球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，包括球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法构成的驱动控制，以及与方法配合的系统是一主控计算机控制一分层分布控制器再控制百通道功率驱动器驱动百阵元球面相控阵聚焦超声换能器。两个算法控制方法结合在此治疗系统之中使之产生适合肿瘤治疗的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点及子阵单焦点和多焦点的声场模式。多焦点形成的大焦点比现有单阵元单焦点单次治疗的体积大、效率更高；而子阵焦点模式能避开肋骨遮挡进行聚焦超声无创手术。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物医学仪器
，涉及聚焦超声换能器的控制方法，具体涉及一种，该方法能够对球面相控阵聚焦超声换能器的声场的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点等进行控制。
技术介绍
高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)是将超声能量聚焦在人体深部目标组织，达到精确热损伤选定目标组织而丝毫不伤害临近正常组织的治疗，现称为聚焦超声手术(Focused Ultrasound Surgery，FUS)。HIFU换能器有单阵元换能器和相控阵换能器两种形式。在HIFU治疗中HIFU换能器及其波束合成甚为重要。相控阵聚焦超声换能器可产生适合治疗的灵活多变的单焦点和同时多点的聚焦模式，同单阵元换能器产生的单焦点相比，多点聚焦可增大单次治疗聚焦体积，大大减少了治疗时间，加快了超声手术的治疗速度。相控阵聚焦超声换能器有平面式、凹面式、有声透镜形式；阵元的形状有圆形、矩形、柱形、园环形和扇蜗形等样式。授权的美国专利4,865,042，专利技术人Umemura，专利技术名称为“Ultrasonic irradiaion system”是较早于1989年披露了球冠相控阵换能器，也就是球面环形相控阵和球面扇蜗形相控阵；其控制驱动方式能够产生焦平面的环形分布的多焦点，而驱动方法只做相位控制，即相角调制，而各阵元的幅度保持一样。在相控阵聚焦方法方面以色列InSightec-TxSonics，Ltd.公司申请的美国专利US 6,613,004B1，申请日2003年4月，“System andmethod for creating longer necrosed volumes using a phased array focusedultrasound”，相应的中国专利技术专利01813606.0，是“利用相控阵聚焦超声系统增加坏死体积的系统和方法”，其中采用了全阵等幅和变迹的聚焦方式交替工作实现了相控阵聚焦超声手术中组织损伤，克服了仅用变迹所生成的组织损伤体积易造成焦前区过热现象。以色列InSightec-TxSonics，Ltd.公司的另一美国专利S/N 09/556,095，“Systems andmethods for reducing secondary hot spots in a phased array focused ultrasoundsystem”，相应的中国专利技术专利01808265.3，是“减少相控阵聚焦系统中次热点的系统和方法”；其中采用了聚焦超声发射时周期性变动发射频率，实际上是增加驱动信号的带宽，来有效地抑制环形聚焦超声相控阵所产生的次焦点。一般环形相控阵易产生次焦点，上述专利减少次热点就是针对这一情况的方法，若采用矩形相控阵元形式就可以克服这一不足。以上提及的专利运用环状阵相角调制方法能够产生焦平面的环形分布的多焦点，而不能产生非轴对称的多焦点，因而不能形成三维空间的多焦点扫描。
技术实现思路
针对以上所述环形相控阵系统和方法存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种，使上百阵元球面相控阵聚焦超声换能器产生多样的三维单焦点和三维多焦点模式，使单次治疗的体积比单阵元的大、效率更高。本专利技术所采用的技术方案是，一种，其特征在于，该方法包括下列步骤1)首先在工作频率为0.5MHz～4MHz的球面相控阵聚焦超声换能器上设置一个百通道功率驱动器，百通道功率驱动器的驱动通过一个分层分布控制器控制；分层分布控制器与主控计算机相连接；2)主控计算机内设置有球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法，通过上述算法的结合能够设计球面相控阵的三维空间多焦点模式，每一种模式加上位置信息所对应一组驱动信号；驱动信号由一组幅值信号和一组相位信号组成，幅值信号对应向量中分量的幅值，相位信号对应向量中分量的相角，将所有经优化算法得到相关声场模式的驱动信号做成聚焦模式库存于分层分布控制器的存储器中，根据控制要求，在手术中调用相应结果进行控制；3)当主控计算机将命令和治疗数据发送给分层分布控制器，由分层分布控制器即时提取对应声场焦点模式的驱动信号并且转化成包含各通道相位、幅值信息的电信号，驱动百通道功率驱动器工作；4)球面相控阵聚焦超声换能器对百通道功率驱动器的要求是，每一阵元要对应一个通道的功率控制，因此百阵元HIFU相控阵要求百通道功率驱动器驱动发射超声波。