CN107261344B - 一种用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，该方法用于在声动力治疗时对声能量的聚焦区域以及超声发射电压进行实时调整，以将声能量准确聚焦于治疗所需的目标区域。本发明利用超声反射回波对组织内的声场状态进行实时监测，并根据监测结果实时调整聚焦位置、焦点尺寸以及声场强度，以使得实际声场与预期声场一致，解决了声动力治疗时组织内实际声场与预期声场之间存在偏差而导致治疗效果不佳的问题，不仅反应速度快、实时性好、人工介入少，而且提高了治疗效率以及治疗效果的稳定性，具有很强的实用性以及推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及声动力治疗领域，具体涉及一种基于反射回波反馈的将超声自动聚焦至目标区域方法。
背景技术
声动力治疗(Sonodynamic Therapy,SDT)是指通过超声激活声敏剂、利用组织氧产生活性氧进而发挥生物学作用的技术。SDT利用超声的强穿透力特性，可实现深部组织的无创治疗，在抑制肿瘤生长、调控动脉粥样硬化演变方面有着广阔的应用前景。SDT涉及三个基本要素：超声、声敏剂和氧。其中，准确地控制和调节输入到组织内部的超声能量是SDT技术的关键。相控阵技术由于其可对聚焦位置、焦点尺寸及形状实时控制的特点，成为SDT声学组件的首选技术。实际应用时，它需要先根据组织声学模型计算形成预期声场的激励参数，之后以此对探头各阵元进行激励。然而，根据先验的组织参数得到的声学模型必然与实际人体组织之间存在误差，同时，治疗过程中不可避免地会因呼吸或血管舒张等因素引起焦点偏移目标区域，导致组织内实际声场与预期声场存在偏差。因此，需要开发一种实时的声场控制技术，以将此偏差减小到可接受的范围内，从而提高声动力治疗的准确度和稳定性。
发明内容
本发明提供一种用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，用以解决声动力治疗时组织内实际声场与预期声场之间存在偏差而导致治疗效果不佳的问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，该方法用于在声动力治疗时对声能量的聚焦区域以及超声发射电压进行实时调整，以将声能量准确聚焦于治疗所需的目标区域，其包括以下步骤：
S1:确定声动力治疗时声能量需要聚焦的目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1；
S2:根据目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1确定形成预期声场的激励参数；
S3:超声相控阵根据所述激励参数对目标区域进行激励；
S4:实时监测声场状态，以获取声能量实际的聚焦位置T2、焦点尺寸S2以及焦点声场强度S2；
S5:进行以下判断：
(1)目标区域T1与聚焦位置T2之差是否超过设定阈值U1，
(2)目标尺寸S1与焦点尺寸S2之差是否超过设定阈值U2，
(3)目标声场强度S1与焦点声场强度S2之差是否超过设定阈值U3；
S6:若步骤S5中(1)～(3)三项均判断为否，则重复步骤S3～S5，
若步骤S5中(1)、(2)中至少一项判断为是，则计算新的聚焦法则，方法如下：假设在聚焦位置T2处放置一与焦点尺寸S2相当的声源A1，计算声源A1发出的声波到达超声相控阵中各阵元的次序Se1以及相对时间间隔P1，将该次序Se1翻转得到次序Se2，以次序Se2作为超声相控阵中各阵元的新次序并保持相对时间间隔P1不变，超声相控阵以此作为新的聚焦法则进行激励，之后进行步骤S8，
若步骤S5中只有(3)判断为是，则进行步骤S7；
S7:调整超声相控阵中各阵元的超声发射电压V1，以使焦点声场强度S2与目标声场强度S1一致；
S8:监测焦点声场强度S2并判断其与目标声场强度S1是否一致，若不一致，则调整超声相控阵中各阵元的超声发射电压V1，以使焦点声场强度S2与目标声场强度S1一致。
在本发明的一实施例中，步骤S4是通过监测超声反射回波以及对目标区域T1构建的三维声学模型来进行。
在本发明的一实施例中，目标区域T1与聚焦位置T2出现偏差及/或目标尺寸S1与焦点尺寸S2出现偏差是由患者呼吸或血管舒张引起。
在本发明的一实施例中，步骤S1是通过对目标区域T1构建三维声学模型来实现。
在本发明的一实施例中，三维声学模型包含目标区域T1的影像数据以及目标区域T1中各组织的声学参数。
在本发明的一实施例中，所述组织包括皮肤、脂肪、肌肉、结缔组织以及各组织之间的连接部分。
在本发明的一实施例中，影像数据是通过二维阵列相控阵成像而获取。
