相控型高强度聚焦超声治疗系统的研制
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３．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅ ｆｉｍｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｃｕｒａｔｅ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ ｆｏｒ
ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｔｙｐｅ
ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，ａ ９６一ｃｈａｎｎｅｌ ｐｈａｓｅｄ—ｓｉｇｎａｌ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ６－ｂｉｔ
１，ｌ弓ｌ富
高强度聚焦超声Ｏ五蜘ＩｎｔｅｎｓｉＷ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ－Ｈ［ＦＵ），是近年亲发展怒采的一 项新技术【１１［２１。它采用３００－２０００Ｗ／ｃｍ２的高强度，加热时间仅需０．１．１０秒，就可使组 织温度达到７０－９０＊（２，缬髓蛋白质在懑温下发生急峻凝溺坏甄。与传统的热疗相比， 高强度聚焦怒声治疗漂褥许多优点：声藏聚焦旋越声波可以溉＾ＡＪ俸，实瑷对深部瘸 变组织的治疗；小的治疗焦斑使高精殿治疗成为可能，航而潞龅正常组织受到损伤； 短时间的急性热损伤克服了传统热疗对斑运情况的械赖，提高了治疗成功率：由于治 疗时闻短，掰丽大大掇搿了治疗效率；由于高强度趣声可以形成瀚塑的焦斑，从而使 治疗的窝织蹑踪和定位帽对简单。由于高强度聚焦超声具有类似手术的治疗效暴，因
谐振式功率放大器，实现６位量化精度（５．６２５。）的９６路相控信号
发生系统。
４．研究了相控型ＨＩＦＵ治疗系统下组织热场分析及血流下的补偿计 算。建立了血流下的热搀导模型，根据照浚的微循环区域内的温度 变化，实现了治疗热场温度分布奉｝偿。
关键字：高强度，相控聚焦超声，治疗系统，肿瘸
上海交通大学博士后研究工作报告
ｔ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ＨＩＦＵ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
２．Ａ ｓｙｎｔｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ＨＩＦＵ
高强度聚焦超声辐照组织时，常常伴有空化效应。研究表明：当超声幅照强度超 过一定值时，焦斑中通常含有小‘ｃ孑Ｌ”，这些孔的存在主要由空化效应引起。一旦空化 产生，将会使焦斑扩散且扩散点位置难以预测，因此高强度聚焦超声治疗过程中应当 尽量避免空化发生。
超声与人体组织发生作用时，在任何频率上都有一个引起超声空化效应的声压幅 度最低极限，达到此值就会产生空化效应，这一闽值与频率大致成线性关系：
高强度聚焦超声技术可以使聚焦区域声强达到几百瓦每平方厘米或更高，在如此 高的强度下，焦区内组织在短时间内就能上升到７００以上，使细胞蛋白质凝固坏死， 达到治疗目的。
（２）机械效应 超声波是一种机械波，因此当超声波在人体中传播时，不论其强度大小都产生机
械振动。治疗用的超声频率一般为兆赫级，这意味着人体受到超声作用处的组织质点 每秒要作上百万次的高速来回振动。人体细胞及组织在如此强烈变化的力学环境中振 动，其功能和状态都会受到很大的影响。尤其在强超声作用下，会产生辐射压力、辐 射扭力和声流等非线性现象，它们可以使血液中的红细胞产生平动和转动，有时使细 胞溶解，细胞功能改变，ＤＮＡ大分子降解及酶变性等等。
ｆｉｅｌｄｓ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆｔｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｈｉ曲Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，Ｐｈａｓｅｄ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
Ｓｙｓｔｅｍ，Ｔｕｍｏｒ
上海交通犬学辩士后硒窥工作报告
第一章前言
ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ＤｅｑｕｅｎｃＮ
Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．
