高強度聚焦超聲治療儀聲輸出功率的測試方法研究*

黃 濤 軒轅凱* 柯 虎 王龍軍 周 攀

高強度聚焦超聲(high intensity focused ultrasound，HIFU)治療儀是由單元換能器或多元換能器陣列構成的聚焦超聲聲源，發出的超聲通過傳聲媒質后，以人體正常組織可接受的聲強透過患者體表，將能量聚焦靶組織上，致其凝固性壞死(或瞬間滅活)的治療系統[1-2]。目前，評估HIFU治療系統聲輸出的安全性和有效性的方法主要基于:空間峰值時間平均聲強(Ispta)的測量或-6dB波束面積內時間平均聲強的空間平均(ISAL)的測量。

輻射力天平是將聲吸收材料(聲反射系數＜5%，聲透射系數＜10%)的聲靶放置在一個長方形托盤底部，內有25 mm深度的去氣去離子水，整個托盤為350 g，被放置在一個600 g容量的平臺上，精度為1 mg。

1 設備與方法

1.1 儀器設備

(1)HIFU治療儀(美國ULTHER公司)。

(2)Sartorius LA 620S型輻射力天平(德國賽多利斯公司)。

1.2 測量方法

1.2.1 Ispta的測量

選用經過校準及標定的水聽器，設置被測HIFU治療系統的脈沖持續時間為盡量短(毫秒級或微秒級)，脈沖重復頻率＜1 kHz，將水聽器置于聲壓焦點位置，超聲激勵電壓從小到大逐漸加至水聽器可耐受的最大值，測得最大聲壓有效值Urms，max，Ispta的計算為公式1:

式中Urms，max聲焦點出在脈沖持續時間內水聽器輸出電壓的均方根值，V；ρ為水的密度，kg/m3；c為水中的聲速，m/s；ML為水聽器在聲工作頻率處的自由場電纜端有載靈敏度，V/Pa。

對于HIFU治療系統，在滿功率發射狀態下，焦點處的Ispta可能高于上萬W/cm2，而通用的水聽器耐受值只有不到1500 W/cm2，HIFU治療系統的行業標準僅要求Ispta＞1000 W/cm2，以確保測量設備的安全性，導致無法真實測出滿功率發射狀態下HIFU治療系統的Ispta。

1.2.2 -6 dB波束面積內ISAL的測量

(1)用非線性度失真＜10%的水聽器在聲壓焦平面內進行二維步距式柵格掃描。超聲輸出功率設置應以不損壞水聽器為前提，掃描范圍必須保證把相對于焦點聲壓-26 dB以上的點全部包括在內。-6 dB聲束的面積內通過的聲功率占超聲輸出總功率的比值(T)計算為公式2:

式中ni為大于焦點聲壓-6 dB點的數目；nj為大于焦點聲壓-26 dB點的數目；U為被測點處水聽器輸出電壓值。

(2)按照GB/T19890-2005規定的方法測量出最大超聲聲輻射總功率Pmax[3]。-6dB波束面積內通過的聲功率(P-6dB)計算為公式3:

(3)利用聲壓聚焦面積測試后得到的-6 dB聲束的面積A-6dB，按公式4計算ISAL:

式中P-6dB為-6 dB聲束面積內通過的聲功率；A-6dB為聲壓焦平面內的-6 dB聲束面積。

(4)-6dB波束面積內時間ISAL相對于Ispta更能真實的反映出HIFU治療系統的聲輸出水平，為設備的治療效果和安全風險控制提供參考。-6 dB波束面積內時間ISAL主要基于HIFU治療系統最大超聲聲功率Pmax的測量。

1.2.3 輸出功率的測量

目前測試超聲聲輸出功率有水聽器聲場掃描法和聲輻射力天平法兩種方法。對于HIFU治療系統，由于水聽器無法耐受焦點處的最大強度，所以只能選用輻射力天平法測試HIFU治療系統的超聲輸出總功率。

實驗室通用的聲輻射力天平(聲功率計)是ONDA公司生產的RFB-2000型超聲功率計[4-5]、Ohmic公司生產的UP-DT10聲功率計(如圖1、圖2所示)。

測量量程分別為RFB-2000:1 mW～100 W；UP-DT10:2 mW～30 W；UP-DT10為錐形全反射靶，只能測試平面波或弱聚焦超聲設備，RFB-2000雖配置了平面靶、吸收靶及刷形靶，但是對于一些超聲路徑短、強聚焦及結構特殊的HIFU治療系統無法測試，如圖3所示。

圖1 UP-DT10功率計示圖

圖2 RFB-2000功率計示圖

圖3 HIFU治療頭示圖

圖3 的HIFU治療系統配接的治療頭為焦聚深度在3～4 mm處，功率為30～45 W之間的強聚焦淺表治療儀，UP-DT10由于量程和聚焦形式不滿足測試要求，RFB-2000由于治療頭的結構，手柄太長，無法正常安裝到水槽中，以確保換能器頭端與靶的距離≤0.7倍的聲壓焦距。

基于以上原因，本研究利用LA620S分析天平(總量程620 g，分辨率1 mg)、Precision Acoustics生產的HAMA聲吸收材料(聲反射系數＜5%，聲透射系數＜10%)，玻璃水槽搭建了一個聲輻射力天平。將聲吸收材料置于玻璃水槽中，注入脫氣、去離子水，注意不要超出天平的量程范圍，水的溫度為24.6 ℃，對應的聲速為1495.6 m/s，對應的聲功率轉換因子為14.65 W/g[6-7]。

2 HIFU治療系統聲輸出功率的測量結果

為了確保測量的準確性，本研究用Precision Acoustics生產的E915標準聲源做了不同頻率、不同功率下的對比，以確保測量的可靠性。測試結果見表1。

表1 HIFU治療系統聲輸出功率測試數據

表1中的測量結果顯示，自制的輻射力天平裝置與現行的輻射力天平測量誤差在±10%以內，具備了良好的測量準確性。

在確保自制裝置測量準確性的前提下，本研究用該裝置對某一企業生產的高強度聚焦淺表皮膚治療儀進行了測量。測試的具體安裝如圖4所示。

圖4 測量平臺安裝示圖

設備在滿功率設置狀態下，該設備的輸出功率標稱值為40 W，焦距為3.5 mm。一方面，為了確保聲功率的測試在一個靜態、脫氣及去離子的近似自由場中測試；另一方面為了測量設備的安全性，調整了設備輸出脈沖的能量，也即調整了脈沖輸出的占空比，調整前后如圖5所示。

圖5 設備發射脈沖示圖

圖5 顯示，在保證脈沖重復周期不變的前提下，將設備滿功率發射狀態下的脈沖發射持續時間由40 ms改變成4 ms，占空比為原來的十分之一[8-9]。設備的實際輸出功率為:Pmax=0.287 g×14.65 W/g×(1/0.10)=42.04 W。

3 結語

本研究對HIFU治療系統聲輸出功率的測量表明，基于高精度的分析天平和聲吸收材料搭建的輻射力天平具有很高的測量可靠性，為一些結構特殊的大功率超聲治療儀，以及更高功率的HIFU治療系統的聲功率測試拓展了一個新的方向，具有較高的借鑒意義。