CN109125960B - 一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备，包括：初始相位值生成装置，用于计算获得多阵元相控换能器中各换能器阵元的初始相位值，初始相位值控制形成焦点的尺寸；偏转相位值生成装置，用于采用伪逆矩阵算法或根据所述空间指定位置与各换能器阵元的空间几何关系计算获得各换能器阵元的偏转相位值，偏转相位值控制焦点所形成的位置；相位叠加装置，用于将所述初始相位值和偏转相位值叠加获得各换能器阵元的最终相位信号；超声焦点形成装置，用于根据所述最终相位信号控制换能器阵元产生超声，并在空间指定位置形成尺寸可控的超声焦点。与现有技术相比，本发明具有焦点控制灵活性高、计算简单等优点。

Description

一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备

技术领域

本发明涉及高强度聚焦超声技术领域，尤其是涉及一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备。

背景技术

高强度聚焦超声技术基于超声的生物学效应，通常是热效应，通过将超声能量集中于人体体内一点，在该点产生使组织蛋白质变形的高温，从而对人体实体肿瘤进行非侵入的治疗，目前已经用于子宫肌瘤、乳腺肿瘤、肝肿瘤等疾病的治疗。传统的高强度聚焦超声，使用单阵元换能器所形成的超声焦点的尺寸较小，直径通常在1mm，长度约为5～8mm左右。如果对一体积较大的实体肿瘤进行超声热消融，则需要结合机械移动，使得较小的超声焦点逐点覆盖整个肿瘤区域，每次超声焦点移动到一新位置，需要照射10～20s左右，才能形成治疗效果，非常耗费时间。之后也出现了对于传统技术的改进，例如使用相控型聚焦超声技术，结合多阵元探头，通过控制每个换能器阵元的相位，可以实现超声焦点在空间中的快速移动，解决机械移动的问题，或者同时形成多焦点，解决单次超声照射形成热消融区域体积小的问题。目前，计算相位控制的方法包括了伪逆矩阵方法、遗传算法等，但这些方法计算都相对复杂，特别是计算在空间中非自然焦点位置处形成大尺寸超声焦点的相位信号时，需要对于算法的输入、初始条件等参数进行综合考虑才能够得到较好的结果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备，包括：

初始相位值生成装置，用于计算获得多阵元相控换能器中各换能器阵元的初始相位值，初始相位值控制形成超声焦点的尺寸；

偏转相位值生成装置，用于采用伪逆矩阵算法或根据所述空间指定位置与各换能器阵元的空间几何关系计算获得各换能器阵元的偏转相位值，偏转相位值控制形成超声焦点的位置；

相位叠加装置，用于将所述初始相位值和偏转相位值叠加获得各换能器阵元的最终相位信号；

超声焦点形成装置，用于根据所述最终相位信号控制换能器阵元产生超声，并在空间指定位置形成尺寸可控的超声焦点。

所述初始相位值生成装置包括：

第一初始相位计算模块，用于根据各换能器阵元的阵元中心的极坐标值计算对应换能器阵元的初始相位值，计算公式为：

其中，

为第n个换能器阵元的阵元中心的极坐标值，

为该换能器阵元的初始相位值，M为一与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ(r_n)为各换能器阵元之间的初始相位值差。

所述初始相位值生成装置包括：

相控换能器分区模块，用于对所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元根据阵元坐标进行分组，形成多个阵元区域；

第二初始相位计算模块，用于根据分组结果计算每个阵元区域的初始相位值，并以计算获得的初始相位值作为该阵元区域中每个阵元的初始相位值。

所述相控换能器分区模块包括：

第一分区单元，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元划分为多个均匀的扇形区域；

此时，所述第二初始相位计算模块中，第m个扇形区域的初始相位值的计算公式为：

f_m＝Φ_m*M

其中，Φ_m为第m个扇形区域的中心位置坐标的角度值，f_m为该扇形区域的初始相位值，M为一与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数。

所述相控换能器分区模块包括：

第二分区单元，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元先划分为多个环状区域，再进行扇形分割，形成多个分段圆环区域；

此时，所述第二初始相位计算模块中，第m个分段圆环区域的初始相位值的计算公式为：

f_m＝Φ_m*M+ψ(R_m)

其中，Φ_m为第m个分段圆环区域的中心位置坐标的角度值，f_m为该分段圆环区域的初始相位值，M为一与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ为各环状区域之间的初始相位值差，R_m为该分段圆环区域的中心位置到坐标原点的距离。

所述初始相位值生成装置包括：

相控换能器圆环分区模块，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元划分为多个圆环状区域；

第二初始相位计算模块，用于计算各圆环状区域内各换能器阵元的初始相位幅值，计算公式为：

f_n＝Φ_n*M+ψ

其中，Φ_n为第n个换能器阵元的中心位置坐标的角度值，f_n为该换能器阵元的初始相位幅值，M为该换能器阵元所在圆环状区域的、与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ为各圆环状区域之间的初始相位值差；

