多频HIFU经颅聚焦相控换能器及驱动电路的研究

摘要

高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)凭借其无创/微创、可重复施治等优势而被应用于乳腺癌、前列腺癌、子宫肌瘤等实体软组织肿瘤的临床治疗.而在经颅治疗过程中,由于颅骨的结构复杂且声速、声阻抗与周边软组织差异较大,导致经颅聚焦后的声场产生严重畸变,这些畸变可能导致焦点位置偏移、焦域能量不足、颅骨处热量沉积等临床问题的发生.近些年在HIFU治疗设备输出功率有限的条件下提高超声相控阵换能器的聚焦性能,以及通过提高系统集成度缩小系统体积并降低延时误差的方法的研究成为众多研究者关注的热点之一. 目的： HIFU经颅治疗过程中,由于颅骨对超声波的强衰减性和颅骨结构、密度的高度非均一性导致不同方位上换能器阵元发出的超声束经颅骨传播后其衰减程度不同,各方位的超声束到达焦域的能量差异较大,最终导致HIFU经颅聚焦所形成焦域处的温度较低而达不到治疗目的.近些年提出的多频超声激励可在输入功率及辐照时间一定的条件下提高焦域温度.本文以82阵元随机分布相控换能器为例研究多频分区激励中频率分区数目及不同分区之间的频率差对HIFU焦域的影响,筛选可提高聚焦效率的阵元分区方法和对应的最佳工作频率组合,实现不同区域阵元采用不同工作频率的相控换能器的设计.在数值仿真的基础上,设计并制作多阵元相控换能器相位控制和驱动电路,通过提高系统集成度缩小系统体积并降低延时误差,为实现相位控制和驱动系统的小型化提供技术方法和理论参考. 方法： 利用志愿者头颅CT扫描数据建立HIFU开颅/经颅数值仿真模型;基于时间反转的数值拟合或自相关互相关法获取换能器阵元的激励信号;在GPU并行运算平台上(容天SCS4450)利用CUDA C语言FDTD数值解析Westervelt声波非线性传播方程和Pennes生物热传导方程数值仿真HIFU开颅/经颅聚焦的温度场,研究82阵元随机分布相控换能器多频分区激励中频率分区数目及不同分区之间的频率差对HIFU焦域的影响,筛选可提高聚焦效率的阵元分区方法和对应的最佳工作频率组合,实现不同区域阵元采用不同工作频率的相控换能器的设计.在数值仿真的基础上,基于FPGA主控芯片、高速DA、集成驱动放大器,结合Labview图形化编程软件、quartusⅡ可编程逻辑器件设计软件、ModelSim仿真软件、Altium Designer PCB设计软件对相控阵换能器相位控制和驱动系统中的Labview用户界面、相位控制电路和阵元驱动电路进行设计与印制电路板实现;完成相位控制和驱动系统搭建并通过实验对所设计系统的相位分辨率、延时误差和谐波特性进行评估. 结果： 1.开颅状态下多频HIFU相控换能器温度场的数值仿真 (1)当相邻区间的频率差大于等于0.025MHz时,双频、三频和四频激励均满足多频激励的焦域温度高于单频,且焦域最高温度随着相邻区间频率差的增大先降低后升高;五频激励时不满足多频激励的焦域温度高于单频. (2)当分区数目大于2时,随着分区数目的增加,HIFU聚焦性能(焦域温度、可治疗焦域体积等)并未得到提高,0.7MHz+0.725MHz双频激励的聚焦效果最佳. 2.多频HIFU经颅聚焦相控换能器温度场的数值仿真 (1)随着双频之间频率差的增大,焦域最高温度先升高后降低,颅骨处最高温度缓慢升高,综合考虑焦域及颅骨处温度,选取激励频率为0.7MHz和0.75MHz的双频组合时聚焦效果最好. (2)0.7MHz+0.75MHz双频激励时,在焦域最高温度和治疗时间一定的条件下,双频激励所需输入功率低于单频激励,而可治疗焦域体积大于单频激励;在焦域最高温度和输入功率一定的条件下,双频激励所需治疗时间短于单频激励,而可治疗焦域体积比单频激励时增大. 3.相控换能器相位控制和驱动电路的设计与实现 (1)基于FPGA主控芯片EP4CE30F23C8N、高速数模转换器AD9744和差分放大器AD8047设计的相位控制电路可稳定输出多路频率为1MHz、相位分辨率为2ns的正弦波. (2)基于ADA4870集成驱动放大器设计的阵元驱动电路可输出峰峰值为36.2V且无高次谐波的正弦信号,电路延时误差小于1ns;此外为了防止功率过高损坏换能器阵元,驱动电路中设计了使能开关以及过热自动断电并报警的功能. (3)基于Labview图形化编程软件设计的HIFU相位控制和驱动系统用户程序可实现各阵元延时数据文本文档导入,同时可根据实验的需求在PC端用户界面上直接对延时数据进行调整. 结论： 1.多频激励的聚焦性能优于单频激励,且双频激励的聚焦效果最好. 2.双频激励时,开颅与经颅模型对应的最佳频率组合是不同的.在该频率组合下,聚焦形成的焦域温度最高(输入声功率与辐照时间一定)、组织消融所需输入功率最小且可治疗焦域体积最大(焦域最高温度与辐照时间一定)、所需治疗时间最短且可治疗焦域体积最大(焦域最高温度与输入功率一定). 3.采用集成驱动放大器实现功率放大可缩小系统体积并降低延时误差,且输出正弦波中无高次谐波分量.

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