CN107497062A - 基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种聚焦超声溶脂系统，其包括：电源单元；溶脂单元，其包括通信连接的主控模块、DDS模块以及聚焦换能器；温度监测单元，其包括B超换能器以及通信连接到B超换能器与主控模块之间的数据采集模块；冷却单元；主控模块控制DDS模块发出超声激励信号经功率放大后驱动聚焦换能器对B超换能器产生超声脉冲信号进行聚焦；超声脉冲信号依次经组织反射、B超换能器接收、数据采集以及主控模块数据处理后输出聚焦区温度；主控模块根据聚焦区温度调节聚焦超声治疗剂量和冷却单元制冷量。本发明基于聚焦超声对皮下脂肪层非侵入式溶脂的同时，采用B超图像对聚焦区无创监测温度以控制聚焦超声剂量，提高治疗过程的安全性和有效性。
Description
技术领域
本发明涉及脂肪堆积造成肥胖的局部溶脂减肥技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统。
背景技术
肥胖发病率在世界范围内逐年增加，已成为世界范围内重要的一个公共卫生问题。根据脂肪细胞的数目是否发生变化将减肥方法分为两大类：不减少脂肪细胞总数的减肥方法和减少脂肪细胞总数的减肥方法。
不减少脂肪细胞总数的减肥方法主要是一些传统的减肥方法，主要包含节食、运动锻炼、药物、针刺等方法，这些方法效果不明显，对身体副作用太大，需长期坚持，不适应当代生活节奏等。
吸脂术是减少脂肪细胞总数的减肥方法，大众接受度高的是肿胀麻醉吸脂术。肿胀麻醉吸脂术是指将肿胀液注射到皮下脂肪抽吸区，使其达到肿胀程度，使用连接真空负压泵的抽吸头，在皮下脂肪组织往复抽动吸出脂肪组织。肿胀麻醉吸脂术作为一种有创方式，存在麻醉相关风险、切口部位感染及术后切口部位瘢痕等问题。
聚焦超声溶脂也是减少脂肪细胞总数的减肥方法。作为一种无创溶脂的新方法，聚焦超声利用超声的可聚焦性和超声对组织的穿透性等特征,将体外低能量的超声聚焦到皮下特定深度的目标区域,汇聚后的超声将产生高能效应使聚焦区域的脂肪细胞破裂、溶解，而不损伤周围的组织。聚焦超声溶脂的关键问题是治疗剂量的控制。体外低能超声聚焦后作用于皮下脂肪层，聚焦后的超声将产生高能效应，而聚焦区的温度“看不到，摸不着”，一旦聚焦超声治疗剂量控制不当，轻则达不到治疗效果，重则损伤组织，给身体带来伤害。聚焦超声在治疗过程中，由于温度、环境等不同，导致聚焦换能器的谐振频率发生改变，现有的聚焦超声溶脂设备不具备频率自动跟踪功能，会出现频率失调，从而会导致阻抗失配，降低效率，严重的不能正常工作。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，基于聚焦超声对皮下脂肪层非侵入式溶脂的同时，采用B超图像对聚焦区域无创监测温度进行以实时控制聚焦超声的剂量和冷却单元的温度，提高治疗过程的安全性和有效性。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其包括：
电源单元，其用于供电；
溶脂单元，其包括依次通信连接的主控模块、DDS模块以及聚焦换能器；
温度监测单元，其包括B超换能器以及通信连接到所述B超换能器与所述主控模块之间的数据采集模块；
冷却单元，其通信连接到所述主控模块；
其中，所述主控模块控制所述DDS模块发出超声激励信号驱动所述B超换能器产生超声脉冲信号；
所述主控模块控制所述DDS模块发出超声激励信号驱动所述聚焦换能器对所述超声脉冲信号进行聚焦；
所述超声脉冲信号依次经组织反射、所述B超换能器接收、所述数据采集模块的数据处理以及所述主控模块的图形处理，输出聚焦区域的实时温度；
所述主控模块根据聚焦区域的实时温度，发出温度调节信号给所述冷却单元输出对应的制冷量给聚焦区域的同时，发出剂量调节信号给所述DDS模块以调整所述超声脉冲信号的功率。
优选的是，所述电源单元包括：
交直流转换模块，其用于将220V交流转12V直流；
电平转换模块，其通信连接到所述交直流转换模块与若干个单元之间，用于将12V直流转换成若干个单元所需电压。
优选的是，所述DDS模块包括：
直接数字式频率合成器，其用于产生所述超声激励信号；
低通滤波电路，其通信连接到所述直接数字式频率合成器，用于滤除所述超声激励信号的谐波干扰；
占空比调节电路，其通信连接到所述低通滤波电路，用于调节滤波后超声激励信号的占空比。
优选的是，还包括：
功放单元，其包括设置于所述聚焦换能器与所述DDS模块之间的第一功放模块、所述B超换能器与所述DDS模块之间的第二功放模块，用于对所述超声激励信号进行放大。
优选的是，还包括：
频率跟踪单元，其通信连接到所述主控模块和所述聚焦换能器之间，用于获取所述聚焦换能器电压和电流的相位差发送给所述主控模块以调节所述超声激励信号的频率。
