本發(fā)明屬于超聲
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法。
背景技術(shù)：
：組織毀損(Histotripsy)是一種非侵入且可控的組織消融方法，它通過(guò)從體外聚焦到靶區(qū)的脈沖超聲波對(duì)軟組織進(jìn)行受控地?fù)p毀和均勻化，而不會(huì)傷害臨近的組織，目前在嬰兒心臟病，前列腺病變的治療，腫瘤的消融，血栓的治療等方面都有所應(yīng)用。組織毀損技術(shù)屬于高強(qiáng)度聚焦超聲(HighIntensityFocusedUltrasound，HIFU)，主要利用的是高強(qiáng)度聚焦脈沖超聲作用于組織和細(xì)胞的機(jī)械效應(yīng)，已經(jīng)成為了一個(gè)國(guó)際前沿研究熱點(diǎn)。在高強(qiáng)度聚焦超聲中，熱和聲空化占據(jù)主導(dǎo)地位。熱機(jī)制和組織毀損機(jī)制分別主要利用了HIFU的熱效應(yīng)和空化機(jī)械效應(yīng)。熱機(jī)制的研究起步更早也更成熟，在治療實(shí)質(zhì)性組織中有所應(yīng)用，但是組織毀損方法也有其自身的優(yōu)點(diǎn)：(a)組織毀損方法不受熱機(jī)制中常見(jiàn)的熱池效應(yīng)(heat-sink)的影響，可以治療血管周圍的組織，應(yīng)用范圍更廣；(b)組織毀損方法的損傷是空化機(jī)械作用的結(jié)果，可以防止熱擴(kuò)散而影響健康組織；(c)組織毀損方法中產(chǎn)生的空化云，沸騰氣泡等更便于超聲設(shè)備的監(jiān)控，從而可以用來(lái)判斷治療的過(guò)程及位置等信息；(d)組織毀損方法將目標(biāo)組織粉碎，治療期間不會(huì)產(chǎn)生熱凝固損傷，可以形成組織可吸收的液體，更適于臨床應(yīng)用；(e)組織毀損方法對(duì)較大的病變組織可以圍繞腫瘤組織進(jìn)行連續(xù)治療，將腫瘤組織從健康組織中切割出來(lái)，大大提高治療效率。為了更好地利用機(jī)械效應(yīng)，一般有利用超高強(qiáng)度脈沖超聲波產(chǎn)生空化云組織毀損和利用幾個(gè)毫秒長(zhǎng)的脈沖產(chǎn)生沸騰氣泡兩種方法。精確可控和高效損傷則是組織毀損技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)?？栈平M織毀損所需要的空化云只發(fā)生在負(fù)聲壓超過(guò)閾值的焦區(qū)位置。沖擊波散射和固有閾值激勵(lì)是空化云組織毀損的兩種主要方式:沖擊波散射機(jī)制是沖擊波從單個(gè)或多個(gè)微泡反射形成高幅度的負(fù)聲壓，在這個(gè)負(fù)聲壓的作用下形成更多的微泡并聚集成像云一樣的微泡群；固有閾值激勵(lì)則是通過(guò)提高單個(gè)峰值負(fù)聲壓，使短脈沖的能量超過(guò)固有空化閾值。美國(guó)密西根大學(xué)的Cain，發(fā)明名稱為“Methodandassemblyforperformingultrasoundsurgeryusingcavitation”的美國(guó)專利US6,309,355B1于2001年較早地披露了利用空化進(jìn)行組織毀損的治療方法，該方法采用了持續(xù)時(shí)間小于50μs的脈沖序列，利用超聲誘導(dǎo)空化效應(yīng)在靶區(qū)產(chǎn)生損傷。Cain在發(fā)明名稱為“Pulsedcavitationalultrasoundtherapy”的美國(guó)專利US8,057,408B2中則進(jìn)一步的將治療過(guò)程分為初始，維持，治療以及反饋等子過(guò)程。這種將治療過(guò)程分為多個(gè)子過(guò)程的方法利用的是不同的聲壓幅度，占空比以及脈沖重復(fù)頻率等的超聲波會(huì)在組織內(nèi)產(chǎn)生不同的生物效應(yīng)，該方法克服了早期空化云組織毀損方法可控性較差的問(wèn)題，形成的損傷更加規(guī)則，更適用于臨床應(yīng)用。Cain在發(fā)明名稱為“Pulsedcavitationaltherapeuticultrasoundwithdithering”的美國(guó)專利US20,130,090,579A1中則提到了在利用占空比小于1％的脈沖超聲波，其目的在于使兩次治療脈沖之間的空化泡被動(dòng)地消散掉，消除“空化記憶”，從而使損傷區(qū)域更易于均勻化。Cain在發(fā)明名稱為“Histotripsyusingveryshortultrasoundpulses”的專利WO2,015,027,164A1則提出了提高峰值負(fù)聲壓使其超過(guò)固有空化閾值，并使用小于2個(gè)周期的短脈沖來(lái)進(jìn)行組織微毀損(Microtripsy)的方法。該方法使所產(chǎn)生的損傷小于一個(gè)波長(zhǎng)，使得損傷更加精確可控，在組織中采用該方法所需要的峰值負(fù)聲壓達(dá)到了15～30MPa，這使得靶組織周圍組織也會(huì)有較大聲壓，給臨床應(yīng)用帶來(lái)一定壓力。沸騰氣泡組織毀損主要利用的是幾個(gè)毫秒長(zhǎng)的脈沖引起的快速加熱沸騰以及組織和沸騰氣泡之間的界面所產(chǎn)生的霧化現(xiàn)象。當(dāng)一定強(qiáng)度的聲壓作用一定時(shí)間后，焦區(qū)的組織溫度升至100℃以上，產(chǎn)生沸騰氣泡。美國(guó)華盛頓大學(xué)的MichaelS.Canney等人在發(fā)明
