高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法，针对传统HIFU治疗中温度和疗效监控灵敏度低、精度差、空间分辨率低的问题，提出HIFU焦域径向±0.4 mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃时的组织电阻抗突变作为HIFU治疗疗效评估的实时监测参数，并结合超声作用时间进行超声剂量控制，基于相对电阻抗变化RIV和声功率的关系，通过组织体表电阻抗的相对变化定量评估HIFU治疗疗效，还可以通过HIFU超声功率来调节治疗时间，实现超声剂量的精确控制，为HIFU治疗提供一种无创实时疗效监测和超声剂量控制新技术，实现按照HIFU声功率调节治疗时间的超声剂量的精确控制，具有良好的敏感性与较高的分辨率，满足HIFU治疗的应用要求，可以广泛应用到生物医学工程和肿瘤诊疗等领域，对HIFU治疗具有重要的指导意义和广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法
本专利技术涉及高强度聚焦超声
，具体涉及一种超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法。
技术介绍
高强度聚焦超声(HighIntensityFocusedUltrasound,HIFU)治疗肿瘤技术具有非介入、创伤小、康复快且不易引起癌细胞转移的优点，HIFU疗效和换能器焦域、超声强度、治疗时间以及组织差异有关。为确保HIFU治疗的可靠性和安全性，温度控制是一个关键，既要杀灭肿瘤细胞，又不损伤正常组织，因此HIFU治疗过程中的实时温度监测和疗效评价对肿瘤治疗的临床应用具有重要意义。在HIFU治疗中，需要将焦域组织的温度快速提升到70℃实现组织蛋白的凝固，达到治疗目的，但是mm大小的组织焦域内部存在明显的温度梯度分布，目前没有良好的无创测温手段能实时精确测量组织内部的温度来判断治疗疗效和控制超声剂量。目前HIFU治疗中常用的非接触测温技术中，红外测温技术利用组织温度和热辐射的关系，通过体外测量体内的热辐射来推测体内温度，但渗透深度有限，测量精度较差。磁共振成像(MRI)测温技术通过和温度相关的扩散系数、质子共振频率或弛豫时间的测量实现组织温度图像的重建，具有良好的温度分辨率，但时间分辨率不高，且设备价格昂贵。超声测温技术通过不同温度下组织声速、声阻抗和非线性声参量等特性参数的测量来实现温度监测，但这些参数的温度变化系数较小，温度测量的精度较低。B超成像虽然可以用来进行HIFU定位引导，监测肿瘤病灶治疗前后的供血变化，但是超声回波对温度的敏感性较差，不能实现HIFU治疗过程中组织焦域内部温度的实时精确监控。因此这几种测温方法虽然能在一定程度上对HIFU治疗的组织温升进行测量，但是其测量精度和速度不能达到实时精确测量的目的，更不能准确判断组织凝固温度HIFU治疗超声疗效，需要寻找一种能够反映组织焦域温度分布特性和组织凝固临界温度变化的参数来实现HIFU疗效监测和治疗剂量的控制。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于针对现有HIFU焦域温度和疗效监控方法存在的测量灵敏度低、速度慢和空间分辨率较低等问题，提供一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法。技术方案：本专利技术提供了一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统，包括顺序相连的计算机、信号发生器、功率放大器、HIFU换能器、电极以及阻抗分析仪，所述HIFU换能器在水中产生的超声波在组织中心聚焦，组织表面相对应的两面对称布置电极并通过平衡输出连接阻抗分析仪，所述阻抗分析仪同时连接计算机。进一步，所述电极包括2根或4根条状银电极，电极和组织之间通过设置导电胶来减少接触电阻。进一步，所述HIFU换能器为直径10cm、焦距10cm、中心频率1.13MHz的球壳聚焦超声换能器。一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，包括以下步骤：(1)建立HIFU治疗系统和电阻抗监测系统，通过计算机控制信号源输出和HIFU换能器同频且幅度可调的正弦信号，经过功率放大器放大后驱动HIFU换能器产生超声波，通过水的传播后在组织中间聚焦，形成椭球形的HIFU治疗热损伤焦域，组织表面的电极连接阻抗分析仪，在计算机的控制下实时测量电阻抗并保存；(2)通过固定信号源输出信号的幅度，在治疗时间内以0.1～1s的固定时间间隔实时测量组织电阻抗，并计算得到RIV随时间的分布曲线，结合时间间隔计算RIVR，利用组织RIV与治疗时间、声功率与组织电阻抗之间的线性关系，得到当前驱动条件下HIFU换能器的输出声功率；(3)设定HIFU焦域径向±0.4mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃，认为在该范围内达到了HIFU治疗疗效，基于达到治疗疗效时RIV和声功率的反比关系，根据步骤(2)计算出的当前声功率，进而利用RIV实时测量来监测组织的HIFU治疗疗效，实现剂量控制；(4)根据所需治疗时间和声功率平方的反比关系，根据步骤(2)所计算出的当前声功率，计算达到HIFU治疗疗效时所需要的治疗时间，实现剂量控制。