本发明涉及超声波疗法，具体是一种高强度超声聚焦焦域的信号叠加相控方法。
背景技术：
：：高强度聚焦超声(highintensityfocusedultrasound,hifu)作为一种新兴的肿瘤治疗手段，以其非侵入性、能量深入人体深部软组织和可重复治疗等优点受到广泛的关注，目前已应用于乳腺癌、子宫肌瘤、前列腺癌等实体肿瘤的临床治疗。对于hifu脑肿瘤治疗而言，虽然近些年发展的大开口半球形相控换能器使其成为可能，但温度的控制及治疗时间长等临床问题尚未解决。若脑组织温度过高可能导致毛细血管膨胀破裂引发脑出血；而温度偏低达不到治疗目的；同时颅内肿瘤大小、形状、位置因人而异，因此仅依靠单一椭球体形状的焦域多次叠加治疗这些肿瘤有可能损伤脑部正常组织或使肿瘤组织残留，同时治疗时间过长；通过延长照射时间或者增大输入声强虽可增加单次治疗焦域体积、缩短治疗时间，但可能因照射时间过长或输入声强过大使焦域中心温升过高，出现局部组织过热引发组织出血。1984年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；2012年matsumoto等提出热点消除算法，一定程度上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地聚焦到颅内目标区域；2013年zhouyf等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。上述专家提出的方法使颅骨处能量沉积问题得到了解决，然而并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。另外，针对两个激励信号相对触发延迟时间的方法也未曾有过研究。技术实现要素：本发明为解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种高强度超声聚焦焦域的信号叠加调控方法。本发明所采取的技术方案是：一种高强度超声聚焦焦域的信号叠加相控方法，包括如下步骤：s1：在聚焦目标f1处按公式(1)s0(t)＝p0sin(ωt)设置正弦波点声源，基于时间反转法获取聚焦于f1的激励信号为公式(2)其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，p1为换能器输入声压幅值。s2：在与f1距离l的聚焦目标f2处按公式(1)s0(t)＝p0sin(ωt)设置正弦波点声源，基于时间反转法获取聚焦于f2的激励信号为公式(3)其中，为各阵元激励信号初始相位，i为阵元标号，p2为换能器输入声压幅值。s3：在保证与单焦点聚焦时能量不变的条件下，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，阵元激励信号为公式(4)其中，△t为s1i(t)相对于s2i(t)触发的延迟时间。s4：在一个周期内(0～2πf)改变△t的取值进行聚焦，其中，f为换能器阵元信号激励频率，筛选融为一个焦域且温度场呈平台式分布的△t。s5：在保证输入总能量不变的前提下，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，根据所得幅值比调整后的激励信号为公式(5)s'i(t)＝ms1i(t-△t)+(1-m)s2i(t)，其中，调控系数m＝k(t2-t1)+b。声强是单位面积的声能量，双焦点聚焦与单焦点聚焦时换能器激励阵元面积不变，可将保证与单焦点聚焦时能量不变转化为保证与单焦点聚焦时声强不变；幅值调控时总能量设为1，可将保证输入能量不变转化为保证输入总声强不变。本方法可选用的相对触发延迟时间△t是周期性的，且与换能器激励信号周期一致，因此可选用的△t值不仅局限于一个周期内，在不影响聚焦效果的前提下也可采用其他值进行温度分布调控。本发明具有的优点和积极效果是：a.