòu)，因此比較適合磁共振(Magnetic Resonance, MR)引導(dǎo)的醫(yī)用聚焦超聲治療設(shè)備的“在線”測量。

本文分析了現(xiàn)有三種模型的超聲吸收體內(nèi)部聲場分布和聲強(qiáng)的估計(jì)方法，闡述了其共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，為進(jìn)一步研究該項(xiàng)技術(shù)提供了理論參考依據(jù)。

1 模型與方法

1.1 超聲吸收體內(nèi)部聲場的分布

在利用紅外熱成像技術(shù)測量聚焦超聲聲場時(shí)，在超聲吸收體和紅外攝像機(jī)之間需要有一個(gè)空氣層[9-11,13-15]。由于在超聲吸收體/空氣界面處的媒質(zhì)聲阻抗差異較大，會產(chǎn)生全反射現(xiàn)象[16-17]。

模型I[13,15]根據(jù)聲壓疊加原理計(jì)算出超聲吸收體的內(nèi)部聲場：

其中，

當(dāng)超聲輻照時(shí)間較短時(shí)，超聲吸收體表面溫度主要受到入射超聲波長(2π/)距離范圍內(nèi)的熱場的影響。因此式(3)中的取值在這段范圍內(nèi)時(shí)，中的衰減項(xiàng)可以近似為1，因此可以表示為

模型II[10]是根據(jù)聲強(qiáng)疊加的方法計(jì)算超聲吸收體內(nèi)聲場分布。相對于模型I，該模型主要是從超聲吸收體內(nèi)部中入射波和反射波的聲強(qiáng)疊加來分析。超聲吸收體內(nèi)部的聲強(qiáng)分布可以表示為

模型III[9]是基于聚焦超聲探頭輻照超聲吸收體的物理過程，使用多層媒質(zhì)模型來描述超聲在超聲吸收體內(nèi)的分布。該模型根據(jù)超聲在不同媒質(zhì)之間的界面處發(fā)生的發(fā)射、折射原理和邊界條件，計(jì)算出折射、反射波的振速作為新的聲源，并以此聲源來計(jì)算超聲吸收體內(nèi)部的聲場。根據(jù)層狀模型的原理，計(jì)算吸收體內(nèi)的聲壓分布：

1.2 聲強(qiáng)估計(jì)方法

使用模型I可以得到聲束波入射時(shí)超聲吸收體內(nèi)部的熱源可以表示為

其中，和分別為溫度和熱擴(kuò)散率(thermal diffusivity)，下標(biāo)1和2分別表示超聲吸收體和空氣。將式(8)進(jìn)行拉普拉斯(Laplace)變換，然后用待定系數(shù)法求解出相應(yīng)的解，最后將這個(gè)解進(jìn)行反拉普拉斯變換和反漢克爾(Hankel)變換，就可以得到超聲吸收體表面溫升的表達(dá)式：

基于模型II，超聲吸收體內(nèi)的熱源可以表示為

基于模型III的超聲吸收體表面溫升與內(nèi)部熱源的關(guān)系式可以表達(dá)為

定義復(fù)合參數(shù)為

可以得到聲強(qiáng)估計(jì)值為

2 結(jié)果與討論

模型I、II和III從不同的角度闡釋了在超聲波作用下，超聲吸收體內(nèi)的聲場分布情況。在超聲吸收體/空氣界面(z = 0)處，三種模型計(jì)算的聲強(qiáng)都趨近于零。這是由于超聲吸收體/空氣界面處發(fā)生了類似全反射的現(xiàn)象，反射波與入射波的相位差為π，也即在此處的聲強(qiáng)趨近于零。基于模型I和模型III的超聲吸收體內(nèi)部的聲場分布較為接近，都在距離空氣界面的/4(為波長)附近出現(xiàn)了峰值，這是由于這兩種模型都是基于聲壓疊加原理計(jì)算超聲吸收體內(nèi)部的聲場分布。模型I和模型III計(jì)算的超聲吸收體的內(nèi)部聲場分布從距離空氣界面的/2位置后出現(xiàn)差異，其主要原因是模型III在模型I的基礎(chǔ)上考慮了聲波在超聲吸收體內(nèi)部傳播時(shí)的衰減?；谀Ｐ虸I計(jì)算的超聲吸收體內(nèi)部的聲場分布較其他兩種模型計(jì)算的結(jié)果差異較大，其聲強(qiáng)最高值出現(xiàn)在超聲吸收體/水界面處，并逐漸衰減直至在超聲吸收體/空氣界面處趨近于零。該模型是基于聲強(qiáng)疊加原理，且使用的超聲吸收體衰減系數(shù)較高。

