超声诊疗一体机VINNO 70空化调控功能及声学测量的研究

张 毅 冯 爽 唐娜娇 王亚辉 凌 涛 陈惠人 刘 政

超声影像诊断的最大优势是安全性好，原因是超声诊断仪的能量输出限制在平均声强（ISPTA）720 mW/cm2、机械指数（MI）1.9以内，其热效应和空化机械效应均较弱［1］。但若循环中存在超声造影剂微泡，诊断超声可能产生一定的生物学治疗效应［2］，主要包括微血管壁或组织通透性增高、血脑屏障开放、促进靶向释药等［3］。近年来有学者［4-5］将诊断超声联合微泡超声造影剂用于增强临床肿瘤化疗，初步取得较好的治疗效果。但超声诊断仪作为超声治疗设备存在输出能量低、声束不能聚焦治疗、参数调控性差、工作占空比低等不足。基于此，本实验在国产超声诊断仪的基础上，改进研发了一种相对适合低强度超声空化治疗的超声诊疗一体机VINNO 70，通过测量其主要声学参数，旨在验证其用于调控空化参数的性能。

材料与方法

一、超声仪器

VINNO 70超声诊疗一体机（苏州飞依诺科技有限公司），X4-12L线阵探头，频率4～12 MHz；S1-8C凸阵探头，频率3.5～7.0 MHz。该仪器对超声造影成像中的微泡击破模式（即Flash模式）进行了改进，可通过机械指数（MI，可调范围0～1.3）、脉冲宽度（PL，可调范围2～24个周期）、脉冲重复频率（PRF，可调范围10～2000 Hz）、探头中心频率（f，可调范围3.0～6.3 MHz）、脉冲/间歇时间等5个参数调控微泡空化，该治疗模式被称为VFlash模式。应用1.10版本软件的声输出控制模块将声输出能量控制在诊断范围。

为使超声能量在治疗感兴趣区（ROI）聚集，VFlash模式具有自适应可变焦域技术，该技术利用电子延迟相控和孔径控制技术汇聚声束，在扫描平面内划定的ROI形成任意可变的、能量高于周围的治疗靶区（可调范围1～5 cm），使靶区内微泡能被调控的空化参数激励。根据ROI大小和深度，发射时各阵元激励的超声信号相位按两次曲线变化，使各阵元发射的超声信号经空间叠加，合成的超声波束产生聚焦现象（图1）。

图1 自适应可变焦域技术示意图

二、仪器与方法

1.声学测量仪器：薄膜水听器（HMB-0500，美国Onda公司），用于测量超声参数及声场；AIMSⅢ扫描水槽（AST3-S，美国Onda公司），扫描水槽内盛满脱气水，应用其自带的三维定位系统精确控制探头和水听器相对位置；功率放大器（2200L，美国E&I公司）；数字示波器（54830B，美国Agilent科技有限公司）。

2.f、PL及PRF的测量：使用水听器法，扫描水槽盛满脱气水，将薄膜水听器和超声探头置于水槽内，通过扫描水槽自带定位系统使超声探头中心和薄膜水听器位于同一垂直线，探头位于水听器上方2 cm处。于VFlash模式下设置不同的PL和f，检测f、PL、PRF是否与仪器显示值一致，测量时超声与示波器同步且仅采集单根线的结果，分别对2个探头的声场分布进行三维扫描检测。

3.声场分布及峰值负压（PNP）和MI的测量：将薄膜水听器和探头置于充满脱气水的水槽中，水听器位于探头下方2 cm或5 cm平面，固定f、PL参数，间隔时间0.5 s，声功率设置为100%。PRF调控范围为10～2000 Hz，脉冲时间取最大。取不同MI值，通过扫描水槽自带三维定位系统移动水听器，扫描所得的PNP最大值为此条件下的实测PNP。VINNO 70能从f、PL、PRF等多方面调控空化效应，测定时采用控制变量法观察PNP，根据实测PNP计算实测MI［6］，公式：MI=PNP×10-αzf/20×f-1/2/C。其中C=1 MPa·MHz-1/2，α为声衰减系数，取值0.3 dB·cm-1·MHz-1，z为从换能器到测量点的距离。

