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阿拉维斯vs维戈塞尔塔预测: 基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201510776414.8

申請日:

20151113

公開號:

CN105435380A

公開日:

20160330

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61N7/02,A61B5/01 主分類號: A61N7/02,A61B5/01
申請人: 浙江大學
發明人: 張鞠成,王志康,婁海芳,丁佳萍,黃天海
地址: 310058 浙江省杭州市西湖區余杭塘路388號
優先權: CN201510776414A
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510776414.8

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明公開了一種基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,包括以下步驟:1)測量模擬人體軟組織的溫度變化,并預設焦域位置;2)反向傳導優化確定超聲束的精確位置;3)確定焦域內外的溫度分布:根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf),確定模擬人體軟組織中的溫度變化,從而確定焦域內外的溫度分布,并得到組織內的超聲功率分布;4)得到風險評估結論:將步驟3)得到的焦域內外的溫度分布值與標準值或安全值進行比較,若符合標準值或在安全值范圍內,則可繼續作為臨床使用,反之則需要進行檢修。避免將超聲束直接照射到熱電偶上,減輕了熱電偶發熱對組織溫度測量的影響,從而提高了溫度測量的精度,降低了風險評估的成本。

權利要求書

1.一種基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,包括以下步驟:1)測量模擬人體軟組織的溫度變化,并預設焦域位置:在所述的模擬人體軟組織中依層次布置細絲熱電偶,將高強度聚焦超聲腫瘤治療設備的超聲束聚焦于某一層的其中一個細絲熱電偶的中心附近,并小幅度移動設備的換能器,在該細絲熱電偶的多個不同位置處分別記錄同一時間段內的溫升變化,溫升最大值處記錄為該細絲熱電偶的中心,同理確定另一層的其中一個細絲熱電偶的中心,將兩個細絲熱電偶中心之間的某一位置確定為預設焦域位置;2)反向傳導優化確定超聲束的精確位置:根據步驟1)確定的預設焦域位置,給超聲束聚焦位置賦初值(x,y,z),通過該初值求解熱傳導方程得到至少三個細絲熱電偶的溫度變化:且所述三個細絲熱電偶不在同一層;其中聲壓p(r,z)通過求解在z方向上軸對稱超聲束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波動方程的線性形式得到:沉積速率Q為α為組織的吸收系數,<>表示取時間平均,c是組織中的聲速,r是超聲束中心到組織的徑向距離,D是組織的聲擴散率;c是比熱容,T是溫度,k是熱擴散系數,t=t′-z/c,t是遲滯時間,t′是時間;用表示組織溫度變化的計算值(T)和測量值(T)誤差,利用全局優化算法迭代計算,直到超聲束的位置處δ值最小為止,從而得到精確的超聲束實際聚焦位置(x,y,z);3)確定焦域內外的溫度分布:根據超聲束實際聚焦位置(x,y,z),確定模擬人體軟組織中的溫度變化,從而確定焦域內外的溫度分布;并根據超聲束實際聚焦位置(x,y,z)且結合HIFU設備聚焦的超聲功率來得到組織內的超聲功率分布,將超聲功率分布與溫度分布結合來進行雙重的風險評估;4)得到風險評估結論:將步驟3)得到的焦域內外的溫度分布值與標準值或安全值進行比較,若符合標準值或在安全值范圍內,則判斷高強度聚焦超聲腫瘤治療設備可繼續作為臨床使用,反之則需要進行檢修。2.根據權利要求1所述的基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,其特征在于:在步驟1)中,所述的布置細絲熱電偶的層數包括上下兩層,每層包括三個細絲熱電偶,將超聲束聚焦于上層的中間細絲熱電偶的中心附近,小幅度移動換能器,在該細絲熱電偶的多個不同位置處分別記錄同一時間段內的溫升變化,所述時間段包括升溫段和冷卻段,溫升最大值處記錄為該細絲熱電偶的中心;用同樣的方法確定下層的中間細絲熱電偶的中心位置,將兩個細絲熱電偶中心之間的中點確定為預設焦域位置。3.根據權利要求1或2所述的基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,其特征在于:在步驟2)中,通過焦域位置初值求解熱傳導方程得到三個細絲熱電偶的溫度變化,這三個細絲熱電偶包括下層兩側的兩個以及上層中間的一個或者上層兩側的兩個以及下層中間的一個;在步驟3)中,根據超聲束實際聚焦位置(x,y,z),計算剩余細絲熱電偶的溫度,并與實測溫度進行比較,以驗證實際聚焦位置(x,y,z)的準確性。4.根據權利要求1所述的基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,其特征在于:所述的標準值或安全值由磁共振成像測溫得到,并在出廠時或檢修后標定。5.根據權利要求1或4所述的基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,其特征在于:所述的全局優化算法為粒子群優化算法或模擬退火法,從隨機解出發,通過迭代尋找和追隨當前搜索到的最優值來得到全局最優。

