高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備維護(hù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的 預(yù)防性維護(hù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療（Highintensityfocusedultrasound，HIFU)是由單 元換能器或多元換能器陣列構(gòu)成的聚焦超聲源，發(fā)出的超聲通過(guò)傳聲媒質(zhì)后，以人體正常 組織可以接受的聲強(qiáng)透過(guò)患者體表，將能量聚集在靶組織上，致其凝固性壞死（或瞬間滅 活）的治療系統(tǒng)。其治療原理主要是利用聚焦于生物組織中的高強(qiáng)度超聲產(chǎn)生的熱效應(yīng)使 焦域處的組織瞬間上升至60~100°C，從而導(dǎo)致蛋白變性及組織細(xì)胞不可逆凝固性壞死， 焦域以外組織無(wú)顯著損傷，凝固壞死組織可逐漸被吸收或瘢痕化。
[0003] HIFU由于其非入侵性、副作用少且發(fā)生率低、不增加腫瘤轉(zhuǎn)移風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)在臨床 上已用于乳腺腫瘤、四肢及淺表組織腫瘤或骨肉瘤、肝臟、腎臟及盆腔實(shí)體腫瘤的局部姑息 性滅活治療，在適當(dāng)降低功率后也可作為放療、化療增敏的熱療設(shè)備。
[0004] HIFU治療系統(tǒng)的核心技術(shù)是能夠在考慮到人體結(jié)構(gòu)不均勻性的前提下對(duì)擬治療 的體內(nèi)病灶實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，對(duì)HIFU系統(tǒng)的聲輸出實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的時(shí)空控制，對(duì)從正常體溫到靶 組織變性臨界溫度的全過(guò)程進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)視和引導(dǎo)，對(duì)靶組織發(fā)生凝固性壞死與否進(jìn)行 在線(xiàn)檢測(cè)判斷的硬軟件及其功能。靶區(qū)溫度測(cè)量和顯示是HIFU治療過(guò)程監(jiān)測(cè)的重要手段， 但目前仍然是HIFU治療系統(tǒng)的一大挑戰(zhàn)。
[0005] 可見(jiàn)，溫度監(jiān)控是HIFU治療系統(tǒng)性能檢測(cè)和預(yù)防性維護(hù)的重要內(nèi)容。磁共振成像 (Magneticresonanceimaging，MRI)對(duì)軟組織成像質(zhì)量好，對(duì)比度高，且在治療中用溫敏 快速梯度回波序列可觀察到焦點(diǎn)的位置與范圍，是HIFU臨床治療的理想的監(jiān)測(cè)手段之一。 在實(shí)時(shí)測(cè)溫的基礎(chǔ)上，MRI系統(tǒng)計(jì)算得到HIFU照射在組織中沉積的熱量，并與造成組織損 傷的閾值進(jìn)行比較，可以判斷壞死組織的范圍，從而實(shí)現(xiàn)靶區(qū)治療的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。治療結(jié)束后 進(jìn)行對(duì)此增強(qiáng)磁共振成像，用于確定治療效果。
[0006] 然而，磁共振成像的監(jiān)測(cè)溫度成本太高，尤其是在為HIFU治療系統(tǒng)預(yù)防性維護(hù)配 備磁共振成像溫度檢測(cè)設(shè)備上，大大提高了維護(hù)的成本，因而亟需低成本的預(yù)防性維護(hù)和 監(jiān)測(cè)方法的出現(xiàn)。從而有人提出的將熱電偶插入受檢組織中檢測(cè)溫度的方法屬于侵入法， 即將熱電偶放置在人工血管附近，研究了血液流動(dòng)對(duì)HIFU引起的組織溫度變化的影響。該 方法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)節(jié)約、簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是超聲束直接照射在熱電偶上導(dǎo)致熱電偶發(fā)熱，因 而實(shí)測(cè)溫度高于組織僅吸收超聲能量的溫度，這一熱效應(yīng)可以通過(guò)求解Khokhlov-Zabolot skaya-Kuznetsov(KZK)方程得到。另外超聲束聚焦在熱電偶上較易引入人為誤差，會(huì)低估 實(shí)測(cè)溫度；且熱電偶僅能測(cè)量特定點(diǎn)處的溫度，而不能測(cè)量整個(gè)焦域的溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的實(shí)測(cè)溫度不準(zhǔn)確，且維護(hù)成本高問(wèn)題， 提供了一種高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種以下步驟的高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的 預(yù)防性維護(hù)方法，包括以下步驟：
[0009] 1)測(cè)量模擬人體軟組織的溫度變化，并預(yù)設(shè)焦域位置：在所述的模擬人體軟組織 中依層次布置細(xì)絲熱電偶，將高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的超聲束聚焦于某一層的其中 一個(gè)細(xì)絲熱電偶的中心附近，并小幅度移動(dòng)設(shè)備的換能器，在該細(xì)絲熱電偶的多個(gè)不同位 置處分別記錄同一時(shí)間段內(nèi)的溫升變化，溫升最大值處記錄為該細(xì)絲熱電偶的中心，同理 確定另一層的其中一個(gè)細(xì)絲熱電偶的中心，將兩個(gè)細(xì)絲熱電偶中心之間的某一位置確定為 預(yù)設(shè)焦域位置；
[0010] 2)反向傳導(dǎo)優(yōu)化確定超聲束的精確位置：根據(jù)步驟1)確定的預(yù)設(shè)焦域位置，給超 聲束聚焦位置賦初值（X。，y。，z。)，通過(guò)該初值求解熱傳導(dǎo)方程得到至少三個(gè)細(xì)絲熱電偶的
且所述三個(gè)細(xì)絲熱電偶不在同一層；