專利名稱：為“Methodsandsystemsfornon-invasivetreatmentoftissueusinghighintensityfocusedultrasoundtherapy”的美國(guó)專利US8,876,740B2中披露了利用幾個(gè)毫秒長(zhǎng)，正聲壓峰值10～100MPa的脈沖超聲波在靶組織產(chǎn)生沸騰氣泡的方法和裝置。華盛頓大學(xué)的VeraKHOKHLOVA等人在發(fā)明專利“Boilinghistotripsymethodsandsystemsforuniformvolumetricablationofanobjectbyhigh-intensityfocusedultrasoundwaveswithshocks”的專利WO2,015,148,966A1中則披露了利用依次引導(dǎo)的超聲波在靶組織的不同點(diǎn)分別利用沸騰氣泡進(jìn)行組織毀損的方法及裝置。目前空化云組織毀損和沸騰氣泡組織毀損是組織毀損技術(shù)的兩大主要方向，它們都采用了脈沖式的超聲發(fā)射模式?？栈平M織毀損方法脈沖超聲波持續(xù)時(shí)間僅為10μs左右，峰值負(fù)聲壓為15～25MPa，峰值正聲壓則需要大于80MPa，換能器的工作頻率為0.75～1MHz；而沸騰氣泡組織毀損方法脈沖持續(xù)時(shí)間為幾個(gè)毫秒，峰值負(fù)聲壓為10～15MPa，峰值正聲壓需要大于40MPa，換能器的工作頻率為1～3MHz?，F(xiàn)有的組織毀損方法仍存在以下幾點(diǎn)需要改進(jìn)：1.所需要的峰值聲壓較大，作為一種非侵入式治療技術(shù)，過(guò)高的峰值聲壓會(huì)使周圍組織也存在較大聲壓，給臨床安全帶來(lái)一定壓力。2.空化云組織毀損方法脈沖持續(xù)時(shí)間僅為10μs左右，占空比小于1％，使得超聲激勵(lì)作用時(shí)間較短，所需損傷形成時(shí)間較長(zhǎng)，治療效率偏低。3.沸騰氣泡組織毀損技術(shù)由于沒(méi)有利用聲輻射力，損傷常會(huì)出現(xiàn)頭部比較大的情況。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法，通過(guò)百微秒長(zhǎng)度的兩階段組織毀損方法提損毀安全性、效率，增強(qiáng)有效性。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法，包括以下步驟：1)采用監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)樣品靶組織進(jìn)行定位，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)靶組織的位置至HIFU換能器(5)的焦點(diǎn)；2)進(jìn)行第一階段毀損：利用百微秒長(zhǎng)度脈沖聚焦超聲波激勵(lì)的沖擊波及其所產(chǎn)生的沸騰氣泡和慣性空化以形成松散的局部組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)組織的初步均勻化，并產(chǎn)生空化核；3)進(jìn)行第二階段毀損：利用百微秒長(zhǎng)度脈沖聚焦超聲波進(jìn)一步的機(jī)械粉碎和均勻化損傷區(qū)域的組織，實(shí)現(xiàn)組織毀損。進(jìn)一步的，步驟1)中監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)為數(shù)字化超聲成像設(shè)備。進(jìn)一步的，對(duì)所確定的靶組織采用損毀邊沿，切割組織的方案，或者采用直接損毀的方案。進(jìn)一步的，步驟1)具體包括以下步驟：通過(guò)位于HIFU換能器(5)中心的B超探頭進(jìn)行圖像引導(dǎo)，通過(guò)調(diào)節(jié)靶組織的徑向位置，使其對(duì)準(zhǔn)HIFU換能器的中心；通過(guò)調(diào)節(jié)靶組織的位置，用數(shù)字化超聲成像設(shè)備進(jìn)行圖像引導(dǎo)，使靶組織位于HIFU換能器的焦點(diǎn)處。進(jìn)一步的，步驟2)中脈沖聚焦超聲波的占空比DC范圍為：3％<DC<10％；百微秒長(zhǎng)度，指的是單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)大于200μs，而小于950μs；脈沖聚焦超聲波的工作頻率范圍為1MHz～5MHz。