优选的是，所述频率跟踪单元包括：
相位采集模块，其用于采集所述聚焦换能器两端的电压信号和流过所述聚焦换能器的电流信号并获得所述电压信号和所述电流信号的相位信息；
比较模块，其通信连接到所述相位采集模块与所述主控模块之间，用于比较所述相位采集模块的所述电压信号和所述电流信号的相位信息后输出所述相位差给所述主控模块。
优选的是，还包括：
人机交互单元，其包括实时显示超声图像的显示屏和指示运行状态的指示灯；所述显示屏和所述指示灯分别通信连接到所述主控模块。
优选的是，还包括：
超声探头，其集成有所述聚焦换能器和所述B超换能器。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明提供的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，主控模块控制DDS模块发出超声激励信号驱动B超换能器产生超声脉冲信号的同时，主控模块控制DDS模块发出超声激励信号驱动聚焦换能器对超声信号进行聚焦以达到非浸入式溶脂的作用，并且，超声脉冲信号依次经组织反射、B超换能器接收、数据采集模块的数据处理以及主控模块的图形处理，输出聚焦区域的实时温度；主控模块根据聚焦区域的实时温度发出温度调节信号给冷却单元输出对应的制冷量给聚焦区域，调节聚焦换能器剂量，确保聚焦溶脂的安全性，可实现不同部位、不同厚度、不同时间的溶脂，操作便利。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统的通信示意图；
图2为本发明所述的聚焦换能器聚焦溶脂的示意图；
图3为本发明所述的聚焦换能器剂量调整的原理图；
图4(a)-4(b)为本发明所述的超声探头的结构示意图；
图5为本发明所述的相位采集模块原理示意图；
图6为本发明所述的比较模块原理示意图；
图中：
10-电源单元；11-交直流转换模块；12-电平转换模块；
20-溶脂单元；
21-主控模块；22-DDS模块；23-聚焦换能器；
30-温度监测单元；31-B超换能器；32-数据采集模块；
40-冷却单元；
50-功放单元；51-第一功放模块；52-第二功放模块；
60-频率跟踪单元；61-相位采集模块；62-比较模块；
70-人机交互单元；71-显示屏；72-指示灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1至图3所示，本发明提供一种基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其包括电源单元10、溶脂单元20、温度监测单元30以及冷却单元40。电源单元10用于为其他单元供电。溶脂单元20包括依次通信连接的主控模块21、DDS模块22以及聚焦换能器23。温度监测单元30包括B超换能器31以及通信连接到B超换能器31与主控模块21之间的数据采集模块32。
该实施方式中，主控模块21用于一方面发送控制指令和数据，另一方面接收反馈状态、处理接收数据，根据用户设定的治疗参数，在设备的总体技术指标范围内，控制系统使其稳定、可靠地工作。具体地，主控模块21控制DDS模块22发出超声激励信号驱动B超换能器31产生超声脉冲信号的同时，主控模块21控制DDS模块22发出超声激励信号驱动聚焦换能器23对超声脉冲信号进行聚焦。超声波是一种高频机械波，具有可聚焦性、组织穿透性及能量沉积性，因此，聚焦换能器23将体外发射的超声波穿过软组织而聚焦到体内皮下特定深度的脂肪组织处(靶点)。由于聚焦作用，在聚焦区域的能量沉积较平扫超声大，使在深部仍有较强的能量聚集，产生高能效应，使局部脂肪细胞溶解，并通过自身免疫细胞吞噬清楚，而对周围非脂肪组织不产生损伤，从而达到非侵入式减肥的治疗目的。聚焦换能器23聚焦的同时，超声脉冲信号依次经组织反射、B超换能器31接收、数据采集模块32的数据处理以及主控模块21的图形处理，输出聚焦区域的实时温度。冷却单元40通信连接到主控模块21，主控模块21根据聚焦区域的实时温度，发出温度调节信号给冷却单元40输出对应的制冷量给聚焦区域、使聚焦区域温度保持在设定范围内以保证聚焦换能器23正常工作的同时，主控模块21发出计量(脉宽)调节信号给DDS模块22以调整超声激励信号的脉宽，使聚焦换能器23聚焦后的超声脉冲信号输出功率发生变化，即实现对聚焦超声治疗剂量的控制。
本发明提供的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，一方面通过主控模块21控制DDS模块22向皮下脂肪层发出超声激励信号经聚焦换能器23产生聚焦超声波，另一方面通过B超换能器31的超声无创测温监测聚焦治疗区域的温度和温度分布反馈给主控模块21，主控模块21对温度信息进行处理，一旦发现温度超过期望值，主控模块21调节DDS模块22的超声激励信号的脉宽，即调整驱动信号的脉宽，从而使聚焦换能器23的输出功率发生变化，实现对聚焦超声治疗剂量的控制，确保聚焦溶脂的安全性和稳定性，可实现不同部位、不同厚度、不同时间的溶脂，操作便利。
