HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律.pdf

第 43 卷 第 2 期Vol.43,No.22024 年 3 月Journal of Applied AcousticsMarch,2024 研究报告 HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律曹 奇1,2徐阳诚1,2贺新明1,2沈灿林1,2李雁浩1,2(1 重庆医科大学生物医学工程学院超声医学工程国家重点实验室重庆400016)(2 超声医疗国家工程研究中心重庆401121)摘要：高强度聚焦超声(HIFU)治疗中的驱动电功率对治疗效率起着非常关键的作用，驱动电功率控制的精准性势必会影响治疗的效率和安全性。前期研究表明：HIFU治疗过程中焦域瞬态物理特性的变化会导致换能器的负载阻抗发生变化，进而影响HIFU驱动电功率，但驱动电功率与焦域瞬态物理特性之间的影响关系及规律尚不明确。该文基于电压、电流传感器、空化检测探头和温度传感器等器件，构建了一种HIFU治疗中驱动电功率实时监测及焦域声空化、温度检测系统。基于该实验研究系统，以离体牛心组织作为HIFU辐照对象，分别研究了HIFU焦域温度变化、声空化及组织损伤与驱动电功率之间的变化关系及规律。研究结果表明：当焦域温度升高时，驱动电功率缓慢上升，驱动电功率与温度变化有良好的相关性；当空化产生时，驱动电功率出现明显的波动；当组织出现损伤时，驱动电功率呈陡然下降的变化。三种情景下，驱动电功率变化有明显区别，这有望为区分HIFU治疗过程中焦域处发生损伤和空化以及实时监测靶组织损伤程度提供一种新的解决方案。关键词：高强度聚焦超声；驱动电功率；组织损伤；温度；声空化中图法分类号:O426.9文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)02-0450-11DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.02.025The change mechanism and rule of transducer driving electric power inhigh intensity focused ultrasound therapyCAO Qi1,2XU Yangcheng1,2HE Xinming1,2SHEN Canlin1,2LI Yanhao1,2(1 State Key Laboratory of Ultrasound in Medicine and Engineering,College of Biomedical Engineering,Chongqing MedicalUniversity,Chongqing 400016,China)(2 National Engineering Research Center of Ultrasonic Medicine,Chongqing 401121,China)Abstract:The driving electric power in high-intensity focused ultrasound(HIFU)treatment plays a crucialrole in treatment efficiency,and the accuracy of driving electric power control inevitably affect the efficiencyand safety of treatment.Previous studies show that changes in the transient physical characteristics of thefocal region during HIFU treatment can lead to changes in the load impedance of the transducer,therebyaffecting the driving electric power output of HIFU.However,the relationship and pattern between the drivingelectric power and the transient physical characteristics of the focal region are not yet clear.This articleconstructs a real-time monitoring system for driving electric power and focal domain acoustic cavitation andtemperature detection in HIFU treatment based on devices such as voltage and current sensors,cavitationdetection probes,and temperature sensors.Based on this experimental research system,in vitro bovine heart2023-08-17收稿;2023-10-31定稿国家自然科学基金项目(12174043)作者简介:曹奇(1997),男,四川巴中人,硕士研究生,研究方向:聚焦超声信号处理。