CN105999569B - 一种多阵元换能器的阵元选择装置、方法和超声刺激系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多阵元换能器的阵元选择装置、方法和超声刺激系统，其中，超声刺激系统包括：图像采集装置用于采集病变组织区域图像；图像处理装置用于处理病变组织区域图像确定病变组织的位置、大小及病变程度；多阵元换能器的阵元选择装置用于在多阵元换能器中选择相应的阵元，对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度，设定超声波发射序列参数，根据聚焦深度和发射序列参数控制多阵元换能器启动；通过选定的多阵元换能器中的相应阵元发射超声波对病变组织进行超声刺激。本发明由于利用了超声波来刺激心脑血管的病变组织，因此可以达到调控心脑血管疾病的效果，并且不会对超声波通过路径上的组织造成损伤。

Description

一种多阵元换能器的阵元选择装置、方法和超声刺激系统

技术领域

本发明涉及医用超声刺激技术领域，特别涉及一种多阵元换能器的阵元选择装置、方法和超声刺激系统。

背景技术

在我国，随着经济的发展，生活方式和饮食习惯的改变，心脑血管疾病发病率不断提高，已成为致死的首因。目前主要的治疗手段包括药物治疗和介入治疗法。

声场中的物体或生物组织由于吸收、散射、反射声波，将声波的能量转化为物理的动量，而受到力的作用，在声学中被定义为超声辐射力。利用超声辐射力作用于心脑血管的病变区域，为心脑血管疾病提供一种新的预防和治疗手段。中国台湾中山大学的Hsu SH等在体外的内皮细胞实验中发现超声刺激会促进内皮细胞分泌一氧化氮和钙离子(Hsu SH，Huang TB.(2004)Bioeffect of ultrasound on endothelial cells invitro.Biomolecular Engineering 21(3-5):99-104)。在心脑血管疾病中，内皮细胞中的一氧化氮可以扩散到周围的平滑肌细胞，控制平滑肌的舒张，调节血管壁剪切力，弹性等生理参数。洛杉矶市雪松-西奈医学中心的Iida K等利用低频超声经皮作用于人的手臂血管，研究发现超声调控可以使血管直径变大，并在超声停止作用后血管保持扩张一段时间(Iida K，Luo H，Hagisawa K，Akima T，Shah PK，et al.(2006)Noninvasive low-frequency ultrasound energy causes vasodilation in humans.Journal of theAmerican College of Cardiology48(3):532-537)。日本东北大学医学研究生院的HanawaK等将低强度的脉冲超声作用于患心肌缺血的动物模型的心脏，实验表明超声调控可以促使缺血区域毛细血管的生成和提高左心室射血分数和区域心肌血流量，改善心室功能，实现对心肌缺血的治疗(Hanawa K，Ito K，Aizawa K，Shindo T，Nishimiya K，et al.(2014)Low-intensity pulsed ultrasound induces angiogenesis and ameliorates leftventricular dysfunction in a porcinemodel of chronic myocardial ischemia.PLoSOne 9(8):e104863)。

而现有体外激光治疗过程中，利用激光能量对靶组织的热降解效应或光化学作用，达到治疗效果(参见中国专利CN201026349)。体外冲击波治疗利用声波的应力作用治疗心血管疾病(参见中国专利CN103861208A、CN202982939U、CN101190142、CN201058108和CN302484650S)。植入式电刺激作用于心脏传导系统和神经系统时，利用电刺激对血管内皮细胞、血管再生，血管舒张收缩功能，心肌细胞和组织的积极作用，实现对心脑血管疾病的治疗(参见中国专利CN1819855、CN102458570A)。另外有结合声、光、电一体的心脑血管病治疗仪(参见中国专利CN101972512A、CN201807086U)。

体外激光治疗过程中，人体表皮会吸收其大部分能量并造成损伤，其仅能作用与浅表血管。体外冲击波治疗主要利用声波的应力作用和空化效应，其刺激的深度范围和分辨率限制了在脑血管疾病治疗的应用。另外，冲击波治疗过程中，其高能量会对组织造成不同程度的损伤。植入式电刺激治疗是一种有创技术，装置和手术费用昂贵，存在一定的手术并发症、靶点耐受、排斥反应等风险。

发明内容

本发明实施例提供了一种多阵元换能器的阵元选择装置，利用超声波刺激心脑血管的病变组织，可以达到调控心脑血管疾病的效果，并且不会对超声波通过路径上的组织造成损伤。多阵元换能器的阵元选择装置包括：

阵元选择模块，用于根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定辐射超声波的频率，根据辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元，所述相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同；

