CN103027717B - 超声换能器的位置监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声换能器的位置监控方法及装置，属于医用超声治疗领域。其中，该超声换能器的位置监控方法，包括：获取超声换能器的治疗位置变化情况；根据所获取的治疗位置变化情况调整所述超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量。本发明的技术方案能够增加超声换能器使用的安全性，提升超声治疗的质量。

Description

超声换能器的位置监控方法及装置

技术领域

本发明涉及医用超声治疗领域，特别是指一种超声换能器的位置监控方法及装置。

背景技术

众所周知，超声波与人体组织相互作用可以产生若干生物组织效应。根据超声波的局部声强高低和声波发射方式，这些生物组织效应可以分为热效应和非热机械效应。组织热效应指细胞对超声波能量的吸收导致其升温至热坏死。组织非热机械效应指由于声空化、声流和局部小振幅振动导致的细胞活动增加进而使细胞形态产生改变、破裂、凋亡等现象。影响超声生物组织效应的物理因素包括声场聚焦形式、声波频率、声压幅度、连续或脉冲声发射方式(脉冲重复频率和占空比)、驻波条件、媒质静态压强、温度、黏滞状态和边界条件等因素。

近年来，超声波的生物组织效应在治疗超声领域日益受到广泛研究和应用。高强度超声治疗在肿瘤热消融、体外冲击波粉碎尿结石、药物输送、阻断神经传导等方面的应用都有新的进展。

在减肥和美容应用领域，超声波也显现其独特的优势，例如采用体外低频率超声波辅助微创吸脂手术可以增强局部脂肪破坏效率。单独采用体外发射高强度聚焦超声波破坏局部脂肪组织的方法和设备正在经历临床验证，并显现其疗效，其安全性也得到初步验证。此类治疗往往先选定需治疗区域，然后采用体外超声波超声换能器发射超声波聚焦于皮下脂肪层内，基于超声波的人体组织热效应或机械效应原理在当前焦斑区域破坏脂肪组织，并逐点移动超声换能器改变焦点位置覆盖所需的治疗区域。在合适的治疗区域和剂量条件下，超声波破碎的脂肪组织经由人体自体新陈代谢循环分解。

安全有效的治疗依赖于对超声换能器工作状态的可测性和可控性。由于此类治疗采用逐点位置发射超声波能量来累加覆盖一个区域，因此，每个超声辐照位置接受的超声能量应该尽可能的一致，以保证治疗的均一性。若在某个位置超声辐照时间过长，则在特定超声功率条件下，过长的辐照时间导致过多的超声能量辐照(治疗剂量超标)，可能会引起不必要的人体组织伤害，影响治疗的安全性。从安全性的角度考虑，特别是对于手持式操作的超声治疗头，为了避免人为操作失误的影响，迫切需要能够建立一种信息互联机制，使得超声发射和其位置变化能够关联动作，避免上述治疗剂量超标的伤害。因此，有必要对超声换能器的位置状态进行实时监测并反馈给超声发射控制部分，用来根据超声换能器的位置调整辐照能量。但是在现有技术中，超声换能器的超声发射和其位置变化之间并没有相关的确认检查措施。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超声换能器的位置监控方法及装置，能够对超声换能器的位置状况进行实时监测，并通过反馈调整超声换能器的工作参数，实现超声换能器的辐照剂量和位置变化的相互联动，增加超声换能器使用的安全性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种超声换能器的位置监控方法，包括：

获取超声换能器的位置变化情况；

根据所获取的位置变化情况调整所述超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量。

进一步地，所述获取超声换能器的位置变化情况包括：

通过设置在所述超声换能器上的多个位置跟踪模块，监测并记录所述超声换能器的即时位置，获得所述超声换能器随时间的位移；或

通过涂敷在所述超声换能器外部的光学材料或安装在所述超声换能器上的轮廓标记，利用多个摄像装置实时获取所述超声换能器的图像并即时重构三维空间影像，从图像上根据光学吸收的对比度提取所述超声换能器的轮廓，根据所获取的连续图像中所述超声换能器轮廓的位置变化记录所述超声换能器的即时位置，获得所述超声换能器随时间的位移；或