通信作者 E-mail:第43卷 第2期曹奇等：HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律451tissue is used as the HIFU irradiation object to study the relationship and rules between the changes in focalregion temperature,acoustic cavitation,tissue damage,and driving electric power of HIFU.The research resultsindicate that as the focal region temperature increases,the driving electric power slowly increases,and there isa good correlation between the driving electric power and temperature changes;When cavitation occurs,thereis a significant fluctuation in the driving electric power;when tissue damage occurs,the driving electric powershows a sudden decrease in change.Under the three scenarios,there are significant differences in the changesin driving electric power,which is expected to provide a new solution for distinguishing between damage andcavitation in the focal region during HIFU treatment,as well as real-time monitoring of the degree of targettissue damage.Keywords:High intensity focused ultrasound;Driving electric power;Tissue damage;Temperature;Acousticcavitation0 引言高强度聚焦超声(High intensity focused ultra-sound,HIFU)治疗是近年来备受关注的一种新型非侵入性治疗技术。在HIFU系统中，通过驱动电子器件将电能输送到HIFU换能器，HIFU换能器通过逆压电效应将电能转化为声能。HIFU治疗肿瘤的原理是，靶组织区域吸收足够高的声能量使温度快速升高到60C以上，高温使靶区肿瘤组织发生凝固性坏死，同时不会损害周围正常组织，从而实现“切除”病变组织的目的。HIFU治疗是一种体外无创消融肿瘤的方法，因此受到社会的广泛关注以及推广16。但是，HIFU在临床治疗中也遇到了一些关键的问题：作为声学负载的靶组织在治疗过程中会发生极其复杂的瞬态物理特性变化，物理特性的变化会导致换能器两端的负载阻抗发生改变，从而导致HIFU换能器的负载阻抗匹配失效，这使得HIFU驱动电功率也会发生改变，影响HIFU治疗效率和治疗的安全性79。因此，研究HIFU驱动电功率的变化规律及机制对于提高HIFU治疗效率、保证治疗安全性变得非常重要。近年来，有研究阐明HIFU换能器本身也可以作为检测传感器，在治疗中利用其两端的电信号变化反映靶组织瞬态物理特性的变化。即HIFU电气特性变化可以间接反映靶组织焦域处的物理特性变化情况。Heymans等10仅利用了一个单阵元HIFU换能器捕获微气泡种子的声发射，能够把接收到的信号用混合耦合器和高通滤波器从治疗信号中分离出来。Adams等11使用电流和电压探测器测量了HIFU换能器两端的有效驱动电功率，利用该驱动电功率的变化评估靶组织焦域处的损伤结果，并与仅使用电压幅值监测损伤的方式进行了对比，研究结果表明：使用HIFU换能器两端的有效功率来监测靶组织的损伤结果比仅使用驱动电压的方式更灵敏。Thomas等12使用HIFU换能器对离体组织和仿体组织进行辐照时发现，在HIFU焦域处或其附近形成的气泡会导致HIFU换能器驱动电压和电流幅值的变化。McLaughlan等13指出，在脱气水中，HIFU换能器的驱动电功率波动与声空化活动有关，对HIFU换能器的驱动电压和电流的进行频谱分析，结果表明，HIFU换能器的功率波动主要是由空化气泡的基频反向散射引起的。