說明書

技術領域

本發明涉及醫療設備維護領域,具體地說是一種基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法。

背景技術

高強度聚焦超聲腫瘤治療(Highintensityfocusedultrasound,HIFU)是由單元換能器或多元換能器陣列構成的聚焦超聲源,發出的超聲通過傳聲媒質后,以人體正常組織可以接受的聲強透過患者體表,將能量聚集在靶組織上,致其凝固性壞死(或瞬間滅活)的治療系統。其治療原理主要是利用聚焦于生物組織中的高強度超聲產生的熱效應使焦域處的組織瞬間上升至60~100℃,從而導致蛋白變性及組織細胞不可逆凝固性壞死,焦域以外組織無顯著損傷,凝固壞死組織可逐漸被吸收或瘢痕化。

HIFU由于其非入侵性、副作用少且發生率低、不增加腫瘤轉移風險等優勢在臨床上已用于乳腺腫瘤、四肢及淺表組織腫瘤或骨肉瘤、肝臟、腎臟及盆腔實體腫瘤的局部姑息性滅活治療,在適當降低功率后也可作為放療、化療增敏的熱療設備。

HIFU治療系統的核心技術是能夠在考慮到人體結構不均勻性的前提下對擬治療的體內病灶實現精準定位,對HIFU系統的聲輸出實現精準的時空控制,對從正常體溫到靶組織變性臨界溫度的全過程進行全程實時監視和引導,對靶組織發生凝固性壞死與否進行在線檢測判斷的硬軟件及其功能。靶區溫度測量和顯示是HIFU治療過程監測的重要手段,但目前仍然是HIFU治療系統的一大挑戰。

可見,溫度監控是HIFU治療系統性能檢測和風險評估的重要內容。磁共振成像(Magneticresonanceimaging,MRI)對軟組織成像質量好,對比度高,且在治療中用溫敏快速梯度回波序列可觀察到焦點的位置與范圍,是HIFU臨床治療的理想的監測手段之一。在實時測溫的基礎上,MRI系統計算得到HIFU照射在組織中沉積的熱量,并與造成組織損傷的閾值進行比較,可以判斷壞死組織的范圍,從而實現靶區治療的實時監測。治療結束后進行對此增強磁共振成像,用于確定治療效果。

然而,磁共振成像的監測溫度成本太高,尤其是在為HIFU治療系統預防性維護和風險評估配備磁共振成像溫度檢測設備上,大大提高了維護的成本,因而亟需低成本的風險評估和監測方法的出現。從而有人提出的將熱電偶插入受檢組織中檢測溫度的方法屬于侵入法,即將熱電偶放置在人工血管附近,研究了血液流動對HIFU引起的組織溫度變化的影響。該方法的優點是經濟節約、簡單易行,缺點是超聲束直接照射在熱電偶上導致熱電偶發熱,因而實測溫度高于組織僅吸收超聲能量的溫度,這一熱效應可以通過求解Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)方程得到。另外超聲束聚焦在熱電偶上較易引入人為誤差,會低估實測溫度;且熱電偶僅能測量特定點處的溫度,而不能測量整個焦域的溫度。

發明內容

有鑒于此,本發明針對上述現有技術存在的實測溫度不準確,且評估成本高問題,提供了一種基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法。

本發明的技術解決方案是,提供一種以下步驟的基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,包括以下步驟:

1)測量模擬人體軟組織的溫度變化,并預設焦域位置:在所述的模擬人體軟組織中依層次布置細絲熱電偶,將高強度聚焦超聲腫瘤治療設備的超聲束聚焦于某一層的其中一個細絲熱電偶的中心附近,并小幅度移動設備的換能器,在該細絲熱電偶的多個不同位置處分別記錄同一時間段內的溫升變化,溫升最大值處記錄為該細絲熱電偶的中心,同理確定另一層的其中一個細絲熱電偶的中心,將兩個細絲熱電偶中心之間的某一位置確定為預設焦域位置;

2)反向傳導優化確定超聲束的精確位置:根據步驟1)確定的預設焦域位置,給超聲束聚焦位置賦初值(x0,y0,z0),通過該初值求解熱傳導方程得到至少三個細絲熱電偶的溫度變化:且所述三個細絲熱電偶不在同一層;