本专利技术的方法用于百阵元球面相控阵聚焦超声换能器和相应分层分布控制器能产生适合肿瘤治疗的三维单焦点、三维多焦点、组合切换焦点及子阵单焦点和多焦点模式，比现有的相控阵仅有环型多焦点的控制方法先进，多焦点形成的大焦点比现有单阵元单焦点单次治疗的体积大、效率更高，而子阵焦点模式能避开肋骨遮挡进行聚焦超声无创手术。附图说明图1是应用本专利技术控制方法的装置连接原理图；图2是百阵元HIFU球面相控阵换能器形状示意图；图3是遗传算法多点聚焦模式优化程序流程图；图4是用本专利技术控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴上单焦点模式的声场性能，其中，a是轴上单焦点聚焦平面声强分布，b是轴上单焦点x-y平面的声强等高图，c是轴上单焦点x投影面声强分布，d是轴上单焦点x-z平面的声强等高图；图5是用本专利技术控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵离轴单焦点模式的声场性能，其中，a是离轴单焦点聚焦平面声强分布，b是离轴单焦点x-y平面的声强等高图，c是离轴单焦点x投影面声强分布，d是离轴单焦点x-z平面的声强等高图；图6是用本专利技术控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴对称6焦点形成的大焦点模式的声场性能，其中，a是对称6焦点大焦点模式的聚焦平面声强分布，b是6焦点x-y平面的声强等高图，c是6焦点x-z平面的声强等高图；图7是用本专利技术控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵轴对称6焦点形成的紧凑焦点模式的声场性能，其中，a是6紧凑焦点焦平面声强分布，b是6紧凑焦点x-y平面的声强等高图；图8是用本专利技术控制方法得到的百阵元HIFU球面相控阵非轴对称4焦点形成的大焦点的模式声场性能，其中，a是4焦点焦平面声强分布，b是4焦点x-y平面的声强等高图；图9是用本专利技术控制方法驱动的百阵元球面HIFU相控阵两个焦点模式的组合切换焦点模式图，其中，a是轴对称6焦点形成的大焦点模式，b是轴上单焦点模式，c是a和b两焦点模式组合切换形成的无过冷点的大焦点；图10是百阵元HIFU球面相控阵的一种半阵子阵划分示意图；图11是为图10 HIFU相控阵半阵轴上单焦点模式的声场性能，其中，a是焦平面声强分布，b是x-z平面的声强等高图，c是x投影面声强分布，d是y投影面声强分布；图12是图10 HIFU相控阵半阵的对称2焦点模式声场性能，其中，a是焦平面声强分布，b是y投影面声强分布。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细说明。具体实施例方式参见图1，聚焦超声治疗系统中采用的是百阵元球面相控阵聚焦超声换能器2，其驱动控制通过分层分布控制器4控制百通道功率驱动器3来实现，本专利技术的控制方法即用于分层分布控制器4对百通道功率驱动器3的控制。当主控计算机5将命令和治疗数据发送给分层分布控制器4，分层分布控制器4根据该控制方法控制百通道功率驱动器3实现百阵元球面相控阵聚焦超声换能器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球面相控阵聚焦超声换能器的声场焦点模式驱动控制方法，其特征在于，包括下列步骤：１）首先在工作频率为０．５ＭＨｚ～４ＭＨｚ的球面相控阵聚焦超声换能器上设置一个百通道功率驱动器，百通道功率驱动器的驱动通过一个分层分布控制器控制；分层 分布控制器与主控计算机相连接；２）主控计算机内设置有球面矩形相控阵的声场计算方法和相控阵多点聚焦模式遗传算法，通过上述算法的结合能够设计球面相控阵的三维空间多焦点模式，每一种模式加上位置信息所对应一组驱动信号；驱动信号由一组幅值信号 和一组相位信号组成，幅值信号对应向量中分量的幅值，相位信号对应向量中分量的相角，将所有经优化算法得到相关声场模式的驱动信号做成聚焦模式库存于分层分布控制器的存储器中，根据控制要求，在手术中调用相应结果进行控制；３）当主控计算机将命令 和治疗数据发送给分层分布控制器，由分层分布控制器即时提取对应声场焦点模式的驱动信号并且转化成包含各通道相位、幅值信息的电信号，驱动百通道功率驱动器工作；４）球面相控阵聚焦超声换能器对百通道功率驱动器的要求是，每一阵元要对应一个通道的 功率控制，因此百阵元ＨＩＦＵ相控阵要求百通道功率驱动器驱动发射超声波。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陆明珠，万明习，王晓东，徐丰，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]