聚焦深度确定模块，用于对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度；

参数确定模块，用于根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应阵元的超声波发射序列参数；

启动控制模块，用于根据聚焦深度和超声波发射序列参数控制多阵元换能器启动。

在一个实施例中，所述超声波发射序列参数包括超声频率、脉冲持续时间、脉冲长度、脉冲重复频率和作用强度。

本发明实施例提供了一种多阵元换能器的阵元选择方法，利用超声波刺激心脑血管的病变组织，可以达到调控心脑血管疾病的效果，并且不会对超声波通过路径上的组织造成损伤。该多阵元换能器的阵元选择方法包括：

根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定辐射超声波的频率，根据辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元，所述相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同；

对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度；

根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应阵元的超声波发射序列参数；

根据聚焦深度和超声波发射序列参数控制多阵元换能器启动。

在一个实施例中，所述超声波发射序列参数包括超声频率、脉冲持续时间、脉冲长度、脉冲重复频率和作用强度。

本发明实施例还提供了一种超声刺激系统，利用超声波刺激心脑血管的病变组织，可以达到调控心脑血管疾病的效果，并且不会对超声波通过路径上的组织造成损伤。该超声刺激系统包括：

图像采集装置，用于采集病变组织区域图像；

图像处理装置，用于对病变组织区域图像进行图像处理，确定病变组织的位置、大小以及病变程度；

如上所述的多阵元换能器的阵元选择装置；

多阵元换能器，用于对病变组织进行超声刺激。

在一个实施例中，该超声刺激系统还包括：

体征参数监控装置，用于在病变组织受到超声刺激时，监控患者的体征参数；所述体征参数包括脑电数据、心电数据和/或血压数据。

在一个实施例中，所述体征参数监控装置包括脑电波仪、心电图仪和/或血压仪。

在一个实施例中，所述图像采集装置包括核磁共振成像仪、电子计算机断层扫描仪、超声诊断仪、正电子发射断层成像仪、光学相干断层扫描仪或血管内超声成像仪。

在本发明实施例中，首先根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定辐射超声波的频率，根据辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元，然后对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度，再根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定超声波发射序列参数，最后根据聚焦深度和超声波发射序列参数启动多阵元换能器发射超声波对病变组织进行刺激，由于利用了超声波来刺激心脑血管的病变组织，因此可以达到调控心脑血管疾病的效果，并且不会对超声波通过路径上的组织造成损伤。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的换能器A结构图；

图2是本发明实施例提供的换能器B结构图；

图3是本发明实施例提供的多阵元换能器结构图；

图4是本发明实施例提供的一种多阵元换能器的阵元选择装置结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种多阵元换能器的阵元选择方法流程图。

图6是本发明实施例提供的一种聚焦深度调控方法示意图；

图7是本发明实施例提供的一种超声干预控制序列示意图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

现有的主要是单一的使用声、光、电进行心血管疾病治疗的设备，或者将声、光、电集于一体的治疗设备，并且现有的设备会对组织造成不同程度的损伤。针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种多阵元换能器的阵元选择装置、方法和超声刺激系统。

本发明提出的超声刺激系统包括：

图像采集装置，用于采集病变组织区域图像；

图像处理装置，用于对病变组织区域图像进行图像处理，确定病变组织的位置、大小以及病变程度；

多阵元换能器的阵元选择装置；

多阵元换能器，用于对病变组织进行超声刺激。

具体实施时，在本例中，首先通过临床诊断(根据病人的疾病原因，发作机制、发病反应等)，确定心脑血管疾病的类型，心脑血管疾病的类型是多样的，可以是动脉粥样硬化、心脏病、冠心病、心肌缺血、心率不齐、脑卒中、脑血管痉挛、脑血管硬化、脑血管狭窄等等。然后再利用医学影像诊断技术确定心脑血管的病变区域的位置、大小以及病变程度。具体的，影像诊断技术包括核磁共振成像MRI(Magnetic Resonance Imaging)，电子计算机断层扫描成像CT(Computed Tomography)，超声成像(Ultrasound，简称US)，PET(PositionEmission Tomography，正电子发射断层成像)成像，光学相干断层扫描，血管内超声成像(intravenous ultrasound，IVUS)等。利用医学影像诊断技术就是利用图像采集装置来采集病变组织区域图像，然后通过图像处理装置对病变组织区域图像进行图像处理，确定病变组织的位置、大小以及病变程度。在本例中，图像采集装置是多种多样的，比如，可以是核磁共振成像仪、电子计算机断层扫描仪、超声诊断仪、正电子发射断层成像仪、光学相干断层扫描仪或血管内超声成像仪。