進(jìn)一步的，步驟3)中脈沖聚焦超聲波的占空比DC≤1％，百微秒長(zhǎng)度，指的是單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)大于200μs，而小于950μs；脈沖聚焦超聲波的工作頻率范圍為1MHz～5MHz。進(jìn)一步的，兩階段毀損中所采用的負(fù)聲壓絕對(duì)值均小于12MPa，并保證正聲壓產(chǎn)生沖擊波，并且正聲壓產(chǎn)生沖擊波。進(jìn)一步的，第一階段毀損中，脈沖聚焦超聲波由10組脈沖構(gòu)成，每一組由100個(gè)脈沖長(zhǎng)度百微秒，脈沖重復(fù)頻率PRF＝100Hz的脈沖串組成，兩個(gè)脈沖串之間有30ms的停止時(shí)間；第二階段毀損中，脈沖聚焦超聲波同樣由10組脈沖構(gòu)成，每一組由10個(gè)脈沖長(zhǎng)度百微秒，重復(fù)頻率PRF＝100Hz的脈沖串和脈沖長(zhǎng)度百微秒，重復(fù)頻率PRF＝200Hz的脈沖串組成每組脈沖的兩個(gè)脈沖串之間有30ms的停止時(shí)間，兩組脈沖之間有500ms的停止時(shí)間。進(jìn)一步的，所述樣品為仿體或離體組織。進(jìn)一步的，HIFU換能器為球冠式單陣元環(huán)形陣換能器，其工作中心頻率范圍為1MHz～5MHz。進(jìn)一步的，HIFU換能器中間帶孔以方便放置B超探頭等監(jiān)控引導(dǎo)設(shè)備。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明為了克服現(xiàn)有組織毀損方法中的不足，提出了一種兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法；本發(fā)明充分利用了相對(duì)較高占空比脈沖兼顧熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，低占空比脈沖具有良好的機(jī)械效應(yīng)的特點(diǎn)。通過(guò)控制先后產(chǎn)生兩階段的單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間百微秒的相對(duì)較高占空比與低占空的脈沖高強(qiáng)度超聲序列作用于靶組織，實(shí)現(xiàn)對(duì)組織的高效毀損。進(jìn)一步的，本發(fā)明采用了相對(duì)較高占空比與低占空比結(jié)合的兩階段毀損策略:先利用相對(duì)較高占空比的脈沖序列形成松散的組織，實(shí)現(xiàn)組織的初步均勻化；后利用低占空比的脈沖序列使組織完全均勻化。這種兩階段的方法可以顯著降低組織毀損方法所需要的峰值聲壓，減少對(duì)焦點(diǎn)外周圍組織的影響，提高了治療的安全性。進(jìn)一步的，本發(fā)明中第一階段采用了單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間百微秒的相對(duì)較高占空比的脈沖序列，使得其有效作用時(shí)間高于傳統(tǒng)的組織毀損方法；同時(shí)，相對(duì)較高占空比的脈沖序列兼顧了熱積累和機(jī)械效應(yīng)，產(chǎn)生了沸騰氣泡，焦點(diǎn)處的沖擊波與沸騰氣泡相互作用加速了焦區(qū)的組織結(jié)構(gòu)的破壞；此外，在相對(duì)較高占空比的脈沖序列作用下焦區(qū)產(chǎn)生大量的空化核，這就可以加速第二階段低占空比脈沖序列作用下的空化效應(yīng)?；谝陨先c(diǎn)，本發(fā)明便可提高組織毀損的治療效率。附圖說(shuō)明下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)框圖；圖1中：1為同步信號(hào)控制系統(tǒng)，2為任意波形發(fā)生器，3為射頻信號(hào)功率放大器，4為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，5為單陣元環(huán)形陣HIFU換能器，6為數(shù)字超聲成像系統(tǒng)，7為高速攝像機(jī)，8為有機(jī)玻璃容器，9為樣品，10為恒溫裝置，11為除氣水。圖2是本發(fā)明中的所采用的球冠式環(huán)形陣HIFU換能器的示意圖及聲場(chǎng)分布仿真圖；圖2中：(a)為球冠式環(huán)形陣換能器示意圖，(b)是聲場(chǎng)分布示意圖。圖3是本發(fā)明方法中的典型脈沖序列原理圖。圖4是本發(fā)明方法所采用一個(gè)典型激勵(lì)波形在焦點(diǎn)處測(cè)得的聲壓波形。圖5是本發(fā)明方法切割大組織邊界的主要流程圖。圖6是本發(fā)明方法切割大組織邊界的示意圖。圖7是本發(fā)明方法在牛血清蛋白丙烯酰胺仿體中實(shí)施時(shí)采用高速攝像進(jìn)行監(jiān)控的典型結(jié)果；圖7中：(a)～(e)為第一階段相對(duì)較高占空比脈沖作用時(shí)的典型結(jié)果圖，(f)～(j)為第二階段低占空比脈沖作用時(shí)的典型結(jié)果圖。