双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法

摘要

本发明公开了一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，包括以下步骤：S1：分别在目标焦点F1、F2处设置正弦波点声源，基于时间反转法分别获取F1、F2处的激励信号；S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下同时实现F1、F2聚焦；S3：在一个周期内改变△t的取值进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场接近平台式分布的△t；S4：在保证总输入功率不变的条件下，针对目标焦点F1、F2的温度极大值调控激励信号幅值，并归纳出开颅和经颅两种状态下不同的幅值调控系数M计算公式，根据公式所得结果重新调整换能器阵元激励信号进行聚焦。本发明可分别实现开颅和经颅状态下聚焦温度场呈平台式分布，同时可改变焦域大小，提高消融速率。

权利要求

1.一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源，其中，0

15.0mm

S0(t)＝I0sin(ωt)……………………………………………公式(1)，基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为

其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；

基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为

其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；

S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为其中， 为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；

S3：在一个周期内改变Δt进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的Δt值；

S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦点F1、F2处的两个温度极大值T1、T2对激励信号幅值进行调控，幅值调制后的激励信号为Si(t)＝(1-M)S1i(t-Δt)+MS2i(t)…………………………公式(5)，其中，激励信号幅值调控系数

T0为媒质初始温度。

2.根据权利要求1所述的一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，在 这一个周期内调整S1i(t)和S2i(t)两个信号的相对触发延迟时间；幅值调控时，在功率不变的条件下，只需重新分配阵元激励信号幅值。

3.一种双激励信号叠加调控经颅聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源，其中，0

15.0mm

S0(t)＝I0sin(ωt)……………………………………………公式(1)，基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为

其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；

基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为

其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；

S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为其中， 为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；

S3：在一个周期内改变Δt进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的Δt值；

S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦点F1、F2处的两个温度极大值T1、T2对激励信号幅值进行调控，幅值调制后的激励信号为Si(t)＝(1-M)S1i(t-Δt)+MS2i(t)…………………………公式(5)，其中，激励信号幅值调控系数

F1位于F2靠近换能器一侧时取‘+’，F1位于F2远离换能器一侧时取‘-’； 为声窗内颅骨的平均厚度， 为声窗内平均衰减系数，ΔzT为T1、T2在声轴上的距离，T0为媒质初始温度。

4.根据权利要求3所述的一种双激励信号叠加调控经颅聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，其特征在于，在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，在 这一个周期内调整S1i(t)和S2i(t)两个信号的相对触发延迟时间；幅值调控时，在功率不变的条件下，只需重新分配阵元激励信号幅值。

说明书

双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超声波疗法，具体是一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法。

背景技术

[0002] 高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)作为一种新兴的肿瘤治疗技术以其非侵入性、无毒副作用和可重复施治等特性已成功应用于子宫肌瘤、乳腺癌、前列腺癌和肝癌等实体软组织肿瘤的临床治疗。对于有颅骨包裹的脑肿瘤治疗而言，由于颅骨的密度、声速等与软组织相差较大，且对超声波的衰减和吸收较强，在早些年的研究中需要去除一部分颅骨以便超声波进入脑部。随着换能器相控阵技术的发展研究者们利用电子相控技术实现了HIFU经颅骨传播，1996年Fink等人引入时间反转技术实现了HIFU经颅骨聚焦；1998年Hynynen等人利用水听器记录聚焦超声换能器各阵元经离体人颅骨传播的声波信号并进行相位校正，重新触发换能器在颅骨后方的兔脑组织内形成了凝固性坏死。