其中聲壓p(r,z)通過求解在z方向上軸對稱超聲束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波動方程的線性形式得到:

∂ ∂ t [ ∂ p ∂ z - D 2 c 3 ∂ 2 p ∂ t 2 ] = c 2 ( ∂ 2 p ∂ r 2 + 1 r ∂ p ∂ r ) ]]>

沉積速率α為組織的吸收系數,<>表示取時間平均,c是組織中的聲速,r是超聲束中心到組織的徑向距離,D是組織的聲擴散率;cp是比熱容,T是溫度,k是熱擴散系數,t=t′-z/c,t是遲滯時間,t′是時間;

用表示組織溫度變化的計算值(T1)和測量值(T0)誤差,利用全局優化算法迭代計算,直到超聲束的位置處δ值最小為止,從而得到精確的超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf);

3)確定焦域內外的溫度分布:根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf),確定模擬人體軟組織中的溫度變化,從而確定焦域內外的溫度分布;并根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf)且結合HIFU設備聚焦的超聲功率來得到組織內的超聲功率分布,將超聲功率分布與溫度分布結合來進行雙重的風險評估;

4)得到風險評估結論:將步驟3)得到的焦域內外的溫度分布值與標準值或安全值進行比較,若符合標準值或在安全值范圍內,則判斷高強度聚焦超聲腫瘤治療設備可繼續作為臨床使用,反之則需要進行檢修。

采用以上方法,本發明與現有技術相比,具有以下優點:采用本發明,基于反向熱傳導的溫度測量方法為高強度聚焦超聲腫瘤治療設備的風險評估提供了新的方案,通過模擬人體軟組織和細絲熱電偶進行實驗測量,結合反向熱傳導算法,得到超聲束精確的實際聚焦位置,以得到實際的溫度分布,并和標準值或安全值進行比較。由此產生以下有益效果:(1)避免將超聲束直接照射到熱電偶上,減輕了熱電偶發熱對組織溫度測量的影響,從而提高了溫度測量的精度;(2)利用熱電偶陣列測量值得到超聲束的位置,避免了人為誤差,預測周圍組織溫度的算法精度高;(3)以超聲束空間位置為已知信息的迭代優化算法可以進一步用于超聲功率的測量;(4)降低了風險評估的成本。

作為改進,在步驟1)中,所述的布置細絲熱電偶的層數包括上下兩層,每層包括三個細絲熱電偶,將超聲束聚焦于上層的中間細絲熱電偶的中心附近,小幅度移動換能器,在該細絲熱電偶的多個不同位置處分別記錄同一時間段內的溫升變化,所述時間段包括升溫段和冷卻段,溫升最大值處記錄為該細絲熱電偶的中心;用同樣的方法確定下層的中間細絲熱電偶的中心位置,將兩個細絲熱電偶中心之間的中點確定為預設焦域位置??悸塹餃齙閎范占湮恢?,故采用上下兩層結構以及每層三個細絲熱電偶的布置,不僅便于分析組織的溫升變化,能夠較快地確立預設焦域位置。

作為改進,在步驟2)中,通過焦域位置初值求解熱傳導方程得到三個細絲熱電偶的溫度變化,這三個細絲熱電偶包括下層兩側的兩個以及上層中間的一個或者上層兩側的兩個以及下層中間的一個;在步驟3)中,根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf),計算剩余細絲熱電偶的溫度,并與實測溫度進行比較,以驗證實際聚焦位置(xf,yf,zf)的準確性。

作為改進,所述的標準值或安全值由磁共振成像測溫得到,并在出廠時或檢修后標定。這樣,本設備可以采用成本較低的熱電偶進行溫度測量,并達到風險評估的目的,無需配備更為昂貴的磁共振成像測溫設備。

作為改進,所述的全局優化算法為粒子群優化算法或模擬退火法,從隨機解出發,通過迭代尋找和追隨當前搜索到的最優值來得到全局最優。該方法適用于三點形成的空間域的最優解的問題的解決,具有精度高、收斂快的優點。

附圖說明

圖1為本發明基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法的流程圖;

圖2為本發明中細絲熱電偶的排布狀態圖;

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明,但本發明并不僅僅限于這些實施例。

本發明涵蓋任何在本發明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的了解,在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節,而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。

如圖1所示,示意了本發明的流程步驟,本發明的一種基于反向熱傳導的HIFU治療設備的風險評估方法,包括以下步驟:

