一种用双频率超声进行体内无创测量的方法研究
作者：张旭 赵富强
单位：首都医科大学电子教研室 (北京 100054)
关键词：无创测量；双频率超声；热疗；介质；组织
北京生物医学工程990204 摘 要 对人体组织内部温度进行无创测量是肿瘤热疗技术的难点也是生物医学工程领域长期以来有待解决的问题。以前曾有人根据超声传播速度的温度依赖性而试图用单频率超声对体内组织温度的变化而进行检测，但由于体内器官的运动而使超声的传播路径不确定，从而使这一方法的测量误差过大。人体组织对超声的传播速度不仅与组织的温度有关，而且与超声的频率有关，因此当用双频率超声方法进行测量时，就有可能使测量结果避免由于超声传播路径的变化而造成的对结果的影响，从而排除器官运动而导致的结果误差，实现体内温度的无创测量。本文对这一方法进行了研究，实验中以水中的一块肝组织为介质进行了实验。最后指出了这种方法的可行性及存在的问题。
, http://www.100md.com
A Research of Using Dual Frequency Ultrasound
to Measure the Tissue Temperature Inside
the Body Noninvasively
Zhang Xu, Zhao Fuqiang
(Capital University of Medical Sciences, Beijing 100054)
Abstract
To measure the tissue's temperature inside the body non-invasively is a very prosperous reseach field both for clinical treatment and biomedical engineering. Because that the ultrasound travel time depends on tissue temperature, some people tried to use the change of tra-
, 百拇医药
vel time to measure the temperature of the tissue inside the body. But the tissue inside the body is moving, the error of measurement is not acceptable. The travel time to measure the temperature of the tissue inside the body. But the tissue inside the body is moving, the error of measurement is not acceptable. The travel time of ultrasound in human body depends not only on tissue's temperature, but also on ultrasound frequency. We present a noninvasive method for measuring tissue's temperature using dual frequency ultrasonic technique, with which we can avoid the influence of change of path of ultrasound(caused by moving of an organ) on results of measurement. The method was verified by experiments, using a piece of liver inside the water. The feasibility of the method and problems that still are also discussed.
, 百拇医药
Key words:Noninvasive-measurement; Dual frequency; Ultrasound; Thermotherapy
0 前 言
对人体内部癌变组织加热使其达到一定温度，可以有效杀死癌细胞。这种方法称为温热治疗，简称热疗。在癌症的治疗方法中，近些年发展起来的热疗技术由于疗效确切、副作用小而倍受重视[1]。这种治疗的技术原理是癌变组织的热耐受性较正常组织要低，当对癌变组织加热到一定程度时，癌变组织就会死亡。但这种加热温度不能太高，否则将会损伤周围的正常组织。因此，由于热疗允许的温度范围较小，如何对癌变组织温度进行准确测量，是这种技术应用中的关键问题。用于热测量的临床系统必须不妨碍热疗本身，以精确的空间、瞬时和热清晰度进行测量，甚至存在强电磁场或超声热力场时亦应如此。测量系统必须对温度变化有特异性，而对包括生理参数在内的其他变化器官的运动无反应[3]。目前临床采用的测温方法主要是有创方法，其方法是将温度探针插入加热区[5，6]，不但给病人带来不必要的痛苦，而且还会影响加热效果。无创测温方法尚处于研究阶段。其测量方法包括单频率超声测量方法[4]，微波辐射测量术[7，8]，CT扫描和MRI[9]等。单频率测量方法不能排除器官运动的影响，微波辐射测量有穿透深度不深方面的缺陷，而CT和MRI价格昂贵，机动性差使应用性不强。
, 百拇医药
本文研究一种用双频率超声无创测温的方法。由于体内组织温度变化将使不同频率超声的传播速度的变化率不同。因此可以利用两个不同频率的超声对加热组织同时测量，通过对两组测量数据的分析而能有效排除人体运动的影响，达到测量目的。
1 理论基础
超声波在人体组织传播时，会被散射、吸收、衍射，并会出现声速的改变[1]。超声波传播速度与组织特性、组织温度乃超声波频率有关[2]。用下式表示为：
(1)
其中 V：声速 μ：组织特性 f：超声波频率 T：组织温度
