CN103028199A - 超声换能器的声场监控方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声换能器的声场监控方法及装置，属于医用超声治疗领域。其中，该超声换能器的声场监控方法，包括：获取第一超声换能器当前发射的声信号的参数；比较所获取的声信号的参数和设定的参数；根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。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

超声换能器的声场监控方法及装置

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声场监控方法及装置。

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。

在超声治疗中，由于超声换能器压电材料本身特性的离散性，以及治疗时的使用参数和工作环境往往不尽相同，使得超声换能器的输出能量随使用时间变化，而超声输出能量会影响治疗质量的一致性和有效性。更为危险的是，若超声换能器或其驱动电路出现故障，从安全性的角度考虑，迫切需要能够在能量超出安全边界时立刻停止治疗，避免进一步的伤害。

此外，由于常用的高强度聚焦超声换能器大多工作于高谐振品质因数(Q值)状态，若超声换能器的谐振频率有所飘移，可能导致驱动频率与谐振频率失配而无法产生所希望的超声换能器输出功率，影响治疗效果或损坏超声换能器。从延长超声换能器使用寿命和保证治疗有效性的角度，也需要能够对超声换能器的工作状态进行实时监测和调整。

而对超声换能器的声场输出特征进行直接测量能够为调整超声换能器工作状态提供最直接的定量依据，因此，对超声换能器的声场进行监控已经成为一个急需解决的重要的临床安全性问题。

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声场监控方法及装置，能够对超声换能器的声场状况进行实时监测，并适当反馈调整超声换能器的工作参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

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声场监控方法，包括：

获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数；

比较所获取的声信号的参数和设定的参数；

根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。

进一步地，所述获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数包括：

采用第二超声换能器接收所述第一超声换能器发射的声信号，其中，所述第二超声换能器为单个或多个宽带超声换能器或水听器。

进一步地，所获取的声信号包括所述第一超声换能器的直接发射声信号、或治疗焦斑区域的散射声信号、或治疗头与人体组织分界面的声反射信号、或耦合液腔体内的声散射信号；

所述声信号的参数包括声信号的时间延迟、频率、幅度和相位。

进一步地，当所获取的声信号为治疗焦斑区域的散射声信号时，所述提取所获取的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数包括：

将所述声信号与所述第一超声换能器的输入信号进行匹配滤波，获得两者之间的互相关系数；

将所述互相关系数与第一预设阈值进行比较；

当所述互相关系数在允许的变化范围内，调整所述第一超声换能器的输入信号频率以使所述互相关系数达到预设阈值；

当所述互相关系数超出允许的变化范围，或所述声信号的时间延迟与预期的传播距离不符，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错。

进一步地，当所获取的声信号为所述第一超声换能器的直接发射声信号时，所述提取所获取的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数包括：

检测所述声信号的谐波与基波各分量的幅度和频带宽度，计算得到所述声信号的谐振品质因数；

将所述谐振品质因数与第二预设阈值进行比较；

当所述谐振品质因数在允许的变化范围内，则调整所述第一超声换能器的输入电功率以使所述谐振品质因数达到所述第二预设阈值；

当所述谐振品质因数超出允许的变化范围，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错。

本发明实施例还提供了一种超声换能器的声场监控装置，包括：

用于获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数的获取模块；

用于比较所获取的声信号的参数和设定的参数的处理模块；

用于根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数的控制模块。

进一步地，所述获取模块包括：

用于采用第二超声换能器接收所述第一超声换能器发射的声信号的接收子模块，其中，所述第二超声换能器为单个或多个宽带超声换能器或水听器。

进一步地，所获取的声信号包括所述第一超声换能器的直接发射声信号、或治疗焦斑区域的散射声信号、或治疗头与人体组织分界面的声反射信号、或耦合液腔体内的声散射信号；

所述声信号的参数包括声信号的时间延迟、频率、幅度和相位。

进一步地，当所获取的声信号为治疗焦斑区域的散射声信号时，

所述获取模块包括：

用于将所述声信号与所述第一超声换能器的输入信号进行匹配滤波，获得两者之间的互相关系数的第一获取子模块；

所述处理模块包括：

用于将所述互相关系数与第一预设阈值进行比较的第一处理子模块；

所述控制模块包括：

用于当所述互相关系数在允许的变化范围内，调整所述第一超声换能器的输入信号频率以使所述互相关系数达到预设阈值；当所述互相关系数超出允许的变化范围，或所述声信号的时间延迟与预期的传播距离不符，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错的第一控制子模块。