三種模型由于基于的物理模型不完全相同，測量過程也有較大差別?；谀Ｐ虸的測量方法，需要確定聚焦聲場焦平面處的值，然后根據(jù)某一時(shí)刻的溫度場推導(dǎo)出入射波聲強(qiáng)。理論上來說，要確定的值可以通過超聲輻照早期的溫度場的分布來確定。但是在實(shí)際操作過程中，由于早期的超聲吸收體表面的溫升較低，信號的信噪比較低，所以采用0.5 s時(shí)的溫度場的分布作為值的測量依據(jù)?；谀Ｐ虸I的測量方法需要修正參數(shù)來糾正模型中對熱擴(kuò)散影響的忽略。這個(gè)修正參數(shù)可以通過計(jì)算由理論仿真的聲強(qiáng)值與由超聲吸收體表面溫升推導(dǎo)出來的聲強(qiáng)值之間的差值來獲得，也可以通過對比使用水聽器測量的聲強(qiáng)值獲得，然后將這個(gè)修正參數(shù)應(yīng)用到整個(gè)被測聲場的聲強(qiáng)測量中。基于模型III的測量方法，通過在焦平面處水聽器的測量結(jié)果求得超聲吸收體的復(fù)合參數(shù)，然后使用最大溫度變化率求解出整個(gè)被測聲場的入射波聲強(qiáng)。

綜上所述，基于模型II和III的測量方法，由于引入了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)，例如復(fù)合參數(shù)，使得在軸線聲強(qiáng)測量方面較為準(zhǔn)確。在聲束寬度測量方面，由于熱擴(kuò)散的作用以及非平面波入射的原因，使得在非焦平面的測量結(jié)果都有所偏差。為了提高基于紅外熱成像的聚焦聲場測量準(zhǔn)確度，還需要對超聲輻照時(shí)超聲吸收體內(nèi)部聲場和熱場進(jìn)行分析，以及從超聲吸收體的聲、熱學(xué)參數(shù)對測量結(jié)果的影響等方面做進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本文分析了三種基于紅外熱成像技術(shù)測量聚焦聲場的技術(shù)原理，詳細(xì)闡述了其超聲吸收體內(nèi)部聲場和聲強(qiáng)估計(jì)方法的具體步驟，分析對比了基于三種模型的測量結(jié)果。為進(jìn)一步研究該項(xiàng)技術(shù)提供了理論參考依據(jù)。

[1] WINDSOR J A, BARRETO S G. The concept of ‘borderline resectable’pancreatic cancer: limited foundations and limited future[J]. Journal of Gastrointestinal Oncology, 2017, 8(1): 189-193.

[2] YEH R, STEINMAN J, LUK L, et al. Imaging of pancreatic cancer: what the surgeon wants to know[J]. Clinical Imaging, 2017, 42: 203-217.

[3] LIEBERMAN N, VITANZA N A, CRANE C A. Immunotherapy for brain tumors: understanding early successes and limitations[J]. Expert Review of Neurotherapeutics, 2018, 18(6): 251-259.

[4] van VELTHOVEN R M M, AOUN F, MARCELIS Q, et al. A prospective clinical trial of HIFU hemiablation for clinically localized prostate cancer[J]. Prostate Cancer and Prostatic Diseases, 2016, 19(1): 79-83.

[5] TOMASIAN A, WALLACE A N, HILLEN T J, et al. Percutaneous ablation in painful bone tumors[J]. Seminars in Musculoskeletal Radiology, 2016, 20(5): 472-485.

[6] ten EIKELDER H , BO?NA?KI D, ELEVELT A, et al. Modelling the temperature evolution of bone under high intensity focused ultrasound[J]. Physics in Medicine and Biology, 2016, 61(4): 1810.

