羅 曼，何 敏，曾德平，宋 丹，王智彪，李發(fā)琪

（1.重慶醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院超聲醫(yī)學(xué)工程國家重點實驗室，重慶 400016；2.超聲醫(yī)療國家工程研究中心，重慶 401121）

引 言

聚焦超聲消融手術(shù)（Focused ultrasound ablation surgery，F(xiàn)UAS）是一種新的非侵入性治療技術(shù)，該技術(shù)已日趨成熟并廣泛用于各種良惡性實體腫瘤及部分實體組織器官的疾病治療［1］。超聲換能器的聚焦方式是聚焦超聲的核心技術(shù)之一，對FUAS 的療效起著決定性的作用?，F(xiàn)有的聚焦技術(shù)主要有透鏡式、反射聚焦式、球殼式和相控陣等，還有一些新型的聚焦技術(shù)如基于透鏡式改進(jìn)的聲超常透鏡式等，都是采用行波聚焦的方式［2?5］。盡管行波聚焦在臨床上廣泛應(yīng)用，其換能器制作工藝近年來也有了很大改善，但受其聚焦精度的影響，當(dāng)用于具有復(fù)雜聲傳播路徑的深度組織疾病治療時常見并發(fā)癥出現(xiàn)，例如文獻(xiàn)［6?7］報道的子宮肌瘤治療過程中由于肌瘤位置距離骶骨區(qū)域近，導(dǎo)致骶尾骨吸收聲能量較多而出現(xiàn)骶尾骨、臀部疼痛。在前列腺癌［8］等體積較小器官的治療過程中，由于治療精確度不夠，損傷周圍臨近血管、神經(jīng)等組織導(dǎo)致勃起功能障礙、尿道直腸瘺、肛提肌壞死等并發(fā)癥。因此，要實現(xiàn)更加安全、有效的聚焦超聲消融，提高換能器聚焦精度及降低聲傳播路徑上的能量沉積仍是需要深入研究的重要方向。

近幾年，有研究者為了突破FUAS 治療精度的瓶頸，提出了球形駐波聚焦這種新型聚焦方式［9］，同時開展了大量的理論和實驗研究。Li 等［10］通過實驗和仿真驗證了兩端開口的球形諧振腔通過駐波聚焦能實現(xiàn)軸向0.52λ尺度的亞波長焦域；Geng 等［11］通過實驗獲得了小于波長尺度的組織損傷，這些研究表明了駐波聚焦在焦域尺寸壓縮方面具有明顯優(yōu)勢。針對駐波聚焦的效率問題，Secomski 等［12］在研究駐波超聲對體外培養(yǎng)細(xì)胞的影響時發(fā)現(xiàn)，相對于行波條件，要達(dá)到相同作用效果在駐波條件下所需的聲強要低很多。研究表明，在獲得相同的焦點能量條件下，采用駐波聚焦方法可減少超聲傳播路徑上不必要的熱效應(yīng)沉積。Kenis 等［13］研究了駐波成分含量對于空化閾值的影響，結(jié)果表明，對比行波，駐波可能會帶來治療機(jī)制的差異。針對行波聚焦，于潔等［14］通過研究表明空化氣泡云能夠顯著影響軸向損傷的形成，因此空化研究可作為研究兩者治療機(jī)制差異的必要手段，目前對比兩者空化效應(yīng)差異的報道較少。綜上，關(guān)于駐波聚焦的研究還僅僅在起步階段，主要集中在聚焦的物理機(jī)制及理論的研究，針對臨床應(yīng)用關(guān)于駐波聚焦條件下的聚焦及損傷特性研究仍然較少。

本研究基于臨床應(yīng)用設(shè)計了一種將兩個完全相同的行波聚焦換能器同軸共焦相向放置實現(xiàn)駐波聚焦（Standing wave focusing，SWF）的換能器，可通過同時驅(qū)動和單邊驅(qū)動并利用吸聲材料遮擋對側(cè)反射面與連接部分來實現(xiàn)SWF 和行波聚焦（Traveling wave focusing，TWF）。在相同焦點峰值正聲壓條件下，通過研究SWF 和TWF 超聲分別輻照仿組織體模過程中的損傷形成過程及尺寸，同時結(jié)合不同輻照條件下的聲場數(shù)值仿真、空化和非線性研究，旨在闡明行波聚焦與駐波聚焦條件下的組織損傷聚焦特性及形成機(jī)制，為駐波聚焦應(yīng)用于臨床提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和實驗設(shè)置

