超声热疗中的超声无损测温关键词肿

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1、超声热疗中的超声无损测温 关键词：肿瘤热疗 超声 无损测温 周国辉 等 本文作者周国辉先生，复旦大学电子工程系教师; 孙志民先生，复旦大学电子工 程系硕士研究生; 汪源源先生，复旦大学特聘教授，博士生导师; 王威琪先生， 中国工程院院士，复旦大学教授，博士生导师。 一 引言 利用超声波进行肿瘤的热疗一般可分为温热疗法(Hyperthermia)和烧蚀疗法 (Pyrotherapy)两种。前者是将肿瘤加热到 4345并保持几十分钟，以抑制肿瘤 生长。后者则利用高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound, HIFU)， 在很短时间内将肿瘤加热到 70以上，甚

2、至达到 100120，使其凝固性坏死。 在这两种热疗尤其是温热疗法中，为保证疗效，温度的实时测控是非常必要的。 目前临床热疗中通常采用有损的热偶测温。这种测温技术虽然可以达到 0.1 的精度，但需要将热偶探针插入到被加热组织。这会给病人带来痛苦，而且不 易准确插入，所测数据并非肿瘤加热区的温度场，影响治疗的医生指导，特别是 还可能引起癌细胞的移位，因此热偶测温不能得到广泛应用。一些无损测温方法 相继被提出，如: 电阻抗断层(EIT)、X-CT、磁共振(MRI)、超声、微波和热补偿 法。这些方法各有优缺点，但相对来说，超声测温方法各项指标如安全性、实时 性、经济性、抗干扰性和跟超声热疗仪的兼容性

3、等方面的综合评价较好。因此， 超声无损测温被认为是有应用前景且容易实现的一种方法。 近年来研究者们提出多种超声无损测温技术，这些技术大多基于对反射超声 进行分析，也有研究利用透射超声或超声图像的，还有的研究着重于用有限元法 解生物热传导方程。本文介绍用于热疗的各种超声无损测温方法，并对它们的原 理和存在的问题进行分析。 二 肿瘤超声热疗中的超声无损测温技术 按照测温实现方式将超声无损测温方法分为以下几类: 反射超声法; 透射超 声法; 有限元法; 超声图像分析法。 1. 反射超声无损测温技术 在各种各样的超声无损测温技术中，利用反射超声进行处理的占大多，这与 其容易在临床进行在体试验有关。 a

4、. 基于超声回波频移的无损测温技术 对于诊断超声而言，生物体组织可以近似看成是规则的离散晶格，它们将使 超声回波发生谐振相干现象。设离散晶格的平均散射间距为 d，则回波信号的功 率谱密度函数在频率 fk(k=1，2，.，)处出现谐振峰，其中： fk(T)=kc(T)/2d(T)，k=1，2.，(1) 式中，c 为组织中的声速，c 和 d 都是温度 T 的函数。若组织温度发生较小 的改变T，则谐振频率的变化fk为： fk(T)=TcTTc dkTT =0 00)( 2 (2) 式中， 是生物组织的热膨胀系数; d0和 c0分别是基准温度 T0下的生物组织 平均散射间距和声速。预先测得组织的 d0

5、、c0、Tc /和 等值，然后可以利用 式(2)，从回波信号谐振频率的变化中得到生物组织的温度改变值。 Seip R 等对回波信号用 AR 谱估计法求取回波频移fk，从中计算温度变化 值T。离体和在体的实验中，温度估计值与热偶阵测得值偏差都为 0.5，温度 分辨率为 0.4，空间分辨率达毫米数量级。该方法中，对于fk的计算机自动求 取，各种组织f/T 值的预先测定，以及针对不同组织 AR 模型阶数的确定等问 题有待进一步解决，从而有望应用于临床。吴燕行在计算机上的仿真表明，若利 用超分辨率快速谱估计法来求取回波频移fk，则温度分辨率可达 0.1。 b. 基于超声回波时移的无损测温技术 温度的改