具体实施时，图像处理装置用来对病变组织区域图像进行图像处理，确定病变组织的位置、大小以及病变程度。图像处理方式是多种多样的，比如，可以按照申请号为CN201010613388.4中提出的方法(一种利用改进的几何活动轮廓模型对肿瘤超声图像进行自动分割的方法)来对心脑血管的病变组织区域图像进行处理，该方法的步骤是：首先采用斑点去噪各向异性扩散算法，对剪裁得到的图像进行噪声抑制，然后通过构造新的能量函数对原始模型进行改善，使得该模型更适合于医学超声图像肿瘤的病灶提取。比如，《上海医学影像》(2005年第14卷第1期10-12页)在进行了灰度分割、形态滤波等一系列预处理后，将改进后的Snake模型运用到边缘提取中来，为乳腺肿瘤计算机辅助诊断提供了重要依据；《计算机工程与设计》(2010年第30卷第15期，3537-3539页)针对传统Snake模型对初始轮廓敏感和凹陷边界提取困难的问题，分别提出了双阈值分割算法和Snake模型的改进方案，通过双阈值分割算法与形态学运算、滤波技术的综合应用，获得靠近边缘的初始轮廓，采用改进的Snake模型使初始轮廓跟踪到实际边界；《Breast cancer research and treatment》(2005年第89卷第2期，179-185页)提出了基于区域增长结合Snake模型的乳腺肿瘤超声图像边缘提取方法；《微计算机信息》(2011年第27卷第6期，7-9页)对经典的Snake模型进行了改进：内部能量中加入轮廓平均长度项的控制，外部能量由基于图像统计特征的区域能量以及梯度方向势能决定，并提出了基于贪婪算法求解模型最小值的快速算法，本算法有效地克服了散斑噪声对分割结果的影响，可准确高效地提取超声图像中的乳腺肿瘤轮廓；比如，《中国医学影像学杂志》(2011年第21卷第2期，134-138页)探讨利用水平集分割方法对超声乳腺图像进行肿瘤的自动分割，结果表明，针对乳腺超声肿瘤的弱边界信息，利用阈值水平集分割可以自动获取与手动勾画较为相似的轮廓；比如，可以按照申请号为CN201410309467.4中提出的方法来对心脑血管的病变组织区域图像进行处理，该方法的步骤是：首先提取超声图像的高维度的特征向量；对高维度的特征向量，通过基于双聚类的特征排序和选择方法来选取最有效的特征子集；选择出最有效的特征子集后，使用分类器对其进行学习分类，即可自动识别乳腺肿瘤区域。

具体实施时，现有的方法是在确定了病变组织的位置、大小以及病变程度之后，就需要确定利用适当频率的超声波对病变组织进行超声刺激。本发明使用多阵元换能器来产生超声波，多阵元换能器中包括多种频率的阵元，通过选择激励不同频率的阵元，来决定辐射超声波的频率。比如，图1为换能器A，其固有频率为0.5M，图2为换能器B，其固有频率为1M，图3为多阵元换能器，其有8个阵元，分别为4个0.5M的阵元和4个1M的阵元，可以根据病变区域的大小，位置，选择激励4个0.5M的阵元，同样可以实现换能器A发射超声波刺激病变得到的效果；选择激励4个1M的阵元，同样可以实现换能器B发射超声波刺激病变得到的效果。图3所示的多阵元换能器还可以是包括其他固有频率的阵元，根据实际情况可以自由设定。

根据上述所说，本发明提出一种多阵元换能器的阵元选择装置，其结构如图4所示，该超声换能器选择装置包括：

阵元选择模块02，用于根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定辐射超声波的频率，根据辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元；其中，相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同；

聚焦深度确定模块04，用于对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定所述超声换能器的聚焦深度；

参数确定模块06，用于根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应阵元的超声波发射序列参数；

启动控制模块08，用于根据聚焦深度和超声波发射序列参数控制多阵元换能器启动。

相应的，本发明还提出一种多阵元换能器的阵元选择方法，其流程图如图5所示。该方法包括：

步骤501：根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定辐射超声波的频率，根据辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元，所述相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同；

步骤502：对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度；

步骤503：根据病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应阵元的超声波发射序列参数；

步骤504：根据聚焦深度和超声波发射序列参数控制多阵元换能器启动。

具体实施时，由于脑血管疾病的不同，其病变组织的位置、大小以及病变程度也是各自不同，所以在实际进行超声波刺激时，所选择的辐射超声波的频率是不同的，根据辐射超声波的频率的不同，需要选择多阵元换能器中的相应阵元，相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同。比如，如果病变组织的位置处于表层时会选择阵元的固有频率高的，比如选择1M的；如果病变组织的位置处于深层时会选择阵元的固有频率低的，比如选择0.5M的。这样选择不同的阵元，这样获得的超声波可以穿透皮肤、胸腔或头颅颅骨，作用于心脑血管病变组织。