4.自适应可变焦域技术靶向击破微泡能力的检测：采用电子延迟相控技术汇聚声束，在超声影像横向声场方向实现可任意调节形状的1～5 cm大小的可变焦域。在盛满脱气水的水槽中加入0.1 ml脂氟显微泡［（陆军军医大学新桥医院自制，平均直径2.0μm，浓度（2～9）×109/ml］，混匀后稍静置，将探头置于含微泡的脱气水中，调整靶向ROI至合适范围，开启VFlash模式，记录声场中微泡击破程度。

结 果

一、f、PL、PRF及声场分布测量结果

X4-12L线阵探头与S1-8C凸阵探头测量f、PL、PRF的实验结果显示，实测值与超声诊疗一体机显示值均一致（图2A～F）。VFlash模式下两种探头采集的声场分布见图2G、H。声场在Y轴方向基本符合高斯分布；在X轴方向，对于X4-12L线阵探头，ROI内声场基本呈标准矩形分布，对于S1-8C凸阵探头，ROI内声场呈半周期余弦分布。ROI内声场较ROI外明显增强，能实现对ROI的弱聚焦。

图2 X4-12L线阵探头和S1-8C凸阵探头的PL、f、PRF实测图与声场分布图

二、MI实测结果

1.使用X4-12L线阵探头时，MI实测值与仪器显示值变化趋势一致，但实测值均高于显示值。当f为3.7 MHz，探头距离为2 cm时，实测值约为显示值的112%～157%（图3A）；探头距离为5 cm时，实测值约为显示值的185%～267%（图3B）。当f为3.0 MHz，探头距离为2 cm时，实测值约为显示值的83%～129%；当探头距离为5 cm时，实测值约为显示值的134%～195%。

2.使用S1-8C凸阵探头时，MI实测值与仪器显示值变化趋势一致，但实测值均低于显示值。当f为1.7 MHz，探头距离为5 cm时，实测值约为显示值的59%～67%（图3C）；探头距离为10 cm时，实测值约为显示值的58%～81%（图3D）。当f为2.0 MHz，探头距离为5 cm时，实测值约为显示值的59%～70%；探头距离为10 cm时，实测值约为显示值的60%～80%。

3.X4-12L线阵探头和S1-8C凸阵探头MI实测值与探头距离及f的关系：X4-12L探头距离为5 cm较距离为2 cm的MI实测值低；S1-8C凸阵探头距离为10 cm较距离为5 cm的MI实测值低（图4A、B）。对于X4-12L线阵探头，f为3.7 MHz时较f为3.0 MHz的实测值低；对于S1-8C凸阵探头，f为2.0 MHz较f为1.7 MHz的实测值高（图4C、D）。

三、自适应可变焦域技术击破微泡检测结果

诊断脉冲（超声造影模式）时，微泡均匀充满各个区域；治疗脉冲时，ROI内微泡被靶向性击破，下一次诊断脉冲可见微泡再灌注，直到下一次治疗脉冲再次被击破（图5）。ROI内超声击破微泡的参数：PL为18个周期、PRF为50 Hz，X4-12L线阵探头显示MI为0.46，S1-8C凸阵探头显示MI为1.01，脉冲/间歇时间为0.5 s/1 s。