在超声频率固定的情况下，假定组织厚度不变，即组织特性一定，只要测量超声在组织中传播所用的时间，就可得到速度。因此，当组织温度变化时，测得的时间也发生变化，用这一方法可以测量组织的温度变化[4]。但是在实际临床中，由于人体内各器官都是在运动的，因此，上面所述的组织厚度不变的前提不能成立，上述方法不能被使用，需要对其进行改进。
, 百拇医药
我们考虑用另外一种方法。选择两种不同频率的超声波，在间隔很短的时间内用两个频率的超声对同一路径进行测量，当将复杂的关系线性化后，因此可以得到下列关系式：
(2)
(3)
t：回波时间 l：组织厚度 T：组织温度 α：组织特性 β：组织温度系数
通过解这一方程组，可以消掉组织厚度l的影响，测得温度T的变化，从而排除人体器官运动的影响。
将公式(2)两边同乘以α2得
, 百拇医药
(4)
将公式(3)两边同乘以α1得
(5)
公式(4)减去(5)得
(6)
当组织温度变化ΔT时，有：
(7)
由此：
, 百拇医药
(8)
公式中的系数α1,α2,β1,β2可以通过预先测得，因此当实际测得频率为f1的超声波传导时间的变化Δt1和频率为f2的超声波传导时间的变化Δt2后，便可以代入公式(8)而估计温度变化。
2 温度系数的获得
对同一厚度的组织进行测量，当组织温度变化ΔT时，频率为f1的超声波的传播时间变化为Δt1，频率为f2的超声波的传播时间变化为Δt2，代入上面(2)、(3)式，则有
, 百拇医药
通过这一公式，可以求得超声在组织介质中的温度系数β。
3 组织介质系数的获得
保持组织温度不变，测量同一介质不同厚度下的超声波的传播时间，仍然应用(2)、(3)式，即可得到组织介质系数
4 方法与实现
选用两个不同频率的超声探头，超声的发射频率分别为2.5MHz与7.5MHz，超声由一台A超提供。用存储示波器测量超声波的发射与回波的时间差。实验中以肝组织作为介质标本，将其放入一个温控水浴中，超声探头置于水中，整个实验装置如图1所示：
图1 用双频率超声测温的实验装置
, 百拇医药
存储示波器采用HP存储示波器，该示波器主振频率为60MHz。首先以厚度为8cm的离体肝组织做实验，温度从20℃变为45℃，分别用2.5MHz和7.5MHz的探头测量回波时间。表1，表2给出测量结果。
表1 超声发射频率f=2.5MHz时同一厚度肝
组织在不同温度下的回波时间测量结果 温度(℃)
20
25
30
35
40
45
回波时间
, 百拇医药
(μs)
67.51
66.82
66.14
65.56
64.93
64.27
β1=0.1285μs/℃表2 超声发射频率f=7.5MHz时同一厚度肝
组织在不同温度下的 回波时间测量结果 温度(℃)
20
25
, 百拇医药
30
35
40
45
回波时间
(μs)
67.48
66.78
66.12
65.53
64.90
64.23
β2=0.1283μs/℃
, 百拇医药
将测量结果线性拟合后得到β1=0.1285μs/℃ β2=0.1283μs/℃。然后保持水浴的温度为30℃，改变肝组织的厚度，进行测量，测量结果由表3，表4给出。同样在对测量结果线性拟合后，得到α1=6.6219μs/cm，α2=6.6265μs/cm。
表3 超声发射频率f=2.5MHz在温度不变时对
不同厚度的肝组织进行回波时间测量的结果 肝脏厚度(cm)
2.0
3.6
5.0
回波时间(μs)
13.24
, 百拇医药
23.83
33.12
α1=6.6219μs/cm表4 超声发射频率f=7.5MHz在温度不变时对
不同厚度的肝组织进行回波时间测量的结果
肝脏厚度(cm)
2.0
3.6
5.0
回波时间(μs)
13.23
23.82
, 百拇医药
33.10
α2=6.625μs/cm
根据上述测量的结果，我们对这一方法进行温度测量进行了尝试。选择5cm厚的肝组织，当样本温度由20℃变至45℃时，2.5MHz超声的回波时间的变化为3.25μs，7.5MHz超声的回波时间的变化为3.23μs，代入公式(8)后计算得到的温度变化为25.14℃
5 讨 论
在本课题的研究中，发现超声介质的回波时间是随介质的温度变化而变化，而且这种变化随超声频率的不同而不同。这种基于不同频率的回波时间差异在高时间分辨率(60MHz振荡频率)下是可以检测的。研究中选用2.5MHz和7.5MHz的A型超声作为超声源，用水及水中的肝脏组织作为超声介质，当介质温度从20℃变为45℃，检测在不同频率下的回波时间差异Δt随介质温度之间的关系，得到的结果基本符合线性关系。但在这一关系中，α1与α2，β1与β2相差很小，这有可能在实际情况下，当由测得的回波时间差异反推温度时，造成误差增大，这也使得对回波时间的测量精度要求增加。
, http://www.100md.com
通过本课题的研究，我们得到的经验是：基于回波时间的温度测量方法需要感兴趣区与其它组织有介质差异，而这在实际情况中有时是不能达到的。随着超声传感器及放大电路的发展，超声在介质中的传导特性也能被测量，因此该研究方向以后应主要研究通过对这些具有介质特征的微小回波的谱分析，辅以研究其频率特征来达到目的。
本项目受北京自然科学基金资助。
作者简介：张旭：女，34岁，讲师，首都医科大学电子教研室副主任。
参考文献
1 周康源著.生物医学超声工程.四川教育出版社，1992，pp.16—55
2 应崇福主编.超声学.科学出版社，1990，pp.163—197
3 王存诚，陈槐卿主编.生物医学中的热物理探索.科学出版社，1993，pp.79—84，54—59
, 百拇医药
4 Seip R, and Ebbini E S. Noninvasive estimation of tissue temperature response to heating fields using diagnostic ultrasound. IEEE Trans BME,1995,42：828