进一步地，当所获取的声信号为所述第一超声换能器的直接发射声信号时，

所述获取模块包括：

用于检测所述声信号的谐波与基波各分量的幅度和频带宽度，计算得到所述声信号的谐振品质因数的第二获取子模块；

所述处理模块包括：

用于将所述谐振品质因数与第二预设阈值进行比较的第二处理子模块；

所述控制模块包括：

用于当所述谐振品质因数在允许的变化范围内，则调整所述第一超声换能器的输入电功率以使所述谐振品质因数达到所述第二预设阈值；当所述谐振品质因数超出允许的变化范围，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错的第二控制子模块。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，首先获取第一超声换能器当前发射的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，并根据比较结果控制第一超声换能器的工作状态参数，以使第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。本发明实施例能够对超声换能器的声场状况进行实时监测，并适当反馈调整超声换能器的工作状态参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

附图说明

图1为本发明实施例的超声换能器的声场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声场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。

本发明提供一种超声换能器的声场监控方法及装置，能够对超声换能器的声场状况进行实时监测，并适当反馈调整超声换能器的工作参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

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

步骤101：获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数；

步骤102：比较所获取的声信号的参数和设定的参数；

步骤103：根据比较结果控制第一超声换能器的工作状态参数，以使第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。

本发明实施例的超声换能器的声场监控方法，首先获取第一超声换能器当前发射的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，并根据比较结果控制第一超声换能器的工作状态参数，以使第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。本发明实施例能够对超声换能器的声场状况进行实时监测，并适当反馈调整超声换能器的工作状态参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

图2为本发明实施例的超声换能器的声场监控装置的流程示意图，如图2所示，本实施例包括：

用于获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数的获取模块20；

用于比较所获取的声信号的参数和设定的参数的处理模块22；

用于根据比较结果控制第一超声换能器的工作状态参数，以使第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数的控制模块24。

进一步地，获取模块20包括：

用于采用第二超声换能器接收第一超声换能器发射的声信号的接收子模块，其中，第二超声换能器为单个或多个宽带超声换能器或水听器。

进一步地，所获取的声信号包括第一超声换能器的直接发射声信号、或治疗焦斑区域的散射声信号、或治疗头与人体组织分界面的声反射信号、或耦合液腔体内的声散射信号；

声信号的参数包括声信号的时间延迟、频率、幅度和相位。

进一步地，当所获取的声信号为治疗焦斑区域的散射声信号时，

获取模块20包括：

用于将声信号与第一超声换能器的输入信号进行匹配滤波，获得两者之间的互相关系数的第一获取子模块；

处理模块22包括：

用于将互相关系数与第一预设阈值进行比较的第一处理子模块；

控制模块24包括：

用于当互相关系数在允许的变化范围内，调整第一超声换能器的输入信号频率以使互相关系数达到预设阈值；当互相关系数超出允许的变化范围，或声信号的时间延迟与预期的传播距离不符，则控制第一超声换能器停止发射并报错的第一控制子模块。

进一步地，当所获取的声信号为第一超声换能器的直接发射声信号时，

获取模块20包括：

用于检测声信号的谐波与基波的幅度比值，以及最高次谐波分量的频率，计算得到声信号的谐振品质因数的第二获取子模块；

处理模块22包括：

用于将谐振品质因数与第二预设阈值进行比较的第二处理子模块；

控制模块24包括：

用于当谐振品质因数在允许的变化范围内，则调整第一超声换能器的输入电功率以使谐振品质因数达到第二预设阈值；当谐振品质因数超出允许的变化范围，则控制第一超声换能器停止发射并报错的第二控制子模块。

本发明实施例的超声换能器的声场监控装置，在工作时，首先获取第一超声换能器当前发射的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，并根据比较结果控制第一超声换能器的工作状态参数，以使第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。本发明实施例能够对超声换能器的声场状况进行实时监测，并适当反馈调整超声换能器的工作状态参数，从而增加超声换能器使用的安全性，以及提升超声治疗质量。

下面对本发明的超声换能器的声场监控方法进行详细说明。

本发明实施例中，可以采用另外设置的超声换能器来接收超声治疗头内的超声换能器发射的声信号，下面描述中，将超声治疗头内的超声换能器作为第一超声换能器，另外设置的超声换能器作为第二超声换能器，采用第二超声换能器在固定位置实时接收第一超声换能器发射的声波能量信号。