6、变引起组织的伸缩及其内部声速的变化，从而使得超声回波信号的 渡越时间发生改变。温度的变化值T 与回波在时轴上发生的移动d 之间的关 系式为： 0000)(.1/ddkTTc cddTmaterialTT = 式中， d0是基准温度 T0下回波在时轴上的位置; kmaterial是由 、 c0及Tc /等 确定的组织常数。 Seip R 等预先测定一定组织在温度 T0下的 kmaterial值，检测加热前后两个回波信号的渡越时间移动d，然后利用上述关系式计算温度变化值，实验结果与 热偶阵实测值偏差小于 0.5。这一技术要求预先对于不同组织测定一定温度下 的 kmaterial值，这是一个庞大的数

7、据库; 而且在温度测量中，数据采样窗口的尺寸 较小(仅为几个波长)，温度变化需在 10以下，组织温度不应超过 50，这些限 制了进一步的研究与实际应用。 Simon C 等运用该原理对二维温度场进行研究，温度分辨率达到 0.1，空 间分辨率为 1mm。 不过， 这时需要考虑如热声透镜效应等多种因素对测温结果 的影响。 Zhigang Sun 等研究方法是将被测区域划分成许多子段，并假设每个子段中 的声速 c 可用深度 z 的二次多项式 c(z)拟合。检测超声在每一个子段内的渡越时间，结合先验的 T(c)、(c)来确定多项式 c(z)的系数，然后再根据 T(c)得到组织 温度分布 T(z)。该方

8、法中检测回波渡越时间的采样窗尺寸不是固定的，而是针对 不同的信噪比有所调整。 对于检测 50以下的温度， 与实测误差测温小于 0.4。 本方法处理过程简单，耗时短，然而需要精确测量声速和温度膨胀系数，还需要 克服组织运动的影响，这些问题可能需要运用数值计算方法来解决。 c. 基于超声回波能量的无损测温技术 牛金海等提出了两种基于回波能量的测温模型：随机离散介质和随机起伏介 质。 在基于随机离散介质的测温模型中，组织温度的变化将影响散射系数、衰减 系数及密度等参数，从而引起平均散射功率的变化。发射一束高频超声脉冲，用 高速 A/D 卡采集回波信号，计算对应于被加热区域的信号平均散射功率，从中提

9、取出温度信息。 在基于随机起伏介质的测温模型中，超声散射回波声压谱的均方值与组织温 度、组织中的声速以及声速对温度的梯度值有关： PT=PT0 222 0)(1kTTTcc (4) 式中， PT0和 c0分别是基准温度 T0下的回波声压谱均方值和声速值， Tk是热力学温度，c 和Tc /都是温度的函数。先用平均归一化功率谱来估计散射回波 声压谱，从而可由回波声压谱的均方值得到温度信息。 这些研究仅进行了实验探索，尚未在模拟热疗条件下或临床上应用。实验结 果表明: 理论计算与温度计实测吻合较好。为保证功率变化的温度敏感性，需要 对足够长度的回波信号进行计算，这就限制了该技术的空间分辨率(为 cm

10、 数量 级)。 d. 基于超声回波时频图分割的无损测温技术 于洪斌等建立了分层介质模型，通过理论推导，可知相邻层反射回波的谱幅 度之比与它们的声速差之间存在如下关系： 1/+ppPP=cp+1-cp/cp-cp-1 (5) 式中，cp、 Pp分别是超声在第 p 层内的传播速度与第 p 层的反射回波频谱 幅度。 采用改进的 Wigner-Ville 函数即柯恩时频(CDF)对回波进行时频分析，并作 波群分解，得到各层的反射回波和各层内相应的平均声速。以正态函数拟合声速 分布， 根据热疗温度范围内声速与温度之间的线性关系， 得到了组织温度的分布。 该技术中，柯恩时频分析较好地克服了交叉项和波纹现象