圖8是本發(fā)明方法在離體豬肝臟中應(yīng)用時(shí)的組織學(xué)結(jié)果圖；圖8中：(a)為治療結(jié)束后的損傷邊界，(b)為對(duì)(a)圖像中損傷邊界周圍圖像的放大，(c)為第一階段相對(duì)較高占空比治療結(jié)束后的損傷邊界，(d)為對(duì)(c)圖像中損傷邊界周圍圖像的放大。圖9是本發(fā)明方法在靶組織較大時(shí)采用切割邊界時(shí)的視圖；圖9中：(a)為損傷在仿體中的軸向形態(tài)；(b)為損傷在仿體中的橫向形態(tài)；(c)，(d)分別為(a)，(b)移除透明仿體后的形態(tài)。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明基于組織毀損技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，本發(fā)明提出了兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法來(lái)安全，高效地進(jìn)行組織毀損。生物組織中的生物效應(yīng)隨超聲波的占空比的不同會(huì)有顯著的變化。在一個(gè)完整的作用過(guò)程中，超聲持續(xù)作用時(shí)間越長(zhǎng)，即占空比越高，則熱積累作用越大，熱效應(yīng)更為明顯；而相應(yīng)的，超聲持續(xù)作用時(shí)間越短，即占空比越低，則主要表現(xiàn)為機(jī)械效應(yīng)；控制占空比在一定范圍內(nèi)則可兼顧熱積累和機(jī)械效應(yīng)。HIFU主要作用于超聲治療領(lǐng)域，但本發(fā)明不直接涉及人體病變組織的治療，而是以仿體為介質(zhì)確定其控制方法，以豬肝臟，腎臟等發(fā)病率較高的離體組織器官等介質(zhì)為研究對(duì)象，探索兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法對(duì)于提高治療效率，提高安全性等的效果。如圖1所示，本發(fā)明中兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)包括：超聲激勵(lì)系統(tǒng)，監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)，同步信號(hào)控制系統(tǒng)1及反應(yīng)容器。超聲激勵(lì)系統(tǒng)主要由依次連接的任意波形發(fā)生器2，射頻功率放大器3，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)4以及HIFU換能器5組成；監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)則主要由一臺(tái)數(shù)字化超聲成像設(shè)備6(B超)和高速攝像機(jī)7構(gòu)成；同步信號(hào)控制系統(tǒng)則是由多通道任意波形發(fā)生器2構(gòu)成，主要作用是同步超聲激勵(lì)系統(tǒng)和監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)；反應(yīng)容器是一個(gè)長(zhǎng)方形的有機(jī)玻璃容器8，作為反應(yīng)場(chǎng)所，內(nèi)含恒溫裝置10的除氣水11和樣品9。同步信號(hào)控制系統(tǒng)1產(chǎn)生同步信號(hào)使超聲激勵(lì)系統(tǒng)和監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)同步地工作，超聲激勵(lì)系統(tǒng)先發(fā)出相對(duì)較高占空比(>3％，且<10％)的脈沖序列作用使局部組織結(jié)構(gòu)松散，并產(chǎn)生空化核；隨后超聲激勵(lì)系統(tǒng)發(fā)出較低占空比(≤1％)的脈沖序列進(jìn)一步的機(jī)械粉碎和均勻化損傷區(qū)域的組織。在兩階段的毀損過(guò)程中，監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)則進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括空化效應(yīng)，沸騰氣泡以及最終形成的損傷等。超聲激勵(lì)系統(tǒng)和監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)的同步工作是通過(guò)同步信號(hào)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，其具體實(shí)施在于:多通道的任意波形發(fā)生器產(chǎn)生多路同步信號(hào)，其中一路信號(hào)用于控制超聲激勵(lì)系統(tǒng)，與此同時(shí)，同步信號(hào)控制系統(tǒng)的另一路信號(hào)則控制高速攝像機(jī)同步地采集圖像，以此來(lái)監(jiān)控整個(gè)過(guò)程中的毀損情況。