其中，第二超声换能器可以为单个或多个宽带超声换能器或水听器，第二超声换能器接收来自第一超声换能器的直接发射声信号、或治疗焦斑区域的散射声信号、或治疗头(即包括第一超声换能器的超声治疗头)与人体组织分界面的声反射信号、或治疗头的耦合液腔体内的声散射信号。该第二超声换能器可以是聚焦或非聚焦的，均可以提供非接触遥距测量声场声压变化的功能。第二超声换能器还可以是固定接收距离或可变接收距离的。第二超声换能器可以内置在超声治疗头内，与第一超声换能器集成在同一个治疗头外壳内；或外置在超声治疗头外。第二超声换能器还可以扩展为分立的若干超声换能器在不同位置接收。

第二超声换能器接收到的声信号经过该超声换能器的逆向压电效应，转换为电信号，进行合适的信号处理操作，例如时域波形积分、匹配滤波、包络检测、基频和谐频分量检测等，提取出声信号相应的时域或谱域特征，包括：第一超声换能器发射的声波信号的时间延迟、频率、幅度和相位等信息；然后对这些声信号特征进行判断，判断这些声信号特征是否符合预期的声场特征；根据判断结果，调整相应的第一超声换能器的功放输出，以便调整声信号特征至希望的状态。上述各操作可以采用模拟电路、数字电路、或模数混合电路实现。

下面结合具体的实施例对本发明的超声换能器的声场监控方法进行说明。

实施例一

第二超声换能器接收到治疗焦斑区域的散射声信号，将之与第一超声换能器的输入信号进行匹配滤波，获得两信号之间的互相关系数，并将该互相关系数的数值与第一预设阈值相比较，若小于第一预设阈值，则判断声信号与输入信号失真。另外还可以匹配滤波输出的时间延迟推算声波传播的对应距离，作为判断治疗焦斑位置的信息。

互相关系数是判断两个信号的时域波形形状和信号频率相似程度的定量指针。大多数情况下，信号频率的差异对互相关系数的影响较为明显，互相关系数可以作为衡量两信号频率偏差的定量依据。将互相关系数与第一预设阈值进行比较，当互相关系数在允许的变化范围内，即信号失真度较小(频率偏差较小)，可以通过微调第一超声换能器的输入信号频率来改进，使得互相关系数达到第一预设阈值，散射声信号的频率和输入信号的频率之间的差异被控制在容许范围内，输入信号频率向超声换能器的实时工作频率靠拢，减少电-声能量转换的损耗。当互相关系数超出允许的变化范围，即信号失真度过大(主要是频率偏差过大)，或时间延迟与预期的传播距离不符，则控制第一超声换能器停止发射并向用户报错。

实施例二

声波信号传播的非线性导致该信号产生高次谐波分量，声信号强度越高，高次谐波分量就越强。第二超声换能器接收到第一超声换能器的直接发射声信号，检测其谐波与基波的幅度比值，以及最高次谐波分量的频率，据此来判断第一超声换能器是否处于良好功率输出状态。同时，对声信号的基波或谐波各分量的幅度和频带宽度进行检测，将基波和各谐波分量的中心频率除以各自的-6dB带宽，可以计算出对应的谐振品质因数。将谐振品质因数与第二预设阈值进行比较，当谐振品质因数在允许的变化范围内，调整第一超声换能器的输入电功率以使谐振品质因数达到第二预设阈值，比如若第一超声换能器的输出信号幅度不足，则需要通过提高超声换能器输入电功率进行补偿。当谐振品质因数超出允许的变化范围，即超声换能器谐振状态超出设定的范围，则控制第一超声换能器停止发射并向用户报错。

另外，由于第一超声换能器在发射声信号的同时也会接收来自组织的声散射、声反射或声发射信号并在自身的电端产生相应的输出，那么对第一超声换能器接收到的声信号进行与对第二超声换能器接收到的声信号类似的处理也可以部分实现对第一超声换能器的声场状态的检测。

进一步地，上述实施例一和实施例二的技术方案可以单独或混合使用。

在对上述实时监测获得的超声换能器声场状态进行分析判断后，可以向操作者进行信息反馈，显示超声换能器声场状态，以便对声场状态加以控制，以及用于超声治疗后的质量控制和分析。具体地，可以将所监测的声信号特征在操作软件界面上显示，并在系统软硬件内实现对上述监测信号出界时的相应容错措施，或提示操作者进行干预。

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 (10)