11、，另外又采取了相位补 偿技术，消除了 Wigner-Ville 时频分析中因交叉项抑制造成的恢复信号中的相位突变， 从而较正确地恢复原始信号。 该技术需要较精确地测量超声回波， 在 15MHz 采样率条件下，用肝组织进行实验，温度精度达 0.5，作者认为有望随着采样 率的提高而改进。进一步的研究还未见报道。 e. 基于声速非线性参数的无损测温技术 超声波在组织中的传播速度 c 与声压 P 有关，且是一种非线性关系： c=c0+(1+AB 2)00cP (6) 式中， 0和 c0分别是在无声压扰动时的组织密度和声速， B/A 为非线性参数， 它随组织温度的变化而变化。Fukukita H.等和夏

12、雅琴等把高频低幅的探测波叠加 于低频的泵波上作为声压扰动，利用两者的非线性作用，测出 B/A。结果表明非 线性参数 B/A 的温度系数大于声速的温度系数，用非线性参数方法测得的温度与 实际符合较好。但这种方法必须知道待测组织 B/A 的温度系数，建立各种生物组 织的 B/A 温度特性数据库是一项十分艰巨的工作。 2. 透射超声无损测温技术 透射超声的无损测温技术， 由于其不便进行在体试验， 因而近年来研究较少。 Hongzhang Wang 等在 20 世纪 80 年代末进行过这方面的研究，主要有: 穿透超 声渡越时间法和超声 CT 法。 a. 基于穿透超声渡越时间的无损测温技术 用相位法测量

13、超声穿过肿瘤的渡越时间差，渡越时间差值方程、生物热传导 方程和初始与边界条件组成积分微分方程组，解此方程组，可计算出声波传播方 向上各点的温度。与实测值相比，此方法估计的温度误差小于 0.2。 b. 超声 CT 无损测温技术 该技术主要原理是根据接收到的超声信号进行图像重建。在围绕目标的圆环 上均匀分布换能器，每个换能器轮流辐射，其余换能器进行接收。依据接收到的 信号，计及人体内超声衍射，用快速卷积反投影法作图像重建。用稀疏扫描和稀 疏衍射重建，对某些因素(如: 骨、气)造成的数据缺损时可作迭代重建。误差小于 0.2。 3. 有限元法无损测温 王鸿樟等、钱盛友等用有限元方法求解生物热传导方程。

14、计及血流的影响， 并利用超声源强度和表皮外温度测量值，求出体内温度分布。可获 0.5的测量 精度。由于组织参数特别是血流扩散率对于不同的人、在不同的条件下都是不同 的，需要与有损测温多次比较，以获得针对具体病人的经验修正参数。 4. 超声图像分析法无损测温 A. Youssef 等、侯珍秀等对组织加热前后 B 型超声图像的灰度和纹理变化进 行分析。结果表明: 平均灰度和纹理参数的变化可以表征组织温度的改变。A. Youssef 等在研究中利用纹理参数， 温度估计精度为 2.5， 这与临床热疗中温度 监测的要求尚有一定距离。 三 结论与展望 超声热疗是治疗肿瘤的有效方法之一，但需要准确地测温和控

15、温，目前临床 上还没有十分有效的无损测温的方法。超声测温由于其无损性等多种优点，在肿 瘤热疗中具有重要的意义。 近几年，大部分超声无损测温研究基于反射超声、透射超声、超声图像和求 解生物热传导方程等，其中以基于反射超声的无损测温技术为多。每种方法都各 有其优点和局限性， 目前都还处于实验研究阶段， 离临床应用都还有较大的距离。 由文献可见，用回波时移法可以获取较高的温度分辨率(0.1)和空间分辨率 (1mm)，而基于图像灰度和纹理分析的测温精度较差，基于超声回波能量的方法 空间分辨率较差。其次，基于透射超声的各种技术不便在临床应用，CT 法和有 限元法解生物热传导方程法的计算量较大，目前不适合于临床实时测温。此外， 几乎所有的超声测温技术都必须预先测出各种组织的声特性及其温度特性，而这 些参数通常因组织和个体的不同而有所不同，带来超声无损测温技术的困难，这 是急需解决的一个问题。 （全文完） 来源： 世界医疗器械 日期：2004 年 2 月