高强度聚焦超声肿瘤消融系统治疗子宫肌瘤分析

高强度聚焦超声肿瘤消融系统治疗子宫肌瘤分析

吴飞

中惠医疗科技（上海）有限公司    200233

摘要：子宫肌瘤多发于30~45岁女性群体中，目前主要采取手术方式治疗，但手术创伤性大、术后康复时间长，患者耐受度较低，随着医疗技术进步，高强度聚焦超声（HIFU）消融系统逐渐得到推广，作为安全微创的一种治疗方式，受到临床认可。基于此，本文从HIFU消融系统治疗子宫肌瘤的关键技术进行分析，以期能够强调该治疗方法的有效性和安全性，支持子宫肌瘤治疗的开展。

关键词：子宫肌瘤；高强度聚焦超声消融系统；相控技术；超声引导

引言：子宫肌瘤作为女性高发良性肿瘤，有资料指出，74%的女性会发生子宫肌瘤，子宫肌瘤来源于子宫肌层，主要由蛋白多糖、胶原蛋白以及纤连蛋白构成。目前最常见治疗方式包括宫腔镜或腹腔镜手术切除子宫肌瘤，但手术操作不可避免引起机体损伤，患者接受度也不高。HIFU消融系统作为一种先进治疗方式，通过非侵入式操作进行治疗，治疗后恢复速度更快，患者能尽快回归正常生活。因此需要积极推广HIFU消融系统治疗方案。

1 HIFU

HIFU是利用聚焦超声波束至特定位置，借助于超声波空化效应、热效应以及机械效应引起病灶组织变性，但对于其他健康组织并无伤害，从而达到治疗效果。在HIFU焦点组织上，能够快速吸收超声能量并提高焦点位置的温度至56℃，利用该原理将1MHz超声波在病变组织上聚焦，焦点位置上病灶组织快速升温达到致坏死水平。目前HIFU通过相控聚焦技术，无需经过机械移动，可以在一定范围内偏转焦点，生成多个焦点，通过对每个阵元发射声波时间进行控制使其传播至相同相位，进行聚焦。但由于HIFU作为非侵入性操作，需要在准确的图像引导支持定位和监测，因此借助于MRI影像支持，从横切面、冠状面、矢状面多个角度成像，建立3D模型进行靶区定位。

2 硬件系统

HIFU系统硬件系统主要使用PC机作为上位机，进行系统控制以及监控，功放板滤波放大控制板防波信号，对换能器进行驱动，PC机和中央控制板通信计算上位机设置参数，发送至控制板输出信号，并对显示屏、功率调整以及温度检测进行控制。使用FPGA芯片，作为半定制电路，经过编程处理后实现多种时序和组合逻辑，具有运行速度快、处理能力强的优势，适合在多通道超声相控阵系统中应用。该芯片为了满足应用需求，采取I/O接口支持I/O标准，匹配不同接口器件，由于储存资源丰富，为数据缓存提供极大便利[1]。完成开发程序后，固化至芯片，避免程序丢失。使用FLASH芯片固化程序，该芯片应用高性能多输入/出闪存设备，同时具备高级保护机制、就地执行功能以及总线接口，高性能指令能够让编程传输和读取带宽提升两倍以上。由于相控阵列由144路压电陶瓷片组成，通过144路频率相同相位可调的驱动信号产生超声聚焦。相位的信息通过工控机计算产生，并将其通过并口接口输出到相位控制板， 相位控制板是144路相控信号发生器，内部的相位控制电路用于驱动144路功率放大电路产生压电陶瓷片谐振信号，驱动144路压电陶瓷片产生超声聚焦。根据治疗头所选压电陶瓷片的参数，其工作频率在1.32MHz至1.40MHz之间，对应的工作周期757.57ns至712.23ns。8位数据256个地址，对应1个周期相位360°，根据数据宽度设计相位精度为1.4°，换算成时间为2.87ns。产生精度为2.87ns的脉冲信号，需要主频为348.16MHz的时钟信号，取整348MHz。电路主要包括PLL锁相环电路和波形输出电路。波形发生器用于产生144路相控信号，通过设计1路波形发生器并在FPGA内拷贝144份实现。20位输入信号线IND[19..0]包括8位地址、8位数据、1位相使能、1位锁存、1位总使能、1位备用。12位配置信号SD[11..0]包括1位模式选择，3位测试输出频率设置，8位测试输出通道选择。其中DCM模块为PLL电路模块，Phase模块为波形输出电路模块。系统十分复杂，因此时钟采取三个24MHz、174MHz和348MHz晶振时钟保证时钟域同步和异步，也能满足外围电路时钟需要。

3 软件设计

为了实现超声精准聚焦，对超声信号时序精确控制，保证超声信号相位精确，采取并行输出信号。以现场可编程门阵列（FPGA）为主控芯片，能够解决电路数局限和定制电路的不足。使用CycloneIV GX和CycloneIV E芯片，Cyclone IV GX器件具有150K逻辑单元(LE)、6.5-Mbit RAM、360个乘法器以及8个主流协议的集成3.125-Gbps收发器，协议包括千兆以太网(GbE)、V-by-One，Cyclone IV GX还为PCI Express (PCIe)等提供硬核IP。封装大小只有11x11 mm，非常适合广播、工业等市场的低成本、小型封装的场景应用。Cyclone IV E器件满足低成本、高性能和低功耗的要求后，其功耗只有以往Cyclone产品的75％。本设计选择Cyclone IV E系列，IO管脚应大于223，选择EP4CE115F23I7芯片，其具有逻辑单元数144K，M9K存储块数432，嵌入式RAM 3888Kb，最大工作频率达800 MHz。在相控阵技术中延时分辨率作为最重要的一项参数，关软件延时方案具有更高的灵活性和可修改性，成为目前主要控制方案。超声相控阵系统需要考虑延时分辨率的同时，也要考虑延时方案实现的困难程度、复杂程度等因素。因此选择FPGA锁相环方法作为演示方案，能够提高延时进度，芯片控制相对容易，且能达到较高延时分辨率。系统采取多个时钟域，随着系统越来越复杂，异步时钟域数量增加，数据从一个时钟触发器传输至另一个触发器，如果无法满足寄存器保持时间，可能会造成亚稳态情况。因此通过RAM双口来实现跨时钟域的数据传输，同时通过对数据地址控制进行延时控制，在三个相位时钟域下，分别寄存延时模块，根据余数判断激励方波输出进一步延时控制

