微波熱療組織超聲衰減系數的溫度相關性研究

吳薇薇，任稆平，吳水才

北京工業大學 a.電子信息與控制工程學院；b.生命科學與生物工程學院，北京 100124

微波熱療組織超聲衰減系數的溫度相關性研究

吳薇薇a，任稆平b，吳水才b

北京工業大學 a.電子信息與控制工程學院；b.生命科學與生物工程學院，北京 100124

研究微波熱療組織超聲衰減系數的溫度相關性，以期實現腫瘤微波熱療超聲無創測溫。通過對離體豬肝進行微波加熱實驗，采集肝組織在不同溫度下的超聲回波信號，計算不同溫度下離體豬肝的超聲衰減系數，獲得超聲衰減系數的溫度相關性。實驗結果表明超聲衰減系數與溫度具有較強的相關性（相關系數在0.5以上），基于超聲衰減系數的溫度相關性進行溫度檢測具有較高的溫度測量精度（溫差范圍在0.2～4℃之間）。

微波熱療；超聲衰減系數；溫度相關性

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課題/研究背景：論文研究內容為國家自然科學基金項目“腫瘤微波消融溫度及凝固區變化的超聲監測方法研究(No.30770547)”。腫瘤微波消融治療已應用于臨床，熱療中溫度的無創實時監測和療效評估是急需解決的問題。生物組織超聲特征參數(如衰減系數、背向散射積分、回波時移和頻移、背向散射能量)具有溫度相關性，若能通過實驗確定超聲特征參數的溫度相關性，就能實現超聲無創監測熱療時組織溫度和凝固區的變化。北京工業大學生物醫學工程中心生物熱物理實驗室多年來與解放軍總醫院合作，進行微波熱療關鍵技術的研究——手術規劃、溫度監測和療效評估。本論文研究的是熱療組織超聲衰減系數與溫度的相關性，目的是從各種超聲特征參數中尋找具有最好溫度相關性的特征參數，并融合這些參數實現超聲無創監測組織溫度和凝固區變化。

0 前言

腫瘤熱療是指利用某種加熱方法將腫瘤組織加熱至超過其耐熱溫度以殺死癌細胞。將被治療組織中的溫度分布控制在適宜范圍內是治療效果的保證，因此對組織溫度進行準確測控非常重要。侵入腫瘤的點測量方法相對危險，且無法得到組織的整體溫度分布，因此尋求具有適當精度的無創檢測技術成為緊迫而重要的課題。超聲測溫是利用超聲波的某些聲特性參數與溫度的相關性來獲取組織溫度信息的無創測溫技術[1-3]。

超聲衰減是指超聲波在媒質中傳播的總能量損失，由于正常組織和病變組織的聲衰減系數存在差異，且溫度系數較大，利用其溫度相關性測溫可獲得較高分辨率[4-7]。本文研究了微波加熱離體豬肝組織超聲衰減系數的變化趨勢及其溫度相關性。實驗結果表明在微波熱消融過程中，溫升和凝固性壞死造成了組織結構的變化，聲衰減系數與溫度間具有相關性，根據其相關性，能夠通過提取超聲衰減系數進行溫度估計，初步實現了微波熱療中的超聲無創測溫，但其測溫準確度還需要提高。

1 材料和方法

1.1 實驗系統及方法

微波熱療實驗系統結構如圖1所示，主要由脈沖超聲發射接收器PR5800（OLYMPUS 公司）、數字示波器PM3380B（FLUKE公司）、水冷式微波熱凝固治療儀MTC-3（南京慶海微波研究所）、熱電偶溫度數據采集器Agilent34970A（HP公司）和 PC 機構成。

