黄 涛 轩辕凯* 柯 虎 王龙军 周 攀

高强度聚焦超声(high intensity focused ultrasound，HIFU)治疗仪是由单元换能器或多元换能器阵列构成的聚焦超声声源，发出的超声通过传声媒质后，以人体正常组织可接受的声强透过患者体表，将能量聚焦靶组织上，致其凝固性坏死(或瞬间灭活)的治疗系统[1-2]。目前，评估HIFU治疗系统声输出的安全性和有效性的方法主要基于:空间峰值时间平均声强(Ispta)的测量或-6dB波束面积内时间平均声强的空间平均(ISAL)的测量。

辐射力天平是将声吸收材料(声反射系数＜5%，声透射系数＜10%)的声靶放置在一个长方形托盘底部，内有25 mm深度的去气去离子水，整个托盘为350 g，被放置在一个600 g容量的平台上，精度为1 mg。

1 设备与方法

1.1 仪器设备

(1)HIFU治疗仪(美国ULTHER公司)。

(2)Sartorius LA 620S型辐射力天平(德国赛多利斯公司)。

1.2 测量方法

1.2.1 Ispta的测量

选用经过校准及标定的水听器，设置被测HIFU治疗系统的脉冲持续时间为尽量短(毫秒级或微秒级)，脉冲重复频率＜1 kHz，将水听器置于声压焦点位置，超声激励电压从小到大逐渐加至水听器可耐受的最大值，测得最大声压有效值Urms，max，Ispta的计算为公式1:

式中Urms，max声焦点出在脉冲持续时间内水听器输出电压的均方根值，V；ρ为水的密度，kg/m3；c为水中的声速，m/s；ML为水听器在声工作频率处的自由场电缆端有载灵敏度，V/Pa。

对于HIFU治疗系统，在满功率发射状态下，焦点处的Ispta可能高于上万W/cm2，而通用的水听器耐受值只有不到1500 W/cm2，HIFU治疗系统的行业标准仅要求Ispta＞1000 W/cm2，以确保测量设备的安全性，导致无法真实测出满功率发射状态下HIFU治疗系统的Ispta。

1.2.2 -6 dB波束面积内ISAL的测量

(1)用非线性度失真＜10%的水听器在声压焦平面内进行二维步距式栅格扫描。超声输出功率设置应以不损坏水听器为前提，扫描范围必须保证把相对于焦点声压-26 dB以上的点全部包括在内。-6 dB声束的面积内通过的声功率占超声输出总功率的比值(T)计算为公式2:

式中ni为大于焦点声压-6 dB点的数目；nj为大于焦点声压-26 dB点的数目；U为被测点处水听器输出电压值。

(2)按照GB/T19890-2005规定的方法测量出最大超声声辐射总功率Pmax[3]。-6dB波束面积内通过的声功率(P-6dB)计算为公式3:

(3)利用声压聚焦面积测试后得到的-6 dB声束的面积A-6dB，按公式4计算ISAL:

式中P-6dB为-6 dB声束面积内通过的声功率；A-6dB为声压焦平面内的-6 dB声束面积。

(4)-6dB波束面积内时间ISAL相对于Ispta更能真实的反映出HIFU治疗系统的声输出水平，为设备的治疗效果和安全风险控制提供参考。-6 dB波束面积内时间ISAL主要基于HIFU治疗系统最大超声声功率Pmax的测量。

1.2.3 输出功率的测量

目前测试超声声输出功率有水听器声场扫描法和声辐射力天平法两种方法。对于HIFU治疗系统，由于水听器无法耐受焦点处的最大强度，所以只能选用辐射力天平法测试HIFU治疗系统的超声输出总功率。

实验室通用的声辐射力天平(声功率计)是ONDA公司生产的RFB-2000型超声功率计[4-5]、Ohmic公司生产的UP-DT10声功率计(如图1、图2所示)。

测量量程分别为RFB-2000:1 mW～100 W；UP-DT10:2 mW～30 W；UP-DT10为锥形全反射靶，只能测试平面波或弱聚焦超声设备，RFB-2000虽配置了平面靶、吸收靶及刷形靶，但是对于一些超声路径短、强聚焦及结构特殊的HIFU治疗系统无法测试，如图3所示。

图1 UP-DT10功率计示图

图2 RFB-2000功率计示图

图3 HIFU治疗头示图

图3 的HIFU治疗系统配接的治疗头为焦聚深度在3～4 mm处，功率为30～45 W之间的强聚焦浅表治疗仪，UP-DT10由于量程和聚焦形式不满足测试要求，RFB-2000由于治疗头的结构，手柄太长，无法正常安装到水槽中，以确保换能器头端与靶的距离≤0.7倍的声压焦距。

基于以上原因，本研究利用LA620S分析天平(总量程620 g，分辨率1 mg)、Precision Acoustics生产的HAMA声吸收材料(声反射系数＜5%，声透射系数＜10%)，玻璃水槽搭建了一个声辐射力天平。将声吸收材料置于玻璃水槽中，注入脱气、去离子水，注意不要超出天平的量程范围，水的温度为24.6 ℃，对应的声速为1495.6 m/s，对应的声功率转换因子为14.65 W/g[6-7]。

2 HIFU治疗系统声输出功率的测量结果

为了确保测量的准确性，本研究用Precision Acoustics生产的E915标准声源做了不同频率、不同功率下的对比，以确保测量的可靠性。测试结果见表1。

表1 HIFU治疗系统声输出功率测试数据

表1中的测量结果显示，自制的辐射力天平装置与现行的辐射力天平测量误差在±10%以内，具备了良好的测量准确性。

在确保自制装置测量准确性的前提下，本研究用该装置对某一企业生产的高强度聚焦浅表皮肤治疗仪进行了测量。测试的具体安装如图4所示。

图4 测量平台安装示图

设备在满功率设置状态下，该设备的输出功率标称值为40 W，焦距为3.5 mm。一方面，为了确保声功率的测试在一个静态、脱气及去离子的近似自由场中测试；另一方面为了测量设备的安全性，调整了设备输出脉冲的能量，也即调整了脉冲输出的占空比，调整前后如图5所示。

图5 设备发射脉冲示图

图5 显示，在保证脉冲重复周期不变的前提下，将设备满功率发射状态下的脉冲发射持续时间由40 ms改变成4 ms，占空比为原来的十分之一[8-9]。设备的实际输出功率为:Pmax=0.287 g×14.65 W/g×(1/0.10)=42.04 W。

3 结语

本研究对HIFU治疗系统声输出功率的测量表明，基于高精度的分析天平和声吸收材料搭建的辐射力天平具有很高的测量可靠性，为一些结构特殊的大功率超声治疗仪，以及更高功率的HIFU治疗系统的声功率测试拓展了一个新的方向，具有较高的借鉴意义。