[0011] 其中聲壓p(r，z)通過(guò)求解在z方向上軸對(duì)稱(chēng)超聲束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波動(dòng)方程的線(xiàn)性形式得到：
[0013]
α為組織的吸收系數(shù)，〈> 表示取時(shí)間平均，c是組 織中的聲速，r是超聲束中心到組織的徑向距離，D是組織的聲擴(kuò)散率；cp是比熱容，Τ是溫 度，k是熱擴(kuò)散系數(shù)，t=t' -z/c，t是遲滯時(shí)間，t'是時(shí)間；
[0014]
表示組織溫度變化的計(jì)算值0\)和測(cè)量值（T。）誤差，利用全局 優(yōu)化算法迭代計(jì)算，直到超聲束的位置處S值最小為止，從而得到精確的超聲束實(shí)際聚焦 位置（xf，yf，zf);
[0015] 3)確定焦域內(nèi)外的溫度分布：根據(jù)超聲束實(shí)際聚焦位置（xf，yf，zf)，確定模擬人 體軟組織中的溫度變化，從而確定焦域內(nèi)外的溫度分布；
[0016] 4)得到預(yù)防性維護(hù)結(jié)論：將步驟3)得到的焦域內(nèi)外的溫度分布值與標(biāo)準(zhǔn)值或安 全值進(jìn)行比較，若符合標(biāo)準(zhǔn)值或在安全值范圍內(nèi)，則判斷高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備可 繼續(xù)作為臨床使用，反之則需要進(jìn)行檢修。
[0017] 采用以上方法，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用本發(fā)明，基于反向熱 傳導(dǎo)的溫度測(cè)量方法為高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)提供了新的方案，通過(guò) 模擬人體軟組織和細(xì)絲熱電偶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，結(jié)合反向熱傳導(dǎo)算法，得到超聲束精確的實(shí) 際聚焦位置，以得到實(shí)際的溫度分布，并和標(biāo)準(zhǔn)值或安全值進(jìn)行比較。由此產(chǎn)生以下有益效 果：⑴避免將超聲束直接照射到熱電偶上，減輕了熱電偶發(fā)熱對(duì)組織溫度測(cè)量的影響，從 而提高了溫度測(cè)量的精度；（2)利用熱電偶陣列測(cè)量值得到超聲束的位置，避免了人為誤 差，預(yù)測(cè)周?chē)M織溫度的算法精度高；（3)以超聲束空間位置為已知信息的迭代優(yōu)化算法 可以進(jìn)一步用于超聲功率的測(cè)量；(4)降低了預(yù)防性維護(hù)的成本。
[0018] 作為改進(jìn)，在步驟1)中，所述的布置細(xì)絲熱電偶的層數(shù)包括上下兩層，每層包括 三個(gè)細(xì)絲熱電偶，將超聲束聚焦于上層的中間細(xì)絲熱電偶的中心附近，小幅度移動(dòng)換能器， 在該細(xì)絲熱電偶的多個(gè)不同位置處分別記錄同一時(shí)間段內(nèi)的溫升變化，所述時(shí)間段包括升 溫段和冷卻段，溫升最大值處記錄為該細(xì)絲熱電偶的中心；用同樣的方法確定下層的中間 細(xì)絲熱電偶的中心位置，將兩個(gè)細(xì)絲熱電偶中心之間的中點(diǎn)確定為預(yù)設(shè)焦域位置?？紤]到 三個(gè)點(diǎn)確定空間位置，故采用上下兩層結(jié)構(gòu)以及每層三個(gè)細(xì)絲熱電偶的布置，不僅便于分 析組織的溫升變化，能夠較快地確立預(yù)設(shè)焦域位置。
[0019] 作為改進(jìn)，在步驟2)中，通過(guò)焦域位置初值求解熱傳導(dǎo)方程得到三個(gè)細(xì)絲熱電偶 的溫度變化，這三個(gè)細(xì)絲熱電偶包括下層兩側(cè)的兩個(gè)以及上層中間的一個(gè)或者上層兩側(cè)的 兩個(gè)以及下層中間的一個(gè)；在步驟3)中，根據(jù)超聲束實(shí)際聚焦位置（Xf，yf，zf)，計(jì)算剩余細(xì) 絲熱電偶的溫度，并與實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行比較，以驗(yàn)證實(shí)際聚焦位置（xf，yf，zf)的準(zhǔn)確性。
[0020] 作為改進(jìn)，所述的標(biāo)準(zhǔn)值或安全值由磁共振成像測(cè)溫得到，并在出廠時(shí)或檢修后 標(biāo)定。這樣，本設(shè)備可以采用成本較低的熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量，并達(dá)到預(yù)防性維護(hù)的目的， 無(wú)需配備更為昂貴的磁共振成像測(cè)溫設(shè)備。
[0021] 作為改進(jìn)，所述的全局優(yōu)化算法為粒子群優(yōu)化算法或模擬退火法，從隨機(jī)解出發(fā)， 通過(guò)迭代尋找和追隨當(dāng)前搜索到的最優(yōu)值來(lái)得到全局最優(yōu)。該方法適用于三點(diǎn)形成的空間 域的最優(yōu)解的問(wèn)題的解決，具有精度高、收斂快的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)方法的流程圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明中細(xì)絲熱電偶的排布狀態(tài)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不僅僅限于這些 實(shí)施例。
[0025] 本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為 了使公眾對(duì)本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明了具體的細(xì)節(jié)，而 對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0026] 如圖1所示，示意了本發(fā)明的流程步驟，本發(fā)明的一種高強(qiáng)度聚焦超聲腫瘤治療 設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)方法，包括以下步驟：
[0027] 1)測(cè)量模擬人體軟組