上述实施方式中，电源单元10优选为包括交直流转换模块11和电平转换模块12。交直流转换模块11用于将220V交流转12V直流。电平转换模块12通信连接到交直流转换模块11与若干个单元之间，用于将12V直流转换成若干个单元所需电压。
上述实施方式中，主控模块21优选采用超声图像灰度统计分析法，根据灰度均值与温度的相关性，提取图像灰度值，即可获得温度和温度分布数据。
上述实施方式中，聚焦换能器23可以是声透镜聚焦换能器，也可以是自聚焦超声换能器，主要用来将体外低能量的非聚焦超声波在以内皮下一定深度处实现聚焦，在聚焦区域产生高能效应，实现溶脂效果。B超换能器31用来产生超声脉冲信号，同时接受组织反射的超声回波信号，经数据采集模块32获得原始的超声回波信号，经主控模块21处理后得到特征图像参数和图像信息，从而获得聚焦区域的温度和温度分布。作为进一步优选，系统设置集成有聚焦换能器23和B超换能器31的超声探头，保证聚焦换能器23聚焦以及B超换能器31产生超声脉冲信号的同时、便利进行。至于超声探头内B超换能器31和聚焦换能器23的具体结构和位置关系，图4(a)至图4(b)给出了超声探头的示意，B超换能器31位于超声探头的中间位置，聚焦换能器23环绕于B超换能器31的周围，但本发明不局限于此结构。
上述实施方式中，DDS模块22优选包括直接数字式频率合成器、低通滤波电路以及占空比调节电路。直接数字式频率合成器用于产生超声激励信号，具有频率调整方便、分辨率高、频率转换时间短、输出相位连续、全数字化和控制方便等优点。低通滤波电路通信连接到直接数字式频率合成器，用于滤除超声激励信号的谐波干扰，谐波干扰主要来自参考时钟。占空比调节电路用于控制超声激励信号的占空比，实现对输出超声信号的脉宽控制。
上述实施方式中，数据采集模块32主要用来采集经组织反射的超声回波信号并对信号进行数据处理。为了获得与温度相关的超声图像特征参数和超声图像信息供主控模块21进行图像处理，需要对回波信号进行直接采样，本发明的数据采集模块32优选采用高速数据采集系统获得原始的超声回波信号，动态范围大，便于后续进一步处理。
作为上述实施方式的进一步优选，系统还包括功放单元50。功放单元50包括设置于聚焦换能器23与DDS模块22之间的第一功放模块51、B超换能器31与DDS模块22之间的第二功放模块52，用于对超声激励信号进行放大。需要补充说明的是，DDS模块22输出的超声激励信号很微弱，而对聚焦换能器23来说，对驱动信号有一定的功率要求，因此，DDS模块22输出的超声激励信号需要经过第一功放模块51的功率放大才能驱动聚焦换能器23。对B超换能器31来说，对驱动信号的功率要求较低，采用第二功放模块52来实现。因此，第一功放模块51和第二功放模块52的功率放大效果不同。
作为上述实施方式的进一步优选，系统还包括频率跟踪单元60。频率跟踪单元60是基于聚焦换能器23谐振时电压和电流同相位的原理实现超声激励信号频率的自动跟踪。具体地，频率跟踪单元60通信连接到主控模块21与聚焦换能器23之间，用于获取聚焦换能器23电压和电流的相位差发送给主控模块21，主控模块21根据相位差调节超声激励信号的频率，使得聚焦超声换能器23始终工作在谐振频率上，提高能量转换效率，从而实现系统的频率自动跟踪功能。作为进一步优选，频率跟踪单元60包括相位采集模块61和比较模块62。相位采集模块61采集聚焦换能器23两端的电压信号和流过聚焦换能器23的电流信号并获得电压信号和电流信号的相位信息。比较模块62通信连接到相位采集模块61与主控模块21之间，对相位采集模块61的电压信号和电流信号的相位信息作比较后输出相位差给主控模块21。
考虑到相位采集模块61的采样既不能影响原来的主电路，又要能准确采集所需信号，并尽量保证信号不失真，本发明的电压采样用电压分压的方法实现。具体地，如图5和所示，电阻R1和电阻R2串联后并联在聚焦换能器23两端，电阻R1、电阻R2的阻值都较大，其中电阻R1为兆欧级，电阻R2为千欧级。电阻R1和电阻R2串联分压，采集电阻R2两端的电压，可以得到聚焦换能器23的电压相位；电流采样采用电阻采样法，如图5中电阻R3，串联在聚焦换能器23电路中，采集其两端的电压信号，其阻值一定，即可获得电流信号的信息。获得电流、电压的相位信息后，进行相位差比较，见图6，两个运放U1、U2组成的两个过零比较器，将输入的同频率的采样电流、采样电压信号整定成为同周期的方波信号；U3、U4是两个反相器，提高过零比较器输出方波的前后沿陡度；U5为D触发器，整定后的电流、电压方波信号分别输入到D触发器的D端和CLK端，若电压超前电流，则D触发器的Q端输出电平Sig_hl为逻辑“0”；若电流超前电压，则D触发器的Q端输出Sig_hl电平为逻辑“1”；D触发器的Q端输出电平Sig_hl输入到主控模块21，作为主控模块21增加或减小频率的依据。