此外，超聲成像設(shè)備也可用于在整個(gè)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供靶組織區(qū)域的任意時(shí)刻的B超圖像。為了降低峰值聲壓，提高組織毀損的效率，本發(fā)明兩階段百微秒脈沖聚焦超聲組織毀損方法，包括以下步驟：1)采用監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)(如數(shù)字化超聲成像設(shè)備)對(duì)樣品靶組織進(jìn)行定位，并相應(yīng)地調(diào)節(jié)靶組織的位置至HIFU換能器5的焦點(diǎn)；其中，利用監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)(如數(shù)字化超聲成像設(shè)備)對(duì)所確定的靶組織進(jìn)行判定，選取合適的方案：對(duì)其中較大的組織采用損毀邊沿，切割組織的方案，對(duì)較小的組織采用直接損毀的方案；2)進(jìn)行第一階段毀損：利用百微秒長(zhǎng)度脈沖聚焦超聲波激勵(lì)的沖擊波及其所產(chǎn)生的沸騰氣泡和慣性空化以形成松散的局部組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)組織的初步均勻化，并產(chǎn)生大量空化核；3)進(jìn)行第二階段毀損：利用百微秒長(zhǎng)度脈沖聚焦超聲波進(jìn)一步的機(jī)械粉碎和均勻化損傷區(qū)域的組織，最終實(shí)現(xiàn)高效組織毀損的目的。步驟1)具體包括以下步驟：通過(guò)位于HIFU換能器5中心的B超探頭進(jìn)行圖像引導(dǎo)，通過(guò)調(diào)節(jié)靶組織的徑向位置，使其對(duì)準(zhǔn)HIFU換能器的中心；通過(guò)調(diào)節(jié)靶組織的位置，用數(shù)字化超聲成像設(shè)備進(jìn)行圖像引導(dǎo)，使靶組織位于HIFU換能器的焦點(diǎn)處。步驟1)中采集所需損毀靶組織的B超圖像，當(dāng)靶組織較大時(shí)(如較大的腫瘤組織)采用切割的方法，即多次移動(dòng)HIFU換能器，使其焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)組織的邊界，進(jìn)行多次組織毀損，最終實(shí)現(xiàn)將靶組織從周圍健康組織中切割開(kāi)來(lái)的目的；當(dāng)靶組織較小時(shí)，則采用直接損毀的方法，即使HIFU換能器的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)靶組織，進(jìn)行一次或多次組織毀損，直接對(duì)靶組織進(jìn)行損毀。步驟2)包括以下步驟：任意波形發(fā)生器發(fā)出單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間百微秒的相對(duì)較高占空比脈沖序列，經(jīng)過(guò)射頻功率放大器后，通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)HIFU換能器，在監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)控下對(duì)靶組織進(jìn)行第一階段的毀損。相對(duì)較高占空比(DutyCycle，DC)的DC范圍為3％<DC<10％，百微秒長(zhǎng)度，指的是單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)200μs<DC<950μs，脈沖聚焦超聲波，其工作頻率范圍為1MHz～5MHz。毀損的第一階段先利用相對(duì)較高占空比(>3％，且<10％)的脈沖超聲波，同時(shí)利用熱積累和機(jī)械效應(yīng)，降低靶組織的機(jī)械強(qiáng)度并實(shí)現(xiàn)部分的均勻化。第一階段中的脈沖聚焦超聲波會(huì)產(chǎn)生沸騰氣泡以及沖擊波等，形成松散的局部組織結(jié)構(gòu)，而慣性空化以及沖擊波等多種機(jī)械作用則將損傷內(nèi)部進(jìn)一步的均勻化，并形成大量的空化核。在第一階段的沸騰氣泡是以熱積累的形式達(dá)到的，而為了焦區(qū)產(chǎn)生熱積累的同時(shí)不會(huì)對(duì)周圍組織形成大量需要避免的熱擴(kuò)散，便對(duì)占空比有上限要求，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)多次驗(yàn)證，在本發(fā)明中將其設(shè)定為10％。