中惠医疗科技(上海)有限公司 200233
摘要:子宫肌瘤多发于30~45岁女性群体中,目前主要采取手术方式治疗,但手术创伤性大、术后康复时间长,患者耐受度较低,随着医疗技术进步,高强度聚焦超声(HIFU)消融系统逐渐得到推广,作为安全微创的一种治疗方式,受到临床认可。基于此,本文从HIFU消融系统治疗子宫肌瘤的关键技术进行分析,以期能够强调该治疗方法的有效性和安全性,支持子宫肌瘤治疗的开展。
关键词:子宫肌瘤;高强度聚焦超声消融系统;相控技术;超声引导
引言:子宫肌瘤作为女性高发良性肿瘤,有资料指出,74%的女性会发生子宫肌瘤,子宫肌瘤来源于子宫肌层,主要由蛋白多糖、胶原蛋白以及纤连蛋白构成。目前最常见治疗方式包括宫腔镜或腹腔镜手术切除子宫肌瘤,但手术操作不可避免引起机体损伤,患者接受度也不高。HIFU消融系统作为一种先进治疗方式,通过非侵入式操作进行治疗,治疗后恢复速度更快,患者能尽快回归正常生活。因此需要积极推广HIFU消融系统治疗方案。
1 HIFU
HIFU是利用聚焦超声波束至特定位置,借助于超声波空化效应、热效应以及机械效应引起病灶组织变性,但对于其他健康组织并无伤害,从而达到治疗效果。在HIFU焦点组织上,能够快速吸收超声能量并提高焦点位置的温度至56℃,利用该原理将1MHz超声波在病变组织上聚焦,焦点位置上病灶组织快速升温达到致坏死水平。目前HIFU通过相控聚焦技术,无需经过机械移动,可以在一定范围内偏转焦点,生成多个焦点,通过对每个阵元发射声波时间进行控制使其传播至相同相位,进行聚焦。但由于HIFU作为非侵入性操作,需要在准确的图像引导支持定位和监测,因此借助于MRI影像支持,从横切面、冠状面、矢状面多个角度成像,建立3D模型进行靶区定位。
2 硬件系统
HIFU系统硬件系统主要使用PC机作为上位机,进行系统控制以及监控,功放板滤波放大控制板防波信号,对换能器进行驱动,PC机和中央控制板通信计算上位机设置参数,发送至控制板输出信号,并对显示屏、功率调整以及温度检测进行控制。使用FPGA芯片,作为半定制电路,经过编程处理后实现多种时序和组合逻辑,具有运行速度快、处理能力强的优势,适合在多通道超声相控阵系统中应用。该芯片为了满足应用需求,采取I/O接口支持I/O标准,匹配不同接口器件,由于储存资源丰富,为数据缓存提供极大便利[1]。完成开发程序后,固化至芯片,避免程序丢失。使用FLASH芯片固化程序,该芯片应用高性能多输入/出闪存设备,同时具备高级保护机制、就地执行功能以及总线接口,高性能指令能够让编程传输和读取带宽提升两倍以上。由于相控阵列由144路压电陶瓷片组成,通过144路频率相同相位可调的驱动信号产生超声聚焦。相位的信息通过工控机计算产生,并将其通过并口接口输出到相位控制板, 相位控制板是144路相控信号发生器,内部的相位控制电路用于驱动144路功率放大电路产生压电陶瓷片谐振信号,驱动144路压电陶瓷片产生超声聚焦。根据治疗头所选压电陶瓷片的参数,其工作频率在1.32MHz至1.40MHz之间,对应的工作周期757.57ns至712.23ns。8位数据256个地址,对应1个周期相位360°,根据数据宽度设计相位精度为1.4°,换算成时间为2.87ns。产生精度为2.87ns的脉冲信号,需要主频为348.16MHz的时钟信号,取整348MHz。电路主要包括PLL锁相环电路和波形输出电路。波形发生器用于产生144路相控信号,通过设计1路波形发生器并在FPGA内拷贝144份实现。20位输入信号线IND[19..0]包括8位地址、8位数据、1位相使能、1位锁存、1位总使能、1位备用。12位配置信号SD[11..0]包括1位模式选择,3位测试输出频率设置,8位测试输出通道选择。其中DCM模块为PLL电路模块,Phase模块为波形输出电路模块。系统十分复杂,因此时钟采取三个24MHz、174MHz和348MHz晶振时钟保证时钟域同步和异步,也能满足外围电路时钟需要。
3 软件设计
为了实现超声精准聚焦,对超声信号时序精确控制,保证超声信号相位精确,采取并行输出信号。以现场可编程门阵列(FPGA)为主控芯片,能够解决电路数局限和定制电路的不足。使用CycloneIV GX和CycloneIV E芯片,Cyclone IV GX器件具有150K逻辑单元(LE)、6.5-Mbit RAM、360个乘法器以及8个主流协议的集成3.125-Gbps收发器,协议包括千兆以太网(GbE)、V-by-One,Cyclone IV GX还为PCI Express (PCIe)等提供硬核IP。封装大小只有11x11 mm,非常适合广播、工业等市场的低成本、小型封装的场景应用。Cyclone IV E器件满足低成本、高性能和低功耗的要求后,其功耗只有以往Cyclone产品的75%。