Karabce等14构建了一种测量超声换能器的瞬时驱动电功率的方法，提出了一种基于功率耦合的HIFU驱动电功率监测技术，实现了一种基于双定向耦合器与功率检波器的功率监测途径，由于HIFU换能器在治疗过程中靶组织会显著升温，这会导致HIFU换能器电气特性发生变化。庞博等15采用C5948双定向耦合器与AD8363均方根(Rootmean square,RMS)功率检波器，构建了驱动电功率在线监测装置，将该装置耦合到HIFU治疗系统中，测量了入射功率、反射功率及实际加载功率，研究结果表明：使用这些装置测量入射功率和反射功率的误差低于10%，实际加载功率的测量误差低于5%。钱骏等16通过前期研究发现，在HIFU治疗过程中可见在焦域损伤达到一定程度时，换能器驱动信号的相位相对于治疗前会出现大幅波动；且当焦域出现机械损伤，即发生空化时，其波动幅度与范围也会比在发生纯热损伤时更大，这表明不同的声阻抗变化可引起换能器不同的负载阻抗的变化。虽然，一些国内外专家提出和构建了一些基于超声换能器接收到的信号特征检测焦域处物理特性变化的方法，这些方法检测到了HIFU换能器两端的电4522024 年 3 月气性能变化，但结果更多是利用电信号的变化来反映焦域处气泡的活动。尚未有研究根据驱动电功率的变化来对HIFU治疗过程靶组织焦域处产生的温升、损伤、空化现象进行识别和监测。基于上述研究，本文构建了HIFU换能器与组织声学负载之间的网络关系模型，基于HIFU治疗系统，电流、电压测量仪器及温度、PCD探头等设备，构建了一套驱动电功率实时监测及焦域温度、声空化检测系统。本研究以离体牛心作为研究对象，研究了出现温度变化、空化以及组织损伤三种情形下，驱动电功率与焦域瞬态物理特性变化之间的关系及规律。通过实验发现，驱动电功率在仅出现温度变化时相对稳定，有缓慢上升的趋势，在空化产生时驱动电功率发生剧烈波动，在组织出现损伤的过程中驱动电功率又出现陡然下降的拐点。结果表明，本研究能够对靶组织焦域处进行实时监测，并且能够识别产生的瞬态物理特性变化类别，有望成为一种新的HIFU实时监测的手段和方案。1 材料与方法根据压电效应，HIFU换能器表面受到机械应力时，将会产生电动势，同时换能器的动态电阻将有较大幅度的变动，其中声学路径对负载阻抗影响很大。传播介质的材料特性、声反射体的存在、空化和温度都是已知的影响阻抗的因素。在非惯性空化过程中，气泡在振荡过程中增长，并在许多周期的振荡后坍塌或合并上升到水面。在惯性空化过程中，气泡增长非常快，并在形成后不久就猛烈地坍缩。振荡和坍缩的空化泡作为二次声源，导致坍缩气泡附近产生高压向换能器方向发射冲击波。此外来自介质产生的散射、反射、衍射超声使得换能器振动模态改变导致阻抗匹配偏离，从而影响驱动电压和驱动电流，导致驱动功率发生改变。任何从介质返回和产生的超声波都会产生一个可以测量的电压。因此，可以通过监测驱动电功率的变化来反映声学路径下负载的变化17。1.1实验原理在HIFU治疗过程中，组织会出现温度升高、凝固性坏死、空化等现象。空化的产生、气泡的振荡和内爆引起压力的变化，损伤的出现也会改变介质的声阻抗和声衰减，由靶组织焦域处产生的超声信号的散射、反射、衍射以及振荡和坍缩的空化泡作为二次声源发射的超声波都会导致换能器表面接收到回波压力变化，使得超声换能器表面发生形变，改变了其振动模态，导致阻抗匹配偏离，其原理如图1所示。这些变形通过几何形状传递到压电陶瓷上，会使换能器表面的声负载不断变化，除了驱动信号之外，还有回波信号叠加，导致换能器两端的电信号发生变化，进而驱动电功率发生变化。图1HIFU换能器接收回波示意图Fig.1Schematic diagram of HIFU transducerreceiving echo超声电源与换能器一般情况下并不直接连接，而是在二者之间设置匹配电路。由于换能器等效电路呈容性负载，容性负载的存在会使电路功率因素下降，换能器驱动电功率不能达到最大且电路效率降低，因此设置匹配电路的目的就是添加与容性负载电性相反的电抗元件来抵消这部分容抗，使电路最终等效为纯电阻电路，等效电路图如图2(a)所示。其中，C0是并联电容，R0表示介质损耗并联电阻，R1表示换能器机械损耗的动态电阻，RL表示负载的等效阻抗，C1为换能器动态电容，L1为换能器动态电感。通常R0 R1，负载被认为是与介质损耗有关与工作频率无关的纯电阻负载。图2(b)为压电换能器的简化电路图。当 换 能 器 的 发 生 谐 振 时，频 率fs=1/(2L1C1)，L1与C1理想阻抗匹配情况下，整体匹配电路阻抗仅与C0、R1、RL有关，求得阻抗值为18Z=(R1+RL)RC0R1+RL+RC0=R1+RL1+C0(R1+RL)L1C12 jC0(R1+RL)2L1C11+C0(R1+RL)L1C12.(1)第43卷 第2期曹奇等：HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律453从式(1)可以看出，换能器等效电路呈容性负载，容性负载的存在会使电路有功功率下降，换能器驱动电功率不能达到最大且电路效率降低。为了提高超声波发生器的发射能量，减少无功分量，提高电声转换效率，需设置LC 匹配电路，添加与容性负载电性相反的电抗元件来抵消这部分容抗，使电路最终等效为纯电阻电路，如图2(c)所示。