1.一种超声换能器的声场监控方法，其特征在于，包括：

获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数；

比较所获取的声信号的参数和设定的参数；

根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数。

2.根据权利要求1所述的超声换能器的声场监控方法，其特征在于，所述获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数包括：

采用第二超声换能器接收所述第一超声换能器发射的声信号，其中，所述第二超声换能器为单个或多个宽带超声换能器或水听器。

3.根据权利要求1或2所述的超声换能器的声场监控方法，其特征在于，

所获取的声信号包括所述第一超声换能器的直接发射声信号、或治疗焦斑区域的散射声信号、或治疗头与人体组织分界面的声反射信号、或耦合液腔体内的声散射信号；

所述声信号的参数包括声信号的时间延迟、频率、幅度和相位。

4.根据权利要求3所述的超声换能器的声场监控方法，其特征在于，当所获取的声信号为治疗焦斑区域的散射声信号时，所述提取所获取的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数包括：

将所述声信号与所述第一超声换能器的输入信号进行匹配滤波，获得两者之间的互相关系数；

将所述互相关系数与第一预设阈值进行比较；

当所述互相关系数在允许的变化范围内，调整所述第一超声换能器的输入信号频率以使所述互相关系数达到预设阈值；

当所述互相关系数超出允许的变化范围，或所述声信号的时间延迟与预期的传播距离不符，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错。

5.根据权利要求3所述的超声换能器的声场监控方法，其特征在于，当所获取的声信号为所述第一超声换能器的直接发射声信号时，所述提取所获取的声信号的参数，比较所获取的声信号的参数和设定的参数，根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数包括：

检测所述声信号的谐波与基波各分量的幅度和频带宽度，计算得到所述声信号的谐振品质因数；

将所述谐振品质因数与第二预设阈值进行比较；

当所述谐振品质因数在允许的变化范围内，则调整所述第一超声换能器的输入电功率以使所述谐振品质因数达到所述第二预设阈值；

当所述谐振品质因数超出允许的变化范围，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错。

6.一种超声换能器的声场监控装置，其特征在于，包括：

用于获取第一超声换能器当前发射的声信号，并提取所获取的声信号的参数的获取模块；

用于比较所获取的声信号的参数和设定的参数的处理模块；

用于根据比较结果控制所述第一超声换能器的工作状态参数，以使所述第一超声换能器发射的声信号符合设定的参数的控制模块。

7.根据权利要求6所述的超声换能器的声场监控装置，其特征在于，所述获取模块包括：

用于采用第二超声换能器接收所述第一超声换能器发射的声信号的接收子模块，其中，所述第二超声换能器为单个或多个宽带超声换能器或水听器。

8.根据权利要求6或7所述的超声换能器的声场监控装置，其特征在于，所获取的声信号包括所述第一超声换能器的直接发射声信号、或治疗焦斑区域的散射声信号、或治疗头与人体组织分界面的声反射信号、或耦合液腔体内的声散射信号；

所述声信号的参数包括声信号的时间延迟、频率、幅度和相位。

9.根据权利要求8所述的超声换能器的声场监控装置，其特征在于，当所获取的声信号为治疗焦斑区域的散射声信号时，

所述获取模块包括：

用于将所述声信号与所述第一超声换能器的输入信号进行匹配滤波，获得两者之间的互相关系数的第一获取子模块；

所述处理模块包括：

用于将所述互相关系数与第一预设阈值进行比较的第一处理子模块；

所述控制模块包括：

用于当所述互相关系数在允许的变化范围内，调整所述第一超声换能器的输入信号频率以使所述互相关系数达到预设阈值；当所述互相关系数超出允许的变化范围，或所述声信号的时间延迟与预期的传播距离不符，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错的第一控制子模块。

10.根据权利要求8所述的超声换能器的声场监控装置，其特征在于，当所获取的声信号为所述第一超声换能器的直接发射声信号时，

所述获取模块包括：

用于检测所述声信号的谐波与基波各分量的幅度和频带宽度，计算得到所述声信号的谐振品质因数的第二获取子模块；

所述处理模块包括：

用于将所述谐振品质因数与第二预设阈值进行比较的第二处理子模块；

所述控制模块包括：

用于当所述谐振品质因数在允许的变化范围内，则调整所述第一超声换能器的输入电功率以使所述谐振品质因数达到所述第二预设阈值；当所述谐振品质因数超出允许的变化范围，则控制所述第一超声换能器停止发射并报错的第二控制子模块。

Images