[7] SPADI R, BRUSA F, PONZETTI A, et al. Current therapeutic strategies for advanced pancreatic cancer: A review for clinicians[J]. World journal of clinical oncology, 2016, 7(1): 27-43.

[8] SHIM J, STARUCH R M, KORAL K, et al. Pediatric sarcomas are targetable by MR-Guided high intensity focused ultrasound (MR-HIFU): Anatomical Distribution and Radiological Characteristics[J]. Pediatric blood & cancer, 2016, 63(10): 1753-1760.

[9] YU Y, SHEN G, ZHOU Y, et al. Quantitative assessment of acoustic intensity in the focused ultrasound field using hydrophone and infrared imaging[J]. Ultrasound in Medicine & Biology, 2013, 39(11): 2021-2033.

[10] KHOKHLOVA V A, SHMELEVA S M, GAVRILOV L R, et al. Infrared mapping of ultrasound fields generated by medical transducers: Feasibility of determining absolute intensity levels[J]. J Acoust Soc Am., 2013, 134(2): 1586-1597.

[11] HALLER J, JENDERKA K V, SEIFERT F, et al. A comparison of three different types of temperature measurement in HITU fields[J]. Metrologia, 2012, 49(5): S279-S281.

[12] SHAW A, HODNETT M. Calibration and measurement issues for therapeutic ultrasound[J]. Ultrasonics, 2008, 48(4): 234-252.

[13] GIRIDHAR D, ROBINSON R A, LIU Y, et al. Quantitative estimation of ultrasound beam intensities using infrared thermography- Experimental validation[J]. J Acoust Soc Am., 2012, 131(6): 4283-4291.

[14] SHAW A, KHOKHLOVA V, BOBKOVA S, et al. Calibration of HIFU intensity fields measured using an infra-red camera[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2011, 279: 012019.

[15] MYERS M R, GIRIDHAR D. Theoretical framework for quantitatively estimating ultrasound beam intensities using infrared thermography[J]. J Acoust Soc Am., 2011, 129(6): 4073-4083.

[16] 萬明習(xí). 生物醫(yī)學(xué)超聲學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2010.

WAN Minxi. Biomedical Ultrasonics[M]. BeiJing: China Science Publishing, 2010.

[17] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)[M]. 第2版. 南京: 南京大學(xué)出版社, 2001.

DU Gonghuan, ZHU Zemin, GONG Xiufeng. Fundamentals of Acoustics[M]. Second Edition, NanJing: NanJing University Press.

Research survey of focused ultrasound measurement using infrared imaging

SHEN Guo-feng1*, YU Ying2*, ZHANG He-lin2, CHENG Chun-lei2, WANG Can-hua2

(1. School of Biomedical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Computer Science, Jiangxi University of Traditional Chinese Medicine, Nanchang 330004,Jiangxi,China)

The method of measuring focused ultrasonic field based on infrared thermal imaging technique has the advantages of high scanning speed, high spatial resolution and wide frequency range. But, due to the limitation of infrared penetration ability, an air layer is needed between infrared camera and ultrasonic absorbers, which makes the internal sound field of ultrasonic absorber more complex. Currently there are three models to describe the internal sound field, and the corresponding experimental verification is obtained. In this paper, the internal sound field distribution and the sound intensity estimation method of the ultrasonic absorber based on the three models are analyzed, which provides a theoretical reference for further research on this technology.

focused ultrasound; sound field measurement; infrared imaging

TB556

A

1000-3630(2019)-01-0001-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.001

2018-01-12;

2018-03-04

本項(xiàng)目受國家科技部2017重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC 0108900), 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11774231), 江西省自然科學(xué)基金(20151BAB202014), 國家重大科研儀器研制項(xiàng)目(81727806), 2017上海市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(17441906400), 2015上海市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(15441900700)的支持。

沈國峰(1973－), 男, 河北秦皇島人, 博士,研究員, 博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)槌曃锢碇委熂夹g(shù)。余瑛(1979－)，男, 江西南昌人, 博士, 講師, 研究方向?yàn)榫劢钩暅y量。

*并列第一作者和通訊作者

沈國峰, E-mail: shenguofeng@sjtu.edu.cn; 余瑛, E-mail: 59920079@qq.com