多頻HIFU經(jīng)顱聚焦相控換能器及驅(qū)動電路的研究

發(fā)布時間：2020-09-03 10:21

　　高強度聚焦超聲(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)憑借其無創(chuàng)/微創(chuàng)、可重復(fù)施治等優(yōu)勢而被應(yīng)用于乳腺癌、前列腺癌、子宮肌瘤等實體軟組織腫瘤的臨床治療。而在經(jīng)顱治療過程中,由于顱骨的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且聲速、聲阻抗與周邊軟組織差異較大,導(dǎo)致經(jīng)顱聚焦后的聲場產(chǎn)生嚴重畸變,這些畸變可能導(dǎo)致焦點位置偏移、焦域能量不足、顱骨處熱量沉積等臨床問題的發(fā)生。近些年在HIFU治療設(shè)備輸出功率有限的條件下提高超聲相控陣換能器的聚焦性能,以及通過提高系統(tǒng)集成度縮小系統(tǒng)體積并降低延時誤差的方法的研究成為眾多研究者關(guān)注的熱點之一。目的HIFU經(jīng)顱治療過程中,由于顱骨對超聲波的強衰減性和顱骨結(jié)構(gòu)、密度的高度非均一性導(dǎo)致不同方位上換能器陣元發(fā)出的超聲束經(jīng)顱骨傳播后其衰減程度不同,各方位的超聲束到達焦域的能量差異較大,最終導(dǎo)致HIFU經(jīng)顱聚焦所形成焦域處的溫度較低而達不到治療目的。近些年提出的多頻超聲激勵可在輸入功率及輻照時間一定的條件下提高焦域溫度。本文以82陣元隨機分布相控換能器為例研究多頻分區(qū)激勵中頻率分區(qū)數(shù)目及不同分區(qū)之間的頻率差對HIFU焦域的影響,篩選可提高聚焦效率的陣元分區(qū)方法和對應(yīng)的最佳工作頻率組合,實現(xiàn)不同區(qū)域陣元采用不同工作頻率的相控換能器的設(shè)計。在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上,設(shè)計并制作多陣元相控換能器相位控制和驅(qū)動電路,通過提高系統(tǒng)集成度縮小系統(tǒng)體積并降低延時誤差,為實現(xiàn)相位控制和驅(qū)動系統(tǒng)的小型化提供技術(shù)方法和理論參考。方法利用志愿者頭顱CT掃描數(shù)據(jù)建立HIFU開顱/經(jīng)顱數(shù)值仿真模型;基于時間反轉(zhuǎn)的數(shù)值擬合或自相關(guān)互相關(guān)法獲取換能器陣元的激勵信號;在GPU并行運算平臺上(容天SCS4450)利用CUDA C語言FDTD數(shù)值解析Westervelt聲波非線性傳播方程和Pennes生物熱傳導(dǎo)方程數(shù)值仿真HIFU開顱/經(jīng)顱聚焦的溫度場,研究82陣元隨機分布相控換能器多頻分區(qū)激勵中頻率分區(qū)數(shù)目及不同分區(qū)之間的頻率差對HIFU焦域的影響,篩選可提高聚焦效率的陣元分區(qū)方法和對應(yīng)的最佳工作頻率組合,實現(xiàn)不同區(qū)域陣元采用不同工作頻率的相控換能器的設(shè)計。在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上,基于FPGA主控芯片、高速DA、集成驅(qū)動放大器,結(jié)合Labview圖形化編程軟件、quartus II可編程邏輯器件設(shè)計軟件、ModelSim仿真軟件、Altium Designer PCB設(shè)計軟件對相控陣換能器相位控制和驅(qū)動系統(tǒng)中的Labview用戶界面、相位控制電路和陣元驅(qū)動電路進行設(shè)計與印制電路板實現(xiàn);完成相位控制和驅(qū)動系統(tǒng)搭建并通過實驗對所設(shè)計系統(tǒng)的相位分辨率、延時誤差和諧波特性進行評估。結(jié)果1.開顱狀態(tài)下多頻HIFU相控換能器溫度場的數(shù)值仿真(1)當相鄰區(qū)間的頻率差大于等于0.025MHz時,雙頻、三頻和四頻激勵均滿足多頻激勵的焦域溫度高于單頻,且焦域最高溫度隨著相鄰區(qū)間頻率差的增大先降低后升高;五頻激勵時不滿足多頻激勵的焦域溫度高于單頻。(2)當分區(qū)數(shù)目大于2時,隨著分區(qū)數(shù)目的增加,HIFU聚焦性能(焦域溫度、可治療焦域體積等)并未得到提高,0.7MHz+0.725MHz雙頻激勵的聚焦效果最佳。2.多頻HIFU經(jīng)顱聚焦相控換能器溫度場的數(shù)值仿真(1)隨著雙頻之間頻率差的增大,焦域最高溫度先升高后降低,顱骨處最高溫度緩慢升高,綜合考慮焦域及顱骨處溫度,選取激勵頻率為0.7MHz和0.75MHz的雙頻組合時聚焦效果最好。(2)0.7MHz+0.75MHz雙頻激勵時,在焦域最高溫度和治療時間一定的條件下,雙頻激勵所需輸入功率低于單頻激勵,而可治療焦域體積大于單頻激勵;在焦域最高溫度和輸入功率一定的條件下,雙頻激勵所需治療時間短于單頻激勵,而可治療焦域體積比單頻激勵時增大。3.相控換能器相位控制和驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)(1)基于FPGA主控芯片EP4CE30F23C8N、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD9744和差分放大器AD8047設(shè)計的相位控制電路可穩(wěn)定輸出多路頻率為1MHz、相位分辨率為2ns的正弦波。(2)基于ADA4870集成驅(qū)動放大器設(shè)計的陣元驅(qū)動電路可輸出峰峰值為36.2V且無高次諧波的正弦信號,電路延時誤差小于1ns;此外為了防止功率過高損壞換能器陣元,驅(qū)動電路中設(shè)計了使能開關(guān)以及過熱自動斷電并報警的功能。(3)基于Labview圖形化編程軟件設(shè)計的HIFU相位控制和驅(qū)動系統(tǒng)用戶程序可實現(xiàn)各陣元延時數(shù)據(jù)文本文檔導(dǎo)入,同時可根據(jù)實驗的需求在PC端用戶界面上直接對延時數(shù)據(jù)進行調(diào)整。結(jié)論1.多頻激勵的聚焦性能優(yōu)于單頻激勵,且雙頻激勵的聚焦效果最好。2.雙頻激勵時,開顱與經(jīng)顱模型對應(yīng)的最佳頻率組合是不同的。在該頻率組合下,聚焦形成的焦域溫度最高(輸入聲功率與輻照時間一定)、組織消融所需輸入功率最小且可治療焦域體積最大(焦域最高溫度與輻照時間一定)、所需治療時間最短且可治療焦域體積最大(焦域最高溫度與輸入功率一定)。3.采用集成驅(qū)動放大器實現(xiàn)功率放大可縮小系統(tǒng)體積并降低延時誤差,且輸出正弦波中無高次諧波分量。
【學位單位】：天津醫(yī)科大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：R730.5;R318
【部分圖文】：