實驗所用換能器是由兩個完全相同的凹球殼式聚焦超聲換能器（焦距220 mm，開口直徑270 mm）及110 mm 寬，5 mm 厚的鋁合金弧形連接部分構(gòu)成的（重慶海扶醫(yī)療科技股份有限公司，中國重慶），如圖1 所示。兩個凹球殼換能器同軸共焦對立放置，工作頻率范圍為610~630 kHz。通過控制兩側(cè)聚焦換能器的輸出可獲得SWF 和TWF 兩種狀態(tài)：SWF 由兩側(cè)換能器同時輸出信號獲得，TWF 只需單邊換能器輸出信號，同時采用吸聲材料（600 kHz 頻率下聲壓反射系數(shù)為4.8%，吸聲系數(shù)99.8%）完全遮擋對側(cè)換能器輻射面及弧形連接的內(nèi)表面。實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示，信號發(fā)生器（AFG 3252C，Tektronix，USA）產(chǎn)生的正弦信號由功率放大器（AG 1021，T&C，USA）進(jìn)行信號放大后經(jīng)匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動如圖1 所示凹球殼式聚焦換能器以產(chǎn)生兩種輸出狀態(tài)。利用輻射力天平法對換能器輸出的聲功率進(jìn)行校準(zhǔn)并結(jié)合聲功率測量標(biāo)定其電聲轉(zhuǎn)換效率。將光纖水聽器（HFO ? 690，ONDA，USA）置入大小為10 cm×10 cm×5 cm 可恢復(fù)仿組織體模（重慶海扶醫(yī)療科技股份有限公司，中國重慶）中心位置，通過三維運動裝置帶動置入光纖水聽器的仿組織體模移動，使光纖端部位于換能器焦點處測量輻照過程中的焦點峰值正聲壓，光纖水聽器控制器轉(zhuǎn)換后的聲壓信號由示波器（DSO0714B，Agilent Technologies，USA）采集，并用以分析兩種聚焦方式的非線性情況。被動空化信號通過距焦點40 mm 的1 MHz 被動空化檢測（Passive cavitation detection，PCD）探頭（V309?SU，Olym?pus panametrics NDT Inc，Waltham，MA，USA）采集，采集到的空化信號經(jīng)水浸數(shù)據(jù)線傳入集成有NI高速數(shù)據(jù)采集卡（PXie?5122，National Instrument，USA）的PCD 控制平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。仿組織體模中的焦點損傷由高速攝像機(jī)系統(tǒng)（Photron FASTCAM SA4，Photron Inc，San Diego，CA，USA）采集后傳至PC 進(jìn)行處理。

圖1 聚焦超聲換能器Fig.1 Focused ultrasound transducer

圖2 實驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental device

由于SWF 具有頻率依賴特性［15］，因此實驗前先采用光纖水聽器間隔100 Hz 掃描焦點處的頻率分布，最終確定壓電換能器的最佳諧振頻率f=626.9 kHz 作為激勵頻率，對應(yīng)的超聲波長λ=2.39 mm。為了對比相同焦點峰值正聲壓下的組織損傷，通過調(diào)節(jié)換能器激勵電功率，使SWF 和TWF 的焦點峰值正壓為17 MPa 時，記錄下此時兩種狀態(tài)下的輸出電功率分別為480 與1 140 W?；谠摀Q能器在f=626.9 kHz 的電聲轉(zhuǎn)換效率為44.8%，可得SWF 與TWF 的聲功率分別為215 與511 W?；谏鲜霁@得的聲功率進(jìn)行實驗，輻照過程中的超聲發(fā)射、PCD 控制平臺和高速攝像機(jī)系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)觸發(fā)實現(xiàn)超聲輻照和空化信號、焦點損傷變化的同步采集。采用MATLAB 軟件進(jìn)行圖像處理，提取連續(xù)時間圖像序列中，最大灰度值達(dá)到設(shè)定閾值灰度值50 的時刻為損傷出現(xiàn)的時間。并用Canny 算子（高邊界閾值為0.4，低邊界閾值為0.16）對損傷出現(xiàn)時刻的損傷形態(tài)進(jìn)行邊界提取。