本设计选择Cyclone IV E系列,IO管脚应大于223,选择EP4CE115F23I7芯片,其具有逻辑单元数144K,M9K存储块数432,嵌入式RAM 3888Kb,最大工作频率达800 MHz。在相控阵技术中延时分辨率作为最重要的一项参数,关软件延时方案具有更高的灵活性和可修改性,成为目前主要控制方案。超声相控阵系统需要考虑延时分辨率的同时,也要考虑延时方案实现的困难程度、复杂程度等因素。因此选择FPGA锁相环方法作为演示方案,能够提高延时进度,芯片控制相对容易,且能达到较高延时分辨率。系统采取多个时钟域,随着系统越来越复杂,异步时钟域数量增加,数据从一个时钟触发器传输至另一个触发器,如果无法满足寄存器保持时间,可能会造成亚稳态情况。因此通过RAM双口来实现跨时钟域的数据传输,同时通过对数据地址控制进行延时控制,在三个相位时钟域下,分别寄存延时模块,根据余数判断激励方波输出进一步延时控制
[2]。延时模块作为软件设计的重点,采取三个双口RAM进行脉冲波信寄存,在四个时钟输入信号下输出。经过MCU计算获取延时余数,从而选择对应的脉冲信号获取脉冲激励信号。通过声源发射超声波进行焦点校准,回波延时精度对延时分辨率产生着重要影响。通过归一化互相关法对回波信号延时进行估计,从回波信号中获取数据段,并通过搜索计算数据段相关系数,在回波信号中搜索匹配数据。经过时间反转方法进行焦点偏移的校准,能够适应人体多层非均一组织对于焦点定位的影响。
4 精确定位
在HIFU系统中,可能受到图像分辨率、机械安装和相控阵电子聚焦等因素的影响,出现定位误差问题。机械安装上可能超声影像中轴、旋转轴需要和HIFU声束轴重合,但是超声影像分辨率低也很难通过图像准确定位。相控HIFU采取电子偏转焦点,受到阵元电声特性差异的影响,造成输出电子信号幅值和设定值存在偏差,导致电子偏转后焦点位置无法和目标位置保持一致。为了保证治疗的准确性,需要保证HIFU系统精确定位。为了验证HIFU系统精准定位准确度,以牛肉作为样本标记物,将牛肉组织内嵌于正方形内,制作透明圆柱形仿体,使用树脂白色材料作为标记物,验证HIFU辐照后能够消融牛肉组织。
5 HIFU消融范围
目前HIFU 换能器为半球形,孔径为10~18cm,焦距9~15cm,主要包括相控阵和自聚焦两种聚焦方式,主要在机械定位部件进行安装,大部分经过聚焦换能器能够覆盖子宫肌瘤靶区。相控阵通过电子控制调整焦点位置,同时可以形成多焦点。目前相控阵聚焦范围小于±2cm,但临床上接受治疗的子宫肌瘤直径大多在5cm以上,因此需要扩大消融范围来快速治疗。本文提出通过摆动HIFU相控阵来增加消融范围。设计精确摆动平台,最大角度为±15°,半径为277mm。按照相控阵偏移位置进行摆动角度计算,经过建模仿真分析对相控阵摆动聚焦特性进行分析,验证摆动扩大消融范围的有效性[3]。由于摆动平台达到一定角度后,相控阵几何焦点产生对应偏移,控制摆动角度可以让相控阵几何中心发生偏移,并聚焦指定位置上。当摆动时几何中心处于球面运动中,半径为277mm约等于换能器ROC2倍距离,摆动角度较小时即可实现水平方向上几厘米范围的移动,垂直方向上发生的变化极小,接近于平移。HIFU系统治疗头降低了复杂程度,同时更加轻便,在实际使用过程中能够通过摆动平台替代平移。
建立皮肤肌肉组织模型,利用数值仿真分析以及水听器进行声场的测量,人体皮肤厚度3mm,脂肪组织6mm,肌肉组织20mm。相控阵几何焦点定位于皮肤以下5cm,利用3D装置水听器进行声压分布。HIFU相控阵功率为40W,脉冲频率为10Hz,脉冲宽度为10μs。通过对扫描范围的设定,水听器进行扫描,示波器将捕捉信号在电脑端传输并保存。但由于声束路径并不是均一组织,无法使用算法进行声场计算。在理想媒介条件下进行声场计算,再利用非均一媒介进行声场计算,可以了解目标区域声场情况。HIFU换能器声束射入并非垂直角度,受到脂肪、肌肉的影响,将HIFU相控阵坐标系作为参考,根据摆动角度不同,手动分割媒介条件,结合不同媒介条件声参数计算衰减以及相移差,计算相移分量,逐层计算声压分布。因此根据最大栅瓣声压在主瓣峰值声压40%以下来判断电子偏转安全范围。
结论:综上所述,HIFU系统利用超声相控阵技术对阵元进行延时控制,能够符合治疗要求灵活合成波束进行动态化聚焦,形成相控效果,对病灶组织进行精准化治疗。作为一种安全无创的治疗手段,在子宫肌瘤治疗中有着广阔应用前景,能够针对性作用于病灶组织,促使病灶组织坏死,从而不损伤子宫和患者机体,达到治疗的目的,有显著优势。
参考文献:
[1]陈贝翼, 宁传龙, 张瑞, 等. 基于Chirp编码激励的微型介入式超声消融方法研究[J]. 影像科学与光化学, 2022, 40 (05): 997-1003.
[2]张彩. 聚焦超声消融乳腺纤维腺瘤的生物学效应及临床剂量学研究[D]. 重庆医科大学, 2022.
[3]李金华. 子宫腺肌病超声聚焦消融术后影响复发的相关因素[D]. 新疆医科大学, 2022.