其中，L、C分别是换能器的匹配电感和电容。为方便计算，设c=1/L1C1，此时系统的负载阻抗为18Z=R1+RL1+c(C+C0)(R1+RL)2+jcL c(C+C0)(R1+RL)21+c(C+C0)(R1+RL)2.(2)换能器在谐振工作时，电容、电阻、电感是已知的，由式(2)可知声负载RL的变化会导致系统负载阻抗的改变。(a)?(b)?(c)?C0C0R0R1L1RLC1R1L1RLC1CC0R1RLL图2换能器电路图Fig.2 Circuit diagram of the transducer1.2实验设备和材料本研究所用到的实验设备有海扶刀聚焦超声肿瘤治疗系统(JC200D型，重庆海扶医疗科技股份有限公司研制)、HIFU换能器(中心频率为942 kHz)、Tektronix TCPA300 电流探头、Cybertek DP6700A 电压探头、热电偶测温探针(TP700-16Q)、中心频率为1 MHz的PCD探头(Olympus,V303-SU)和中心频率为5 MHz的PCD探头(Olympus,V309-SU)，搭建了一套信号检测、焦域温度以及声空化检测一体化系统，如图3所示。实验材料为新鲜离体牛心组织，该组织取自屠宰场并在8 h之内使用，实验前用生理盐水(浓度0.9%)洗净并真空脱气1 h，取血管和结缔组织较少处切成约40mm 40 mm 40 mm大小的方块备用。1.3HIFU换能器驱动信号测量、采集与分析系统实验中，通过PC端控制信号发生器发出频率为942 kHz正弦波，信号经过功率放大器放大，通过阻抗匹配电路驱动HIFU换能器。离体牛心组织辐照深度为15 mm，利用电压和电流检测探头对功率放大器输出端进行检测，使用热电偶测温探针(TP700-16Q)检测靶组织焦域处温度的变化，用中心频率为1 MHz的PCD探头(Olympus,V303-SU)和中心频率为5 MHz的PCD探头(Olympus,V309-SU)来检测空化的发生，切开组织验证损伤是否产生。电流、电压与PCD探头都接入到PC示波器(Picoscope 5422D,2407B)，通过USB接口将采集到的信号传输到计算机中，通过MATLAB编写的控制、采集、分析程序将驱动电功率的变化显示在PC端当中。其实验装置示意如图4所示。图3实验装置Fig.3 Experimental setup1.4数据处理与分析1.4.1驱动电功率的计算为了测量有效功率，将电压和电流随时间变化的有效幅值，通过快速傅里叶变换(Fast Fouriertransform,FFT)变换到频域，计算如下：P(t)=V(t)I(t),(3)其中，I(t)可以通过电流探头获得，电流随V(t)的变化可由电压探头得到，P(t)表示以瓦特为单位随时间变化的功率。数据采集由Picoscope示波器捕获，在信号采集过程中信号通常会受到环境噪声的干扰，仪器的使用中也会产生噪声，所以使用时域上的驱动信号计算的功率不准确。所以FFT将数据转换到频域滤除基频信号之外的信号，通过频域上的幅值计算驱动电功率。1.4.2信号滤波本文中使用MATLAB中的FDA Tool工具设计具有相位线性的有限冲激响应(Finite impulseresponse,FIR)布莱克曼带通滤波器，阶数为200，通带下限截止频率fc1=0.927 MHz，通带上限截止频率fc2=0.957 MHz。4542024 年 3 月HIFU?MATLAB?DB?C?1 MHz PCD?A?5 MHz PCD?BPicoscope?ABCD图4实验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of experimental device2 实验结果2.1驱动电功率监测系统的正确性和稳定性测试为了考察HIFU发射电路的波动性对HIFU驱动电功率的干扰，以一个阻抗为50 的标准负载作为功率放大器的输出负载，考察在驱动电功率P 分别为50 W、100 W、400 W、900 W的工作情况下，HIFU发射电路对HIFU驱动电功率的影响规律，基于文中构建的实验系统实时采集HIFU辐照过程中标准负载两端的电压信号和电流信号。然后，通过PC端显示所采集的原始电压和电流信号，计算辐照过程中驱动电功率随时间的变化结果。图 5 分别0102030-80-40040800102030-2-1-10112510152025304550550102030-2-10120102030-100-500501005101520253090100110?/V?/V?/s?/s?/s?/s?/s?/s?/W?/W?/A?/A(b1)?(b2)?(b3)?(a1)?(a2)?(a3)?(a)P=50 W(b)P=100 W?第43卷 第2期曹奇等：HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律4550102030-200-1000100200?/V?/V0102030-4-3-2-10123451015202530360400440?