CN105496763A - 二维超声相控阵针灸系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种二维超声相控阵针灸系统，包括：相控发射模块，接收聚焦指示信号，所述聚焦指示信号指示聚焦方向和/或聚焦深度及聚焦位置改变，所述相控发射模块根据聚焦指示信号生成聚焦法则下的不同超声晶片的超声脉冲发射时序；二维相控阵换能器，接收所述相控发射模块的超声脉冲发射时序，所述二维相控阵换能器的超声晶片探头具有多个超声晶片，不同超声晶片在各自超声脉冲发射时序控制下发射超声脉冲串，不同超声晶片发射超声脉冲串之间的时延得以使超声脉冲串在相应聚焦方向和/或聚焦深度聚焦。本发明可以实现不同刺激程度、不同聚焦深度和倾斜度以及相关聚焦位置运动的超声针灸。

Description

二维超声相控阵针灸系统

技术领域

本发明涉及超声波领域，尤其涉及的是二维超声相控阵针灸系统。

背景技术

超声波(ultrasonicwave)是一种人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到20～20000Hz的声波，低于20Hz的声波称为次声波，超过20000Hz的声波称为超声波。超声针灸是指利用超声波发生器产生超声振动，通过特制的探头或换能器作用于人体穴位，超声针灸具有无痛苦、无损伤、安全可靠、疗效高、易学易用的特点。

超声针灸仪的探头是利用“逆压电效应”原理，将高频电场作用于晶体薄片，使后者产生相应频率振动，电能转换为机械能。现有超声针灸仪没有灵活的聚焦调焦技术，不能实现聚焦点的灵活变化，并且由于生物体的穴位点通常来说比较小，针灸需要较为精确的定位，并要求可实现聚焦点位置的变化以模拟针灸的针刺运动变化，因而目前的超声针灸聚焦方式和技术还有待改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维超声相控阵针灸系统，聚焦定位灵活可变，可以在一定范围内实现任意深度和任意倾斜度聚焦，并实现聚焦位置变化以模拟针刺动作。

为解决上述问题，本发明提出一种二维超声相控阵针灸系统，包括：

相控发射模块，接收聚焦指示信号，所述聚焦指示信号指示聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置变化，所述相控发射模块根据聚焦指示信号生成聚焦法则下的不同超声晶片的超声脉冲发射时序；

二维相控阵换能器，接收所述相控发射模块的超声脉冲发射时序，所述二维相控阵换能器的超声晶片探头具有多个超声晶片，不同超声晶片在各自超声脉冲发射时序控制下发射超声脉冲串，不同超声晶片发射超声脉冲串之间的时延控制所述超声脉冲串的聚焦位置、聚焦深度和聚焦方向。可以利用实时聚焦的功能实现聚焦深度变化(模拟针的刺入或拨出)、旋转等。

根据本发明的一个实施例，所述超声晶片探头的超声晶片分布为平面圆形阵列，所述平面圆形阵列包括多个超声晶片环，从圆心开始向外的各超声晶片环所具有的超声晶片的数目逐渐增多。

根据本发明的一个实施例，所述平面圆形阵列包括N个超声晶片，所述相控发射模块的输出通道输出M路信号，其中N路信号为超声脉冲发射时序控制所述N个超声晶片，所述M大于N，所述M为2的n次方，n为大于2的整数。

根据本发明的一个实施例，所述相控发射模块的输出通道输出M-N路信号作为各超声晶片的共用信号或空置，或作他用。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦指示信号更新，则所述相控发射模块根据更新的聚焦指示信号生成聚焦法则下的新的超声脉冲发射时序，从而使得超声脉冲串聚焦深度改变或聚焦发生旋转、倾斜运动。模拟针刺行针的动作。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦法则包括：以超声晶片平面为z＝0的平面，建立一三维平面，O为坐标原点，P(r₀,θ₀,z)为预期聚焦点，其在z＝0的面上的投影点为P'(r₀,θ₀,0)，任一所述超声晶片i的坐标点为Q_i(r_i,θ_i,0)，计算出预期聚焦点到任一所述超声晶片i的声时t_i，所述相控发射模块根据各超声晶片的声时或声时差确定超声晶片的超声脉冲发射时序的时延，所述声时t_i或声时差Δt_i的计算公式如下：