步驟3)包括以下步驟：任意波形發(fā)生器發(fā)出單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間百微秒的低占空比脈沖序列，經(jīng)過(guò)射頻功率放大器后，通過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)HIFU換能器，在監(jiān)控引導(dǎo)系統(tǒng)的監(jiān)控下對(duì)靶組織進(jìn)行第二階段的毀損。低占空比的DC范圍為DC≤1％，百微秒長(zhǎng)度，指的是單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)200μs<DC<950μs，脈沖聚焦超聲波，其工作頻率范圍為1MHz～5MHz。本發(fā)明中第二階段利用了較低占空比(≤1％)的脈沖超聲序列，它可以將焦區(qū)的組織進(jìn)一步粉碎和均勻化。受益于第一階段的毀損，局部組織結(jié)構(gòu)變得更加松散，損傷區(qū)域空化核的數(shù)量也有所增加，使空化效應(yīng)更容易發(fā)生。兩階段組織毀損方法所需要的負(fù)聲壓的絕對(duì)值便可降到12MPa以下。如圖2(a)所示，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的球冠式環(huán)形陣HIFU換能器5是一個(gè)中間有孔的，凹球面超聲換能器，其曲率半徑為Rs，內(nèi)徑為R1，外徑為R2。圖2(b)是根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所用的一種典型球冠式環(huán)形陣HIFU換能器(曲率半徑為Rs＝100mm，內(nèi)徑為R1＝12.5mm，外徑為R2＝47.5mm)的軸向聲場(chǎng)仿真示意圖。進(jìn)一步的，圖2(b)中球冠形環(huán)形陣HIFU換能器的方陣計(jì)算的依據(jù)如下：根據(jù)Reyleigh-Sommerfeld積分，球冠式換能器聲場(chǎng)的計(jì)算公式為：P(r)=jρck2π∫ue-(α+jk)rrdS---(1)]]>k＝ω/c(2)其中，j是虛數(shù)單位，ρ是介質(zhì)密度，c是介質(zhì)中的聲速，k是波數(shù)，s是信號(hào)源的面積，u是垂直于聲源表面的介質(zhì)振動(dòng)速度，r是觀察點(diǎn)離陣元表面dS的距離，α是聲衰減系數(shù)。軸向聲壓便可按照(1)式進(jìn)行精確計(jì)算，得到解析解：P(z)=jρckRsue-(α+jk)(z-Rs+Rs-R22)2R22-e-(α+jk)(z-Rs+Rs2-R12)2+R12(z-Rs)(α+jk),z≠Rsjρcku(Rs2-R12-Rs2-R22)e-(α+jk)Rs,z=Rs---(3)]]>如圖3所示是本發(fā)明中所采用的兩階段組織毀損方法中的典型脈沖序列原理圖。第一階段的脈沖序列占空比為4.9％，由10組脈沖構(gòu)成，脈沖長(zhǎng)度PD＝500μs，脈沖重復(fù)頻率PRF＝100Hz，兩組脈沖之間有30ms的停止時(shí)間；第二階段的脈沖序列占空比為1％，同樣由10組脈沖構(gòu)成，每一組由10個(gè)脈沖長(zhǎng)度PD＝500μs，重復(fù)頻率PRF＝100Hz的脈沖串和脈沖長(zhǎng)度PD＝200μs，重復(fù)頻率PRF＝200Hz的脈沖串組成，每組脈沖的兩個(gè)脈沖串之間有30ms的停止時(shí)間，兩組脈沖串之間有500ms的停止時(shí)間。如圖4所示是本發(fā)明中所采用的兩階段組織毀損方法中，當(dāng)超聲激勵(lì)系統(tǒng)工作時(shí)在焦點(diǎn)處測(cè)得的典型聲壓波形。其具體測(cè)試條件為：換能器的中心頻率為1.06MHz，PRF＝100Hz發(fā)射500個(gè)周期的脈沖，測(cè)得峰值負(fù)聲壓為8MPa，峰值正聲壓為35MPa，并且產(chǎn)生了明顯的沖擊波，比空化云組織毀損和沸騰氣泡組織毀損方法中所需要的峰值聲壓有顯著的下降，確保了焦點(diǎn)外正常組織的安全性，提高了治療安全性。如圖5所示，本發(fā)明兩階段組織毀損方法進(jìn)行組織切割可以用如下流程直觀描述：S1數(shù)字化超聲設(shè)備進(jìn)行圖像引導(dǎo)，調(diào)節(jié)HIFU換能器使焦點(diǎn)位于需要進(jìn)行組織毀損的區(qū)域；S2進(jìn)行第一階段相對(duì)較高占空比的治療，使局部組織結(jié)構(gòu)松散，并產(chǎn)生空化核，并伴隨圖像監(jiān)控；S3進(jìn)行第二階段低占空比的治療，進(jìn)一步的機(jī)械粉碎和均勻化損傷區(qū)域，并伴隨實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控；S4判斷切割是否已完成，若完成則結(jié)束治療，若未完成則進(jìn)行步驟S5；S5沿邊界尋找新的切割點(diǎn)，重復(fù)步驟S1，S2，S3，S4。