圖 1 實驗系統結構圖

圖 2 超聲回波信號圖

實驗材料采用離體豬肝，因豬肝的性質與人體肝臟比較接近。超聲波信號通過超聲波發射接收器采集到PC機，利用數據示波器進行超聲信號的模數轉換。熱電偶實時采集微波天線加熱過程中組織的溫度。水冷式微波治療儀輸出微波頻率為2450MHz，輻射天線外徑 1.7mm，表面經防粘處理縫隙發射，配用保定蘭格 BTDI-100 型蠕動泵作為水循環動力泵，冷卻用水為室溫生理鹽水。超聲探頭（3.5MHz）固定于肝葉頂部，采用去氣水袋作為聲耦合。自制的坐標支架確保熱電偶與微波電極以固定間距（1cm）水平進入肝組織內部。設定微波加熱功能為50W，加熱時間為5min。開始加熱后，每5s采集一組超聲回波波信號，同時記錄相應組織溫度，直到加熱結束。圖2為采集到的一幅超聲回波信號圖，圖中縱坐標代表超聲反射回波的幅值，橫坐標表示采樣點數，即超聲傳播時間。整個回波包含512個數據點，對應時間100μs，時間零點對應超聲脈沖觸發起始點。

1.2 數據處理

圖 3 超聲衰減系數與溫度的相關性曲線

2 結果與分析

表1列出10例豬肝超聲衰減系數與溫度的相關函數，相關系數R均大于0.5，表明超聲衰減系數與溫度具有較強的相關性。

表 1 微波熱療超聲衰減系數與溫度的相關函數

將上述10例實驗所得函數進行平均擬合，得到超聲衰減系數溫度相關性函數為y=0.000074x2+0.00546x+0.2342，其中y代表聲衰減系數，x代表溫度。利用此函數進行多例超聲測溫實驗，超聲所測溫度與熱電偶測溫值相比較，圖4為其中一例實驗檢測結果，橫坐標對應時間變化，縱坐標為溫度。可見超聲測溫得到的溫度變化趨勢與熱電偶實測結果基本一致，溫差范圍在0.2～4℃之間。

圖 4 超聲測溫與熱電偶測溫結果比較

3 討論與結論

本文通過對離體豬肝進行微波加熱實驗、采集肝組織在不同溫度下的超聲回波信號，計算不同溫度下離體豬肝的超聲衰減系數，通過10例實驗初步獲得超聲衰減系數的溫度相關性，結果表明超聲衰減系數與溫度具有較強的相關性（相關系數R在0.5以上）。利用超聲衰減系數的溫度相關性進行溫度檢測實驗，超聲測溫得到的溫度變化趨勢與熱電偶實測結果基本一致，差值范圍在0.2～4℃之間，基于超聲衰減系數的溫度相關性進行溫度檢測具有較高的溫度測量精度。

本文的研究結果還是初步的，要提高超聲測溫精度還需通過更多的實驗來獲取更準確的超聲衰減系數的溫度相關函數，此外還需通過動物活體實驗和臨床實驗對相關函數作進一步修正。

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Study on the Temperature Correlation of Ultrasonic Attenuation Coefficient in Microwave Hyperthermia

WU Wei-wei1, REN Rui-ping2, WU Shui-cai2

a.Electronic Information and Control Engineering College;b.Life Science and Bioengineering College,Beijing University of Technology, Beijing 100124,China

The temperature correlation of ultrasound attenuation coefficient in the organization of microwave hyperthermia is researched in order to achieve non-invasive organization temperature. Microwave heating experiments are carried out in vitro pig liver tissues, and ultrasonic echo signals are collected at different temperatures. The ultrasound attenuation coefficient in vitro liver are calculated at different temperatures, and temperature dependence of ultrasound attenuation coefficient are confirmed. The experiment results show that ultrasonic attenuation coefficient and temperature has a strong correlation (correlation coefficient is 0.5 or above), and there is a high temperature measurement accuracy (temperature error range is 0.2-4℃)based on the method of using the temperature dependence of ultrasonic attenuation coefficient to detect organization temperature in microwave hyperthermia.

microwave hyperthermia;ultrasonic attenuation coefficient; temperature correlation

R319

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.04.006

1674-1633(2010)04-0015-03

2009-09-17

2009-12-29

國家自然科學基金項目（30770547）資助。

吳水才，教授，碩士研究生導師。

通訊作者郵箱：wushuicai@bjut．edu．cn