通过固定所述超声换能器的机械移动装置的位置信息，推算出所述超声换能器随时间的位移；或

通过内置在所述超声换能器中的单个或多个微型运动陀螺仪的位置信息，推算出所述超声换能器随时间的位移。

进一步地，所述位置变化情况包括所述超声换能器的加速度和运动速度变化情况，所述获取超声换能器的位置变化情况包括：

采用加速度传感器或速度传感器检测所述超声换能器的加速度或速度变化情况；或

利用安装在所述超声换能器上的多普勒模块对来自人体组织界面的反射信号进行相对位移速度的检测，从而确定所述超声换能器的加速度或速度变化情况。

进一步地，所述根据所获取的位置变化情况调整所述超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量包括：

当所述超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，停止所述超声换能器的能量输出；或加大所述超声换能器发射脉冲的间隔时间；或缩短所述超声换能器所发射脉冲的宽度；或降低所述超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示；

当所述超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小所述超声换能器发射脉冲的间隔时间；或加长所述超声换能器所发射脉冲的宽度；或增加所述超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示。

进一步地，所述根据所获取的位置变化情况调整所述超声换能器的工作参数，以在所述超声换能器的治疗位置获得预设的超声辐照能量包括：

当所述超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，加大所述超声换能器的移动速度至不低于所述第一阈值；

当所述超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小所述超声换能器的移动速度至不高于所述第二阈值。

本发明实施例还提供了一种超声换能器的位置监控装置，包括：

用于获取超声换能器的位置变化情况的获取模块；

用于根据所获取的位置变化情况调整所述超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量的控制模块。

进一步地，所述获取模块包括：

用于通过设置在所述超声换能器上的多个位置跟踪模块，监测并记录所述超声换能器的即时位置，获得所述超声换能器随时间的位移；或

通过涂敷在所述超声换能器外部的光学材料或安装在所述超声换能器上的轮廓标记，利用多个摄像装置实时获取所述超声换能器的图像并即时重构三维空间影像，从图像上根据光学吸收的对比度提取所述超声换能器的轮廓，根据所获取的连续图像中所述超声换能器轮廓的位置变化记录所述超声换能器的即时位置，获得所述超声换能器随时间的位移；或

通过固定所述超声换能器的机械移动装置的位置信息，推算出所述超声换能器随时间的位移；或

通过内置在所述超声换能器中的单个或多个微型运动陀螺仪的位置信息，推算出所述超声换能器随时间的位移的第一获取子模块。

进一步地，所述位置变化情况包括所述超声换能器的加速度和运动速度变化情况，所述获取模块包括：

用于采用加速度传感器或速度传感器检测所述超声换能器的加速度或速度变化情况；或

利用安装在所述超声换能器上的多普勒模块对来自人体组织界面的反射信号进行相对位移速度的检测，从而确定所述超声换能器的加速度或速度变化情况的第二获取子模块。

进一步地，所述控制模块包括：

用于当所述超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，停止所述超声换能器的能量输出；或加大所述超声换能器发射脉冲的间隔时间；或缩短所述超声换能器所发射脉冲的宽度；或降低所述超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示的第一控制子模块；

用于当所述超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小所述超声换能器发射脉冲的间隔时间；或加长所述超声换能器所发射脉冲的宽度；或增加所述超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示的第二控制子模块。

进一步地，所述控制模块包括：

用于当所述超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，加大所述超声换能器的移动速度至不低于所述第一阈值的第三控制子模块；