如圖6所示則進(jìn)一步將本發(fā)明兩階段組織毀損方法進(jìn)行組織切割的原理圖直觀化。實(shí)施例1：1)制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7％的牛血清蛋白(BSA)聚丙烯酰胺凝膠仿體，并加入牛血清蛋白作為溫度變化指示劑。仿體的密度為1.06g/cm3，成品仿體中聲速為1477±5m/s，聲衰減系數(shù)為0.42±0.01dB/cm。2)將球冠式環(huán)形陣HIFU換能器，以及B超探頭等如圖1進(jìn)行固定，向反應(yīng)容器中注入適量的除氣水，并打開(kāi)恒溫裝置。開(kāi)啟超聲成像設(shè)備，根據(jù)圖像引導(dǎo)調(diào)節(jié)仿體中需要損傷的點(diǎn)至換能器的焦點(diǎn)處。3)按照?qǐng)D5編寫(xiě)任意波形發(fā)生器所要產(chǎn)生的信號(hào)。激勵(lì)時(shí)，信號(hào)為頻率f＝1.06MHz的正弦波。信號(hào)分為兩個(gè)階段:第一階段為占空比為4.9％的相對(duì)較高占空比脈沖序列，它由10組脈沖構(gòu)成，單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間為PD＝500μs，脈沖重復(fù)頻率PRF＝100Hz；第二階段為占空比為1％的低占空比脈沖序列，它同樣由10組脈沖構(gòu)成，每一組由10個(gè)脈沖長(zhǎng)度PD＝500μs，重復(fù)頻率PRF＝100Hz的脈沖串和脈沖長(zhǎng)度PD＝200μs，重復(fù)頻率PRF＝200Hz的脈沖串組成，500μs長(zhǎng)度的脈沖作用完后有30ms的停止時(shí)間，而兩組脈沖之間有500ms的停止時(shí)間。。在整個(gè)治療過(guò)程中，聲功率均被設(shè)置為240W。4)同步信號(hào)控制系統(tǒng)中的任意波形發(fā)生器的通道1與超聲激勵(lì)系統(tǒng)相連，通道2與引導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)相連。開(kāi)啟各個(gè)設(shè)備，手動(dòng)觸發(fā)同步信號(hào)控制系統(tǒng)。通道1連接超聲激勵(lì)系統(tǒng)中的任意波形發(fā)生器的外部觸發(fā)端，觸發(fā)超聲激勵(lì)系統(tǒng)中發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻功率放大器，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)并驅(qū)動(dòng)HIFU換能器。通道2則出發(fā)高速攝像設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。分析結(jié)果：牛血清蛋白聚丙烯酰胺仿體是透明的，且和組織特性較為相似，故常被用于機(jī)制分析。通過(guò)高速攝像可以清晰地觀察到損傷的形成過(guò)程，如圖7所示是仿體中損傷形態(tài)隨治療時(shí)間變化的高速攝像圖，(a)～(e)為第一階段的典型結(jié)果，(f)～(j)則為第二階段的典型結(jié)果圖。圖7(a)所示，在1.8秒即出現(xiàn)了可見(jiàn)的損傷，如圖7(c)所示，在6.671s出現(xiàn)了2mm直徑的沸騰氣泡，如圖7(d)所示損傷的流動(dòng)性增強(qiáng)，如圖7(h)所示損傷在出現(xiàn)了多處分裂，這可能是超聲波在軸向多次反射，在多點(diǎn)形成空化所致，這也是本發(fā)明治療效率高的又一個(gè)例子，如圖7(j)所示，損傷最終呈現(xiàn)柱狀，尺寸大約為8mm×2mm(軸向×橫向)，并且損傷較為規(guī)則。由高速攝像拍攝到的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明中所采用的兩階段百微秒脈沖組織毀損方法，能用較低的聲壓實(shí)現(xiàn)組織毀損。實(shí)施例2：1)制備丙烯酰胺仿體液。選取新鮮的豬腎臟組織，切成5mm×3mm×30mm的尺寸，并將其固定在仿體液中，在常溫下進(jìn)行凝固。2)將球冠式環(huán)形陣HIFU換能器，以及B超探頭等如圖1進(jìn)行固定，向反應(yīng)容器中注入適量的除氣水，并打開(kāi)恒溫裝置。開(kāi)啟超聲成像設(shè)備，根據(jù)圖像引導(dǎo)調(diào)節(jié)豬腎臟的中心位置至換能器的焦點(diǎn)處。3)按照?qǐng)D5編寫(xiě)任意波形發(fā)生器所要產(chǎn)生的信號(hào)。信號(hào)分為兩個(gè)階段:第一階段的脈沖序列由10組脈沖構(gòu)成，每一組由100個(gè)脈沖長(zhǎng)度為PD＝400μs，脈沖重復(fù)頻率PRF＝100Hz的脈沖串組成，兩個(gè)脈沖串之間有30ms的停止時(shí)間；第二階段的脈沖同樣由10組脈沖構(gòu)成，每一組由10個(gè)脈沖長(zhǎng)度PD＝400μs，重復(fù)頻率PRF＝100Hz的脈沖串和脈沖長(zhǎng)度PD＝200μs，重復(fù)頻率PRF＝200Hz的脈沖串組成，400μs長(zhǎng)度的脈沖作用完后有30ms的停止時(shí)間，兩組脈沖之間有500ms的停止時(shí)間。