[0003] 近年来，研究者通过医学图像获取颅骨的结构及参数信息，建立HIFU经颅的数值仿真模型并进行相关数值仿真研究。1998年Sun和Hynynen利用MRI图像获取颅骨结构信息，建立模型并采用相位共轭方法仿真实现HIFU经颅聚焦。2003年Abury等人利用离体颅骨CT图像数据计算颅骨声学参数，数值仿真相控换能器经颅聚焦的激励信号及HIFU声压场，得到与离体实验一致的结果；2004年Pernot等人利用CT图像建立了三维仿真模型计算HIFU温度场，与实测的颅骨表面温度接近；2009年Marquet等基于离体人体颅骨CT扫描数据，利用时间反转技术对离体猴头骨和干燥人颅骨进行了HIFU经颅聚焦仿真研究并通过离体实验进行了验证，表明无创经颅聚焦治疗是可行的。为了降低颅骨处声压和温度避免颅骨及周围组织的烫伤，2000年Clement仿真研究了半球形相控换能器的经颅声压场，结果表明半球形相控换能器可以最大化颅骨表面的声束透过面积，降低颅骨中的热沉积；2012年Matsumoto等提出热点消除算法，一定程度解决了球冠状换能器治疗浅表肿瘤颅骨处热点沉积的问题；2013年Narumi等利用时间反转方法结合相关处理对换能器激励信号进行相位校正和幅值补偿，使超声波能量更有效的穿透仿骨体膜聚焦到目标区域；2015年Ding等人基于时间反转方法提出换能器相位调制和幅值补偿结合颅骨处热点消除的方法，在降低颅骨处温度的同时使得目标区域的温度得到了提升。

[0004] 2010年McDannold等人利用ExAblate 3000治疗系统对三位胶质瘤患者进行临床治疗试验，但由于设备功率的限制，三位患者颅内靶区未形成凝固性坏死；2012年Jeanmomod等人利用ExAblate 4000系统对12位慢性神经痛患者进行临床治疗试验，结果表明大部分患者得到了缓解，一位患者术后及术后48小时均在颅内检测到8-10mm的出血点；2013年Elisa等人利用MRI引导的聚焦超声对15名震颤患者进行治疗，结果显示所有病人丘脑部分都产生了热损伤，震颤患者得到缓解，但在四名患者身上出现了持续性感觉异常等副作用；2014年Chang等人利用ExAblate 4000系统对11位震颤患者进行除颤治疗，其中8名患者完成了治疗且在6个月后震颤症状都有缓解，而其他三名患者由于目标区域最高温度低于42℃未达到治疗目的；2014年Coluccia等人利用MRI引导的HIFU经颅治疗系统对一位
63岁的胶质瘤患者进行治疗试验，部分消融了颅内肿瘤且未引发并发症。

[0005] HIFU治疗过程中温度的控制直接影响治疗效果，治疗温度过高可能引发严重的后遗症甚至可能危及患者生命，治疗温度偏低又没有效果。HIFU单次辐照形成的焦域温度梯度较大，焦域中心温度较高，容易形成高热副作用。为了控制HIFU治疗区域内的能量沉积，1989年Ebbini等人利用伪逆矩阵方法在四个目标位置分别产生了声强相等的焦点；2013年Partanen等人在HIFU温热疗法中利用单次多焦点辐照降低峰值声压并控制治疗区域形状；
2000年Salomir等人将HIFU辐照轨迹设定为双螺旋线得到了温度分布均匀的一个大的治疗区域；2013年Zhou YF仿真优化了辐照路径、辐照间隔使得目标消融区域能量分布更均匀。
上述专家虽然通过开颅的方法解决了颅骨处能量沉积问题，但未对治疗时间长和焦域处温升过高可能引发脑组织出血问题进行研究讨论，同时也未对经颅状态及双激励信号叠加的方法进行研究。

发明内容

[0006] 本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法。

[0007] 本发明所采取的技术方案是：

[0008] 一种双激励信号叠加调控聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，包括以下步骤：

[0009] S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源[0010] S0(t)＝I0sin(ωt).........................................公式(1)，[0011] 基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为

[0012]

[0013] 其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；

[0014] 基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为

[0015]

[0016] 其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；

[0017] S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为

[0018]

[0019] 其中， 为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；

[0020] S3：在一个周期内改变△t进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的△t值；

[0021] S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦点F1、F2处的两个温度极大值T1、T2对激励信号幅值进行调控，幅值调制后的激励信号为

[0022] Si(t)＝(1-M)S1i(t-△t)+MS2i(t)............................公式(5)，[0023] 其中，激励信号幅值调控系数

