[發明專利]基于256陣元半球形相控陣超聲換能器的焦域調控方法

有效

• 申請號: 201711246835.5
• 申請日: 2017-12-01
• 公開（公告）號: CN107913476B
• 公開（公告）日: 2019-06-18
• 發明（設計）人: 菅喜岐;吳世敬;趙夢娟
• 申請（專利權）人: 天津醫科大學
• 主分類號: A61N7/02
• 分類號: A61N7/02
• 代理公司: 天津市宗欣專利商標代理有限公司 12103
• 代理人: 孫喬喬

本發明公開了一種基于256陣元半球形相控陣超聲換能器的焦域調控方法，包括以下步驟：S1：在剛性半球體上隨機設計第一個陣元中心坐標位置；S2：在相鄰陣元中心間距不小于18mm的條件下，選取最近陣元作為下一陣元中心坐標位置，然后按上述步驟依次設計其他各陣元，直至陣元數為256個；S3：激勵全部256個陣元經顱聚焦，數值仿真其在三維空間x、y和z方向形成的溫度場，確定換能器的安全可調控范圍；S4：選取換能器的部分陣元激勵，使換能器的安全可調控聚焦范圍擴大。本發明避免了經顱腦神經系統疾病治療過程中出現的顱骨燙傷，且在大開口半球形換能器中實現了小開口非半球形換能器聚焦，擴大了焦域調控范圍，提高了換能器的經顱聚焦性能。

技術領域

本發明涉及高強度聚焦超聲技術領域，具體是一種基于256陣元半球形相控陣超聲換能器的焦域調控方法。

背景技術

腦腫瘤為腦神經系統疾病之一，現已成為危害人類生命健康的重大疾病，常規的外科手術切除、放射治療和化學藥物治療等臨床治療手段存在風險大、副作用大且由于血腦屏障使大分子藥物無法進入腦組織等不足之處，癲癇、神經痛和震顫等神經系統疾病同樣存在外科手術的風險，而具有非侵入性和可重復施治等特點的高強度聚焦超聲(HIFU)是具有腦神經系統疾病臨床治療應用前景的技術之一。HIFU經顱治療這些疾病的過程中，由于顱骨與周圍腦組織聲學特性差異較大，聲波在經顱傳播時易發生相位畸變和幅值衰減，從而出現顱骨處能量沉積而損傷顱骨及周邊組織、焦域處能量不足而無法致死病變組織等問題，半球形相控換能器能夠最大化覆蓋顱骨表面，降低顱骨單位面積上的能量，從而避免顱骨處能量沉積，提升焦域處溫升，使腦神經系統疾病治療成為可能。但由于其焦域可調控范圍較小，目前在HIFU經顱治療腦神經系統疾病的應用中受到了限制。非半球形凹球面換能器的焦域可調控范圍較大，但當設定目標焦點位置距顱骨外表面越來越近時，顱骨內的聲能量累積越來越多，易造成顱骨及其周邊軟組織熱損傷。隨著相控聚焦調控換能器技術的進步，經顱HIFU腦神經系統疾病治療的研究正在向更加深入的方向發展。如果將半球形多陣元相控換能器的激勵陣元按照不同位置進行選擇，可實現半球形與非半球形換能器優勢的互補，有利于早日實現無創、精準、有效的HIFU經顱腦神經系統疾病治療。

2004年Concor等利用開口半徑150mm的500陣元半球形相控換能器經顱聚焦，結果表明，大開口半球形相控換能器憑借其幾何結構能夠使顱骨中的熱沉積減小，并在顱內形成可治療焦域。2011年Pinton等利用開口直徑150mm的512陣元相控換能器經顱聚焦，結果表明，顱內淺表腦組織內形成的可治療焦域體積遠遠小于深部腦組織內的焦域體積。2012年Jeanmomod等利用半球形相控換能器對12位慢性神經痛患者進行臨床治療試驗，結果表明大部分患者得到了緩解。2012年Leduc等采用開口直徑60mm的227陣元小開口換能器進行HIFU經顱聚焦，結果顯示，顱骨處有大量聲能量沉積。2013年Elisa等利用半球形相控換能器對震顫患者進行治療，結果顯示患者丘腦部分產生了熱損傷，震顫得到緩解。2014年丁鑫等利用開口直徑100mm的凹球面相控換能器在距顱骨表面25mm處形成了可治療焦域。上述專家對半球形和非半球形相控換能器進行了研究，但并未涉及本發明中的開口直徑300mm的256陣元隨機分布半球形相控換能器，且未明確半球形換能器的經顱安全可治療范圍。另外，通過選取部分激勵陣元在半球形換能器上實現非半球形換能器聚焦的方法也未曾有過研究。

發明內容

本發明就是為了解決上述現有技術中存在的問題，所提供的一種基于256陣元半球形相控陣超聲換能器的焦域調控方法。

本發明是按照以下技術方案實現的。

一種基于256陣元半球形相控陣超聲換能器的焦域調控方法，包括以下步驟：

S1：在256陣元半球形相控陣超聲換能器上按以下公式隨機設計第一個陣元中心坐標位置，

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