而又称为超声手术椰ｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｓｕｒｇｅ啪或超声组织剥离ｌ＝Ｕｌｔｒａｓｅｕｎｄ Ｔｉｓｓｕｅ Ａｂｌａｔｉｏｎ），
但是这静乎术又不同于传缆韵手术，它珂以实飘髀外治疗，最～种无损的手术。 正是疰ｌ子蕊强寝聚黑趣声遮些鼗麓的优点，它已经或为演疗麓声领域耨的磷究热
点［３】【４ｌ。在国外，高强度聚焦超声Ｂ经被证明可以应用于豌、目匣、心脏、肝脏、肾脏、 胰脏、直肠、自＃列腺游部位的肿瘤和滚病的治疗瞄Ｈ”ｌ。国内在避方面的研究起步较 晚，上海交邋大学医学糖声研究室趑野瀑高强魔聚焦超声技术研究数早静擎霞，在王 鸿樟教授的带领下取樽了掇多研究成果［１３］－１１５Ｊ，重庆驻科大学暖学超声研究所也是进 行该项技术研究较早的单位，他们程动物实验和临床研究方丽取得了丰寓的成果 【ｊ碰１７ｌ。上海交通大学嫩物蹑学披器瓣瓮搿在陈强臻院士瀚繁镢下，也在积极开惩该 顼技术麴磷究，致力予鞠控簿剿趣黪瀣疗系统煞开发和舔铡，荠取得了一定的进展
ｑｕａｎｔｉｚｅｄ ａｃｃｕｒａｃｙ（５．６２５。）ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｈａｓｅｄ
ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｆ ＨＩＦＵ．
４．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｉｓｓｕｅ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｖｅｓｓｅｌｓ ａ ｈｙｂｒｉｄ ｂｉｏ—ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏ—ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｑｕＮｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｉｓｓｕｅ ｈｅａｔ
本文从实际临床应用的角度出发，完成了相控型高强度隳焦超声肿
瘤治疗系统的部分研裁工作，具体陶察如下： １．设计了系统整体结构，实现了治疗系统的运动控制； ２。研究了符合耜控聚焦要求的小型大功率超声换麓器簿元的谐摄式 功率放大技术，保证了功率放大单元在相位釉幅度上的～致性，提 高了电声转换效率。 ３．研涮了基予ＦＰＧＡ技术豹糖控傣号发生系统，溃足驱动多臻功率 放大单元和相控聚焦的要求，实现多路信号相位的精确可调，结合
ｍａｙ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ．
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｃｌｉｎｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ＨＩＦＵ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
㈣。【２０ｌ。
Ｉ．２ ＨＩＦＵ治疗的物理基础
超声生物学效应是趱声治疗学的生物物理基础，所谓超声生物效应是生物体在受 到超声作用前后其状态、功§％和结掏缴生生物的变化。超声生物效应研究是怒声治疗 方法与辊瑷及疗效译豁聪必须的。趣声生物效窥鼹一个卡势复杂麴问题，取决予许多 物理积生物学寿蕊莳阁索，麴声强麓、辎射时搦、声爝瓣阔和空漆结构，组织炎型与 生理状态、温度和压力铸外部条件。总的说来，高强度聚焦超声对人体组织产生的生 物效应主要包括：热效随、机赫效臌邪空纯效应。
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｐｈａｓｅｄ Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ（ＨＩＦ功ｉｓ ａ ｈｏｔｓｐｏｔ ｏｆ
ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｔｕｍｏｒ ｔｈｅｒｍｏｔｈｅｒａｐｙ ｆｉｅｌｄｓ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｐｅｃｕｌｉａｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ，ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇ，ｐｈａｓｅｄ ＨＩＦＵ Ｃａｌｌ
（ｂ）
∽雾雾
Ｃ啪ｅ
Ｄｒｉ－衄ｓｉ弘ａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｒｒａｙ
（ｃ）
图１．１球面、透镜与相控聚焦示意图
超声相控聚焦技术从相控雷达技术发展起来，最早应用于超声医学成像，从８０ 年代以后才开始应用于超声治疗技术中。虽然相控技术在超声成像中的应用已经比较 成熟，但是应用于高强度聚焦超声治疗技术中还处于起步阶段。这主要是由于在超声 成像中，对超声能量的要求相对较低，因而可以采用比较小的阵元来避免栅瓣的产生， 采用比较少的阵元数目来降低阵列及其相位控制电路的复杂程度。而在高强度聚焦超
（１）热效廊
上海交通大学搏士后研究工作报告
一定强度的超声波在人体组织内传播时，与人体组织相互作用，其声能不断被组 织吸收而转变成热能，使组织温度升高。单位媒质体积在ｒ秒内吸收的热能可表示为：
Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ却。毕竽
式中ｐ为超声声压，ａ。。为超声在组织中吸收系数，与超声频率，近似成正比， 因而超声频率和声强是影响组织温升的两大因素，在频率不变的情况下，声强大，则 温升快，Ｚ＝ｐｃ为超声阻抗，
对超声治疗相控阵列的研究，经历了从线阵１２１］【２２１到平面阵‘２３１１２ ４１，从平面阵到球 面阵【２５１１２ ６１，从规则阵到随机阵‘２７】［２８ｌ的发展和研究，但至今这些研究，尤其是对用于 体外高强度聚焦超声治疗的二维相控阵的研究，仍然处于探索阶段，还远远没有克服 高强度聚焦超声相控阵列复杂性过高的难题。
上海交通大学 博士后学位论文 相控型高强度聚焦超声治疗系统的研制 姓名：白景峰 申请学位级别：博士后 专业：生物医学工程 指导教师：陈亚珠
20030201
上海交通大学博士矮研究工作报告
摘要
相控高强度聚焦超声最治疗超声和肿瘤热疗领域新的研究热点。它 利用超声波特有豹深穿透能力、强方向憔和聚焦性，实现超声能量在人 体深部组织的高强度会聚，在短时间内造成病变缎织的急性热损伤。由 于相控聚焦超声治疗焦斑小，治疗时阅短，因此可以提高治疗精度、治 疗效率和治疗成功率。
（３）空化效应 超声空化是指生物组织及其液体中的微小气泡核在超声波的作用下被激活，它表 现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。当声波声强足够大时，声 压幅值很大，而且正负压交替出现，在负压期间作用于物质微元之间的拉力会把组织 撕破，造成空化泡，而在声波正压期间又使刚刚形成的空化泡压缩而使之崩溃。在空 化泡崩溃的瞬间会迅速产生高温、高压，促使附近组织受到严重损伤。
上海交通大学博士后研究工作报告
只＝０．６＋５．３ｆ
（１—２）
其中只的单位为ＭＰａ，ｆ的单位为ＭＨｚ。因此为了避免高强度聚焦超声治疗过程中 产生空化现象，通常声波频率不能太低。
１．３相控型ＨＩＦＵ研究的意义与现状
为了使超声深入人体深部病变组织，且使正常组织不受到损伤，同时为了在治疗 区域得到高的超声能量密度，聚焦措施是必不可少的。目前主要采用的聚焦方式有曲 面自聚焦，声透镜聚焦和相控阵列聚焦，其原理分别如图Ｉ－ｉ（ａ）、（ｂ）和（ｃ）。可以看 出，与曲面自聚焦方式和声透镜聚焦不同，相控阵列聚焦是通过控制阵元激励信号的 相位，使声波波阵面曲率和中心位置发生变化，从而实现声束的电子聚焦和扫描。
一３一
上海交通大学博士后研究工作报告
声治疗中则要求阵列具有很高的输出功率，同时又要求在治疗声场中不能有大于主焦 点声强Ｏ．１５倍的栅瓣或其它形式的声强极值点。这样就对相控阵列设计带来了很多 挑战，一方面，高输出功率要求大的阵列发射强度和面积，这可以通过增加单个阵元 的激励信号幅值、增加阵元表面发射面积和增加阵元数目等方法实现；另一方面，由 于一定材料的换能器阵元对激励信号的承受能力是有限度的，阵元尺寸的增大则会增 大栅瓣，而阵元数目的增：ＯＬＩＮ大大增加了阵列及其相位控制电路的制作和调试复杂程 度，使其难以实现或成本太高。同时阵列设计参数，比如激励信号频率、阵元形状、 大小、间距、数量和排列方式等都对提高阵列的声强增益和改善栅瓣水平有着复杂的 影响，如何确定这些参数对超声阵列的设计和实现非常重要。
ｂｕｉｌｄ ｈｉ２曲ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｃｕｓ ｉｎ ｄｅｅｐ ｔｉｓｓｕｅ ａｎｄ ｃａＨｓｅ ａｃｕｔｅ ｃｅｌｌ ｄｅａｔｈ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ＨＩＦＵ ｃａｎ ｐｒｏｄｕｃｅ ｓｍａｌｌ ｎｅｃｒｏｓｉｓ ａｒｅａ ｉｎ ｓｈｏｒｔ ｔｉｍｅ．ｉｔ
ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｔｙｐｅ
ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ，ａ ９６一ｃｈａｎｎｅｌ ｐｈａｓｅｄ—ｓｉｇｎａｌ ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ６－ｂｉｔ
１，ｌ弓ｌ富
高强度聚焦超声Ｏ五蜘ＩｎｔｅｎｓｉＷ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ－Ｈ［ＦＵ），是近年亲发展怒采的一 项新技术【１１［２１。它采用３００－２０００Ｗ／ｃｍ２的高强度，加热时间仅需０．１．１０秒，就可使组 织温度达到７０－９０＊（２，缬髓蛋白质在懑温下发生急峻凝溺坏甄。与传统的热疗相比， 高强度聚焦怒声治疗漂褥许多优点：声藏聚焦旋越声波可以溉＾ＡＪ俸，实瑷对深部瘸 变组织的治疗；小的治疗焦斑使高精殿治疗成为可能，航而潞龅正常组织受到损伤； 短时间的急性热损伤克服了传统热疗对斑运情况的械赖，提高了治疗成功率：由于治 疗时闻短，掰丽大大掇搿了治疗效率；由于高强度趣声可以形成瀚塑的焦斑，从而使 治疗的窝织蹑踪和定位帽对简单。由于高强度聚焦超声具有类似手术的治疗效暴，因
谐振式功率放大器，实现６位量化精度（５．６２５。）的９６路相控信号
发生系统。
４．研究了相控型ＨＩＦＵ治疗系统下组织热场分析及血流下的补偿计 算。建立了血流下的热搀导模型，根据照浚的微循环区域内的温度 变化，实现了治疗热场温度分布奉｝偿。
关键字：高强度，相控聚焦超声，治疗系统，肿瘸
上海交通大学博士后研究工作报告
ｔ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ＨＩＦＵ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
２．Ａ ｓｙｎｔｏｎｉｃ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ＨＩＦＵ
高强度聚焦超声辐照组织时，常常伴有空化效应。研究表明：当超声幅照强度超 过一定值时，焦斑中通常含有小‘ｃ孑Ｌ”，这些孔的存在主要由空化效应引起。一旦空化 产生，将会使焦斑扩散且扩散点位置难以预测，因此高强度聚焦超声治疗过程中应当 尽量避免空化发生。
超声与人体组织发生作用时，在任何频率上都有一个引起超声空化效应的声压幅 度最低极限，达到此值就会产生空化效应，这一闽值与频率大致成线性关系：
高强度聚焦超声技术可以使聚焦区域声强达到几百瓦每平方厘米或更高，在如此 高的强度下，焦区内组织在短时间内就能上升到７００以上，使细胞蛋白质凝固坏死， 达到治疗目的。
（２）机械效应 超声波是一种机械波，因此当超声波在人体中传播时，不论其强度大小都产生机
械振动。治疗用的超声频率一般为兆赫级，这意味着人体受到超声作用处的组织质点 每秒要作上百万次的高速来回振动。人体细胞及组织在如此强烈变化的力学环境中振 动，其功能和状态都会受到很大的影响。尤其在强超声作用下，会产生辐射压力、辐 射扭力和声流等非线性现象，它们可以使血液中的红细胞产生平动和转动，有时使细 胞溶解，细胞功能改变，ＤＮＡ大分子降解及酶变性等等。
ｆｉｅｌｄｓ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆｔｅｄ．
Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｈｉ曲Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，Ｐｈａｓｅｄ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ，Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
Ｓｙｓｔｅｍ，Ｔｕｍｏｒ
上海交通犬学辩士后硒窥工作报告
第一章前言
ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ．Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ａｄｊｕｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ＤｅｑｕｅｎｃＮ
Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｏｕｓｔｉｃ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｈａｓ ａｌｓｏ ｂｅｅｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．