进一步，步骤(2)电阻抗测量和超声频率设定不同，所述HIFU换能器发出的超声频率范围为0.5-5MHz，电阻抗测量的频率范围50–500kHz，以减少HIFU声场对电场的干扰，提高测量精度。进一步，步骤(2)组织电阻抗相对变化率与声功率的关系为：RIVR≈0.015PA×100％/s。进一步，步骤(3)在达到HIFU治疗疗效时，RIV和声功率的反比关系：RIV≈9.8/PA；治疗时间和声功率的平方反比关系：Δt≈680/PA2。有益效果：本专利技术针对传统HIFU治疗中温度和疗效监控灵敏度低、精度差、空间分辨率低的问题，提出HIFU焦域径向±0.4mm范围内达到组织热损伤临界温度70℃时的组织电阻抗突变作为HIFU治疗疗效评估的实时监测参数，并结合超声作用时间进行超声剂量控制，基于相对电阻抗变化RIV和声功率的关系，通过组织体表电阻抗的相对变化定量评估HIFU治疗疗效，还可以通过HIFU超声功率来调节治疗时间，实现超声剂量的精确控制，为HIFU治疗提供一种无创实时疗效监测和超声剂量控制新技术，实现按照HIFU声功率调节治疗时间的超声剂量的精确控制，具有良好的敏感性与较高的分辨率，满足HIFU治疗的应用要求，可以广泛应用到生物医学工程和肿瘤诊疗等领域，对HIFU治疗具有重要的指导意义和广阔的应用前景。附图说明图1为超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统结构示意图；图2(a)(b)(c)分别为同一超声功率(15.68W)作用下的温度、电阻抗和电场分布图；图3(a)(b)分别为达到治疗效果时，不同超声功率作用下相应治疗时刻的温度和电导率分布图；图4(a)(b)为理论计算和实验测量得到不同功率下的相对阻抗变化(RIV)和相对阻抗变化率(RIVR)随时间的变化分布图；图5为达到治疗效果时，不同超声功率作用下所需要的RIV和相应的治疗时间。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例：一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统及方法，具体操作如下：本实施例实验中所用组织是由溶胶凝胶法模型进行制备的，将10g丙烯酰胺、0.05g过硫酸铵、0.3g甲叉双丙烯酰胺、35mL的蛋清加入到0.9％的生理盐水中配置成100mL凝胶溶胶，然后加入0.2mL的四甲基乙二胺搅匀后，倒入直径和高度分别为3.2cm和3.5cm的、定制的圆柱形亚克力模具中进行定型。其中的蛋清作为温度指示剂，当温度达到70℃时，蛋白质发生变性，由透明的浅黄色变为不透明的白色。如图1所示，建立HIFU治疗系统，计算机A连接信号发生器B，控制信号源输出和HIFU换能器同频且不同幅度的连续正弦信号，经过功率放大器C放大后驱动HIFU换能器产生超声波，通过水的传播后在组织中间聚焦，使内部温度升高发生凝固性变性，形成椭球状的焦斑。本实施例HIFU换能器为直径10cm、焦距10cm、中心频率1.13MHz的球壳聚焦超声换能器。建立电阻抗监测系统，在组织上下两侧表面对称放置两个3.5cm*2.5cm的片状电极终端，一端设置成接地端，电压恒为0V，另一端设置成恒流源，为了便于组织模型电阻抗的计算，通过电极间的电压测量即可获得组织模型的电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统，其特征在于：包括顺序相连的计算机、信号发生器、功率放大器、HIFU换能器、电极以及阻抗分析仪，所述HIFU换能器在水中产生的超声波在组织中心聚焦，组织表面相对应的两面对称布置电极并通过平衡输出连接阻抗分析仪，所述阻抗分析仪同时连接计算机。

【技术特征摘要】
1.一种高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统，其特征在于：包括顺序相连的计算机、信号发生器、功率放大器、HIFU换能器、电极以及阻抗分析仪，所述HIFU换能器在水中产生的超声波在组织中心聚焦，组织表面相对应的两面对称布置电极并通过平衡输出连接阻抗分析仪，所述阻抗分析仪同时连接计算机。2.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统，其特征在于：所述电极包括2根或4根条状银电极，电极和组织之间设置导电胶。3.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制系统，其特征在于：所述HIFU换能器为直径10cm、焦距10cm、中心频率1.13MHz的球壳聚焦超声换能器。4.根据权利要求1所述的高强度聚焦超声治疗疗效监测和超声剂量控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)建立HIFU治疗系统和电阻抗监测系统，通过计算机控制信号源输出和HIFU换能器同频且幅度可调的正弦信号，经过功率放大器放大后驱动HIFU换能器产生超声波，通过水的传播后在组织中间聚焦，形成椭球形的HIFU治疗热损伤焦域，组织表面的电极连接阻抗分析仪，在计算机的控制下实时测量电阻抗并保存；(2)通过固定信号源输出信号的幅度，在治疗时间内以0.1～1s的固定时间间隔实时测量组织电阻抗，并计算得到RIV随时间的分布曲线，结合...

【专利技术属性】
技术研发人员：马青玉，郭各朴，宿慧丹，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32