黃 濤 軒轅凱* 柯 虎 王龍軍 周 攀

高強(qiáng)度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)治療儀是由單元換能器或多元換能器陣列構(gòu)成的聚焦超聲聲源，發(fā)出的超聲通過傳聲媒質(zhì)后，以人體正常組織可接受的聲強(qiáng)透過患者體表，將能量聚焦靶組織上，致其凝固性壞死(或瞬間滅活)的治療系統(tǒng)[1-2]。目前，評(píng)估HIFU治療系統(tǒng)聲輸出的安全性和有效性的方法主要基于:空間峰值時(shí)間平均聲強(qiáng)(Ispta)的測(cè)量或-6dB波束面積內(nèi)時(shí)間平均聲強(qiáng)的空間平均(ISAL)的測(cè)量。

輻射力天平是將聲吸收材料(聲反射系數(shù)＜5%，聲透射系數(shù)＜10%)的聲靶放置在一個(gè)長(zhǎng)方形托盤底部，內(nèi)有25 mm深度的去氣去離子水，整個(gè)托盤為350 g，被放置在一個(gè)600 g容量的平臺(tái)上，精度為1 mg。

1 設(shè)備與方法

1.1 儀器設(shè)備

(1)HIFU治療儀(美國ULTHER公司)。

(2)Sartorius LA 620S型輻射力天平(德國賽多利斯公司)。

1.2 測(cè)量方法

1.2.1 Ispta的測(cè)量

選用經(jīng)過校準(zhǔn)及標(biāo)定的水聽器，設(shè)置被測(cè)HIFU治療系統(tǒng)的脈沖持續(xù)時(shí)間為盡量短(毫秒級(jí)或微秒級(jí))，脈沖重復(fù)頻率＜1 kHz，將水聽器置于聲壓焦點(diǎn)位置，超聲激勵(lì)電壓從小到大逐漸加至水聽器可耐受的最大值，測(cè)得最大聲壓有效值Urms，max，Ispta的計(jì)算為公式1:

式中Urms，max聲焦點(diǎn)出在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)水聽器輸出電壓的均方根值，V；ρ為水的密度，kg/m3；c為水中的聲速，m/s；ML為水聽器在聲工作頻率處的自由場(chǎng)電纜端有載靈敏度，V/Pa。

對(duì)于HIFU治療系統(tǒng)，在滿功率發(fā)射狀態(tài)下，焦點(diǎn)處的Ispta可能高于上萬W/cm2，而通用的水聽器耐受值只有不到1500 W/cm2，HIFU治療系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅要求Ispta＞1000 W/cm2，以確保測(cè)量設(shè)備的安全性，導(dǎo)致無法真實(shí)測(cè)出滿功率發(fā)射狀態(tài)下HIFU治療系統(tǒng)的Ispta。

1.2.2 -6 dB波束面積內(nèi)ISAL的測(cè)量

(1)用非線性度失真＜10%的水聽器在聲壓焦平面內(nèi)進(jìn)行二維步距式柵格掃描。超聲輸出功率設(shè)置應(yīng)以不損壞水聽器為前提，掃描范圍必須保證把相對(duì)于焦點(diǎn)聲壓-26 dB以上的點(diǎn)全部包括在內(nèi)。-6 dB聲束的面積內(nèi)通過的聲功率占超聲輸出總功率的比值(T)計(jì)算為公式2:

式中ni為大于焦點(diǎn)聲壓-6 dB點(diǎn)的數(shù)目；nj為大于焦點(diǎn)聲壓-26 dB點(diǎn)的數(shù)目；U為被測(cè)點(diǎn)處水聽器輸出電壓值。

(2)按照GB/T19890-2005規(guī)定的方法測(cè)量出最大超聲聲輻射總功率Pmax[3]。-6dB波束面積內(nèi)通過的聲功率(P-6dB)計(jì)算為公式3:

(3)利用聲壓聚焦面積測(cè)試后得到的-6 dB聲束的面積A-6dB，按公式4計(jì)算ISAL:

式中P-6dB為-6 dB聲束面積內(nèi)通過的聲功率；A-6dB為聲壓焦平面內(nèi)的-6 dB聲束面積。

(4)-6dB波束面積內(nèi)時(shí)間ISAL相對(duì)于Ispta更能真實(shí)的反映出HIFU治療系統(tǒng)的聲輸出水平，為設(shè)備的治療效果和安全風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。-6 dB波束面積內(nèi)時(shí)間ISAL主要基于HIFU治療系統(tǒng)最大超聲聲功率Pmax的測(cè)量。