PP'＝z₀；OP'＝r₀；OQ＝r_i；

$\begin{array}{c}{P}^{\′}{Q}_i=\sqrt{{\left({\mathrm{OP}}^{\′}\right)}^2+{\left({\mathrm{OQ}}_i\right)}^2-2{\mathrm{OP}}^{\′}\·{\mathrm{OQ}}_{i}cos({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}\\ =\sqrt{{r_0}^2+{r_i}^2-2r_0{r}_i\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}\end{array}$

${\mathrm{PQ}}_i=\sqrt{{\left({\mathrm{PP}}^{\′}\right)}^2+{\left(P^{\′}{Q}_i\right)}^2}=\sqrt{{z_0}^2+{r_0}^2+{r_i}^2-2r_0{r}_{i}cos({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}$

t_i＝PQ_i/c。

t₀＝min(t_i)

Δt_i＝t_i-t₀，其中，t₀为最小声时。

根据本发明的一个实施例，所述超声晶片探头包括背衬，设于背衬表面之上的超声晶片阵列层，以及设于所述超声晶片阵列层表面之上的匹配层；所述超声晶片阵列层的各超声晶片具有信号引出线。

根据本发明的一个实施例，还包括显控模块，用以显示、输入或调整聚焦信息，并根据输入或调整的聚焦信息生成并输出聚焦指示信号。

根据本发明的一个实施例，二维相控阵换能器的超声晶片探头对准生物肌体穴位，各超声晶片发出的超声脉冲串聚焦到生物机体内一定深度位置。超声脉冲串可以垂直聚焦也可以一定倾斜角度聚焦。

根据本发明的一个实施例，所述聚焦指示信号还指示超声脉冲串的信号强度，以实现不同的针刺强度。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：采用相控发射模块控制二维相控阵换能器发射超声脉冲串，根据聚焦指示信号找到聚焦法则下的各超声晶片的超声脉冲发射时序，聚焦指示信号包含的信息可以包括所需聚焦的聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置或者前者的关联信息，从而能够根据实际所需聚焦来确定超声脉冲发射时序，超声晶片通过各自的超声脉冲发射时序发射超声脉冲串，因而当超声脉冲发射时序之间存在时延时，各超声晶片发射的超声脉冲串之间也存在时延，因而当一部分信号先行，一部分信号后行时，会形成一脉冲包络，调整时序的时延使得包络的中心处于所需聚焦位置，便可实现聚焦，二维相控阵可实现任意角度和深度的聚焦。

二维超声相控阵模拟针灸，二维可以实现任意方向聚焦，借以实现针灸中的不同手法，另外二维相控阵可以实现旋转，借以实现针在人体组织中的旋针。另外，从控制超声信号的幅度(超声剂量)上可以实现不同的针刺强度。从而利用二维超声相控阵模拟甚至代替传统针灸。

但超声针灸更加有安全性，因为针灸需要将针插入皮肤(非专业人士不能任意操作)，但超声却无需刺入，从而保证了非专业人士的可操作针灸的可能性。

附图说明

图1为本发明一实施例的二维超声相控阵针灸系统的结构框图；

图2为本发明一实施例的二维相控阵换能器的工作原理示意图；

图3为本发明一实施例的聚焦法则的坐标系示意图；

图4为本发明一实施例的超声晶片探头的阵列分布示意图；

图5为本发明一实施例的超声晶片探头的剖面结构示意图；

图6a～6d为本发明一实施例的二维超声相控阵针灸系统的聚焦仿真示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

图1示出本发明实施例的二维超声相控阵针灸系统，包括相控发射模块1和二维相控阵换能器2。本发明的二维超声相控阵针灸系统可以用于超声针灸，在一个实施例中，二维相控阵换能器2发射超声脉冲串至生物肌体穴位4中，通过调整聚焦深度由浅至深进入肌体，实现针灸理疗。