[0024]

[0025] T0为媒质初始温度。

[0026] 在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，在 这一个周期内调整S1i(t)和S2i(t)两个信号的相对触发延迟时间；幅值调控时，在功率不变的条件下，只需重新分配阵元激励信号幅值。

[0027] 一种双激励信号叠加调控经颅聚焦超声焦域平台式温度分布的方法，包括以下步骤：

[0028] S1：在目标焦点F1处、与F1距离L的目标焦点F2处分别设置正弦波点声源[0029] S0(t)＝I0sin(ωt)........................................公式(1)，[0030] 基于时间反转法获取聚焦于F1的激励信号为

[0031]

[0032] 其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I1i为换能器各阵元输入声强；

[0033] 基于时间反转法获取聚焦于F2的激励信号为

[0034]

[0035] 其中， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，I2i为换能器各阵元输入声强；

[0036] S2：在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，将分别聚焦于F1、F2处时获取的激励信号进行叠加同时实现F1、F2处聚焦，阵元激励信号为

[0037]

[0038] 其中， 为S1i(t)相对于S2i(t)触发的延迟时间，f为换能器阵元激励信号频率；

[0039] S3：在一个周期内改变△t进行聚焦，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的△t值；

[0040] S4：在输入总功率不变的前提下，利用目标焦点F1、F2处的两个温度极大值T1、T2对激励信号幅值进行调控，幅值调制后的激励信号为

[0041] Si(t)＝(1-M)S1i(t-△t)+MS2i(t)..............................公式(5)，[0042] 其中，激励信号幅值调控系数

[0043]

[0044] F1位于F2靠近换能器一侧时取‘+’，F1位于F2远离换能器一侧时取‘-’； 为声窗内颅骨的平均厚度， 为声窗内平均衰减系数，ΔzT为T1、T2在声轴上的距离，T0为媒质初始温度。

[0045] 在保证与单焦点聚焦时功率不变的条件下，在 这一个周期内调整S1i(t)和S2i(t)两个信号的相对触发延迟时间；幅值调控时，在功率不变的条件下，只需重新分配阵元激励信号幅值。

[0046] 本发明具有的优点和积极效果是：

[0047] a.本发明可分别实现开颅和经颅两种状态下聚焦焦域温度场呈平台式温度分布，避免了焦域某处温度过高或过低的现象，使靶区焦域温度分布更加均匀。

[0048] b.本发明通过信号叠加相控方法，使开颅和经颅两种状态下焦域内热量沉积梯度平缓，大大增加了HIFU治疗过程中对焦域温度的可控性。

[0049] c.本发明可分别实现开颅和经颅两种状态下，通过对两激励信号的相对触发延迟时间的调整，根据本发明中所得的两种状态的幅值调制系数M对两激励信号的幅值大小进行调控，实现了HIFU治疗过程中焦域大小的改变，并且在与单焦点聚焦功率保持一致的前提下增大了单次辐照的焦域损伤体积。

[0050] d.本发明可分别实现开颅和经颅两种状态下，通过对两激励信号的相对触发延迟时间的调整，根据本发明中所得的两种状态的幅值调制系数M对两激励信号的幅值大小进行调控，与单焦点聚焦相比，在保持总功率不变的前提下加快了消融速率，提高了HIFU治疗效率，在临床HIFU治疗中可大大减轻患者因长时间治疗带来的痛苦并减少并发症的出现。

附图说明

[0051] 图1是本发明的HIFU脑肿瘤治疗的数值仿真模型图(图1(A)为开颅状态下的数值仿真模型图，图1(B)为经颅状态下的数值仿真模型图)；

[0052] 图2是本发明两个目标焦点空间位置示意图；

[0053] 图3是本发明不同时间延迟(△t＝0-1400ns)时形成的温度分布图；

[0054] 图4是本发明不同时间延迟(△t＝0-1400ns)时声轴上的温度分布曲线图；

[0055] 图5是本发明焦域最高温度、长短轴长度及等效热剂量90min以上可治疗焦域体积与消融速率随△t的变化曲线图；

[0056] 图6是本发明焦域内峰值温度达到65℃时的可治疗焦域长短轴长度、体积及辐照时间、消融速率随△t的变化曲线图；

[0057] 图7是本发明不同L时形成的温度分布图；

[0058] 图8是本发明不同L时声轴声轴上的温度分布曲线图；

[0059] 图9是本发明L取不同值时最高温度达到65℃的所需辐照时间及能否形成一个连续焦域随△t的变化图('o'表示形成一个连续焦域，'×'表示形成两个焦域)；

