平面型全電子聚焦HIFU 相控陣：聲場測試研究

王祥達 李 萍 郭 甲 李建霖 呂根品

（1、乳源瑤族自治縣東陽光實業發展有限公司，廣東 韶關512721 2、韶關東陽光自動化設備有限公司，廣東 韶關512721）

高強度聚焦超聲（HIFU）是一種蓬勃發展的微無創治療方法，可用于治療子宮肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、肝癌、腎癌、胰腺癌和甲狀腺癌、骨轉移、原發性震顫和帕金森病等。典型的HIFU 系統采用球形彎曲換能器/作為治療頭。[1-3]治療頭一般包含單個、數十個或數百個陣元，可以在幾何焦點周圍實現高能沉積。[4]然而，這種換能器在遠離其幾何焦點的區域不能很好的聚焦，需要機械平移來完成較大范圍的焦點調控，從而導致治療時間相對較長。為了縮短治療時間，可采用單元間距不超過半個波長的平面型相控陣實現全電子式的大范圍聚焦控制，其可行性已經得到驗證。[5]不過，這種具有不同焦點的平面陣列的聚焦超聲場分布比具有固定幾何焦點的球形換能器的空間聚焦超聲場分布更為復雜。因此，研究平面陣列的空間聚焦性能具有重要意義。本文通過聲場測試，對6144 單元全電子聚焦HIFU 相控陣的聚焦振幅和聚焦偏差的空間分布進行了實驗研究。

1 6144 陣元平面型HIFU 相控陣

本文所測試的平面陣列由96 個平面型模塊組成，如圖1(a)所示。每個模塊有8×8=64 個正方形陣元，如圖1(b)所示。該陣列的發射超聲頻率f0=516 kHz，對應一般生物軟組織中的波長約為λ=ct/f0=3mm，其中ct=1540m/s 為一般生物軟組織中的聲速。圖1(a)中相鄰模塊中心點間距為14.1mm；圖1(b)中相鄰陣元中心點間距為1.5 mm，約為半個波長λ/2，每個陣元尺寸為1.35×1.35mm2。該陣列的相位和振幅均可單獨控制。

圖1

2 全電子聚焦方法

為了實現平面相控陣激發的超聲波能夠聚焦在選定的焦點處，就必須對每個陣元的超聲發射相位進行調控。本文采用的聚焦方案是基于聲線理論[6]對平面相控陣的每個陣元進行相位補償。具體來說，對于平面相控陣上的每個陣元，其發射聲壓為：

其中，每個換能器單元的發射聲壓幅值統一是p0，發射聲壓初始相位是θ0n，下標n 代表平面陣列的第n 個陣元。

平面陣列發射超聲聚焦的核心是每個發射的超聲波在傳播到選定的焦點處是的相位一致，形成線性疊加效應，從而實現超聲聚焦。

如圖1(a)所示，平面陣列表面位于xOy 平面上，陣列中心位于坐標原點，z 軸垂直于陣列表面并穿過陣列中心。對于陣列前方空間內選定的焦點F(xF, yF, zF)，為確保每個陣元在焦點F 處的相位一致性，根據聲線理論，可計算每個陣元的相位補償為：

其中，ω0=2πf0是角頻率，(xn, yn,0)是第n 個陣元中心點的坐標，cm是超聲傳播介質的聲速。對于本文的測試研究而言，cm即水中聲速。

3 水聽器測試裝置和方案

本文針對平面陣列超聲聚焦性能所使用的測試方法為水聽器法[7]。測試實驗的裝置示意圖如圖2 所示。平面超聲相控陣由安裝在計算機2 中的治療計劃系統(TPS)通過控制系統進行相位和幅度調控。平面陣列通過除氣水進行耦合。計算機1 通過步進電機控制針式水聽器移動，從而實現不同位置的超聲聲場拾取測量，水聽器接收到的信號通過示波器傳輸到計算機1進行記錄保存，以便后續數據處理。

圖2 水聽器法測試平面陣列超聲聚焦性能的裝置示意圖

待測超聲聚焦區域為平面陣列正上方半徑為90mm、高度為170mm 的圓柱體，且圓柱體的中心軸與陣列的z 軸重合，其底面在陣列上方30.0 mm 處。在被測區域，從圓柱體底面開始，在高度方向上每隔10 mm 設置一個被測平面。在每個被測平面上，以圓心為起點：方位角從0 °開始，每45 °畫一條半徑線，徑向以半徑分別為30、60、70、80、90 mm 的圓分開。所有測線的交點就是本文選定的待測超聲焦點，如圖3 所示。在TPS 上設置平面陣列統一以1 W 的聲功率發射超聲波，在選定的焦點位置進行電子聚焦。針式水聽器捕捉選定的焦點周圍的超聲波信號。對于每個選定的焦點，焦點周圍的最大電壓峰峰值由水聽器確定，并記錄其相應的實際焦點坐標位置，以便進行后續的數據分析。

圖3

4 測試結果

圖4 給出了水聽器在選定的焦點周圍測得的最大電壓峰峰值的三維分布圖，也即實際焦點處的電壓峰峰值三維分布圖。其中，最大值約為Vpp,max=2.59 V，最小值約為Vpp,min=0.78 V。圖4 顯示，總體上，該平面陣列在其正上方中間且靠近z 軸附近的區域，聚焦超聲強度更大；越靠近四周，聚焦超聲強度則相對下降。

圖4 焦點電壓峰峰值三維分布圖

圖4 中電壓峰峰值三維分布圖所對應的實際焦點和選定焦點的位置的三位分布對比如圖5(a)所示：藍色圓圈代表圖3中的選定焦點，橙色五星則代表實際焦點。圖5(a)顯示，實際焦點與選定焦點的位置具有較好的重合度，一致性較好。實際焦點與選定焦點之間的量化聚焦偏差如圖5(b)所示。其中，最大聚焦偏差約為Dmax=4.41mm。圖5(b)顯示，總體上，該平面陣列在其正上方中間且靠近z 軸附近的區域，聚焦偏差更小；越靠近四周，聚焦偏差則相對增大。

圖5

5 結論

利用水聽器法對6144 陣元平面型HIFU 相控陣的全電子式超聲聚焦性能的測試結果表明：在平面陣列正上方半徑為90mm、高度為170mm 的圓柱體被測區域內，基于聲線理論對初始相位進行補償后，最大聚焦偏差為4.41mm，整體上聚焦偏差不大，聚焦精度較好；最大和最小電壓峰峰值分別為2.59V 和0.78V，聚焦超聲強度分布的影響有待進一步分析。總體上，該相控陣具有較好的全電子超聲聚焦性能。