在本例中，为了保证超声治疗的准确性，在确定了所需要的多元换能器中的阵元之后，由于选择的是多个阵元(子单元)，各阵元由不同激励信号通过控制电路(激励通道)独立控制，各阵元(比如0.5M的固有频率)距离病变组织的几何距离不一样，为保证各阵元辐射的超声波在病变组织区域叠加增强，还需要调节激励信号的相位，如图6所示。因此，超声换能器选择装置包括聚焦深度确定模块04，其作用是对所选择的阵元的各激励通道的激励脉冲信号进行延时处理，从而控制各阵元发射信号的相位延迟，实现聚焦深度调节。

在本例中，在启动多阵元换能器发射超声波之前，对于不同的病人或者不同的疾病，还需要根据心脑血管的病变诊断信息(病变组织的位置、大小以及病变程度)来设定相应阵元的超声波发射序列参数，由参数确定模块06实现。超声发射序列参数包括超声频率、脉冲持续时间、脉冲长度、脉冲重复频率和作用强度、脉冲幅度等等，实现超声剂量个性化治疗。

具体实施时，超声刺激系统还可以包括体征参数监控装置，用于在病变组织受到超声刺激时，监控患者的体征参数。体征参数监控装置可以包括脑电波仪、心电图仪和/或血压仪，监控到的患者的体征参数可以包括脑电数据、心电数据和/或血压数据。

图7为本例中提供的一种超声干预控制序列示意图，如图7所示，对病人进行治疗前，首先需要设定好了超声波发射序列参数后，然后根据设置的超声波发射序列参数发射超声波，在经过一段时间的超声调控后，关闭超声调控，然后再经过一段时间的超声调控后，关闭超声调控，如此持续一个超声调控疗程。在超声调控治疗一个疗程之后，通过临床观察，患者主诉、医学影像诊断技术等对心脑血管的病变区域进行观察，评估治疗效果。

综上所述，本发明提出的多阵元换能器的阵元选择装置、方法和超声刺激系统，可以应用于心脑血管指令预防和治疗当中，该系统通过阵元的选择、聚焦深度的调节、发射序列参数的设定，利用体外聚焦超声刺激心脑血管的病变区域，超声辐射能量集中在向焦点位置，不会对超声波通过路径上的组织造成损伤，从而可以改善或恢复心脑血管的机能，为心脑血管疾病的预防和治疗提供一种无创、精确、安全和个性化的新手段。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多阵元换能器的阵元选择装置，其特征在于，包括：

阵元选择模块，用于根据不同病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应的辐射超声波的频率，根据相应的辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元，选择的相应阵元在不同区域聚焦，所述相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同，所述多阵元换能器中的多个阵元形成多行多列的矩阵形式；

聚焦深度确定模块，用于对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度；

参数确定模块，用于根据不同病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应阵元的超声波发射序列参数；

启动控制模块，用于根据聚焦深度和超声波发射序列参数控制多阵元换能器启动。

2.如权利要求1所述的多阵元换能器的阵元选择装置，其特征在于，所述超声波发射序列参数包括超声频率、脉冲持续时间、脉冲长度、脉冲重复频率和作用强度。

3.一种多阵元换能器的阵元选择方法，其特征在于，包括：

根据不同病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应的辐射超声波的频率，根据相应的辐射超声波的频率选择多阵元换能器中的相应阵元，选择的相应阵元在不同区域聚焦，所述相应阵元的固有频率与辐射超声波的频率相同，所述多阵元换能器中的多个阵元形成多行多列的矩阵形式；

对相应阵元通道待发射的激励脉冲信号的相位进行延时调节，确定聚焦深度；

根据不同病变组织的位置、大小以及病变程度，确定相应阵元的超声波发射序列参数；

根据聚焦深度和超声波发射序列参数控制多阵元换能器启动。

4.如权利要求3所述的多阵元换能器的阵元选择方法，其特征在于，所述超声波发射序列参数包括超声频率、脉冲持续时间、脉冲长度、脉冲重复频率和作用强度。

5.一种超声刺激系统，其特征在于，包括：

图像采集装置，用于采集病变组织区域图像；

图像处理装置，用于对病变组织区域图像进行图像处理，确定病变组织的位置、大小以及病变程度；

如权利要求1至2任一项所述的多阵元换能器的阵元选择装置；

多阵元换能器，用于对病变组织进行超声刺激。

6.如权利要求5所述的超声刺激系统，其特征在于，还包括：

体征参数监控装置，用于在病变组织受到超声刺激时，监控患者的体征参数；所述体征参数包括脑电数据、心电数据和/或血压数据。

7.如权利要求6所述的超声刺激系统，其特征在于，所述体征参数监控装置包括脑电波仪、心电图仪和/或血压仪。

8.如权利要求5所述的超声刺激系统，其特征在于，所述图像采集装置包括核磁共振成像仪、电子计算机断层扫描仪、超声诊断仪、正电子发射断层成像仪、光学相干断层扫描仪或血管内超声成像仪。