5 Paulsen KD, Moskowitz MJ and Ryan TP. Temperature estimation using electrical impedance profiling methods: Ⅰ.Reconstruction algorithm and simulated results. Int J Hyperthermia,1994，10：209
6 Moskowitz MJ, Paulsen KD, Ryan TP, et al. Temperature estimation using electrical impedance profiling methods:Ⅱ. Experimental system description and phantom results. Int J Hyperthermia,1994，10：229
, 百拇医药
7 Meaney PM, Paulsen DK and Ryan TP. Microwzave thermal imaging using a hybrid element method with a dual mesh scheme for redused computation time. In Proc 15 th Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc,1993，1:96
8 Magin R and Peterson A. Nonivasive microwave phased arrays for local hyperthermia: A review. Int J Hyperthermia 1993，20：107
9 Hynynen K, Darkazanli A, Unger E, et al. MRI-guided non-invasive ultrasound surgery. Med Phys, 1993，20：107
(1999-01-14收稿，1999-02-01修回), 百拇医药
单位：首都医科大学电子教研室 (北京 100054)
关键词：无创测量；双频率超声；热疗；介质；组织
北京生物医学工程990204 摘 要 对人体组织内部温度进行无创测量是肿瘤热疗技术的难点也是生物医学工程领域长期以来有待解决的问题。以前曾有人根据超声传播速度的温度依赖性而试图用单频率超声对体内组织温度的变化而进行检测，但由于体内器官的运动而使超声的传播路径不确定，从而使这一方法的测量误差过大。人体组织对超声的传播速度不仅与组织的温度有关，而且与超声的频率有关，因此当用双频率超声方法进行测量时，就有可能使测量结果避免由于超声传播路径的变化而造成的对结果的影响，从而排除器官运动而导致的结果误差，实现体内温度的无创测量。本文对这一方法进行了研究，实验中以水中的一块肝组织为介质进行了实验。最后指出了这种方法的可行性及存在的问题。
, http://www.100md.com
A Research of Using Dual Frequency Ultrasound
to Measure the Tissue Temperature Inside
the Body Noninvasively
Zhang Xu, Zhao Fuqiang
(Capital University of Medical Sciences, Beijing 100054)
Abstract
To measure the tissue's temperature inside the body non-invasively is a very prosperous reseach field both for clinical treatment and biomedical engineering. Because that the ultrasound travel time depends on tissue temperature, some people tried to use the change of tra-
, 百拇医药
vel time to measure the temperature of the tissue inside the body. But the tissue inside the body is moving, the error of measurement is not acceptable. The travel time to measure the temperature of the tissue inside the body. But the tissue inside the body is moving, the error of measurement is not acceptable. The travel time of ultrasound in human body depends not only on tissue's temperature, but also on ultrasound frequency. We present a noninvasive method for measuring tissue's temperature using dual frequency ultrasonic technique, with which we can avoid the influence of change of path of ultrasound(caused by moving of an organ) on results of measurement. The method was verified by experiments, using a piece of liver inside the water. The feasibility of the method and problems that still are also discussed.