本发明的信号叠加相控方法，聚焦焦域温度场呈平台式温度分布，有效使超声能量分布均匀。b.本发明通过信号叠加相控方法调控后形成的焦域边界清晰，且温度上升和温度下降区域具有一定的空间梯度，实现了对hifu治疗过程中的温度控制。c.本发明的信号叠加相控方法可通过对两信号的相对触发延迟时间的调整和幅值调控，实现对焦域大小的改变，并且与单焦点聚焦相比在能量不变的前提下增大了单次辐照损伤体积。d.本发明的信号叠加相控方法可通过对两信号的相对触发延迟时间的调整和幅值调控，与单焦点聚焦相比，在总能量不变的前提下提高消融速率，提高了hifu治疗效率，在临床上可为患者减轻因治疗时间长带来的痛苦及减少并发症的发生。附图说明图1是本发明两个聚焦目标空间位置示意图；图2是本发明凹球面82阵元随机分布相控换能器经脑组织聚焦的空间设置示意图；图3是本发明凹球面82阵元随机分布相控换能器经脑组织聚焦的数值仿真模型图；图4是本发明实施例1中相对触发延迟时间不同时(0～1400ns)的温度场分布图；图5是本发明实施例1中相对触发延迟时间不同时(0～1400ns)的声轴温度曲线图；图6是本发明实施例1中相对触发延迟时间不同时(200～700ns)，温度峰值、焦域长轴(x方向)、短轴(y、z轴方向)长度随延迟时间的变化曲线图；图7是本发明实施例2中l＝12.5mm、δt＝340ns最高温度达到65℃时形成的温度分布图；图8是本发明实施例2中最高温度达到65℃且t1、t2的差值不超过0.05℃时的幅值调节系数m曲线图；图9是本发明实施例2中经能量分布调控后的温度分布图；图10是本发明高强度超声聚焦焦域的信号叠加相控方法流程图。其中：1.聚焦目标f12.聚焦目标f23.凹球面82阵元随机分布相控阵列超声换能器4.脱气水5.脑组织6.颅骨7.几何焦点φ1.换能器开口直径φ2.阵元直径。具体实施方式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。本发明提供了一种高强度超声聚焦焦域的信号叠加相控方法。该方法基于时间反转法，利用调整双焦点聚焦时阵元发射信号的时间延迟和幅值调控的方法对hifu聚焦焦域温度场分布和焦域大小进行调控。通过该方法不仅使温度场呈平台式分布，焦域能量分布均匀，且可改变焦域大小，加快了消融速率，提高了治疗效率。图1为两个聚焦目标空间位置示意图。图2为仿真模型的空间设置示意图，仿真模型为开颅状态下的hifu治疗。图3为数值仿真模型图，由换能器、水及脑组织构成，声轴为x轴，换能器为阵元间距不小于0.7mm的随机分布82阵元球冠状相控换能器，其中开口直径100mm，曲率半径80mm，阵元直径8mm，以激励频率0.7mhz为例，在输入声强为1w/cm2、辐照时间为6s的条件下按步骤实施。实施例1：s1：在聚焦目标f1(65,0,0)处设置正弦波点声源s0(t)＝p0sin(ωt)，基于时间反转法获取聚焦于f1的激励信号为s2：在与f1距离l＝10mm的聚焦目标f2(75,0,0)处设置正弦波点声源s0(t)＝p0sin(ωt)，基于时间反转法获取聚焦于f2的激励信号为s3：在保证与单焦点聚焦时能量不变的条件下同时实现f1、f2处聚焦，阵元激励信号为其中，△t为s1i(t)相对于s2i(t)触发的延迟时间。s4：在一个周期内(0～1430ns)改变阵元激励信号中△t的取值进行聚焦，由温度场分布图和声轴温度曲线选出高强度超声聚焦焦域声轴温度呈平台式分布的△t值。s5：经上述对两个信号的相对时间延迟进行调控后，焦域温度分布已呈平台式温度分布，无需再对激励信号幅值进行调控。在上述高强度超声聚焦焦域的信号叠加调控实例中，图4为在一个周期内(0～1430ns)改变△t取值进行聚焦的温度场分布，图5为其对应的声轴温度曲线。如图4所示，当△t＝0时形成两个55℃以上的焦域；当△t＝200～800ns时形成一个焦域；当△t＝1000～1400ns时又形成两个焦域。如图5所示，在△t＝200ns时形成一个声轴温度呈平台式分布的焦域。