/s?/s?/s?/s?/s?/s?/W?/W0102030-300-200-10001002003000102030-6-4-20246?/A?/A51015202530840880920960(d1)?(d2)?(d3)?(c1)?(c2)?(c3)?(c)P=400 W(d)P=900 W?图5驱动电压、电流和驱动电功率随时间的变化结果Fig.5 Changes in driving voltage,current,and driving power over time为不同驱动电功率下，通过实验系统测量计算获得的驱动电压、电流和驱动电功率随时间的变化结果。图5(a3)、图5(b3)、图5(c3)和图5(d3)代表的是多次实验测量的驱动电功率的平均值和方差随时间的变化结果。从图5可以发现，HIFU驱动电路中的负载驱动电压和驱动电流随着输出驱动电功率的增加而增加。由图5可见，不同驱动电功率下，HIFU驱动电路中的负载驱动电功率的测量结果均比较稳定，证明了HIFU发射电路本身导致的驱动电功率波动较小，负载电阻的驱动电功率有较为稳定的输出结果。改变匹配盒的电容和电感值使得聚焦超声换能器负载的阻抗分别为25、50、75，以换能器负载50 为参考标准，设置驱动电功率P 分别为50 W、150 W、300 W、500 W，驱动电功率随时间的变化结果6所示。通过电压探头和电流探头测出了相应电压和电流的时序信号，并通过FFT算出了驱动电功率及其负载阻抗在频域上的变化结果，与具体的负载阻抗的大小较为一致和吻合，当换能器阻抗发生变化时会导致驱动电功率改变，证明了本文构建的信号检测系统的可行性和有效性。2.2焦域温度变化对驱动电功率的影响控制信号发生器输出连续波信号，信号输出时间为4 s，该信号经过一个放大倍数为60 dBm的功率放大器放大，经过阻抗匹配电路驱动HIFU换能器，驱动电功率P 为100 W。离体牛心组织辐照深度为15 mm，重复多次，用热电偶测温探头和驱动电功率监测系统同时采集信号，辐照过程中驱动电功率和靶组织焦域处温度随时间的变化结果如图7所示。图7显示，温度在4 s内从36C升温到42C。温度平均值曲线代表的是多次实验测量的温度的平均值随时间的变化结果，图下方绿色部分为多次实验温度的误差带，最大误差2C，温度拟合曲线是重复实验后温度平均值所做的拟合直线，此时驱动电功率也随着组织温度升高而升高，从 100 W 到4562024 年 3 月00.020.040.060.080.10020406080?/s?/s?/s?/s?/W00.020.040.060.080.1006012018024000.020.040.060.080.100100200300400500?/W?/W?/W00.020.040.060.080.100200400600800(a)P=50 W(b)P=150 W(c)P=300 W(d)P=500 W25 W?50 W75 W25 W?50 W75 W25 W?50 W75 W25 W?50 W75 W图6不同阻抗匹配下驱动电功率随时间的变化结果Fig.6 Changes in driving power over time under different impedance matching105 W。如图7所示，驱动电功率平均值曲线代表的是多次实验测量的驱动电功率的平均值随时间的变化结果。上方紫色部分为多次实验驱动电功率的误差带，最大误差1 W。温升速率趋于一致，总体呈现缓慢上升，驱动电功率拟合直线是重复实验后温度平均值所做的拟合直线，靶组织焦域处的温度上升和驱动电功率升高有良好的线性关系。0123499100101102103104105106?/W?/s323436384042444648?/?图7驱动电功率及HIFU焦域温度随时间的变化结果Fig.7 Changes in driving power and HIFU focalregion temperature over time2.3焦域空化对驱动电功率的影响为了研究靶组织焦域处声空化的产生与换能器驱动电功率之间的影响关系及规律，驱动HIFU换能器连续输出0.3 s，驱动电功率P 分别为50 W、100 W、300 W、900 W，辐照深度为15 mm，辐照焦点均未发生损伤，辐照之后靶组织焦域处用直径为5 mm的红圈标注，如图8所示。驱动电功率随时间变化结果如图9(a)所示。同时用PCD探头监测空化活动，次谐波和宽带噪声信号随时间的变化结果如图9(b)、图9(c)所示。实验中发现，在驱动电功率为50 W和100 W时驱动电功率保持稳定，如图9显示，同时PCD探头检测的空化活动也很微弱，随着驱动电功率升高，驱动电功率呈现大范围波动，最大波动从850 W变化到1000 W，同时显示次谐波信号幅值和宽带噪声信号有明显升高和波动，与功率变化趋势一致，空化活动的强烈程度与驱动电功率变化有正相关性。可见在输出过程中驱动电功率的变化与靶组织焦域处产生的空化有很大关系。