, 百拇医药
Key words:Noninvasive-measurement; Dual frequency; Ultrasound; Thermotherapy
0 前 言
对人体内部癌变组织加热使其达到一定温度，可以有效杀死癌细胞。这种方法称为温热治疗，简称热疗。在癌症的治疗方法中，近些年发展起来的热疗技术由于疗效确切、副作用小而倍受重视[1]。这种治疗的技术原理是癌变组织的热耐受性较正常组织要低，当对癌变组织加热到一定程度时，癌变组织就会死亡。但这种加热温度不能太高，否则将会损伤周围的正常组织。因此，由于热疗允许的温度范围较小，如何对癌变组织温度进行准确测量，是这种技术应用中的关键问题。用于热测量的临床系统必须不妨碍热疗本身，以精确的空间、瞬时和热清晰度进行测量，甚至存在强电磁场或超声热力场时亦应如此。测量系统必须对温度变化有特异性，而对包括生理参数在内的其他变化器官的运动无反应[3]。目前临床采用的测温方法主要是有创方法，其方法是将温度探针插入加热区[5，6]，不但给病人带来不必要的痛苦，而且还会影响加热效果。无创测温方法尚处于研究阶段。其测量方法包括单频率超声测量方法[4]，微波辐射测量术[7，8]，CT扫描和MRI[9]等。单频率测量方法不能排除器官运动的影响，微波辐射测量有穿透深度不深方面的缺陷，而CT和MRI价格昂贵，机动性差使应用性不强。
, 百拇医药
本文研究一种用双频率超声无创测温的方法。由于体内组织温度变化将使不同频率超声的传播速度的变化率不同。因此可以利用两个不同频率的超声对加热组织同时测量，通过对两组测量数据的分析而能有效排除人体运动的影响，达到测量目的。
1 理论基础
超声波在人体组织传播时，会被散射、吸收、衍射，并会出现声速的改变[1]。超声波传播速度与组织特性、组织温度乃超声波频率有关[2]。用下式表示为：
(1)
其中 V：声速 μ：组织特性 f：超声波频率 T：组织温度
在超声频率固定的情况下，假定组织厚度不变，即组织特性一定，只要测量超声在组织中传播所用的时间，就可得到速度。因此，当组织温度变化时，测得的时间也发生变化，用这一方法可以测量组织的温度变化[4]。但是在实际临床中，由于人体内各器官都是在运动的，因此，上面所述的组织厚度不变的前提不能成立，上述方法不能被使用，需要对其进行改进。
, 百拇医药
我们考虑用另外一种方法。选择两种不同频率的超声波，在间隔很短的时间内用两个频率的超声对同一路径进行测量，当将复杂的关系线性化后，因此可以得到下列关系式：
(2)
(3)
t：回波时间 l：组织厚度 T：组织温度 α：组织特性 β：组织温度系数
通过解这一方程组，可以消掉组织厚度l的影响，测得温度T的变化，从而排除人体器官运动的影响。
将公式(2)两边同乘以α2得
, 百拇医药
(4)
将公式(3)两边同乘以α1得
(5)
公式(4)减去(5)得
(6)
当组织温度变化ΔT时，有：
(7)
由此：
, 百拇医药
(8)
公式中的系数α1,α2,β1,β2可以通过预先测得，因此当实际测得频率为f1的超声波传导时间的变化Δt1和频率为f2的超声波传导时间的变化Δt2后，便可以代入公式(8)而估计温度变化。
2 温度系数的获得
对同一厚度的组织进行测量，当组织温度变化ΔT时，频率为f1的超声波的传播时间变化为Δt1，频率为f2的超声波的传播时间变化为Δt2，代入上面(2)、(3)式，则有
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通过这一公式，可以求得超声在组织介质中的温度系数β。
3 组织介质系数的获得
保持组织温度不变，测量同一介质不同厚度下的超声波的传播时间，仍然应用(2)、(3)式，即可得到组织介质系数
4 方法与实现
选用两个不同频率的超声探头，超声的发射频率分别为2.5MHz与7.5MHz，超声由一台A超提供。用存储示波器测量超声波的发射与回波的时间差。实验中以肝组织作为介质标本，将其放入一个温控水浴中，超声探头置于水中，整个实验装置如图1所示：
图1 用双频率超声测温的实验装置
, 百拇医药
存储示波器采用HP存储示波器，该示波器主振频率为60MHz。首先以厚度为8cm的离体肝组织做实验，温度从20℃变为45℃，分别用2.5MHz和7.5MHz的探头测量回波时间。表1，表2给出测量结果。
表1 超声发射频率f=2.5MHz时同一厚度肝
组织在不同温度下的回波时间测量结果 温度(℃)
20
25
30
35
40
45
回波时间
, 百拇医药
(μs)
67.51
66.82
66.14
65.56
64.93
64.27
β1=0.1285μs/℃表2 超声发射频率f=7.5MHz时同一厚度肝
组织在不同温度下的 回波时间测量结果 温度(℃)
20
25
, 百拇医药
30
35
40
45
回波时间
(μs)
67.48
66.78
66.12
65.53
64.90
64.23
β2=0.1283μs/℃
, 百拇医药