其中，相控发射模块1接收聚焦指示信号，聚焦指示信号可以通过外部输入，输入部分可以是外接形式，也可以集成于本系统中，聚焦指示信号可以指示聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置变化，也就是说聚焦指示信号是根据聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置变化而确定的，聚焦指示信号中可以包含聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置变化，也可以是关联的关系，相控发射模块1根据聚焦指示信号生成聚焦法则下的不同超声晶片的超声脉冲发射时序，从而控制超声脉冲串在相应聚焦位置、聚焦深度和聚焦方向聚焦。聚焦法则是将聚焦指示信号指示的聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置变化转换到各超声晶片发射超声脉冲串的声时的法则，由于超声晶片的平面分布关系，不同超声晶片的发射点到聚焦点不同，因而不同超声晶片的声时会不同，根据声时可以确定不同超声晶片发射的时序，例如声时较长的可以先发射，声时较短的后发送，也就是超声脉冲发射时序之间是有一定的时延的。

在一个实施例中，可以对超声脉冲聚焦点进行调焦，当聚焦指示信号更新，相控发射模块1根据更新的聚焦指示信号生成聚焦法则下的新的超声脉冲发射时序，从而使得超声脉冲串聚焦深度改变或聚焦发生旋转、倾斜。

聚焦指示信号还可以指示其它聚焦信息，包括旋转角度，倾斜角度，信号强度等。信号强度可以是定性的，并在安全的阈值内。而深度、旋转、角度等可以是定量的。

参看图3，聚焦法则可以包括：以超声晶片平面为z＝0的平面，建立一三维平面，O为坐标原点，P(r₀,θ₀,z)为预期聚焦点，其在z＝0的面上的投影点为P'(r₀,θ₀,0)，任一所述超声晶片i的坐标点为Q_i(r_i,θ_i,0)，计算出预期聚焦点到任一所述超声晶片i的声时t_i，所述相控发射模块1根据各超声晶片的声时或声时差确定超声晶片的超声脉冲发射时序的时延，所述声时t_i或声时差Δt_i的计算公式如下：

PP'＝z₀；OP'＝r₀；OQ＝r_i；

$\begin{array}{c}{P}^{\′}{Q}_i=\sqrt{{\left({\mathrm{OP}}^{\′}\right)}^2+{\left({\mathrm{OQ}}_i\right)}^2-2{\mathrm{OP}}^{\′}\·{\mathrm{OQ}}_i\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}\\ =\sqrt{{r_0}^2+{r_i}^2-2r_0{r}_i\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}\end{array}$

${\mathrm{PQ}}_i=\sqrt{{\left({\mathrm{PP}}^{\′}\right)}^2+{\left(P^{\′}{Q}_i\right)}^2}=\sqrt{{z_0}^2+{r_0}^2+{r_i}^2-2r_0{r}_{i}cos({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}$

t_i＝PQ_i/c。

t₀＝min(t_i)

Δt_i＝t_i-t₀，其中，t₀为最小声时。

t_i是声时，由于这个数字较大，一般可用用声时差Δt_i来决定时延的时间。找一个最小的声时t₀(预期聚焦点p到其投影点P’的时间最小,因为是投影点)，以此为基础计算每个晶片到P点的时间与t₀的差异即可。

聚焦法则可以预先将各个可能的聚焦点预先确定好，然后将通过上述公式转换为声时后，确定好时延数据，将时延数据存储到FPGA(现场可编程逻辑器件，也可以存储到其他器件)系统的内存空间中，当相控发射模块1接收到聚焦指示信号时从内存空间中调取相应的时延数据，根据时延数据可以确定各超声晶片的超声脉冲发射时序，各超声脉冲发射时序间相差相应时延。

