Page 23 - 《应用声学》2022年第4期

第 41 卷 第 4 期 田丽等： 超声激发声信号幅值实时监测 HIFU 焦域组织损伤 521

show that: with the formation of focal area tissue damage, its elastic and other acoustic characteristics change,
resulting in the gradual decrease of acoustic emission signal amplitude, indicating that the change of acoustic
emission signal amplitude can better reflect the changes of acoustic characteristics and structure of target
tissue, so as to realize the real-time monitoring of target tissue damage in focused ultrasound therapy. The
monitoring scheme proposed in this paper is more sensitive than traditional ultrasound image monitoring,
which is expected to provide a new real-time monitoring scheme and means for tissue damage monitoring in
focused ultrasound clinical treatment
Keywords: Focused ultrasound; Dual-frequency ultrasound transducer; Acoustic emission signal; Real-time
monitoring

材料音叉 [11] ；通过比较瞬态法、剪切波测量法以
0 引言
及振动声成像法成像方式，进一步说明了 USAE 信
号携带了丰富的组织信息，应用范围优于传统成像
高强度聚焦超声(High intensity focused ultra-
模式 [12] ；Konofagou 等 [13] 建立有限元模型，提出
sound, HIFU) 是一种非侵入、无电离辐射并能够选
USAE信号幅值与病灶区域刚度变化存在一定的对
择性消融体内肿瘤的无创技术，目前已在子宫肌瘤、
应关系，从理论上完善了 USAE 信号变化与组织损
肝癌、骨肿瘤、乳腺癌等适应症治疗领域开展了较
伤的对应关系，随后 Fatemi 等将该方法用于 HIFU
为广泛的临床应用和推广 [1−5] 。因此，安全有效的
治疗监测，即治疗时采用单频模式治疗，在治疗间隙
实时损伤监测十分重要。而大多的损伤监测方法
对靶组织进行损伤监测 [14] ，且所采用的治疗功率很
主要依赖于影像，譬如 CT、磁共振成像 (Magnetic
低，施加的电功率小于 20 W，形成一个位置的损伤
resonance imaging, MRI)、超声成像等，这3 种成像
需要数百秒时间，因而未真正实现实时损伤监测。
技术都各有特点 [6] ，CT与MRI成像清晰，但实时性
本文基于 1–3 材料的宽带特性，开发了双频
较差，主要用于术前诊断以及术后的疗效评估；超
HIFU 换能器。在双频 HIFU治疗过程中，通过外部
声成像利用超声穿透人体时会产生反射波，反射的
水听器接收双频激发的组织声发射信号，该声发射
回波信号经过信号处理，得到具有灰度变化的超声
信号的幅值、频率等声学特性与组织特征紧密相关，
图像，因其易与现有超声治疗设备相结合，实时性
且避开了传统超声图像引导的监测缺陷，使得传统
较高等特点，是当前 HIFU 治疗中应用最广泛的监
超声诊断无法探测的疾病可精确诊断。这种方法不
测手段 [7] 。但该强回声信号表现了组织的声阻抗变
仅实现了高效率双频治疗，还可在治疗过程中进行
化，缺乏特异性，且易受到焦域处空化泡和沸腾泡的
实时损伤监测。且监测中利用了用于治疗的功率超
影响，当 HIFU 治疗产生的焦域较小或声阻抗差不
声信号，检测的信噪比和灵敏度得到了极大的提高。
大时，声像图的灰度变化不明显 [8] 。因此 HIFU 治
通过解析治疗过程中的 USAE 信号变化规律，获得
疗时的焦域组织的实时损伤监控仍是一个尚待解
组织损伤进程，从而实现治疗增效和组织损伤的监
决的难题。
测，有望解决HIFU治疗的组织损伤实时监测难题。
超 声 激 发 声 发 射 (Ultrasound stimulated
acoustic emission, USAE) 信号可用于监测组织损 1 方法
伤。通过两束声波的相互作用，可对共焦区组织产
生沿轴向的低频振动声辐射力，该声辐射力作用于 1.1 监测系统与双频HIFU治疗系统的集成
共焦区组织，使其发生低频振动，向外辐射声波，即 1.1.1 监测系统
声发射信号。该信号反映组织的声学特性与力学 图 1 所示的双频 HIFU 换能器由于 f 1 和 f 2 的
特性 [9] ，具有只在焦域处产生、特异性高、易于现 相互作用，使得共焦区组织受到一个沿轴向的低频
有超声治疗设备相结合等优点。1996 年，Fatemi 等 振动声辐射力，并发生振动，产生声发射信号。为
首先提出双频超声激发声发射信号 [10] ，在对 USAE 有效监测声发射信号，需采用高灵敏度的低频水
信号的研究中，Fatemi 等检测了 USAE 信号的幅度 听器进行监测，水听器使用小球水听器 (RHS(A)-
与相位，验证 USAE 信号可区分不同共振频率的同 20, Hangzhou applied acoustic research institute,