为进一步探索空化与功率变化的关系和规律，设置驱动电功率P 为300 W，驱动HIFU换能器连第43卷 第2期曹奇等：HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律457续输出时间2 s，辐照深度为15 mm，实验得到驱动电功率随时间变化如图10(a)所示，离体牛心组织切开之后无损伤。同时用PCD 探头监测空化活动，次谐波和宽带噪声信号随时间的变化结果如图10(b)、图10(c)所示。(a)P=50 W(b)P=100 W(c)P=300 W(d)P=900 W图8不同驱动电功率下，靶组织焦域处损伤结果Fig.8 Damage results at the focal region of targettissue under different driving power图10(a)显示，驱动电功率先是稳定在较小的范围内，但是在第0.6 s时出现较为强烈的波动，最大波动从260 W变化到320 W，图10(b)、图10(c)显示次谐波信号幅值和宽带噪声信号在0.6 s时也有明显升高，可见PCD探头检测到的空化特征的出现和驱动电功率的变化在时间上有一致性。2.4焦域组织损伤对驱动电功率的影响通过前文的实验结果，了解了靶组织焦域处出现升温、空化的情况下，驱动电功率的变化。接下来，设置驱动电功率P 为600 W，控制HIFU换能器连续输出3 s，辐照深度为15 mm，实验得到驱动电功率随时间变化如图11所示。从结果可以看到，HIFU输出过程中驱动电功率先是缓慢升高，然后在1 s附近陡然下降，切开离体牛心组织，发现组织有明显损伤。第14组的离体牛心组织在经过1 s左右辐照，驱动电功率陡然下降之后，后续驱动电功率变化存在一定的差异性是因为在损伤过程中也伴随着空化现象，当声空化活动存在时会致使驱动电功率出现不稳定的波动，靶组织损伤程度存在一定的差异性，导致驱动电功率变化规律存在一些差异。00.050.100.150.200.250.30?/s?/s?/sP=50 WP=100 WP=300 WP=900 W02004006008001000?/W00.050.100.150.200.250.30012345P=50 WP=100 WP=300 WP=900 W?/V00.050.100.150.200.250.300.10.20.30.40.50.60.70.80.9P=50 WP=100 WP=300 WP=900 W?rms?/V(a)?(b)?(c)?RMS?图9不同驱动电功率、次谐波幅值和宽带噪声RMS值随时间的变化结果Fig.9Time varying results of different drivingpower,subharmonic amplitude,and broadbandnoise RMS values4582024 年 3 月00.51.01.52.0260280300320340?/W00.51.01.52.001234567?/V00.51.01.52.000.10.20.30.4?RMS?/V?/s?/s?/s(a)?(b)?(c)?RMS?图10驱动电功率、次谐波幅值和宽带噪声RMS值随时间的变化结果Fig.10 Changes in driving power,subharmonic amplitude,and broadband noise RMS values over time00.51.01.52.02.53.0540560580600620640660680?/s?/s?/s?/s00.51.01.52.02.53.054056058060062064066068000.51.01.52.02.53.054056058060062064066068000.51.01.52.02.53.0540560580600620640660680?/W?/W?/W?/W(a)?1?(b)?2?(c)?3?(d)?4?图11组织出现损伤过程中，驱动电功率随时间的变化结果Fig.11 Changes in driving power over time during tissue damage第43卷 第2期曹奇等：HIFU治疗中换能器驱动电功率变化机制及规律4593 分析与讨论HIFU传感器在治疗过程中可以显著加热组织，伴随着焦域组织温升，靶组织焦域处会产生物理特性变化、空化、沸腾等现象，其电气性能，特别是其声学负载的阻抗，也会在治疗过程中发生变化1922。在HIFU辐照过程中，用PCD探头监测空化活动的发生，同时检测靶组织焦域处温度变化和换能器两端的电信号变化，当温度升高时，换能器两端驱动电功率缓慢上升，可知焦域处的温升是影响功率波动的一个重要因素。温度的上升可能是导致功率缓慢上升的原因，组织电导率随温度升高而增加，组织电导率上升，负载阻抗改变，导致驱动电功率缓慢上升。靶组织焦域处的温度上升和功率升高有良好的线性关系。在不产生损伤的前提下研究空化气泡活动与驱动电功率的关系，结果证明：空化气泡的出现，与功率大幅度波动有较大关系，在时间变化上具有一致性，由此可以得知聚焦超声传播到辐照过程中产生的气泡处时，超声波在焦域处被强反射界面(空化气泡)反射可能是驱动电功率出现变动的主要原因。