而又称为超声手术椰ｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｓｕｒｇｅ啪或超声组织剥离ｌ＝Ｕｌｔｒａｓｅｕｎｄ Ｔｉｓｓｕｅ Ａｂｌａｔｉｏｎ），
但是这静乎术又不同于传缆韵手术，它珂以实飘髀外治疗，最～种无损的手术。 正是疰ｌ子蕊强寝聚黑趣声遮些鼗麓的优点，它已经或为演疗麓声领域耨的磷究热
点［３】【４ｌ。在国外，高强度聚焦超声Ｂ经被证明可以应用于豌、目匣、心脏、肝脏、肾脏、 胰脏、直肠、自＃列腺游部位的肿瘤和滚病的治疗瞄Ｈ”ｌ。国内在避方面的研究起步较 晚，上海交邋大学医学糖声研究室趑野瀑高强魔聚焦超声技术研究数早静擎霞，在王 鸿樟教授的带领下取樽了掇多研究成果［１３］－１１５Ｊ，重庆驻科大学暖学超声研究所也是进 行该项技术研究较早的单位，他们程动物实验和临床研究方丽取得了丰寓的成果 【ｊ碰１７ｌ。上海交通大学嫩物蹑学披器瓣瓮搿在陈强臻院士瀚繁镢下，也在积极开惩该 顼技术麴磷究，致力予鞠控簿剿趣黪瀣疗系统煞开发和舔铡，荠取得了一定的进展
ｑｕａｎｔｉｚｅｄ ａｃｃｕｒａｃｙ（５．６２５。）ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｈａｓｅｄ
ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｏｆ ＨＩＦＵ．
４．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｉｓｓｕｅ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｖｅｓｓｅｌｓ ａ ｈｙｂｒｉｄ ｂｉｏ—ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅ ｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏ—ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｑｕＮｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｉｓｓｕｅ ｈｅａｔ
本文从实际临床应用的角度出发，完成了相控型高强度隳焦超声肿
瘤治疗系统的部分研裁工作，具体陶察如下： １．设计了系统整体结构，实现了治疗系统的运动控制； ２。研究了符合耜控聚焦要求的小型大功率超声换麓器簿元的谐摄式 功率放大技术，保证了功率放大单元在相位釉幅度上的～致性，提 高了电声转换效率。 ３．研涮了基予ＦＰＧＡ技术豹糖控傣号发生系统，溃足驱动多臻功率 放大单元和相控聚焦的要求，实现多路信号相位的精确可调，结合
ｍａｙ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ．
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｃｌｉｎｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｓｏｍｅ ｋｅｙ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｐｈａｓｅｄ ＨＩＦＵ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
㈣。【２０ｌ。
Ｉ．２ ＨＩＦＵ治疗的物理基础
超声生物学效应是趱声治疗学的生物物理基础，所谓超声生物效应是生物体在受 到超声作用前后其状态、功§％和结掏缴生生物的变化。超声生物效应研究是怒声治疗 方法与辊瑷及疗效译豁聪必须的。趣声生物效窥鼹一个卡势复杂麴问题，取决予许多 物理积生物学寿蕊莳阁索，麴声强麓、辎射时搦、声爝瓣阔和空漆结构，组织炎型与 生理状态、温度和压力铸外部条件。总的说来，高强度聚焦超声对人体组织产生的生 物效应主要包括：热效随、机赫效臌邪空纯效应。
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｐｈａｓｅｄ Ｈｉｇｈ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ（ＨＩＦ功ｉｓ ａ ｈｏｔｓｐｏｔ ｏｆ
ｔｈｅｒａｐｅｕｔｉｃ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｔｕｍｏｒ ｔｈｅｒｍｏｔｈｅｒａｐｙ ｆｉｅｌｄｓ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｐｅｃｕｌｉａｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ，ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｏｃｕｓｉｎｇ，ｐｈａｓｅｄ ＨＩＦＵ Ｃａｌｌ