图6为△t的取值在200～700ns的范围内，温度峰值、焦域长轴(x方向)、短轴(y、z轴方向)长度随△t的变化曲线。如图6所示，在△t＝200～500ns范围内，焦域峰值温度随△t的增大逐渐升高，在△t＝500～700ns范围内，峰值温度随△t的增大逐渐减小；焦域长轴长度随△t的增加逐渐缩短，短轴长度几乎不变，在△t＝200ns时，焦域长轴长度最长。表1为△t在200～700ns范围内最高温度达到65℃时的辐照时间，等效热剂量值90min以上的治疗焦域体积(treatablefocalregion,tfr)，长、短轴长度以及消融速率随△t的变化。如表1所示，△t＝200～700ns的条件下形成治疗焦域长轴(x)、短轴(y,z)及体积均大于f1或f2处单独聚焦形成的焦域；治疗焦域长轴长度随△t增大先减小后增大，短轴长度变化较小，焦域体积的变化趋势与长轴变化趋势相一致；消融速率随△t的增大逐渐减小。△t＝200ns即声轴温度分布呈平台式分布时治疗焦域体积和消融速率均最大。表1实施例2：s1：在聚焦目标f1(62.5,0,0)处设置正弦波点声源s0(t)＝p0sin(ωt)，基于时间反转法获取聚焦于f1的激励信号为s2：在与f1距离l＝12.5mm的聚焦目标f2(75,0,0)处设置正弦波点声源s0(t)＝p0sin(ωt)，基于时间反转法获取聚焦于f2的激励信号为s3：在保证与单焦点聚焦时能量不变的条件下同时实现f1、f2处聚焦，阵元激励信号为其中，△t为s1i(t)相对于s2i(t)触发的延迟时间。s4：在一个周期内(0～1430ns)改变阵元激励信号中△t的取值进行聚焦，由温度场分布图和声轴温度曲线选出高强度超声聚焦焦域声轴温度呈平台式分布的△t值。s5：在保证输入总能量不变的前提下，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，根据所得幅值比调整后的激励信号为s'i(t)＝ms1i(t-△t)+(1-m)s2i(t)，其中，调控系数m＝k(t2-t1)+b。在上述实例中，图7为l＝12.5mm、δt＝340ns最高温度达到65℃时形成的温度分布图。如图7所示，高温区域集中在x＝65-68mm处，温度分布不均匀，图7中(c)为对应声轴温度曲线，55℃以上区域温度起伏为4℃左右。图8为最高温度达到65℃且t1、t2的差值不超过0.05℃时的幅值调节系数m曲线图。如图8所示，当l取值一定时，m与幅值调控前t2-t1的值基本呈线性关系。图9为经调控后的温度分布图，其中，(a)(b)分别为xy、yz平面温度场分布，(c)为经能量分布调控前后声轴温度曲线。如图9所示，经幅值分布调控后可使焦域内声轴方向温度分布较为均匀，声轴上55摄氏度以上区域温度波动1℃，温度分布较为均匀。综上所述，该方法的优点有：a.本发明的高强度超声聚焦焦域的信号叠加相控方法，有效使超声能量分布均匀，如图4、图7所示。b.本发明通过调控后形成的焦域边界清晰，如图4、图7所示，且温度上升和温度下降区域有一定的空间梯度，如图5所示，实现了对hifu治疗过程中的温度控制。c.本发明的信号叠加相控方法可通过对两信号的相对触发延迟时间△t和激励信号幅值的调整，实现对焦域大小的改变，并且与单焦点聚焦相比在能量不变的前提下增大了单次辐照损伤体积，如图5和表1所示，单焦点分别在f1、f2处聚焦时的治疗焦域长轴长分别为4.5mm和6.0mm，双焦点聚焦经温度分布调控后的治疗焦域长轴长为14mm。d.本发明的信号叠加相控方法可通过对两信号的相对触发延迟时间△t的调整，与单焦点聚焦相比，在总能量不变的前提下减少治疗时间，提高消融速率。如表1所示，单焦点聚焦时的平均消融速率为2.38mm3/s，双焦点经温度场分布调控后聚焦的消融速率为4.4mm3/s，提高了hifu治疗效率，在临床上可为患者减轻因治疗时间长带来的痛苦。当前第1页12当前第1页12