高强度聚焦超声HIFU治疗肿瘤完全无创但长期缺少实时监控手段。这套系统用 PXI Express 与 LabVIEW把一片 32 通道、50 MS/s 的柔性传感器阵列接进了临床治疗系统。被动声学成像换能器阵列与采集机箱界面呈现声学成像热图01 要做什么给无创治疗补上实时监控腹部实体肿瘤比如长在肾和肝上的并不少见。相关地区 2008 年新增肝癌病例 3,594 例2009 年新增肾癌病例 9,286 例且多发于老年人。因为成像手段在进步肿瘤被确诊时往往还小直径不到 4 cm而这类小肿瘤绝大多数在确诊时仍局限在原位是可以治愈的。常规做法是手术把肿瘤从肾上切除或者干脆整个切除肾脏。手术的治愈率很高5 年和 10 年癌症特异性生存率都超过 90%。但肾癌手术有风险超过 20% 的病例会出现并发症80 岁以上患者这个比例还会进一步升高。高强度聚焦超声HIFU是一种新兴的、完全无创的疗法。它让医生把体内深部一个小目标区域加热到足够高的温度从而杀死癌细胞同时不损伤周围的健康组织。和传统手术或微创手术相比这类治疗通常住院时间更短、疼痛更少、并发症率更低、恢复更快。原因是它不需要切开皮肤也不需要穿刺肿瘤因此没有出血风险也没有把肿瘤细胞带到新位置的风险。但 HIFU 疗法有一些局限阻碍了它被更广泛地采用。其中最突出的一条是缺少实时监控无法把这次治疗到底有没有效果快速、有效地反馈给医生。02 难在哪信号收得到实时成像不容易寻找监控手段时有一个关键现象可以利用声空化acoustic cavitation。它描述的是HIFU 换能器发出的声波穿过人体时会引起微小气泡的成核与振荡这些振荡、崩溃的气泡会产生声能量而这些能量可以被传感器阵列被动地探测到。把各路信号收集到一起再做阵列处理就能得到一幅活动强度的空间分布图这个过程称为被动声学成像passive acoustic mappingPAM。对临床医生来说如果能确切地知道整个治疗周期里患者体内正在发生什么就意味着过度治疗的概率更低、安全边界更好、治疗时间更短。而且被动映射声发射信号成本低、能实时完成比现有的 HIFU 监控手段都好。磁共振成像MRI要贵上几个数量级B 模式成像的灵敏度又不够可能导致过度治疗。工程上还有一层约束。这套多阵元被动空化探测器是要改装到一套已获 CE 认证的临床 HIFU 系统上的前提是新传感器不能显著影响治疗声场。这一条写在纸面上只有一句话实际做起来却最容易被低估。早期研究用的是什么一台常规超声扫描仪加一支诊断线阵探头。这个组合的好处是可以把每个阵元在波束形成之前的信号取出来。但再往下走就会受限只能用市面上买得到的阵列探头接收通道数有明确的上限而且没有一条直接路径可以把实时的被动声学图显示出来。也就是说算法还没开始做硬件形态和数据通路就已经被定死了。03 方案柔性阵列贴合换能器FlexRIO 同步采集探测阵列由 8 个飞镖形dart-shaped的柔性子阵组成安装时能够贴合 HIFU 换能器的外形。每个子阵包含 4 个阵元用印刷电极制作在一种又薄、声学上又透明的压电聚合物上。8 个子阵乘以 4 个阵元正好是 32 个通道。子阵装好之后可以利用治疗换能器的全孔径同时把对治疗本身的影响压到最小这正对应前面那条不能影响治疗声场的约束。采集这 32 个阵元的数据选用的是一块 NI 5752 适配器模块搭配 NI FlexRIO PXI Express FPGA 模块卡。这个适配器模块是专门为超声应用设计的它让系统能够同时采集阵列的全部 32 个通道采样率 50 MS/s并且拿到的是完整的时域数据。04 LabVIEW 里的程序控制权和可扩展性从开发角度看LabVIEW FPGA 提供的是一条能快速做出监控应用的路径同时对采集到的数据拥有完全的控制权和访问权。在可扩展的 PXI 系统上任何能设想出来的阵列设计都可以接进来而 64 个阵元的阵列设计已经在规划当中了。另一件值得做的事是板上预处理用 LabVIEW 写好的预处理可以嵌到 FlexRIO 上的 FPGA 里将来成像方法往计算更复杂的方向演进时这一步预留的空间就很重要。把这两点和早期的诊断线阵探头方案对照一下差别就更清楚市售探头的形态、通道数上限、能不能实时显示都是别人定好的换成 PXI 加 FlexRIO 之后这几项约束都变成了可以由自己决定的变量。通道数从 32 扩到 64也不需要推翻整套系统只是在采集能力上继续往上加。05 结果把 PXI Express 硬件和 LabVIEW 软件组合起来实现了从 32 通道自制传感器阵列以 50 MS/s 进行快速数据采集并且保留了完整的时域数据用于后续的阵列处理——这是被动声学成像能够生成空间活动图的前提。64 阵元的设计方案也已就绪。这套被动映射本身是低成本、实时的这一点优于现有的 HIFU 监控手段。而它所指向的价值在于让临床医生在整个治疗周期里掌握体内正在发生什么这是降低过度治疗概率、改善安全边界、缩短治疗时间的前提。06 这个案例说明什么这是一个很典型的给已有设备补能力的项目。治疗设备本身已经通过临床认证不可能为了加一套监控就重做整机于是重点落到了探测器的形态上——飞镖形、柔性、声学透明、贴合原换能器外形用 8 个子阵拼出全孔径。决定这类项目能不能落地的往往不是算法有多先进而是怎么装上去这种朴素问题。第二点是数据要留全。32 通道、50 MS/s存下来的是完整的时域数据而不是被设备厂商预处理过、已经波束形成完的结果。通道数和采样率这两个数字直接决定了后面算法能做到什么程度。把原始数据拿到自己手里未来的算法升级才有空间这也是完全控制并访问采集数据的实际分量。第三点是可扩展性。这个方案里最值钱的并不是当前的 32 通道而是任何阵列设计都能接进来这一点64 阵元的规划已经在了。硬件平台选对了后续迭代就是加通道、改 FPGA 逻辑选错了就要换掉一整套系统。改装临床设备先保证不扰动声场把探测器做成贴合原换能器的柔性子阵是这类改装项目最容易被低估的一步。留住原始时域数据算法才有余地32 通道 50 MS/s 全时域采集后续算法升级才不受制于厂商预处理。07 写在最后这类项目的难点通常不在算法本身而在于把传感器、采集硬件、实时处理和临床设备凑成一个能一起工作的整体。选型、同步、FPGA 逻辑、数据通路每一环都得盯到底。我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。无论是 HIFU 这类多通道阵列的同步采集还是把算法搬到 FPGA 上做板上预处理都可以一起聊。欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。