[0060] 图10是本发明不同M时的焦域温度分布及声轴上的温度曲线图；

[0061] 图11是本发明|T1-T2|≤0.05℃时的M随△t的变化曲线图；

[0062] 图12是本发明M＝0.5时双峰之间的距离ΔzT随△t的变化曲线及调节M后ΔT随ΔzT的变化曲线图；

[0063] 图13是本发明在图12条件下形成的平台式温度分布图、声轴温度曲线及过温度最高点的y轴温度曲线图；

[0064] 图14是本发明经颅聚焦|T1-T2|≤0.05℃时的M随△t的变化曲线图；

[0065] 图15是本发明经颅聚焦M＝0.5时双峰之间的距离ΔzT随△t的变化曲线及调节M后ΔTm随ΔzT的变化曲线；

[0066] 图16是本发明在图15条件下形成的经颅聚焦平台式温度分布、声轴温度曲线及过温度最高点的y轴温度曲线图；

[0067] 图17是本发明不同L条件下经颅聚焦得到平台式温度分布时可治疗焦域体积及消融速率随△t变化图；

[0068] 图18是本发明经颅聚焦得到平台式分布最高温度达到65℃时可治疗焦域及消融速率与单焦点聚焦的比较图；

[0069] 图19是本发明不同时间焦域最高温度随△t的变化曲线图；

[0070] 图20是本发明目标焦点垂直于声轴设定时形成的温度分布图；

[0071] 图21是本发明经颅聚焦颅骨内表面距离换能器底部50mm、|T1-T2|≤0.05℃时的M随Δt的变化曲线图；

[0072] 图22是本发明的方法流程图。

[0073] 其中：1.脑组织；2.水；3.凹球面82阵元随机分布相控阵列超声换能器；4.颅骨。

具体实施方式

[0074] 以下结合附图和实例对本发明的技术方案作进一步说明描述。

[0075] 1.试验方法

[0076] 1.1仿真模型

[0077] 图1为从头顶垂直入射的HIFU脑肿瘤治疗的数值仿真模型，其中图1(A)为由换能器、水及脑组织构成的开颅状态下声窗处无颅骨的数值仿真模型；图1(B)为由换能器、水、颅骨和脑组织构成的HIFU经颅治疗时的仿真模型；换能器内表面与脑组织表面在声轴上的距离为55mm；换能器为曲率半径80mm、开口直径100mm、阵元直径8mm、激励频率为0.7MHz的82阵元随机分布的球冠状相控换能器。换能器的声轴为z轴；数值仿真区域为边长100mm的正方体。

[0078] 1.2阵元激励信号的相位调控

[0079] 如图2所示，在治疗靶区内设置距离为L的F1和F2两个目标焦点位置，在F1处设置点声源S0(t)＝I0sin(ωt)，获得换能器各阵元上的声压信号，并经时间反转法处理后得到聚焦于F1的阵元激励信号为 其中I1i为换能器各阵元激励信号声强， 为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号。同理在F2处设定点声源S0(t)＝I0sin(ωt)，获得聚焦于F2处的激励信号为 同时实现F1、F2处聚焦的阵元
激励信号为 △t为S1i(t)相对于S2i
(t)触发的时间延迟，M为激励信号幅值调控系数。