使用HIFU换能器输出直到焦域处的靶组织产生损伤，观测驱动电功率的变化，随着组织发生物理特性的变化，驱动电功率出现陡然下降的拐点，驱动电功率的陡然下降可能是组织内部病变形成的结果。这或许是因为组织变性导致负载阻抗的变化，致使驱动电功率迅速降低。可见由靶组织焦域处发生凝固性坏死导致负载阻抗变化，其电气特性也会发生变化，治疗过程中组织损伤产生导致的负载阻抗变化是影响功率波动的一个主要因素。驱动信号叠加了来自声通道路径中的介质散射信息，声负载发生的物理特性变化是驱动信号发生变化的原因，驱动电功率的变化是其负载阻抗变化的间接形式，驱动信号可以实时地反馈声负载的变化。声负载发生的物理变化不同也会使得驱动电功率发生不一样的变化。HIFU辐照过程中，组织在仅出现升温时，驱动电功率缓慢上升；在出现损伤时，驱动电功率有陡然下降的趋势；发生空化时，驱动电功率发生剧烈波动，且空化气泡的产生与驱动电功率变化有时间上的一致性。4 结论针对HIFU驱动电功率与焦域瞬态物理特性之间的影响关系问题，本研究在前期基础上，构建了HIFU换能器与组织声学负载的网络关系模型，以HIFU治疗装置，电流、电压测量仪器及温度、声空化传感器，搭建了驱动电功率实时监测及焦域温度、声空化检测系统。基于该系统研究了当焦域组织在聚焦超声辐照过程中，驱动电功率变化机制与焦域组织发生的温度升高、损伤、空化的活动与驱动电功率改变的影响关系。研究表明：焦域温度变化与驱动电功率有很好的线性相关性。声空化发生时，驱动电功率会产生较大波动效应；而当组织损伤形成时，驱动电功率随时间的变化趋势会出现拐点。这有望为HIFU治疗过程中焦域组织的实时监测提供一种有效的新方案，也为HIFU驱动电功率的变化机制提供一些有价值的研究数据。下一步，本研究工作将在活体动物上深入开展驱动电功率与焦域瞬态物理特性变化之间的影响关系研究，为HIFU临床治疗中驱动电功率的实时监测和剂量调控提供有效的解决方案和途径。参考文献1 Anneveldt K J,vant Oever H J,Nijholt I M,et al.Sys-tematic review of reproductive outcomes after high inten-sity focused ultrasound treatment of uterine fibroidsJ.European Journal of Radiology,2021,141:109801.2 Bachu V S,Kedda J,Suk I,et al.High-intensity focusedultrasound:a review of mechanisms and clinical applica-tionsJ.Annals of Biomedical Engineering,2021,49(9):19751991.3 Fite B Z,Wang J,Kare A J,et al.Immune modulation re-sulting from MR-guided high intensity focused ultrasoundin a model of murine breast cancerJ.Scientific Reports,2021,11(1):927.4 Li X,Zhu X,He S,et al.High-intensity focused ultra-sound in the management of adenomyosis:long-term re-sults from a single centerJ.International Journal of Hy-perthermia,2021,38(1):241247.5 Marinova M,Feradova H,Gonzalez-Carmona M A,et al.Improving quality of life in pancreatic cancer patients fol-lowing high-intensity focused ultrasound(HIFU)in twoEuropean centersJ.European Radiology,2021,31(8):58185829.6 Yan L,Huang H,Lin J,et al.High-intensity focused ultra-sound treatment for symptomatic uterine fibroids:a sys-tematic review and meta-analysisJ.International Jour-nal of Hyperthermia,2022,39(1):230238.7 El-Desouki M M,Hynynen K.Driving circuitry for fo-cused ultrasound noninvasive surgery and drug deliveryapplicationsJ.Sensors,2011,11(1):539556.4602024 年 3 月8 Haller J,Wilkens V,Shaw A.Determination of acous-tic cavitation