将测量结果线性拟合后得到β1=0.1285μs/℃ β2=0.1283μs/℃。然后保持水浴的温度为30℃，改变肝组织的厚度，进行测量，测量结果由表3，表4给出。同样在对测量结果线性拟合后，得到α1=6.6219μs/cm，α2=6.6265μs/cm。
表3 超声发射频率f=2.5MHz在温度不变时对
不同厚度的肝组织进行回波时间测量的结果 肝脏厚度(cm)
2.0
3.6
5.0
回波时间(μs)
13.24
, 百拇医药
23.83
33.12
α1=6.6219μs/cm表4 超声发射频率f=7.5MHz在温度不变时对
不同厚度的肝组织进行回波时间测量的结果
肝脏厚度(cm)
2.0
3.6
5.0
回波时间(μs)
13.23
23.82
, 百拇医药
33.10
α2=6.625μs/cm
根据上述测量的结果，我们对这一方法进行温度测量进行了尝试。选择5cm厚的肝组织，当样本温度由20℃变至45℃时，2.5MHz超声的回波时间的变化为3.25μs，7.5MHz超声的回波时间的变化为3.23μs，代入公式(8)后计算得到的温度变化为25.14℃
5 讨 论
在本课题的研究中，发现超声介质的回波时间是随介质的温度变化而变化，而且这种变化随超声频率的不同而不同。这种基于不同频率的回波时间差异在高时间分辨率(60MHz振荡频率)下是可以检测的。研究中选用2.5MHz和7.5MHz的A型超声作为超声源，用水及水中的肝脏组织作为超声介质，当介质温度从20℃变为45℃，检测在不同频率下的回波时间差异Δt随介质温度之间的关系，得到的结果基本符合线性关系。但在这一关系中，α1与α2，β1与β2相差很小，这有可能在实际情况下，当由测得的回波时间差异反推温度时，造成误差增大，这也使得对回波时间的测量精度要求增加。
, http://www.100md.com
通过本课题的研究，我们得到的经验是：基于回波时间的温度测量方法需要感兴趣区与其它组织有介质差异，而这在实际情况中有时是不能达到的。随着超声传感器及放大电路的发展，超声在介质中的传导特性也能被测量，因此该研究方向以后应主要研究通过对这些具有介质特征的微小回波的谱分析，辅以研究其频率特征来达到目的。
本项目受北京自然科学基金资助。
作者简介：张旭：女，34岁，讲师，首都医科大学电子教研室副主任。
参考文献
1 周康源著.生物医学超声工程.四川教育出版社，1992，pp.16—55
2 应崇福主编.超声学.科学出版社，1990，pp.163—197
3 王存诚，陈槐卿主编.生物医学中的热物理探索.科学出版社，1993，pp.79—84，54—59
, 百拇医药
4 Seip R, and Ebbini E S. Noninvasive estimation of tissue temperature response to heating fields using diagnostic ultrasound. IEEE Trans BME,1995,42：828
5 Paulsen KD, Moskowitz MJ and Ryan TP. Temperature estimation using electrical impedance profiling methods: Ⅰ.Reconstruction algorithm and simulated results. Int J Hyperthermia,1994，10：209
6 Moskowitz MJ, Paulsen KD, Ryan TP, et al. Temperature estimation using electrical impedance profiling methods:Ⅱ. Experimental system description and phantom results. Int J Hyperthermia,1994，10：229
, 百拇医药
7 Meaney PM, Paulsen DK and Ryan TP. Microwzave thermal imaging using a hybrid element method with a dual mesh scheme for redused computation time. In Proc 15 th Annu Int Conf IEEE Eng Med Biol Soc,1993，1:96
8 Magin R and Peterson A. Nonivasive microwave phased arrays for local hyperthermia: A review. Int J Hyperthermia 1993，20：107
9 Hynynen K, Darkazanli A, Unger E, et al. MRI-guided non-invasive ultrasound surgery. Med Phys, 1993，20：107
(1999-01-14收稿，1999-02-01修回), 百拇医药