王祥達(dá) 李 萍 郭 甲 李建霖 呂根品

（1、乳源瑤族自治縣東陽光實業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 韶關(guān)512721 2、韶關(guān)東陽光自動化設(shè)備有限公司，廣東 韶關(guān)512721）

高強(qiáng)度聚焦超聲（HIFU）是一種蓬勃發(fā)展的微無創(chuàng)治療方法，可用于治療子宮肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、肝癌、腎癌、胰腺癌和甲狀腺癌、骨轉(zhuǎn)移、原發(fā)性震顫和帕金森病等。典型的HIFU 系統(tǒng)采用球形彎曲換能器/作為治療頭。[1-3]治療頭一般包含單個、數(shù)十個或數(shù)百個陣元，可以在幾何焦點(diǎn)周圍實現(xiàn)高能沉積。[4]然而，這種換能器在遠(yuǎn)離其幾何焦點(diǎn)的區(qū)域不能很好的聚焦，需要機(jī)械平移來完成較大范圍的焦點(diǎn)調(diào)控，從而導(dǎo)致治療時間相對較長。為了縮短治療時間，可采用單元間距不超過半個波長的平面型相控陣實現(xiàn)全電子式的大范圍聚焦控制，其可行性已經(jīng)得到驗證。[5]不過，這種具有不同焦點(diǎn)的平面陣列的聚焦超聲場分布比具有固定幾何焦點(diǎn)的球形換能器的空間聚焦超聲場分布更為復(fù)雜。因此，研究平面陣列的空間聚焦性能具有重要意義。本文通過聲場測試，對6144 單元全電子聚焦HIFU 相控陣的聚焦振幅和聚焦偏差的空間分布進(jìn)行了實驗研究。

1 6144 陣元平面型HIFU 相控陣

本文所測試的平面陣列由96 個平面型模塊組成，如圖1(a)所示。每個模塊有8×8=64 個正方形陣元，如圖1(b)所示。該陣列的發(fā)射超聲頻率f0=516 kHz，對應(yīng)一般生物軟組織中的波長約為λ=ct/f0=3mm，其中ct=1540m/s 為一般生物軟組織中的聲速。圖1(a)中相鄰模塊中心點(diǎn)間距為14.1mm；圖1(b)中相鄰陣元中心點(diǎn)間距為1.5 mm，約為半個波長λ/2，每個陣元尺寸為1.35×1.35mm2。該陣列的相位和振幅均可單獨(dú)控制。

圖1

2 全電子聚焦方法

為了實現(xiàn)平面相控陣激發(fā)的超聲波能夠聚焦在選定的焦點(diǎn)處，就必須對每個陣元的超聲發(fā)射相位進(jìn)行調(diào)控。本文采用的聚焦方案是基于聲線理論[6]對平面相控陣的每個陣元進(jìn)行相位補(bǔ)償。具體來說，對于平面相控陣上的每個陣元，其發(fā)射聲壓為：

其中，每個換能器單元的發(fā)射聲壓幅值統(tǒng)一是p0，發(fā)射聲壓初始相位是θ0n，下標(biāo)n 代表平面陣列的第n 個陣元。

平面陣列發(fā)射超聲聚焦的核心是每個發(fā)射的超聲波在傳播到選定的焦點(diǎn)處是的相位一致，形成線性疊加效應(yīng)，從而實現(xiàn)超聲聚焦。

如圖1(a)所示，平面陣列表面位于xOy 平面上，陣列中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)，z 軸垂直于陣列表面并穿過陣列中心。對于陣列前方空間內(nèi)選定的焦點(diǎn)F(xF, yF, zF)，為確保每個陣元在焦點(diǎn)F 處的相位一致性，根據(jù)聲線理論，可計算每個陣元的相位補(bǔ)償為：

其中，ω0=2πf0是角頻率，(xn, yn,0)是第n 個陣元中心點(diǎn)的坐標(biāo)，cm是超聲傳播介質(zhì)的聲速。對于本文的測試研究而言，cm即水中聲速。