用于当所述超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小所述超声换能器的移动速度至不高于所述第二阈值的第四控制子模块。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，首先获取超声换能器的位置变化情况，之后根据所获取的位置变化情况调整超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量。本发明实施例能够对超声换能器的位置状况进行实时监测，并通过反馈调整超声换能器的工作参数，实现超声换能器的辐照剂量和位置变化的相互联动，增加超声换能器使用的安全性。

附图说明

图1为本发明实施例的超声换能器的位置监控方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的超声换能器的位置监控装置的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的实施例针对现有技术中超声换能器的超声发射和其位置变化之间并没有相关的确认检查措施的问题，提供一种超声换能器的位置监控方法及装置，能够对超声换能器的位置状况进行实时监测，并通过反馈调整超声换能器的工作参数，实现超声换能器的辐照剂量和位置变化的相互联动，增加超声换能器使用的安全性。

图1为本发明实施例的超声换能器的位置监控方法的流程示意图，如图1所示，本实施例包括：

步骤101：获取超声换能器的位置变化情况；

步骤102：根据所获取的位置变化情况调整超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量。

本发明实施例的超声换能器的位置监控方法，首先获取超声换能器的位置变化情况，之后根据所获取的位置变化情况调整超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量。本发明实施例能够对超声换能器的位置状况进行实时监测，并通过反馈调整超声换能器的工作参数，实现超声换能器的辐照剂量和位置变化的相互联动，增加超声换能器使用的安全性。

图2为本发明实施例的超声换能器的位置监控装置的结构框图，如图2所示，本实施例包括：

用于获取超声换能器的位置变化情况的获取模块20；

用于根据所获取的位置变化情况调整超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量的控制模块22。

进一步地，获取模块包括20：

用于通过设置在超声换能器上的多个位置跟踪模块，监测并记录超声换能器的即时位置，获得超声换能器随时间的位移；或

通过涂敷在超声换能器外部的光学材料或安装在超声换能器上的轮廓标记，利用多个摄像装置实时获取超声换能器的图像并即时重构三维空间影像，从图像上根据光学吸收的对比度提取超声换能器的轮廓，根据所获取的连续图像中超声换能器轮廓的位置变化记录超声换能器的即时位置，获得超声换能器随时间的位移；或

通过固定超声换能器的机械移动装置的位置信息，推算出超声换能器随时间的位移；或

通过内置在超声换能器中的单个或多个微型运动陀螺仪的位置信息，推算出超声换能器随时间的位移的第一获取子模块21。

进一步地，位置变化情况包括超声换能器的加速度和运动速度变化情况，获取模块包括：

用于采用加速度传感器或速度传感器检测超声换能器的加速度或速度变化情况；或

利用安装在超声换能器上的多普勒模块对来自人体组织界面的反射信号进行相对位移速度的检测，从而确定超声换能器的加速度或速度变化情况的第二获取子模块23。

进一步地，控制模块22包括：

用于当超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，停止超声换能器的能量输出；或加大超声换能器发射脉冲的间隔时间；或缩短超声换能器所发射脉冲的宽度；或降低超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示的第一控制子模块25；

用于当超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小超声换能器发射脉冲的间隔时间；或加长超声换能器所发射脉冲的宽度；或增加超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示的第二控制子模块27。

进一步地，控制模块22还包括：

用于当超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，加大超声换能器的移动速度至不低于第一阈值的第三控制子模块24；

用于当超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小超声换能器的移动速度至不高于第二阈值的第四控制子模块26。

第一阈值和第二阈值的设置与人体组织产生所希望的超声生物效应所需的最低辐照剂量和避免不必要的组织损伤所限制的最高辐照剂量有关，而辐照剂量与超声换能器的输出功率、脉冲宽度、脉冲占空比有关，即单位时间内所输出的能量总和。当已知或已设定最低和最高辐照剂量时，可以根据超声换能器的单位时间输出能量计算超声换能器在单个治疗位置的停留时间上下限，从而推导出超声换能器移动速度的第一阈值和第二阈值。