图4 X4-12L线阵探头与S1-8C凸阵探头MI实测值与探头距离及f的关系

图5 VINNO 70超声诊疗一体机自适应可变焦域靶向击破微泡实验图

讨 论

近年来，超声空化技术在基础和临床领域均得到了广泛应用，特别是低强度超声激励微泡空化谐振，在基因转染、靶向药物释放、开放血脑屏障及肿瘤放化疗方面均有重要意义［7-8］。普通超声诊断仪仅能通过单一参数MI调控空化，空化相关的f、PL、PRF等参数则无法调控，特别是PL在普通诊断超声发射中仅1～2个周期，几乎不能产生惯性空化谐振。由于空化发生的随机性特点，单一的MI调节难以保证空化强度的稳定性和持续性［9］。因此，国外已开始对超声诊断仪进行改进，以保证在诊断超声能量范围内进行空化治疗，但调控参数及范围仍然有限，如Philips iE 33和西门子Sequoia 512仅对PL增加了2档调节，对其他空化相关参数（f、PRF等）仍无法调节，且不具备自适应可变焦域功能［10］。VINNO 70超声诊疗一体机是一种兼有完整的超声影像诊断与微泡超声空化调控治疗功能的新型诊疗一体机，其可从f、PL、PRF等方面多档调控空化，具有自适应可变焦域技术，可实现靶向弱聚焦，能更加精准地在ROI靶区调控空化。

在现行诊断超声标准（平均声强ISPTA720 mW/cm2，MI 1.9，热指数6.0）限制下［1］，实施空化参数大范围调控较困难，但本实验结果显示，VINNO 70可调控f、PL、PRF及脉冲/间歇时间，表明其可在一定范围内进行空化参数的调控。结合临床治疗实际应用情况，线阵探头治疗深度主要为2～5 cm，凸阵探头治疗深度主要为5～10 cm，因此，本实验线阵探头深度选取2 cm和5 cm，凸阵探头深度选取5 cm和10 cm。研究［11］显示，空化参数中PNP与微泡空化的强度相关性最佳，而在诊断超声中，PNP与f相结合以MI表示。本实验结果显示，MI实测值与仪器显示值仍有较大差距，偏差约58%～267%。分析原因可能为：①一般仪器MI显示值是通过测量声场多个取样点后，推算其声场分布得出的估测值，与该点的实测值有一定差异；②本仪器设置的自适应可变焦域技术使声束在ROI弱聚焦，进一步增加了声压的差异。本实验实测情况发现，线阵探头MI实测值高于显示值，水听器与探头的距离从2 cm增加到5 cm后，ROI自适应可变焦域聚焦可能避免了声场中常见的近场干扰［12］，聚焦效果有所改善，因此，PNP实测值较显示值偏差更大（约185%～267%）。凸阵探头的MI实测值低于显示值，当水听器与探头距离为5 cm时，PNP实测值与显示值偏差较大（约59%～67%），再次证实近场干扰对PNP影响较大。另外，改变探头f也会影响MI实测值。

除MI外，VINNO 70超声诊疗一体机还可以较大范围地调控其他参数，如f、PL及PRF。这些参数均是由高频放大电路信号激励换能器晶片产生的声输出，因此，可以从理论上推测显示值与实测值无差别［13］。本实验测量了f、PL及PRF，其实测值均与仪器显示值一致，说明超声仪器基本声学参数变化不大，可以保证超声调控参数的稳定性。自适应可变焦域技术产生的靶向弱聚焦不仅在声场分布中得到验证，在实际的水槽微泡击破实验中，也可观察到ROI内微泡靶向击破，与声场分布一致。表明该技术产生的弱聚焦在实际应用中可以靶向击破微泡。

尽管VINNO 70超声诊疗一体机有一定优势，但其仍有不足：该仪器仅在二维平面上实现了空化调控和弱聚焦功能，在实际肿瘤治疗中需结合探头偏转或旋转才能实现靶区的三维覆盖。另外，该仪器工作占空比低，虽然实现了将诊断超声的占空比从0.001%提高到了0.1%，但作为治疗超声能量密度仍不足。今后的实验应对上述不足进一步分析。

综上所述，VINNO 70超声诊疗一体机能从多个参数调控超声空化，且具有自适应可变焦域技术，能实现靶向弱聚焦。但实施超声治疗时MI值应以声学实测值为准，且测量时需估算好超声治疗靶区与换能器的距离，以免产生较大的治疗效应差别。