3 水聽器測試裝置和方案

本文針對平面陣列超聲聚焦性能所使用的測試方法為水聽器法[7]。測試實驗的裝置示意圖如圖2 所示。平面超聲相控陣由安裝在計算機(jī)2 中的治療計劃系統(tǒng)(TPS)通過控制系統(tǒng)進(jìn)行相位和幅度調(diào)控。平面陣列通過除氣水進(jìn)行耦合。計算機(jī)1 通過步進(jìn)電機(jī)控制針式水聽器移動，從而實現(xiàn)不同位置的超聲聲場拾取測量，水聽器接收到的信號通過示波器傳輸?shù)接嬎銠C(jī)1進(jìn)行記錄保存，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖2 水聽器法測試平面陣列超聲聚焦性能的裝置示意圖

待測超聲聚焦區(qū)域為平面陣列正上方半徑為90mm、高度為170mm 的圓柱體，且圓柱體的中心軸與陣列的z 軸重合，其底面在陣列上方30.0 mm 處。在被測區(qū)域，從圓柱體底面開始，在高度方向上每隔10 mm 設(shè)置一個被測平面。在每個被測平面上，以圓心為起點(diǎn)：方位角從0 °開始，每45 °畫一條半徑線，徑向以半徑分別為30、60、70、80、90 mm 的圓分開。所有測線的交點(diǎn)就是本文選定的待測超聲焦點(diǎn)，如圖3 所示。在TPS 上設(shè)置平面陣列統(tǒng)一以1 W 的聲功率發(fā)射超聲波，在選定的焦點(diǎn)位置進(jìn)行電子聚焦。針式水聽器捕捉選定的焦點(diǎn)周圍的超聲波信號。對于每個選定的焦點(diǎn)，焦點(diǎn)周圍的最大電壓峰峰值由水聽器確定，并記錄其相應(yīng)的實際焦點(diǎn)坐標(biāo)位置，以便進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。

圖3

4 測試結(jié)果

圖4 給出了水聽器在選定的焦點(diǎn)周圍測得的最大電壓峰峰值的三維分布圖，也即實際焦點(diǎn)處的電壓峰峰值三維分布圖。其中，最大值約為Vpp,max=2.59 V，最小值約為Vpp,min=0.78 V。圖4 顯示，總體上，該平面陣列在其正上方中間且靠近z 軸附近的區(qū)域，聚焦超聲強(qiáng)度更大；越靠近四周，聚焦超聲強(qiáng)度則相對下降。

圖4 焦點(diǎn)電壓峰峰值三維分布圖

圖4 中電壓峰峰值三維分布圖所對應(yīng)的實際焦點(diǎn)和選定焦點(diǎn)的位置的三位分布對比如圖5(a)所示：藍(lán)色圓圈代表圖3中的選定焦點(diǎn)，橙色五星則代表實際焦點(diǎn)。圖5(a)顯示，實際焦點(diǎn)與選定焦點(diǎn)的位置具有較好的重合度，一致性較好。實際焦點(diǎn)與選定焦點(diǎn)之間的量化聚焦偏差如圖5(b)所示。其中，最大聚焦偏差約為Dmax=4.41mm。圖5(b)顯示，總體上，該平面陣列在其正上方中間且靠近z 軸附近的區(qū)域，聚焦偏差更??；越靠近四周，聚焦偏差則相對增大。

圖5

5 結(jié)論

利用水聽器法對6144 陣元平面型HIFU 相控陣的全電子式超聲聚焦性能的測試結(jié)果表明：在平面陣列正上方半徑為90mm、高度為170mm 的圓柱體被測區(qū)域內(nèi)，基于聲線理論對初始相位進(jìn)行補(bǔ)償后，最大聚焦偏差為4.41mm，整體上聚焦偏差不大，聚焦精度較好；最大和最小電壓峰峰值分別為2.59V 和0.78V，聚焦超聲強(qiáng)度分布的影響有待進(jìn)一步分析?？傮w上，該相控陣具有較好的全電子超聲聚焦性能。