[0080] 2.结果

[0081] 2.1开颅状态

[0082] 2.1.1时间延迟△t对焦域的调控

[0083] 以图1(A)所示模型为例，F1和F1的位置分别设定为F1(0,0,65)、F2(0,0,75)(L＝10mm)时，在输入声强I0＝1W/cm2、M＝0.5、辐照时间t＝6s的条件下，△t在一个激励信号周期内变化时形成的温度场分布如图3所示，图4为与图3对应的声轴上的温度曲线，图4(A)中△t＝0～800ns，图4(B)中△t＝800～1400ns。由图3、4可知，当△t＝0时形成两个55℃以上的焦域，声轴温度曲线上存在两个温度最大的峰值，在两峰值之间形成一个温度较低的低谷。△t＝200-800ns时形成一个焦域，声轴上的温度曲线为单峰分布，当△t＝200ns时焦域内的温度梯度较小，温度分布较均匀。△t>800ns时形成双焦域，声轴温度呈双峰分布。

[0084] 图5为△t在200-800ns的范围内声轴温度曲线上有一个峰值时，焦域最高温度、55℃以上焦域长轴(z方向)、短轴(x、y轴方向)长度及等效热剂量90min以上的治疗焦域体积和消融速率随△t的变化曲线，其中，图5(A)为峰值温度及焦域长、短轴长度随△t的变化曲线，图5(B)为可治疗焦域体积、消融速率随△t的变化曲线。由图5(A)可知，在△t＝200-500ns范围内焦域峰值温度随着△t的增大由57.3℃升高到65.0℃，在△t＝500-800ns范围内峰值温度随着△t的增大降低到58.5℃；长轴长度随着△t的增加由10.00mm缩短为
5.25mm，短轴长度几乎不变；由图5(B)可知，在△t＝300ns时治疗焦域体积最大为
16.05mm3，随着△t增大，治疗焦域体积逐渐减小，△t＝800ns时最小焦域体积为4.84mm3；消融速率与治疗焦域体积的变化趋势相一致。

[0085] 图6所示为△t在200-800ns的范围内最高温度达到65℃时的辐照时间、可治疗焦域体积、长、短轴长度及消融速率随△t的变化曲线图，其中，图6(A)可治疗焦域长短轴长度、体积随△t的变化曲线图，图6(B)辐照时间、消融速率随△t的变化曲线图。由图6(A)可知，当△t＝200ns时治疗焦域体积最大为34.28mm3，长短轴长度最大分别为14.00mm、2.25mm，随着△t的增大治疗焦域体积和长短轴长度均开始减小，△t>600ns时略有增加；长轴长度变化较大，短轴长度变化不明显。由图6(B)可知，△t＝200ns时消融速率最大为
4.40mm3/s，其随着△t的增大而逐渐减小；最高温度达到65℃所需辐照时间随△t的增大先减小后增大。

[0086] 2.1.2L对焦域的影响

[0087] 将F2固定，F1相对于向F2靠近换能器一侧调节时F1与F2之间的距离L设定为Lnear，F1位于F2远离换能器一侧时设定为Lfar，在△t＝200ns的条件下辐照声强I0＝1W/cm2，辐照时间t＝6s时的温度分布如图7所示，图8为与图7对应声轴温度曲线。

[0088] 由图7、8可知当Lnear为7.5mm～15.0mm时，声轴温度曲线上由一个峰值逐渐变为两个峰值，且温度峰值与谷值之间的差值随Lnear增大而增大；Lfar为7.5mm～15.0mm时，温度峰值逐渐减小，当Lfar＝15.0mm时，温度曲线上出现两个温度峰值。

[0089] 在不同L和一个周期内调控△t的条件下，当最高温度达到65℃停止辐照时可否形成一个焦域及辐照时间如图9所示，其中，图9(A)Lnear＝2.5～7.5mm，图9(B)Lnear＝10.0～15.0mm，图9(C)Lfar＝2.5～7.5mm，图9(D)Lfar＝10.0～15.0mm，'o'表示形成一个连续焦域，'×'表示形成两个焦域。由图9可知，当L<＝12.5mm时，通过△t的调控可实现一个焦域的聚焦，且L越小可实现一个焦域聚焦的△t的范围越大；当L>＝15.0mm时，通过调节△t无法实现一个焦域聚焦。