焦點處的聲場分布采用有限元分析軟件Comsol Multiphysics（Version 5.2，COMSOL Inc.，Palo Alto，CA，USA）通過求解經(jīng)典波動方程來進(jìn)行仿真，計算采用二維軸對稱方法來建立聚焦超聲換能器模型，在計算域的邊界處，添加完美匹配層（Perfect matching layer，PML）以避免不必要的反射，同時將換能器的內(nèi)表面及弧形連接的內(nèi)表面設(shè)置為強反射面。換能器置于裝滿脫氣水的透明水槽中，仿真涉及到的參數(shù)設(shè)置：水的密度為1 000 kg/m3，水中的聲速為1 500 m/s，水中衰減系數(shù)為0.217 dB/（MHz·m），仿組織體模密度是1 060 kg/m3，聲速為1 400 m/s，聲阻抗為1.48×106（Pa·s）/m。

2 結(jié)果與討論

2.1 SWF 和TWF 輻照仿組織體模的損傷對比

圖3 和圖4 分別顯示了SWF 和TWF 兩種聚焦方式在相同焦點峰值正聲壓（17 MPa）下輻照仿組織體模的損傷形成過程，拍攝的幀間時間為16.7 ms，分辨率為1 024 像素×1 024 像素。SWF 情形下，損傷于輻照開始后22.82 s 出現(xiàn)在換能器焦點位置，呈長短軸差異不大的“ 橢球狀”，尺寸大小為0.44 mm×0.6 mm（即0.18λ×0.25λ），軸向與徑向比約為0.72。而在TWF 情形下，損傷于輻照開始后12.05 s 出現(xiàn)在換能器焦點位置，呈“雪茄型”，尺寸大小為2.18 mm×0.71 mm（即0.91λ×0.3λ），軸向尺寸明顯長于SWF，軸向與徑向比約為3.07，也遠(yuǎn)大于SWF。對不同時刻損傷軸向與徑向的比值進(jìn)行統(tǒng)計如圖5 所示，SWF 下的組織損傷的軸向與徑向的比值都明顯小于TWF，表明SWF 實現(xiàn)了焦點軸向壓縮，利用SWF 可以實現(xiàn)更精細(xì)的損傷形成。

圖3 SWF 的損傷形成過程Fig.3 Lesion formation process of SWF

圖4 TWF 的損傷形成過程Fig.4 Lesion formation process of TWF

圖5 SWF 與TWF 的損傷軸向與徑向尺寸比隨輻照時間的變化曲線Fig.5 Change curve of lesion axial and radial size ratio with irradiation time during SWF and TWF ultrasonic irradia?tion

2.2 SWF 和TWF 輻照仿組織體模的損傷機(jī)制

（1）聲場分布對比

考慮到仿組織體模中的聲場分布無法直接測量得到，本文基于數(shù)值仿真獲得了兩種聚焦方式下仿組織體模中的理論軸向與徑向聲場分布，結(jié)果如圖6 所示?？梢姡海╝）TWF 的方式得到的聲場分布呈簡單遞增再遞減的分布，聲能量在主瓣內(nèi)沉積，形成軸向損傷尺寸較大，向外擴(kuò)散的“雪茄”型損傷形態(tài)。（b）SWF 的聲場呈明顯的駐波聲場特性，存在空間位置固定的波腹、波結(jié)交替分布的駐波峰。可以將能量約束在較小的駐波峰范圍內(nèi)，由于中心波峰值最高，損傷優(yōu)先出現(xiàn)在中間波峰位置，由此實現(xiàn)更小的損傷。

圖6 SWF 與TWF 徑向與軸向仿真聲場分布Fig.6 Radial and axial simulated sound field distribution of SWF and TWF

（2）空化強度對比

SWF 與TWF 輻照體模過程中的寬帶噪聲信號如圖7 所示。其中黑色實線是無超聲激勵下PCD 檢測到的系統(tǒng)基線水平，紅色實線和藍(lán)色實線分別表示相同焦點峰值正聲壓（17 MPa）輻照下的寬帶噪聲信號。從圖7 中可以看出SWF 和TWF 的噪聲信號均高于基線水平，且兩者幅值相當(dāng)，無明顯差別。這表明在相同的焦點峰值正聲壓下，SWF 和TWF 都有空化出現(xiàn)，且空化程度相當(dāng)。

圖7 寬帶噪聲信號Fig.7 Wideband noise signal

（3）非線性聲傳播效應(yīng)對比

為了比較相同焦點峰值正聲壓下SWF 與TWF 輻照仿組織體模過程中非線性傳播的影響，分析輻照過程中經(jīng)光纖水聽器檢測到的焦點聲壓信號（圖8（a））及快速傅里葉變換后的相應(yīng)頻譜信息（圖8（b）），同時分別獲得了各次諧波與基波的比值，如表1 所示，表1 中TWF 的各次諧波幅值與基波幅值的比值均高于SWF。結(jié)果可見，在相同的626.9 kHz 基波激勵，相同的焦點峰值正聲壓下，TWF 的非線性特性要強于SWF 下的非線性特性。