1)測量模擬人體軟組織的溫度變化,并預設焦域位置:在所述的模擬人體軟組織中依層次布置細絲熱電偶,將高強度聚焦超聲腫瘤治療設備的超聲束聚焦于某一層的其中一個細絲熱電偶的中心附近,并小幅度移動設備的換能器,在該細絲熱電偶的多個不同位置處分別記錄同一時間段內的溫升變化,溫升最大值處記錄為該細絲熱電偶的中心,同理確定另一層的其中一個細絲熱電偶的中心,將兩個細絲熱電偶中心之間的某一位置確定為預設焦域位置;

2)反向傳導優化確定超聲束的精確位置:根據步驟1)確定的預設焦域位置,給超聲束聚焦位置賦初值(x0,y0,z0),通過該初值求解熱傳導方程得到至少三個細絲熱電偶的溫度變化:且所述三個細絲熱電偶不在同一層;

其中聲壓p(r,z)通過求解在z方向上軸對稱超聲束的Khokhlov-Zabolotskaya-Kuznetsov(KZK)波動方程的線性形式得到:

∂ ∂ t [ ∂ p ∂ z - D 2 c 3 ∂ 2 p ∂ t 2 ] = c 2 ( ∂ 2 p ∂ r 2 + 1 r ∂ p ∂ r ) ]]>

沉積速率Q為α為組織的吸收系數,c是組織中的聲速,r是超聲束中心到組織的徑向距離,D是組織的聲擴散率:

用表示組織溫度變化的計算值(T1)和測量值(T0)誤差,利用全局優化算法迭代計算,直到超聲束的位置處δ值最小為止,從而得到精確的超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf);

3)確定焦域內外的溫度分布:根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf),確定模擬人體軟組織中的溫度變化,從而確定焦域內外的溫度分布;并根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf)且結合HIFU設備聚焦的超聲功率來得到組織內的超聲功率分布,將超聲功率分布與溫度分布結合來進行雙重的風險評估;

4)得到風險評估結論:將步驟3)得到的焦域內外的溫度分布值與標準值或安全值進行比較,若符合標準值或在安全值范圍內,則判斷高強度聚焦超聲腫瘤治療設備可繼續作為臨床使用,反之則需要進行檢修。

如圖2所示,在步驟1)中,所述的布置細絲熱電偶的層數包括上下兩層,每層包括三個細絲熱電偶,下層分別為T1、T2、T3,上層分別為T4、T5、T6,HIFU換能器將超聲束聚焦于上層的中間細絲熱電偶(T5)的中心附近,小幅度移動換能器,在該細絲熱電偶的多個不同位置處分別記錄同一時間段內的溫升變化,所述時間段包括升溫段和冷卻段,溫升最大值處記錄為細絲熱電偶T5的中心;用同樣的方法確定下層的中間細絲熱電偶(T2)的中心位置,將兩個細絲熱電偶中心之間的中點確定為預設焦域位置。

在步驟2)中,通過焦域位置初值求解熱傳導方程得到三個細絲熱電偶(T1、T3、T5)的溫度變化,這三個細絲熱電偶包括下層兩側的兩個以及上層中間的一個或者上層兩側的兩個以及下層中間的一個;在步驟3)中,根據超聲束實際聚焦位置(xf,yf,zf),計算剩余細絲熱電偶(T2、T4、T6)的溫度,并與實測溫度進行比較,以驗證實際聚焦位置(xf,yf,zf)的準確性,即超聲束的位置取計算值,通過計算T2、T4和T6處的并取平均值,可定量評價溫度變化計算值的精度。

所述的標準值或安全值由磁共振成像測溫得到,并在出廠時或檢修后標定。本設備可以采用成本較低的熱電偶進行溫度測量,并達到風險評估的目的,無需配備更為昂貴的磁共振成像測溫設備。

所述的全局優化算法為粒子群優化算法或模擬退火法,從隨機解出發,通過迭代尋找和追隨當前搜索到的最優值來得到全局最優。

本發明對于HIFU設備的風險評估主要基于溫度測量這一關鍵要素,即提出了一種溫度檢測的新思路和新方法,但對于HIFU設備的風險評估存在諸多其他方法和手段,同時也不限于溫度的測量和監控。

以上僅就本發明較佳的實施例作了說明,但不能理解為是對權利要求的限制。本發明不僅局限于以上實施例,其具體結構允許有變化。總之,凡在本發明獨立權利要求的?;し段謁韉母髦直浠詒痙⒚韉謀;し段?。

關 鍵 詞:
基于 反向 熱傳導 HIFU 治療 設備 風險 評估 方法
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