1.2.3 輸出功率的測(cè)量

目前測(cè)試超聲聲輸出功率有水聽器聲場(chǎng)掃描法和聲輻射力天平法兩種方法。對(duì)于HIFU治療系統(tǒng)，由于水聽器無法耐受焦點(diǎn)處的最大強(qiáng)度，所以只能選用輻射力天平法測(cè)試HIFU治療系統(tǒng)的超聲輸出總功率。

實(shí)驗(yàn)室通用的聲輻射力天平(聲功率計(jì))是ONDA公司生產(chǎn)的RFB-2000型超聲功率計(jì)[4-5]、Ohmic公司生產(chǎn)的UP-DT10聲功率計(jì)(如圖1、圖2所示)。

測(cè)量量程分別為RFB-2000:1 mW～100 W；UP-DT10:2 mW～30 W；UP-DT10為錐形全反射靶，只能測(cè)試平面波或弱聚焦超聲設(shè)備，RFB-2000雖配置了平面靶、吸收靶及刷形靶，但是對(duì)于一些超聲路徑短、強(qiáng)聚焦及結(jié)構(gòu)特殊的HIFU治療系統(tǒng)無法測(cè)試，如圖3所示。

圖1 UP-DT10功率計(jì)示圖

圖2 RFB-2000功率計(jì)示圖

圖3 HIFU治療頭示圖

圖3 的HIFU治療系統(tǒng)配接的治療頭為焦聚深度在3～4 mm處，功率為30～45 W之間的強(qiáng)聚焦淺表治療儀，UP-DT10由于量程和聚焦形式不滿足測(cè)試要求，RFB-2000由于治療頭的結(jié)構(gòu)，手柄太長(zhǎng)，無法正常安裝到水槽中，以確保換能器頭端與靶的距離≤0.7倍的聲壓焦距。

基于以上原因，本研究利用LA620S分析天平(總量程620 g，分辨率1 mg)、Precision Acoustics生產(chǎn)的HAMA聲吸收材料(聲反射系數(shù)＜5%，聲透射系數(shù)＜10%)，玻璃水槽搭建了一個(gè)聲輻射力天平。將聲吸收材料置于玻璃水槽中，注入脫氣、去離子水，注意不要超出天平的量程范圍，水的溫度為24.6 ℃，對(duì)應(yīng)的聲速為1495.6 m/s，對(duì)應(yīng)的聲功率轉(zhuǎn)換因子為14.65 W/g[6-7]。

2 HIFU治療系統(tǒng)聲輸出功率的測(cè)量結(jié)果

為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，本研究用Precision Acoustics生產(chǎn)的E915標(biāo)準(zhǔn)聲源做了不同頻率、不同功率下的對(duì)比，以確保測(cè)量的可靠性。測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 HIFU治療系統(tǒng)聲輸出功率測(cè)試數(shù)據(jù)

表1中的測(cè)量結(jié)果顯示，自制的輻射力天平裝置與現(xiàn)行的輻射力天平測(cè)量誤差在±10%以內(nèi)，具備了良好的測(cè)量準(zhǔn)確性。

在確保自制裝置測(cè)量準(zhǔn)確性的前提下，本研究用該裝置對(duì)某一企業(yè)生產(chǎn)的高強(qiáng)度聚焦淺表皮膚治療儀進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)試的具體安裝如圖4所示。

圖4 測(cè)量平臺(tái)安裝示圖

設(shè)備在滿功率設(shè)置狀態(tài)下，該設(shè)備的輸出功率標(biāo)稱值為40 W，焦距為3.5 mm。一方面，為了確保聲功率的測(cè)試在一個(gè)靜態(tài)、脫氣及去離子的近似自由場(chǎng)中測(cè)試；另一方面為了測(cè)量設(shè)備的安全性，調(diào)整了設(shè)備輸出脈沖的能量，也即調(diào)整了脈沖輸出的占空比，調(diào)整前后如圖5所示。

圖5 設(shè)備發(fā)射脈沖示圖

圖5 顯示，在保證脈沖重復(fù)周期不變的前提下，將設(shè)備滿功率發(fā)射狀態(tài)下的脈沖發(fā)射持續(xù)時(shí)間由40 ms改變成4 ms，占空比為原來的十分之一[8-9]。設(shè)備的實(shí)際輸出功率為:Pmax=0.287 g×14.65 W/g×(1/0.10)=42.04 W。

3 結(jié)語

本研究對(duì)HIFU治療系統(tǒng)聲輸出功率的測(cè)量表明，基于高精度的分析天平和聲吸收材料搭建的輻射力天平具有很高的測(cè)量可靠性，為一些結(jié)構(gòu)特殊的大功率超聲治療儀，以及更高功率的HIFU治療系統(tǒng)的聲功率測(cè)試拓展了一個(gè)新的方向，具有較高的借鑒意義。