[2]。延时模块作为软件设计的重点，采取三个双口RAM进行脉冲波信寄存，在四个时钟输入信号下输出。经过MCU计算获取延时余数，从而选择对应的脉冲信号获取脉冲激励信号。通过声源发射超声波进行焦点校准，回波延时精度对延时分辨率产生着重要影响。通过归一化互相关法对回波信号延时进行估计，从回波信号中获取数据段，并通过搜索计算数据段相关系数，在回波信号中搜索匹配数据。经过时间反转方法进行焦点偏移的校准，能够适应人体多层非均一组织对于焦点定位的影响。

4 精确定位

在HIFU系统中，可能受到图像分辨率、机械安装和相控阵电子聚焦等因素的影响，出现定位误差问题。机械安装上可能超声影像中轴、旋转轴需要和HIFU声束轴重合，但是超声影像分辨率低也很难通过图像准确定位。相控HIFU采取电子偏转焦点，受到阵元电声特性差异的影响，造成输出电子信号幅值和设定值存在偏差，导致电子偏转后焦点位置无法和目标位置保持一致。为了保证治疗的准确性，需要保证HIFU系统精确定位。为了验证HIFU系统精准定位准确度，以牛肉作为样本标记物，将牛肉组织内嵌于正方形内，制作透明圆柱形仿体，使用树脂白色材料作为标记物，验证HIFU辐照后能够消融牛肉组织。

5 HIFU消融范围

目前HIFU 换能器为半球形，孔径为10~18cm，焦距9~15cm，主要包括相控阵和自聚焦两种聚焦方式，主要在机械定位部件进行安装，大部分经过聚焦换能器能够覆盖子宫肌瘤靶区。相控阵通过电子控制调整焦点位置，同时可以形成多焦点。目前相控阵聚焦范围小于±2cm，但临床上接受治疗的子宫肌瘤直径大多在5cm以上，因此需要扩大消融范围来快速治疗。本文提出通过摆动HIFU相控阵来增加消融范围。设计精确摆动平台，最大角度为±15°，半径为277mm。按照相控阵偏移位置进行摆动角度计算，经过建模仿真分析对相控阵摆动聚焦特性进行分析，验证摆动扩大消融范围的有效性[3]。由于摆动平台达到一定角度后，相控阵几何焦点产生对应偏移，控制摆动角度可以让相控阵几何中心发生偏移，并聚焦指定位置上。当摆动时几何中心处于球面运动中，半径为277mm约等于换能器ROC2倍距离，摆动角度较小时即可实现水平方向上几厘米范围的移动，垂直方向上发生的变化极小，接近于平移。HIFU系统治疗头降低了复杂程度，同时更加轻便，在实际使用过程中能够通过摆动平台替代平移。

建立皮肤肌肉组织模型，利用数值仿真分析以及水听器进行声场的测量，人体皮肤厚度3mm，脂肪组织6mm，肌肉组织20mm。相控阵几何焦点定位于皮肤以下5cm，利用3D装置水听器进行声压分布。HIFU相控阵功率为40W，脉冲频率为10Hz，脉冲宽度为10μs。通过对扫描范围的设定，水听器进行扫描，示波器将捕捉信号在电脑端传输并保存。但由于声束路径并不是均一组织，无法使用算法进行声场计算。在理想媒介条件下进行声场计算，再利用非均一媒介进行声场计算，可以了解目标区域声场情况。HIFU换能器声束射入并非垂直角度，受到脂肪、肌肉的影响，将HIFU相控阵坐标系作为参考，根据摆动角度不同，手动分割媒介条件，结合不同媒介条件声参数计算衰减以及相移差，计算相移分量，逐层计算声压分布。因此根据最大栅瓣声压在主瓣峰值声压40%以下来判断电子偏转安全范围。

结论：综上所述，HIFU系统利用超声相控阵技术对阵元进行延时控制，能够符合治疗要求灵活合成波束进行动态化聚焦，形成相控效果，对病灶组织进行精准化治疗。作为一种安全无创的治疗手段，在子宫肌瘤治疗中有着广阔应用前景，能够针对性作用于病灶组织，促使病灶组织坏死，从而不损伤子宫和患者机体，达到治疗的目的，有显著优势。

参考文献：

[1]陈贝翼, 宁传龙, 张瑞, 等. 基于Chirp编码激励的微型介入式超声消融方法研究[J]. 影像科学与光化学, 2022, 40 (05): 997-1003.

[2]张彩. 聚焦超声消融乳腺纤维腺瘤的生物学效应及临床剂量学研究[D]. 重庆医科大学, 2022.

[3]李金华. 子宫腺肌病超声聚焦消融术后影响复发的相关因素[D]. 新疆医科大学, 2022.