王祥达 李 萍 郭 甲 李建霖 吕根品

（1、乳源瑶族自治县东阳光实业发展有限公司，广东 韶关512721 2、韶关东阳光自动化设备有限公司，广东 韶关512721）

高强度聚焦超声（HIFU）是一种蓬勃发展的微无创治疗方法，可用于治疗子宫肌瘤、前列腺癌、乳腺癌、肝癌、肾癌、胰腺癌和甲状腺癌、骨转移、原发性震颤和帕金森病等。典型的HIFU 系统采用球形弯曲换能器/作为治疗头。[1-3]治疗头一般包含单个、数十个或数百个阵元，可以在几何焦点周围实现高能沉积。[4]然而，这种换能器在远离其几何焦点的区域不能很好的聚焦，需要机械平移来完成较大范围的焦点调控，从而导致治疗时间相对较长。为了缩短治疗时间，可采用单元间距不超过半个波长的平面型相控阵实现全电子式的大范围聚焦控制，其可行性已经得到验证。[5]不过，这种具有不同焦点的平面阵列的聚焦超声场分布比具有固定几何焦点的球形换能器的空间聚焦超声场分布更为复杂。因此，研究平面阵列的空间聚焦性能具有重要意义。本文通过声场测试，对6144 单元全电子聚焦HIFU 相控阵的聚焦振幅和聚焦偏差的空间分布进行了实验研究。

1 6144 阵元平面型HIFU 相控阵

本文所测试的平面阵列由96 个平面型模块组成，如图1(a)所示。每个模块有8×8=64 个正方形阵元，如图1(b)所示。该阵列的发射超声频率f0=516 kHz，对应一般生物软组织中的波长约为λ=ct/f0=3mm，其中ct=1540m/s 为一般生物软组织中的声速。图1(a)中相邻模块中心点间距为14.1mm；图1(b)中相邻阵元中心点间距为1.5 mm，约为半个波长λ/2，每个阵元尺寸为1.35×1.35mm2。该阵列的相位和振幅均可单独控制。

图1

2 全电子聚焦方法

为了实现平面相控阵激发的超声波能够聚焦在选定的焦点处，就必须对每个阵元的超声发射相位进行调控。本文采用的聚焦方案是基于声线理论[6]对平面相控阵的每个阵元进行相位补偿。具体来说，对于平面相控阵上的每个阵元，其发射声压为：

其中，每个换能器单元的发射声压幅值统一是p0，发射声压初始相位是θ0n，下标n 代表平面阵列的第n 个阵元。

平面阵列发射超声聚焦的核心是每个发射的超声波在传播到选定的焦点处是的相位一致，形成线性叠加效应，从而实现超声聚焦。

如图1(a)所示，平面阵列表面位于xOy 平面上，阵列中心位于坐标原点，z 轴垂直于阵列表面并穿过阵列中心。对于阵列前方空间内选定的焦点F(xF, yF, zF)，为确保每个阵元在焦点F 处的相位一致性，根据声线理论，可计算每个阵元的相位补偿为：

其中，ω0=2πf0是角频率，(xn, yn,0)是第n 个阵元中心点的坐标，cm是超声传播介质的声速。对于本文的测试研究而言，cm即水中声速。

3 水听器测试装置和方案

本文针对平面阵列超声聚焦性能所使用的测试方法为水听器法[7]。测试实验的装置示意图如图2 所示。平面超声相控阵由安装在计算机2 中的治疗计划系统(TPS)通过控制系统进行相位和幅度调控。平面阵列通过除气水进行耦合。计算机1 通过步进电机控制针式水听器移动，从而实现不同位置的超声声场拾取测量，水听器接收到的信号通过示波器传输到计算机1进行记录保存，以便后续数据处理。

图2 水听器法测试平面阵列超声聚焦性能的装置示意图

待测超声聚焦区域为平面阵列正上方半径为90mm、高度为170mm 的圆柱体，且圆柱体的中心轴与阵列的z 轴重合，其底面在阵列上方30.0 mm 处。在被测区域，从圆柱体底面开始，在高度方向上每隔10 mm 设置一个被测平面。在每个被测平面上，以圆心为起点：方位角从0 °开始，每45 °画一条半径线，径向以半径分别为30、60、70、80、90 mm 的圆分开。所有测线的交点就是本文选定的待测超声焦点，如图3 所示。在TPS 上设置平面阵列统一以1 W 的声功率发射超声波，在选定的焦点位置进行电子聚焦。针式水听器捕捉选定的焦点周围的超声波信号。对于每个选定的焦点，焦点周围的最大电压峰峰值由水听器确定，并记录其相应的实际焦点坐标位置，以便进行后续的数据分析。

图3

4 测试结果

图4 给出了水听器在选定的焦点周围测得的最大电压峰峰值的三维分布图，也即实际焦点处的电压峰峰值三维分布图。其中，最大值约为Vpp,max=2.59 V，最小值约为Vpp,min=0.78 V。图4 显示，总体上，该平面阵列在其正上方中间且靠近z 轴附近的区域，聚焦超声强度更大；越靠近四周，聚焦超声强度则相对下降。

图4 焦点电压峰峰值三维分布图

图4 中电压峰峰值三维分布图所对应的实际焦点和选定焦点的位置的三位分布对比如图5(a)所示：蓝色圆圈代表图3中的选定焦点，橙色五星则代表实际焦点。图5(a)显示，实际焦点与选定焦点的位置具有较好的重合度，一致性较好。实际焦点与选定焦点之间的量化聚焦偏差如图5(b)所示。其中，最大聚焦偏差约为Dmax=4.41mm。图5(b)显示，总体上，该平面阵列在其正上方中间且靠近z 轴附近的区域，聚焦偏差更小；越靠近四周，聚焦偏差则相对增大。

图5

5 结论

利用水听器法对6144 阵元平面型HIFU 相控阵的全电子式超声聚焦性能的测试结果表明：在平面阵列正上方半径为90mm、高度为170mm 的圆柱体被测区域内，基于声线理论对初始相位进行补偿后，最大聚焦偏差为4.41mm，整体上聚焦偏差不大，聚焦精度较好；最大和最小电压峰峰值分别为2.59V 和0.78V，聚焦超声强度分布的影响有待进一步分析。总体上，该相控阵具有较好的全电子超声聚焦性能。