本发明实施例的超声换能器的位置监控装置，在对超声换能器的位置变化进行监测和控制时，首先获取超声换能器的位置变化情况，之后根据所获取的位置变化情况调整超声换能器的工作参数，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量。本发明实施例能够对超声换能器的位置状况进行实时监测，并通过反馈调整超声换能器的工作参数，实现超声换能器的辐照剂量和位置变化的相互联动，增加超声换能器使用的安全性。

下面结合具体的实施例对本发明的超声换能器的位置监控方法进行进一步介绍，本实施例包括以下步骤：

步骤S1：获取超声换能器的位置变化情况；

(1)直接监测超声换能器随时间的位移

具体实施方案一：在超声换能器手柄上设置多个跟踪装置(例如光学反射球)，采用主动式或被动式光学跟踪方法，监测并记录超声换能器的即时位置，得出超声换能器随时间的位移。

具体实施方案二：在超声换能器外部涂敷敏感光学材料吸收某特定波长的光波，或在超声换能器上安装特定模式的轮廓标记，采用多个摄像机实时拍摄超声换能器图并即时重构三维空间影像，从图像上根据光学吸收的对比度提取超声换能器的轮廓，根据所摄连续图像中超声换能器轮廓的位置变化记录超声换能器的即时位置，得出超声换能器随时间的位移。

具体实施方案三：类似具体实施方案二，对于手持式治疗，操作者可以佩戴特制手套，手套上有标记物显示其手部轮廓，采用多个摄像机实时拍摄手持操作超声换能器图并即时重构三维空间影像，从图像上根据光学吸收的对比度提取超声换能器和手的轮廓，根据所摄连续图像中手套和超声换能器轮廓的位置变化记录超声换能器的即时位置，判断出超声换能器随时间的位移。也可以采用图像识别技术对手和超声换能器的轮廓直接提取。

具体实施方案四：超声换能器安装在机械移动装置上(例如3维直线导轨架、3-6自由度的机械臂、液压运动机构等)，根据机械运动机构的位置记录功能，推算出超声换能器随时间的位移。

具体实施方案五：在超声换能器内置或安装微型单个或多个运动陀螺仪，陀螺仪随超声换能器移动产生位置信息，根据陀螺仪的位置信息，推算出超声换能器随时间的位移。

(2)实时监测超声换能器的加速度或运动速度变化

具体实施方案一：可以采用加速度传感器或速度传感器监测超声换能器的加速度或速度变化。

具体实施方案二：可以采用超声多普勒方法，选择合适的多普勒信号频率，采用单基地或双基地发射/接收方式，在超声治疗头上固定安装多普勒超声换能器，对来自人体组织界面的反射信号进行相对位移速度的监测，从而推断出超声换能器的加速度或速度变化情况。若超声治疗头的工作频率适合，也可以利用超声治疗头进行多普勒位移监测。

上述实施方案中，尚需确定受治者的位置信息(位置登记)，以便与超声换能器位置信息关联重构治疗剂量。可以固定受治者，则在治疗开始只要对受治者进行一次位置登记即可；或对受治者采用类似的光学扫描病人轮廓的方法以及安置标记装置的方法进行位置跟踪，则可以实时更新受治者的位置登记信息。

步骤S2：根据所获取的位置变化情况调整超声换能器的工作状态。

在获取了超声换能器的位置变化情况之后，就可以以此为依据调整超声换能器的发射参数，以在超声换能器的治疗位置获得均一的超声辐照能量，避免超声换能器在一个固定位置停留过长，导致治疗剂量超出安全边界，或避免超声换能器停留时间过短无法进行有效治疗。

具体地，可以根据上述获得的超声换能器位置和对应的发射功率的记录，对超声换能器工作状态进行分析判断后向操作者进行信息反馈，实时重构并在治疗系统的用户信息界面内显示当前超声换能器位置和焦斑位置、超声发射功率大小、治疗剂量分布或在治疗后重构治疗剂量分布图，用于治疗质量控制。