[0090] 2.1.3平台式温度分布的调控

[0091] 图10为不同M时的焦域温度分布及声轴上的温度曲线图。图10(A)为Lfar＝10.0mm、△t＝700ns、M＝0.50的条件下最高温度达到65℃时形成的温度分布图，图10(B)的虚线为对应声轴温度曲线，声轴温度曲线上有两个相距ΔzT的温度峰值T1、T2，且与温度低谷之间的温度起伏ΔT约为17.7℃。为了调控焦域形成温度起伏更小的平台式温度分布，在这里当M＝0.38时形成如图10(C)所示的温度分布，对应声轴温度曲线如图10(B)黑色实线所示，ΔT为5.2℃。

[0092] 最高温度达到65℃时|T1-T2|≤0.05℃的M随△t的变化曲线如图11黑色点线所示，灰色点线为利用式 得到的计算值，由图11可知，M的实际值与理论计算值基本一致，使T1、T2近似相等的幅值调控系数M可由式 通过
调控前两温度峰值预测。

[0093] M＝0.5时ΔzT随△t的变化趋势如图12(A)所示，调控M值后ΔT随ΔzT的变化如图12 (B)所示，ΔT随ΔzT的变化可拟合关系曲线为(拟合度0 .9413) ：

[0094] 若将ΔT≤1℃作为平台式分布的条件，则根据式 计算得ΔzT≤8.00mm，对照图12(A)可知调控成平台式温度分布的△t的范围为50ns≤△t≤
150ns，图13为在该条件下形成的平台式温度分布图，其中，图13(A)焦域温度分布图，图13(B)声轴上的温度分布曲线图，图13(C)过温度最高点的y轴方向温度分布曲线图。

[0095] 2.2经颅焦域温度分布的调控

[0096] 2.2.1平台温度的调控

[0097] 基于图1(B)所示HIFU经颅聚焦模型，以Lfar＝10.0mm为例，△t在一个声波周期内使得最高温度达到65℃时|T1-T2|≤0.05℃的M随△t的变化曲线如图14实线所示；当考虑声窗处颅骨的平均厚度 及平均衰减系数 的影响时，采用式(Lnear取‘+’，Lfar取‘-’)计算阵元激励信号
幅值调控系数M，计算值如图14方块实线所示，由图14可知，考虑了颅骨的影响后式(Lnear取‘+’，Lfar取‘-’)的计算值与仿真值
相一致。

[0098] M＝0.5时ΔzT随△t的变化趋势如图15(A)所示，调控M值后ΔT随ΔzT的变化如图15(B)所示，ΔT随ΔzT的变化可拟合关系曲线为(拟合度0.9782)：

[0099] 若将ΔT≤1℃当做平台式分布的条件，根据式 计算得ΔzT≤6.47mm，再对照图15(A)可知调控成平台式温度分布的△t的范围为0≤△t≤200ns及
1200ns≤△t≤1400ns，图16为在此条件下的平台式温度场分布，颅骨处温度均不超过43℃。

[0100] 2.2.2L不同时平台温度的调控

[0101] 当焦域最高温度达到65℃，颅骨处温度不超过43℃，可以调控得到平台式温度分布的L的取值、不同L取值时在一个周期内△t的调控范围及得到平台式温度分布时等效热剂量90min以上可治疗焦域体积及消融速率如图17所示，其中，图17(A)可治疗焦域体积随△t变化图，图17(B)消融速率随△t变化图，圆点表示L＝Lfar，正方形表示L＝Lnear。由图17可知，L＝Lnear时可调控呈平台式温度分布的△t的范围较小；L＝Lfar时随着Lfar增大，可以得到平台式温度分布的△t的范围减小。由图17(A)可知，在同一L条件下焦域体积随△t的变化而发生改变；在同一△t条件下，焦域体积随L增大而增大。由图17(B)可知消融速率受△t影响较大，在不同L，同一△t条件下消融速率变化不大。