二维相控阵换能器2接收相控发射模块的超声脉冲发射时序，二维相控阵换能器2的超声晶片探头具有多个超声晶片，也就是每个超声晶片对应接收一超声脉冲发射时序，不同超声晶片在各自超声脉冲发射时序控制下发射超声脉冲串，参看图2，由于不同超声晶片发射超声脉冲串之间存在时延，因而超声晶片探头发射的全部超声脉冲串会形成一脉冲包络，该脉冲包络具有弧度，根据聚焦指示信息调整时延可以将将弧度的中心调整至所需焦距的聚焦点，以实现聚焦，换言之，使超声脉冲串聚焦在相应聚焦方向和/或聚焦深度。图2中，超声晶片探头外环的超声晶片时序超前，超声晶片越往圆形的超声晶片时序越滞后，因而形成的脉冲包络表面呈部分球形，各超声脉冲串指向包络球心，也就是相应聚焦点。通过调整时序可以调整聚焦深度和聚焦的方向。

参看图4，在一个实施例中，超声晶片探头的超声晶片分布为平面圆形阵列，平面圆形阵列包括多个超声晶片环，从圆心开始向外的各超声晶片环所具有的超声晶片的数目逐渐增长。可选的，平面圆形阵列包括N个超声晶片，超声晶片可以是平面超声晶片，所述相控发射模块1的输出通道输出M路信号，其中N路信号为超声脉冲发射时序控制所述N个超声晶片，M大于N，M为2的n次方，n为大于2的整数。相控发射模块1的输出通道输出M-N路信号作为各超声晶片的共用信号。在图4中，一般电子信号系统都具有2的整数次方个通道，在本实施例中，将超声晶片探头配置为具有61个超声晶片，相控发射模块1能够输出64路信号，将其中61路信号(超声脉冲发射时序)分别输入到61个超声晶片，控制超声晶片发射超声脉冲的时间，剩余3个通道作为共用通道，或者也可以空置，或者用作其他用途。

参看图5，在一个实施例中，超声晶片探头包括背衬L1，设于背衬表面之上的超声晶片阵列层L2，以及设于所述超声晶片阵列层L2表面之上的匹配层L3；所述超声晶片阵列层的各超声晶片具有信号引出线(图中未示出)。

继续参看图1，在一个实施例中，二维超声相控阵针灸系统还可以包括显控模块3，用以显示、输入或调整聚焦信息，并根据输入或调整的聚焦信息生成并输出聚焦指示信号。聚焦信息例如是输入聚焦参数或聚焦方式，比如是聚焦在某个深度不动还是在上下移动，移动速度是多少(快速或慢速)等。示例性的，若是聚焦在某个深度，将深度(如2cm)输入显控系统3，系统识别并利用聚焦法则改变二维相控阵换能器2上不同超声晶片的延时，实现信号的聚焦。当然显控模块3还可做更多用途，例如显示对生物肌体的聚焦情况，更便于聚焦和调焦的观察。

优选的，本发明的二维超声相控阵针灸系统，二维相控阵换能器2的超声晶片探头对准生物肌体穴位，各超声晶片发出的超声脉冲串聚焦到生物机体内一定深度。通过调节相控阵各晶片时延参数达到控制超声波聚焦位置，即针灸刺激位置。一方面可以通过调节参数以达到量化研究针灸疗效的目的；另一方面，可以在保证超声剂量不足以对人体产生损伤的情况下实现无基础个人针灸的目的；适用于中医量化研究针灸疗效与个人针灸。

较佳的，聚焦指示信号还指示超声脉冲串的信号强度，以实现不同的针刺强度。显控模块3显示、输入或调整的聚焦信息可以包括聚焦深度、旋转角度，倾斜角度，信号强度等。

二维超声相控阵可以实现任意方向聚焦，借以实现针灸中的不同手法，另外二维相控阵可以实现旋转，借以实现针在人体组织中的旋针。另外，从控制超声信号的幅度(超声剂量)上可以实现不同的针刺强度。从而利用二维超声相控阵模拟甚至代替传统针灸。

参看图6a～6d，通过本发明的二维超声相控阵针灸系统进行了聚焦仿真。图6a中，聚焦的深度为0.5cm，图6b中，聚焦的深度为1cm，图6c中，聚焦的深度为2cm，通过调整时延从而调整超声脉冲的聚焦深度。图6d中，聚焦的深度为1cm，聚焦方向偏转45°，通过调整时延从而调整超声脉冲聚焦方向及聚焦深度。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，包括：