元胞,直角坐標系,分布角,直角

圖 1.1 直角坐標系下的三維空間計算元胞分布角坐標系下的三維空間計算元胞分布，在該直角坐如下式：2 22 = i j k i j kx y z x y z x y 2 p為：2 2 222 2 2p p ppx y z 1.3 中各微分項分別進行中心差分運算的表達式如22 2( 1, , ) 2 ( , , ) ( 1, , )( )n n np p i j k p i j k p i j kx dx 22 2( , 1, ) 2 ( , , ) ( , 1, )( )n n np p i j k p i j k p i j ky dy

示意圖,開顱,數(shù)值仿真,狀態(tài)

醫(yī)科大學碩士學位論文二、開顱狀態(tài)下多頻 HIFU 相控換能器溫度場的數(shù)值二、開顱狀態(tài)下多頻 HIFU 相控換能器溫度場的數(shù)值仿真1 數(shù)值仿真模型由 82 陣元隨機分布相控換能器、水和腦組織構(gòu)成的開顱狀態(tài)下聲窗處無值仿真模型如圖 2.1 所示，圖 2.2 為相應(yīng)的陣元編號示意圖。球冠狀換能曲率半徑 80mm、開口直徑 100mm、F 值(曲率半徑/開口直徑)0.8，82 陣元8mm）隨機分布的條件為相鄰陣元的中心間距大于等于 8.7mm，陣元填48%，第一至第四象限上分別分布有 21、21、20 和 20 個陣元；數(shù)值仿真區(qū) 100mm 的正方體；FDTD 數(shù)值仿真的時間步距 dt 為 10ns，三維空間步距和 dz 均為 0.25mm；模型邊界可采用 Mur 一階邊界吸收條件進行處理。

示意圖,換能器陣,示意圖,數(shù)值仿真