[發(fā)明專利]一種利用超聲反射回波實(shí)時(shí)測(cè)量體內(nèi)聲場(chǎng)的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710515574.6
• 申請(qǐng)日: 2017-06-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107261345A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-10-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田野;劉斌;張治國(guó);孫鑫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱醫(yī)科大學(xué);哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): A61N7/00
• 分類(lèi)號(hào): A61N7/00
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司11139
• 代理人: 孫皓晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)以及聲動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種利用反射回波對(duì)組織內(nèi)超聲聲場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的方法。

背景技術(shù)

聲動(dòng)力療法技術(shù)(Sonodynamic Therapy,SDT)是指通過(guò)超聲激活聲敏劑、利用組織氧產(chǎn)生活性氧進(jìn)而發(fā)揮生物學(xué)作用的技術(shù)。SDT涉及三個(gè)基本要素：超聲、聲敏劑和氧。只有在超聲能量輸入時(shí)，聲敏劑才能被激活產(chǎn)生活性氧，聲敏劑濃度一定時(shí)，聲場(chǎng)強(qiáng)度越高，產(chǎn)生的活性氧濃度越大，對(duì)相關(guān)組織細(xì)胞活性的影響也越大。因此，組織中特別是病變區(qū)域的聲場(chǎng)強(qiáng)度是影響SDT效果的關(guān)鍵因素，它決定了治療所需的具體時(shí)間等參數(shù)，同時(shí)，正常區(qū)域所受的超聲輻射應(yīng)盡量最小化以減少治療的副作用。這就要求在治療過(guò)程中對(duì)聲場(chǎng)覆蓋區(qū)域組織內(nèi)的聲場(chǎng)進(jìn)行在體實(shí)時(shí)測(cè)量，防止過(guò)治療或欠治療等情況出現(xiàn)，并為聲場(chǎng)控制提供反饋，防止焦點(diǎn)偏移等原因?qū)е抡＝M織承受過(guò)高的超聲輻射強(qiáng)度。

然而，目前SDT只對(duì)超聲發(fā)射強(qiáng)度進(jìn)行控制，并未對(duì)組織內(nèi)聲場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，由于組織內(nèi)部聲學(xué)參數(shù)的不均勻性以及其多層多界面特征，聲波在其中傳播時(shí)將有較大的衰減，同時(shí)伴隨多次反射、折射、畸變等現(xiàn)象，因此病變區(qū)域的聲場(chǎng)強(qiáng)度并不可知，這就給SDT研究和臨床治療帶來(lái)很大的不穩(wěn)定性。目前聲場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量方法有輻射力天平法、光學(xué)法、熱學(xué)法、全息法和互易法等。其中輻射力天平法是目前公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法，經(jīng)過(guò)德國(guó)物理技術(shù)研究院等機(jī)構(gòu)的大量研究，目前，其精度與量程已可滿足高強(qiáng)度聚焦超聲(HIFU)的聲場(chǎng)測(cè)量要求。然而，此方法需要精密的輻射力天平，測(cè)量時(shí)將探頭安裝于其上，且對(duì)操作要求較高，因而不適于實(shí)時(shí)在體監(jiān)測(cè)。而光學(xué)法、熱學(xué)法和全息法各自均需要一套復(fù)雜的外在裝置，測(cè)量精度一般需要與輻射力法對(duì)比校準(zhǔn)，因而均難以實(shí)現(xiàn)組織內(nèi)聲場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

互易法也是一種聲場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法，它通過(guò)對(duì)回波參數(shù)測(cè)量而間接得到聲場(chǎng)強(qiáng)度，不需要附加其他裝置，有可能實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量。然而，上述測(cè)量是在單層均勻介質(zhì)(水)中，理想反射表面(單一平面)條件下進(jìn)行的，且測(cè)量的是探頭的發(fā)射聲場(chǎng)強(qiáng)度。實(shí)際人體組織內(nèi)部性能參數(shù)并不均勻，并存在多個(gè)反射界面，且界面形態(tài)不能視為理想表面，因此，要對(duì)組織內(nèi)部的聲場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，需要在互易法基礎(chǔ)上克服上述難點(diǎn)開(kāi)發(fā)一種新的測(cè)量方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種利用超聲反射回波實(shí)時(shí)測(cè)量體內(nèi)聲場(chǎng)的方法，用以利用超聲反射回波對(duì)組織內(nèi)超聲聲場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用超聲反射回波實(shí)時(shí)測(cè)量體內(nèi)聲場(chǎng)的方法，其包括以下步驟：

S1：確定聲動(dòng)力治療的目標(biāo)區(qū)域S并針對(duì)目標(biāo)區(qū)域S構(gòu)建一空間直角坐標(biāo)系O-xyz；

S2：構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域S內(nèi)部每一點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y,z)與對(duì)應(yīng)的聲阻抗Z之間的函數(shù)關(guān)系Z＝f(x,y,z)；

S3：對(duì)目標(biāo)區(qū)域S中的一預(yù)設(shè)位置P進(jìn)行激勵(lì)，其中，預(yù)設(shè)位置P位于人體內(nèi)兩種組織之間的分界面處，入射至預(yù)設(shè)位置P處的超聲波的方向與分界面垂直；

S4：監(jiān)測(cè)預(yù)設(shè)位置P處的反射超聲波強(qiáng)度I₁；

S5：根據(jù)Z＝f(x,y,z)計(jì)算預(yù)設(shè)位置P入射側(cè)的聲阻抗Z₁和透射側(cè)的聲阻抗Z₂；

S6：根據(jù)下式計(jì)算預(yù)設(shè)位置P處的超聲反射系數(shù)R：

S7：根據(jù)下式計(jì)算入射至預(yù)設(shè)位置P處的超聲強(qiáng)度I₂：

S8：根據(jù)下式計(jì)算預(yù)設(shè)位置P反射側(cè)的第一層組織中，位于反射路徑上且到預(yù)設(shè)位置P的距離為x處的聲場(chǎng)強(qiáng)度：

其中，α_n為位于預(yù)設(shè)位置P反射側(cè)的第一層組織的聲衰減系數(shù)。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，步驟S2是通過(guò)對(duì)目標(biāo)區(qū)域S構(gòu)建三維聲學(xué)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，三維聲學(xué)模型包含目標(biāo)區(qū)域S的影像數(shù)據(jù)以及目標(biāo)區(qū)域S中各組織的聲阻抗和聲衰減系數(shù)。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，影像數(shù)據(jù)是通過(guò)二維陣列相控陣成像而獲取。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述組織包括皮膚、脂肪、肌肉、結(jié)締組織以及各組織之間的連接部分。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，于步驟S4中，預(yù)設(shè)位置P處實(shí)際的反射超聲波強(qiáng)度I₁為監(jiān)測(cè)到的反射超聲波強(qiáng)度I₁加上反射路徑上的衰減量。

在本發(fā)明的一實(shí)施例中，所述衰減量包括反射路徑上各組織內(nèi)傳播造成衰減以及各組織之間的分界面處的反射造成的衰減。