具体地，当超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，停止超声换能器的能量输出；或加大超声换能器发射脉冲的间隔时间；或缩短超声换能器所发射脉冲的宽度；或降低超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示；

当超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小超声换能器发射脉冲的间隔时间；或加长超声换能器所发射脉冲的宽度；或增加超声换能器的发射功率；或混合使用上述手段，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示。

此外，当超声换能器的位置超出标定的治疗范围时，停止超声换能器的能量输出并对超声换能器使用者报警提示。

进一步地，还可以调整超声换能器的移动速度，当超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，加大超声换能器的移动速度至不低于第一阈值；

当超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小超声换能器的移动速度至不高于第二阈值。

本发明实施例实时监测超声换能器的位置变化，从而可以确定超声换能器的治疗位置变化情况，根据位置变化情况调整超声换能器的发射参数或超声换能器移动速度，以在超声换能器的治疗位置获得均一的超声辐照能量，本发明实施例可以对超声换能器的位置变化情况进行实时监测，并通过反馈调整超声换能器的工作参数，实现超声换能器辐照剂量和位置变化的相互联动，增加超声换能器使用的安全性，以及提升治疗质量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超声换能器的位置监控装置，其特征在于，包括：

用于通过直接监测超声换能器随时间的位移或实时监测超声换能器的加速度或运动速度变化来获取超声换能器的位置变化情况的获取模块；

用于根据所获取的位置变化情况调整所述超声换能器的工作参数的控制模块；

所述控制模块包括：

用于当所述超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，加大所述超声换能器的移动速度至不低于所述第一阈值的第三控制子模块；

用于当所述超声换能器的移动速度高于第二阈值时，减小所述超声换能器的移动速度至不高于所述第二阈值的第四控制子模块。

2.根据权利要求1所述的超声换能器的位置监控装置，其特征在于，所述获取模块包括：

用于通过设置在所述超声换能器上的多个位置跟踪模块，监测并记录所述超声换能器的即时位置，获得所述超声换能器随时间的位移；或

通过涂敷在所述超声换能器外部的光学材料或安装在所述超声换能器上的轮廓标记，利用多个摄像装置实时获取所述超声换能器的图像并即时重构三维空间影像，从图像上根据光学吸收的对比度提取所述超声换能器的轮廓，根据所获取的连续图像中所述超声换能器轮廓的位置变化记录所述超声换能器的即时位置，获得所述超声换能器随时间的位移；或

通过固定所述超声换能器的机械移动装置的位置信息，推算出所述超声换能器随时间的位移；或

通过内置在所述超声换能器中的单个或多个微型运动陀螺仪的位置信息，推算出所述超声换能器随时间的位移的第一获取子模块。

3.根据权利要求1所述的超声换能器的位置监控装置，其特征在于，所述位置变化情况包括所述超声换能器的加速度和运动速度变化情况，所述获取模块包括：

用于采用加速度传感器或速度传感器检测所述超声换能器的加速度或速度变化情况；或

利用安装在所述超声换能器上的多普勒模块对来自人体组织界面的反射信号进行相对位移速度的检测，从而确定所述超声换能器的加速度或速度变化情况的第二获取子模块。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的超声换能器的位置监控装置，其特征在于，所述控制模块包括：

用于当所述超声换能器静止或移动速度低于第一阈值时，采取下列手段中的一种或几种：停止所述超声换能器的能量输出、加大所述超声换能器发射脉冲的间隔时间、缩短所述超声换能器所发射脉冲的宽度、降低所述超声换能器的发射功率，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示的第一控制子模块；

用于当所述超声换能器的移动速度高于第二阈值时，采取下列手段中的一种或几种：减小所述超声换能器发射脉冲的间隔时间、加长所述超声换能器所发射脉冲的宽度、增加所述超声换能器的发射功率，以在治疗位置获得预设的超声辐照能量，并对超声换能器使用者报警提示的第二控制子模块。