相控发射模块，接收聚焦指示信号，所述聚焦指示信号指示聚焦方向和/或聚焦深度和/或聚焦位置变化，所述相控发射模块根据聚焦指示信号生成聚焦法则下的不同超声晶片的超声脉冲发射时序；

二维相控阵换能器，接收所述相控发射模块的超声脉冲发射时序，所述二维相控阵换能器的超声晶片探头具有多个超声晶片，不同超声晶片在各自超声脉冲发射时序控制下发射超声脉冲串，不同超声晶片发射超声脉冲串之间的时延控制所述超声脉冲串的聚焦位置、聚焦深度和聚焦方向。

2.如权利要求1所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述超声晶片探头的超声晶片分布为平面圆形阵列，所述平面圆形阵列包括多个超声晶片环，从圆心开始向外的各超声晶片环所具有的超声晶片的数目逐渐增多。

3.如权利要求2所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述平面圆形阵列包括N个超声晶片，所述相控发射模块的输出通道输出M路信号，其中N路信号为超声脉冲发射时序控制所述N个超声晶片，所述M大于N，所述M为2的n次方，n为大于2的整数。

4.如权利要求3所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述相控发射模块的输出通道输出M-N路信号作为各超声晶片的共用信号或空置，或作他用。

5.如权利要求1所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述聚焦指示信号更新，则所述相控发射模块根据更新的聚焦指示信号生成聚焦法则下的新的超声脉冲发射时序，从而使得超声脉冲串聚焦深度改变或聚焦发生旋转、倾斜运动。

6.如权利要求1或5所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述聚焦法则包括：以超声晶片平面为z＝0的平面，建立一三维平面，O为坐标原点，P(r₀,θ₀,z)为预期聚焦点，其在z＝0的面上的投影点为P'(r₀,θ₀,0)，任一所述超声晶片i的坐标点为Q_i(r_i,θ_i,0)，计算出预期聚焦点到任一所述超声晶片i的声时t_i，所述相控发射模块根据各超声晶片的声时或声时差确定超声晶片的超声脉冲发射时序的时延，所述声时t_i、声时差Δt_i的计算公式如下：

PP'＝z₀；OP'＝r₀；OQ＝r_i；

$\begin{array}{c}{P}^{\′}{Q}_i=\sqrt{\left({\mathrm{OP}}^{\′}\right)+{\left({\mathrm{OQ}}_i\right)}^2-2{\mathrm{OP}}^{\′}\·{\mathrm{OQ}}_i\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}\\ =\sqrt{{r_0}^2+{r_i}^2-2r_0{r}_i\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}\end{array}$

${\mathrm{PQ}}_i=\sqrt{{\left({\mathrm{PP}}^{\′}\right)}^2+{\left(P^{\′}{Q}_i\right)}^2}=\sqrt{{z_0}^2+{r_0}^2+{r_i}^2-2r_0{r}_{i}cos({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)}$

t_i＝PQ_i/c。

t₀＝min(t_i)

Δt_i＝t_i-t₀，其中，t₀为最小声时。

7.如权利要求1或2所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述超声晶片探头包括背衬，设于背衬表面之上的超声晶片阵列层，以及设于所述超声晶片阵列层表面之上的匹配层；所述超声晶片阵列层的各超声晶片具有信号引出线。

8.如权利要求1所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，还包括显控模块，用以显示、输入或调整聚焦信息，并根据输入或调整的聚焦信息生成并输出聚焦指示信号。

9.如权利要求1所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，二维相控阵换能器的超声晶片探头对准生物肌体穴位，各超声晶片发出的超声脉冲串聚焦到生物机体内一定深度位置。

10.如权利要求1所述的二维超声相控阵针灸系统，其特征在于，所述聚焦指示信号还指示超声脉冲串的信号强度，以实现不同的针刺强度。