（ｂ）
∽雾雾
Ｃ啪ｅ
Ｄｒｉ－衄ｓｉ弘ａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｒｒａｙ
（ｃ）
图１．１球面、透镜与相控聚焦示意图
超声相控聚焦技术从相控雷达技术发展起来，最早应用于超声医学成像，从８０ 年代以后才开始应用于超声治疗技术中。虽然相控技术在超声成像中的应用已经比较 成熟，但是应用于高强度聚焦超声治疗技术中还处于起步阶段。这主要是由于在超声 成像中，对超声能量的要求相对较低，因而可以采用比较小的阵元来避免栅瓣的产生， 采用比较少的阵元数目来降低阵列及其相位控制电路的复杂程度。而在高强度聚焦超
（１）热效廊
上海交通大学搏士后研究工作报告
一定强度的超声波在人体组织内传播时，与人体组织相互作用，其声能不断被组 织吸收而转变成热能，使组织温度升高。单位媒质体积在ｒ秒内吸收的热能可表示为：
Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ却。毕竽
式中ｐ为超声声压，ａ。。为超声在组织中吸收系数，与超声频率，近似成正比， 因而超声频率和声强是影响组织温升的两大因素，在频率不变的情况下，声强大，则 温升快，Ｚ＝ｐｃ为超声阻抗，
对超声治疗相控阵列的研究，经历了从线阵１２１］【２２１到平面阵‘２３１１２ ４１，从平面阵到球 面阵【２５１１２ ６１，从规则阵到随机阵‘２７】［２８ｌ的发展和研究，但至今这些研究，尤其是对用于 体外高强度聚焦超声治疗的二维相控阵的研究，仍然处于探索阶段，还远远没有克服 高强度聚焦超声相控阵列复杂性过高的难题。
上海交通大学 博士后学位论文 相控型高强度聚焦超声治疗系统的研制 姓名：白景峰 申请学位级别：博士后 专业：生物医学工程 指导教师：陈亚珠
20030201
上海交通大学博士矮研究工作报告
摘要
相控高强度聚焦超声最治疗超声和肿瘤热疗领域新的研究热点。它 利用超声波特有豹深穿透能力、强方向憔和聚焦性，实现超声能量在人 体深部组织的高强度会聚，在短时间内造成病变缎织的急性热损伤。由 于相控聚焦超声治疗焦斑小，治疗时阅短，因此可以提高治疗精度、治 疗效率和治疗成功率。
（３）空化效应 超声空化是指生物组织及其液体中的微小气泡核在超声波的作用下被激活，它表 现为泡核的振荡、生长、收缩及崩溃等一系列动力学过程。当声波声强足够大时，声 压幅值很大，而且正负压交替出现，在负压期间作用于物质微元之间的拉力会把组织 撕破，造成空化泡，而在声波正压期间又使刚刚形成的空化泡压缩而使之崩溃。在空 化泡崩溃的瞬间会迅速产生高温、高压，促使附近组织受到严重损伤。
上海交通大学博士后研究工作报告
只＝０．６＋５．３ｆ
（１—２）
其中只的单位为ＭＰａ，ｆ的单位为ＭＨｚ。因此为了避免高强度聚焦超声治疗过程中 产生空化现象，通常声波频率不能太低。
１．３相控型ＨＩＦＵ研究的意义与现状
为了使超声深入人体深部病变组织，且使正常组织不受到损伤，同时为了在治疗 区域得到高的超声能量密度，聚焦措施是必不可少的。目前主要采用的聚焦方式有曲 面自聚焦，声透镜聚焦和相控阵列聚焦，其原理分别如图Ｉ－ｉ（ａ）、（ｂ）和（ｃ）。可以看 出，与曲面自聚焦方式和声透镜聚焦不同，相控阵列聚焦是通过控制阵元激励信号的 相位，使声波波阵面曲率和中心位置发生变化，从而实现声束的电子聚焦和扫描。
一３一
上海交通大学博士后研究工作报告
声治疗中则要求阵列具有很高的输出功率，同时又要求在治疗声场中不能有大于主焦 点声强Ｏ．１５倍的栅瓣或其它形式的声强极值点。这样就对相控阵列设计带来了很多 挑战，一方面，高输出功率要求大的阵列发射强度和面积，这可以通过增加单个阵元 的激励信号幅值、增加阵元表面发射面积和增加阵元数目等方法实现；另一方面，由 于一定材料的换能器阵元对激励信号的承受能力是有限度的，阵元尺寸的增大则会增 大栅瓣，而阵元数目的增：ＯＬＩＮ大大增加了阵列及其相位控制电路的制作和调试复杂程 度，使其难以实现或成本太高。同时阵列设计参数，比如激励信号频率、阵元形状、 大小、间距、数量和排列方式等都对提高阵列的声强增益和改善栅瓣水平有着复杂的 影响，如何确定这些参数对超声阵列的设计和实现非常重要。
ｂｕｉｌｄ ｈｉ２曲ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｆｏｃｕｓ ｉｎ ｄｅｅｐ ｔｉｓｓｕｅ ａｎｄ ｃａＨｓｅ ａｃｕｔｅ ｃｅｌｌ ｄｅａｔｈ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ＨＩＦＵ ｃａｎ ｐｒｏｄｕｃｅ ｓｍａｌｌ ｎｅｃｒｏｓｉｓ ａｒｅａ ｉｎ ｓｈｏｒｔ ｔｉｍｅ．ｉｔ