在整個(gè)治療過(guò)程中，聲功率均被設(shè)置為240W。4)將同步信號(hào)控制系統(tǒng)中的任意波形發(fā)生器的通道1與超聲激勵(lì)系統(tǒng)相連，通道2與引導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)相連。開(kāi)啟各個(gè)設(shè)備，手動(dòng)觸發(fā)同步信號(hào)控制系統(tǒng)。通道1連接超聲激勵(lì)系統(tǒng)中的任意波形發(fā)生器的外部觸發(fā)端，觸發(fā)超聲激勵(lì)系統(tǒng)中發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻功率放大器，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)并驅(qū)動(dòng)HIFU換能器。通道2則出發(fā)高速攝像設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。5)當(dāng)治療過(guò)程結(jié)束后先通過(guò)B超設(shè)備對(duì)損傷進(jìn)行觀察，然后將豬腎臟取出，剖開(kāi)后再仔細(xì)分析損毀情況。對(duì)損毀的豬腎臟進(jìn)行H&E染色，利用高倍顯微鏡觀察其組織學(xué)結(jié)果。分析結(jié)果：對(duì)剖開(kāi)的豬腎臟進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)兩階段的高效組織毀損方法治療腎臟內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，且損傷形態(tài)較為均勻，損傷周圍無(wú)明顯的熱凝固損傷出現(xiàn)。而如圖8所示是豬腎臟經(jīng)過(guò)H&E染色后的組織學(xué)結(jié)果。如圖8(a)所示是治療結(jié)束后的損傷邊界，左邊是正常組織，右邊是損傷后的組織，兩者有清晰的邊界，且損傷內(nèi)部完全均勻化；如圖8(b)所示是放大后的損傷邊界可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)正常區(qū)域的細(xì)胞結(jié)構(gòu)較為完整，而治療后的損傷區(qū)域則出現(xiàn)了完全均勻化；如圖8(c)所示是第一階段治療后的損傷邊界，可以發(fā)現(xiàn)，損傷區(qū)域出現(xiàn)了部分均勻化，但仍保留有部分的細(xì)胞碎片；而如圖8(d)所示是第一階段治療結(jié)束后的損傷邊界區(qū)域的放大圖，可以發(fā)現(xiàn)損傷區(qū)域只出現(xiàn)了初步均勻化，未實(shí)現(xiàn)完全均勻化。因此，本發(fā)明提出的方案可以以較低聲壓對(duì)組織進(jìn)行毀損，確保了焦點(diǎn)外周圍組織帶來(lái)的安全，提高了治療的安全性，且治療效率等也都有所提高。實(shí)施例3：1)制備丙烯酰胺仿體液，仿體的密度為1.06，成品仿體中聲速為1477±5m/s，聲衰減系數(shù)為0.42±0.01dB/cm。選取新鮮的豬肝臟組織，較大的小塊，并將其固定在仿體液中，在常溫下進(jìn)行凝固2)將球冠式環(huán)形陣HIFU換能器，以及B超探頭等如圖1進(jìn)行固定，向反應(yīng)容器中注入適量的除氣水，并打開(kāi)恒溫裝置。開(kāi)啟超聲成像設(shè)備，根據(jù)圖像引導(dǎo)調(diào)節(jié)所需要切割豬肝臟的邊界上的一點(diǎn)至換能器的焦點(diǎn)處。3)重復(fù)實(shí)施例2中的步驟3)4)重復(fù)實(shí)施例2中的步驟4)5)按照?qǐng)D5所示，沿所需要切割的組織邊界位置每隔0.5mm移動(dòng)一次重復(fù)步驟4直至切割完成6)重復(fù)實(shí)施例2中的步驟5)分析結(jié)果:如圖9所示是經(jīng)過(guò)本發(fā)明所提出的組織毀損新方法進(jìn)行大組織切割治療后的結(jié)果，對(duì)剖開(kāi)的豬肝臟進(jìn)行形態(tài)學(xué)觀察可以發(fā)現(xiàn)治療區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)了白色的乳狀物質(zhì)，損傷區(qū)域已經(jīng)被完全切割。因此，本發(fā)明提出的方案可以對(duì)體積較大的靶組織的邊界進(jìn)行切割，從而實(shí)現(xiàn)高效治療的目的。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3