[0102] HIFU治疗时通过改变辐照功率或辐照时间改变焦域温度分布及治疗焦域体积易引发浅部正常组织的伤害。本发明在辐照功率、辐照时间一定的前提下设置距离为某一定值的双焦点，通过调控两个设置焦点激励信号的时间差实现对温度分布及治疗焦域长轴长度和体积的调控。本调控方法利用距离一定的双目标聚焦位置设置两个点声源并获取阵元激励信号的方法，通过双信号叠加激励换能器阵元并调控激励信号延迟时间和幅值大小，实现两个焦域的融合以及对焦域温度分布、治疗焦域的长轴长度和体积的调控。同时，通过焦域均匀温度分布的调控，使单次HIFU辐照治疗体积和消融速率得到提高(如图18，图18(A)可治疗焦域体积比较，黑色虚线表示F1和F2处分别聚焦形成的可治疗焦域体积和；图18(B)消融速率比较，黑色点虚线表示F1和F2处分别聚焦的平均消融速率)，可缩短治疗时间。调控两列激励信号的时间差相当于调控这两列信号的相对相位，并未改变其频率，因而该时间差对温度场的调控呈周期性变化且周期与激励信号周期一致(图19)。

[0103] 为有效增大治疗效率Hynynen等利用相控换能器进行单次多焦点辐照，并提出HIFU治疗的理想焦域应该是在焦域内有均一的剂量分布；2000年Salomir等人将HIFU利用单焦点按照双螺旋线轨迹辐照仿组织体膜和肉组织得到了温度分布均匀的一个大的治疗区域；2013年Zhou YF针对肝组织仿真优化了辐照路径、辐照间隔使得目标消融区域功率分布更均匀。本发明采用两个激励信号叠加的方法并通过调控两个激励信号间时间延迟和幅值实现单次辐照的焦域温度均匀分布，避免了焦域内温度梯度过大引发并发症的同时提高消融肿瘤组织的速率，缩短治疗时间；并可根据临床实际的需要调控焦域体积大小，当肿瘤较大时，需通过扫描辐照将多个焦域堆叠治疗。

[0104] 本发明在声轴上设置两个目标焦点，通过调控聚焦于这两点的信号实现了声轴方向温度的均匀分布。当设置两个目标焦点的位置垂直于声轴，通过对激励信号的调控可以得到在其他方向上均匀的温度分布(图20，图20(A)目标焦点位置为(0,-1,75)(0,1,75)的y-z平面温度分布、声轴温度曲线及沿y轴过最高温度处的温度曲线，图20(B)目标焦点位置为(-1,0,75)(1,0,75)的x-z平面温度分布、声轴温度曲线及沿x轴过最高温度处的温度曲线)。

[0105] 上述仿真结果均为颅骨内表面距离换能器底部距离为55mm的HIFU聚焦模型下的数值仿真结果，在这里当换能器与头颅的相对距离变为50mm时，由公式(7)计算所得M值与对应数值仿真模型下的仿真数据相一致(图21)。

[0106] 在经颅调控平台式温度分布的过程中，控制颅骨处温度不超过43℃。根据Sapareto和Dewey于1984年提出的等效热剂量理论，温度43℃持续240min可导致组织损伤，本发明中辐照过程均不超过60s，因而理论上不会造成颅骨及周围组织烫伤，即便如此，在实际治疗过程中仍需要在换能器与头颅之间加入循环冷却水降温，防止烫伤。

[0107] 综上所述，本发明利用距离一定的双目标聚焦位置设置两个点声源并获取阵元激励信号的方法，通过双信号叠加激励换能器阵元并调控激励信号延迟时间和幅值大小，在两聚焦目标间距一定范围内可实现经颅HIFU焦域温度分布与焦域形状、大小的调控。在设定点声源间距离一定的条件下，可通过调节两激励信号间的相对延迟时间调控形成焦域数量(一个或两个)；并通过调节两个激励信号幅值调控系数实现焦域内温度的平台式均匀分布。本发明采用双信号叠加调控HIFU经颅焦域温度分布的数值仿真研究表明该方法能有效提高单次HIFU辐照的治疗效率、缩短总的治疗时间，为破解目前HIFU经颅治疗脑内肿瘤尚难有效调控焦域靶区温度分布以保证治疗安全有效的技术难题提供了新思路、新途径。