两个方波信号同时也输入到与门U6，得到体现相位差的脉宽信号输出Sig_ph，若电压和电流相位相同，则该脉宽信号Sig_ph的占空比为50％；如果二者存在相位差，则输出的脉宽信号Sig_ph的占空比必然小于为50％,这个输出的占空比Sig_ph即反映了电流、电压相位差的大小，Sig_ph信号也输入到主控模块21，这样主控模块21通过不断扫描Sig_hl、Sig_ph信号，根据信号的占空比大小和电流的超前或滞后关系通过运算产生DDS模块22的频率增量，从而调整超声激励信号的频率，实现频率的自动跟踪，使得聚焦换能器23始终工作在谐振状态，提高系统的效率。
作为上述实施方式的进一步优选，系统还包括人机交互单元70，其包括显示屏71和指示灯72。显示屏71和指示灯72分别通信连接到主控模块21，显示屏71用于实时显示超声图像，指示灯72用于指示运行状态。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (8)
1.一种基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，其包括：
电源单元，其用于供电；
溶脂单元，其包括依次通信连接的主控模块、DDS模块以及聚焦换能器；
温度监测单元，其包括B超换能器以及通信连接到所述B超换能器与所述主控模块之间的数据采集模块；
冷却单元，其通信连接到所述主控模块；
其中，所述主控模块控制所述DDS模块发出超声激励信号驱动所述B超换能器产生超声脉冲信号；
所述主控模块控制所述DDS模块发出超声激励信号驱动所述聚焦换能器对所述超声脉冲信号进行聚焦；
所述超声脉冲信号依次经组织反射、所述B超换能器接收、所述数据采集模块的数据处理以及所述主控模块的图形处理，输出聚焦区域的实时温度；
所述主控模块根据聚焦区域的实时温度，发出温度调节信号给所述冷却单元输出对应的制冷量给聚焦区域的同时，发出剂量调节信号给所述DDS模块以调整所述超声脉冲信号的功率。
2.如权利要求1所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，所述电源单元包括：
交直流转换模块，其用于将220V交流转12V直流；
电平转换模块，其通信连接到所述交直流转换模块与若干个单元之间，用于将12V直流转换成若干个单元所需电压。
3.如权利要求1所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，所述DDS模块包括：
直接数字式频率合成器，其用于产生所述超声激励信号；
低通滤波电路，其通信连接到所述直接数字式频率合成器，用于滤除所述超声激励信号的谐波干扰；
占空比调节电路，其通信连接到所述低通滤波电路，用于调节滤波后超声激励信号的占空比。
4.如权利要求1所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，还包括：
功放单元，其包括设置于所述聚焦换能器与所述DDS模块之间的第一功放模块、所述B超换能器与所述DDS模块之间的第二功放模块，用于对所述超声激励信号进行放大。
5.如权利要求1所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，还包括：
频率跟踪单元，其通信连接到所述主控模块和所述聚焦换能器之间，用于获取所述聚焦换能器电压和电流的相位差发送给所述主控模块以调节所述超声激励信号的频率。
6.如权利要求5所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，所述频率跟踪单元包括：
相位采集模块，其用于采集所述聚焦换能器两端的电压信号和流过所述聚焦换能器的电流信号并获得所述电压信号和所述电流信号的相位信息；
比较模块，其通信连接到所述相位采集模块与所述主控模块之间，用于比较所述相位采集模块的所述电压信号和所述电流信号的相位信息后输出所述相位差给所述主控模块。
7.如权利要求1所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，还包括：
人机交互单元，其包括实时显示超声图像的显示屏和指示运行状态的指示灯；所述显示屏和所述指示灯分别通信连接到所述主控模块。
8.如权利要求1所述的基于无创温度监测的聚焦超声溶脂系统，其特征在于，还包括：
超声探头，其集成有所述聚焦换能器和所述B超换能器。
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