表1 各次諧波幅值與基波幅值的比值Table 1 Ratio of the amplitude of each harmonic to fundamental frequency

圖8 17 MPa 焦點正聲壓下的焦點聲壓波形Fig.8 Time domain information frequency domain information focus sound pressure waveform under 17Mpa focus positive pressure

以上結(jié)果可見：（1）TWF 方式得到的聲場分布主瓣呈簡單遞增再遞減的分布，相應(yīng)的損傷為向外擴(kuò)散的“雪茄”型損傷形態(tài)；SWF 的聲場呈明顯的駐波聲場特性，存在空間位置固定的波腹、波結(jié)交替分布的駐波峰，能量被約束在駐波峰內(nèi)，形成軸向壓縮明顯的損傷，說明SWF 和TWF 輻照條件下的損傷與聲場分布直接相關(guān)。（2）SWF 和TWF 的寬帶噪聲信號均高于基線水平且兩者幅值相當(dāng)，說明SWF 和TWF 輻照條件下均發(fā)生了空化，但與兩者之間存在損傷差異無直接的相關(guān)關(guān)系。（3）通過對焦點的聲壓信號進(jìn)行對比可見，TWF 的各次諧波幅值與基波幅值的比值均高于SWF，說明TWF 的非線性特性要強于SWF 下的非線性特性，而實驗也觀察到在17 MPa 相同峰值焦點峰值正聲壓條件下SWT 輻照出現(xiàn)損傷的時間為22.82 s，遠(yuǎn)大于TWF 輻照出現(xiàn)損傷所需的時間12.05 s。因此，在相同焦點峰值正聲壓條件下，相比于空化作用，非線性效應(yīng)對損傷出現(xiàn)快慢影響更大。由于非線性增加了聲傳播過程中的高次諧波成分，而組織的聲吸收系數(shù)會隨著頻率的增加而增加，從而引起了組織單位體積內(nèi)的熱效應(yīng)增加，進(jìn)而加快了損傷的形成，這與Reed 等［16］的研究結(jié)果一致。（4）為了實現(xiàn)17 MPa 相同峰值焦點峰值正聲壓，SWF 需要的表面聲壓為71 kPa，僅為TWF 的0.46 倍，表明SWF 聲通道上聲壓幅值更低，更有利于保護(hù)聲通道安全性。若將SWF 的表面聲壓調(diào)整為與TWF 相同的狀態(tài)，則SWF 勢必會更快形成損傷。

3 結(jié)束語

本文基于兩個完全相同的，頻率為0.6 MHz 的行波聚焦換能器同軸共焦相向放置實現(xiàn)SWF。在相同焦點峰值正聲壓（17 MPa）條件下，對比研究了SWF 和TWF 超聲分別輻照仿組織體模過程中的損傷變化。研究可見，相同焦點峰值正聲壓條件下SWF 輻照形成的組織初始損傷尺寸0.18λ×0.25λ，遠(yuǎn)小于TWF 輻照形成的組織初始損傷尺寸0.91λ×0.3λ。SWF 初始損傷的軸徑比為0.72，也遠(yuǎn)小于TWF的軸徑比3.07，且隨著輻照時間的增加，SWF 損傷的軸徑比都明顯低于TWF，表明SWF 可以壓縮軸向方向的損傷大小，有助于實現(xiàn)更精細(xì)的損傷。此外，本研究結(jié)合組織中的聲場數(shù)值仿真、空化和非線性研究進(jìn)一步揭示SWF 與TWF 損傷的形成機(jī)制。研究表明SWF 軸向聲場分布明顯異于TWF，駐波特性有助于壓縮軸向損傷尺寸。相同焦點峰值正聲壓下，TWF 焦點形成初始損傷更快，主要與非線性效應(yīng)相關(guān)。而達(dá)到相同焦點峰值正聲壓，SWF 所需的換能器表面聲壓僅為TWF 的0.46 倍，表明聲通道上聲壓幅值更低，更有利于保護(hù)聲通道安全性。研究說明基于同軸共焦相向放置兩換能器形成的駐波聚焦相比行波聚焦可以實現(xiàn)更精細(xì)的損傷，且聲通道更安全，為駐波聚焦應(yīng)用于臨床提供了理論參考，有望推動聚焦超聲消融手術(shù)在更多適應(yīng)癥的推廣。