本发明提供的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法利用超声反射回波对组织内的声场状态进行实时监测，并根据监测结果实时调整聚焦位置、焦点尺寸以及声场强度，以使得实际声场与预期声场一致，解决了声动力治疗时组织内实际声场与预期声场之间存在偏差而导致治疗效果不佳的问题，不仅反应速度快、实时性好、人工介入少，而且提高了治疗效率以及治疗效果的稳定性，具有很强的实用性以及推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为声源A1发出的声波到达超声相控阵中各阵元的次序以及相对时间间隔示意图；
图2为步骤S4的示意图；
图3为经过新的聚焦法则调整后的聚焦区域于病变区域的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，该方法用于在声动力治疗时对声能量的聚焦区域以及超声发射电压进行实时调整，以将声能量准确聚焦于治疗所需的目标区域，其包括以下步骤：
S1:确定声动力治疗时声能量需要聚焦的目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1；
根据患者的实际病症以及症状确定目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1，其中，目标区域T1、目标尺寸S1可由医生采用相应的医学检查设备(例如影像设备、核磁共振设备等)而确定，目标区域T1即为病变区域，目标尺寸S1为病变区域的大小，目标声场强度S1可由医生根据大量患者诊治经验及相关领域的研究成果而得到。
于本步骤中，可以通过对目标区域T1构建三维声学模型来实现，三维声学模型应包含目标区域T1的影像数据以及目标区域T1中各组织的声学参数，影像数据例如可以通过二维阵列相控阵成像而获取，或采用其他能够获取到人体内影像数据的手段获取，这里的“组织”包括皮肤、脂肪、肌肉、结缔组织以及各组织之间的连接部分，不同组织对应的声学参数不同，因此可将各种组织区分开来，并根据各组织的分布或声学参数的不同确定目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1。
S2:根据目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1确定形成预期声场的激励参数；
S3:超声相控阵根据激励参数对目标区域进行激励；
S4:实时监测声场状态，以获取声能量实际的聚焦位置T2、焦点尺寸S2以及焦点声场强度S2；
该步骤是通过监测超声反射回波以及对目标区域T1构建的三维声学模型来进行，通过超声反射回波以及前述构建的三维声学模型可以反推得到能量实际的聚焦位置T2、焦点尺寸S2以及焦点声场强度S2。
如图2为步骤S4的示意图，如图2所示，超声相控阵中的多个探头阵元按照步骤S2中的激励参数下的聚焦法则进行激励，同时监测超声反射回波以确定聚焦位置T2、焦点尺寸S2以及焦点声场强度S2，以便于进行步骤S5中的判断。由图2可知，此时聚焦区域于病变区域存在偏差，应对聚焦位置进行调整。
S5:进行以下判断：
(1)目标区域T1与聚焦位置T2之差是否超过设定阈值U1，
(2)目标尺寸S1与焦点尺寸S2之差是否超过设定阈值U2，
(3)目标声场强度S1与焦点声场强度S2之差是否超过设定阈值U3；
S6:若步骤S5中(1)～(3)三项均判断为否，则重复步骤S3～S5，
若步骤S5中(1)、(2)中至少一项判断为是，则计算新的聚焦法则，方法如下：假设在聚焦位置T2处放置一与焦点尺寸S2相当的声源A1，计算声源A1发出的声波到达超声相控阵中各阵元的次序Se1以及相对时间间隔P1，将该次序Se1翻转得到次序Se2，以次序Se2作为超声相控阵中各阵元的新次序并保持相对时间间隔P1不变，超声相控阵以此作为新的聚焦法则进行激励，之后进行步骤S8，
若步骤S5中只有(3)判断为是，则进行步骤S7；
以下举例说明上述新的聚焦法则如何得到，例如，假设超声相控阵中具有N1～N5共5个阵元，如图1所示为声源A1发出的声波到达超声相控阵中各阵元的次序以及相对时间间隔示意图，声源A1发出的声波依次到达阵元N5→N3→N4→N1→N2，时间间隔如图所示，则新的聚焦法则为阵元N2→N1→N4→N3→N5依次发射超声波，其中，以阵元N2发射超声波为初始0时刻，则间隔t5时间后N1发射，再间隔t4时间后N4发射……直至所有阵元发射完毕。，按此次序发射的声波将聚焦于聚焦位置T2。
图3为经过新的聚焦法则调整后的聚焦区域于病变区域的示意图，如图所示，超声相控阵中的探头阵元采用新的聚焦法则进行激励，将聚焦区域调整为与病变区域一致。
S7:调整超声相控阵中各阵元的超声发射电压V1，以使焦点声场强度S2与目标声场强度S1一致；
S8:监测焦点声场强度S2并判断其与目标声场强度S1是否一致，若不一致，则调整超声相控阵中各阵元的超声发射电压V1，以使焦点声场强度S2与目标声场强度S1一致。
于本发明中，目标区域T1与聚焦位置T2出现偏差及/或目标尺寸S1与焦点尺寸S2出现偏差一般是由患者呼吸或血管舒张引起，也可能是由于患者于治疗时体位发生偏移造成的。
本发明提供的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法利用超声反射回波对组织内的声场状态进行实时监测，并根据监测结果实时调整聚焦位置、焦点尺寸以及声场强度，以使得实际声场与预期声场一致，解决了声动力治疗时组织内实际声场与预期声场之间存在偏差而导致治疗效果不佳的问题，不仅反应速度快、实时性好、人工介入少，而且提高了治疗效率以及治疗效果的稳定性，具有很强的实用性以及推广价值。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，该方法用于在声动力治疗时对声能量的聚焦区域以及超声发射电压进行实时调整，以将声能量准确聚焦于治疗所需的目标区域，其特征在于，包括以下步骤：
S1:确定声动力治疗时声能量需要聚焦的目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1，对目标区域T1构建三维声学模型，三维声学模型包含目标区域T1的影像数据以及目标区域T1中各组织的声学参数；
S2:根据目标区域T1、目标尺寸S1以及目标声场强度S1确定形成预期声场的激励参数；
S3:超声相控阵根据所述激励参数对目标区域进行激励；
S4:通过超声反射回波以及前述构建的三维声学模型反推得到能量实际的聚焦位置T2、焦点尺寸S2以及焦点声场强度S2；
S5:进行以下判断：
(1)目标区域T1与聚焦位置T2之差是否超过设定阈值U1，
(2)目标尺寸S1与焦点尺寸S2之差是否超过设定阈值U2，
(3)目标声场强度S1与焦点声场强度S2之差是否超过设定阈值U3；
S6:若步骤S5中(1)～(3)三项均判断为否，则重复步骤S3～S5，
若步骤S5中(1)、(2)中至少一项判断为是，则计算新的聚焦法则，方法如下：假设在聚焦位置T2处放置一与焦点尺寸S2相当的声源A1，计算声源A1发出的声波到达超声相控阵中各阵元的次序Se1以及相对时间间隔P1，将该次序Se1翻转得到次序Se2，其中，次序Se1为按照声源A1发出的声波依次到达阵元的先后顺序而对阵元进行排序的序列，次序Se2是依次按照次序Se1中位于末端的阵元至次序Se1位于起始端的阵元而对阵元进行排序的一个序列，相对时间间隔P1为次序Se1、次序Se2中相邻的阵元之间的时间间隔，以次序Se2作为超声相控阵中各阵元的新次序并保持相对时间间隔P1不变，超声相控阵以此作为新的聚焦法则进行激励，之后进行步骤S8，
若步骤S5中只有(3)判断为是，则进行步骤S7；
S7:调整超声相控阵中各阵元的超声发射电压V1，以使焦点声场强度S2与目标声场强度S1一致；
S8:监测焦点声场强度S2并判断其与目标声场强度S1是否一致，若不一致，则调整超声相控阵中各阵元的超声发射电压V1，以使焦点声场强度S2与目标声场强度S1一致。
2.根据权利要求1所述的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，其特征在于，步骤S4是通过监测超声反射回波以及对目标区域T1构建的三维声学模型来进行。
3.根据权利要求1所述的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，其特征在于，目标区域T1与聚焦位置T2出现偏差及/或目标尺寸S1与焦点尺寸S2出现偏差是由患者呼吸或血管舒张引起。
4.根据权利要求1所述的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，其特征在于，步骤S1是通过对目标区域T1构建三维声学模型来实现。
5.根据权利要求2或4所述的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，其特征在于，三维声学模型包含目标区域T1的影像数据以及目标区域T1中各组织的声学参数。
6.根据权利要求5所述的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，其特征在于，所述组织包括皮肤、脂肪、肌肉、结缔组织以及各组织之间的连接部分。
7.根据权利要求5所述的用于声动力治疗的超声自适应聚焦方法，其特征在于，影像数据是通过二维阵列相控阵成像而获取。
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