旋转值叠加模块，用于在每个换能器阵元的初始相位幅值上叠加一随时间改变的旋转角度值θ_offset，形成最终的初始相位值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)与现有相控聚焦超声的焦点形成相比，本发明在保留了原有相控聚焦超声技术的焦点移动偏转灵活性和偏转范围的优势上，又可以控制所形成焦点的焦点尺寸，能够在多阵元相控换能器所允许的焦点偏转范围内形成不同尺寸的焦点，相比与原有的相控聚焦超声技术，本发明焦点控制灵活性更高。

(2)与原有相控聚焦超声技术形成多焦点的算法相比，本发明相位值的计算与阵元的极坐标值相关，计算方法更加简单，使用更加方便。

(3)本发明可通过设置不同的正整数M，形成不同尺寸的焦点，控制更为方便。

(4)本发明通过在相位信号上叠加一个随时间改变的相位值，配合螺旋形焦点分布，能够更简便的实现大区域均匀超声加热。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为64阵元换能器的结构示意图；

图3为本发明对64阵元换能器的划分示意图；

图4为采用本发明在换能器焦平面的(5mm,0,0)处形成的偏焦点(左侧)和对应的各阵元相位控制信号(右侧)示意图；

图4中，(a)为将换能器分为6个扇形区域，且M取值为1；(b)为将换能器分为6个扇形区域后又分割为2个环形区域，M取值为1，内外圈的初始相位差为π；(c)为直接按照阵元的实际位置赋值初始相位信号；(d)为原始的单个小尺寸偏焦点；

图5为采用本发明形成的一组旋转的超声焦点及其实施的时间序列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明提供一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备，包括初始相位值生成装置、偏转相位值生成装置、相位叠加装置和超声焦点形成装置。其中，初始相位值生成装置用于计算获得多阵元相控换能器中各换能器阵元的初始相位值；偏转相位值生成装置用于采用伪逆矩阵算法或根据所述空间指定位置与各换能器阵元的空间几何关系计算获得各换能器阵元的偏转相位值；相位叠加装置用于将所述初始相位值和偏转相位值叠加获得各换能器阵元的最终相位信号；超声焦点形成装置用于根据所述最终相位信号控制换能器阵元产生超声，并在空间指定位置形成不同尺寸的超声焦点。

在某些实施例中，初始相位值生成装置包括第一初始相位计算模块，该第一初始相位计算模块用于根据各换能器阵元的阵元中心的极坐标值计算对应换能器阵元的初始相位值，计算公式为：

其中，

为第n个换能器阵元的阵元中心的极坐标值，

为该换能器阵元的初始相位值，M为一与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ为由于阵元中心距离整个阵列中心距离不同而添加的初始相位值差，ψ(r_n)表示添加与极坐标r_n值相关的相位值，通常为ψ(r_n)＝r_n，或者阶梯函数，或者常数。

在某些实施例中，初始相位值生成装置包括相控换能器分区模块和第二初始相位计算模块，相控换能器分区模块用于对所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元根据阵元坐标进行分组，形成多个阵元区域；第二初始相位计算模块用于根据分组结果计算每个阵元区域的初始相位值，并以计算获得的初始相位值作为该阵元区域中每个阵元的初始相位值。

在某些实施例中，所述相控换能器分区模块包括第一分区单元，该第一分区单元，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元划分为多个均匀的扇形区域。此时，所述第二初始相位计算模块中，第m个扇形区域的初始相位值的计算公式为：

f_m＝Φ_m*M

其中，Φ_m为第m个扇形区域的中心位置坐标的角度值，f_m为该扇形区域的初始相位值，M为一与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数。

在某些实施例中，所述相控换能器分区模块包括第二分区单元，该第二分区单元用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元先划分为多个环状区域，再进行扇形分割，形成多个分段圆环区域。此时，所述第二初始相位计算模块中，第m个分段圆环区域的初始相位值的计算公式为：

f_m＝Φ_m*M+ψ(R_m)

其中，Φ_m为第m个分段圆环区域的中心位置坐标的角度值，f_m为该分段圆环区域的初始相位值，M为一与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ为各环状区域之间的初始相位值差，R_m为该分段圆环区域的中心位置到坐标原点的距离。

在某些实施例中，初始相位值生成装置包括相控换能器圆环分区模块、第二初始相位计算模块和旋转值叠加模块。其中相控换能器圆环分区模块用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元划分为多个圆环状区域；第二初始相位计算模块用于计算各圆环状区域内各换能器阵元的初始相位幅值，计算公式为：f_n＝Φ_n*M+ψ，其中，Φ_n为第n个换能器阵元的中心位置坐标的角度值，f_n为该换能器阵元的初始相位幅值，M为该换能器阵元所在圆环状区域的、与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ为各圆环状区域之间的初始相位值差；旋转值叠加模块，用于在每个换能器阵元的初始相位幅值上叠加一旋转角度值θ_offset，形成最终的初始相位值。在该实施例中，超声焦点将根据每环之间M值差，呈现出螺旋带状，螺旋的初始位置可通过在每个阵元的初始相位值上叠加一相同的角度值θ_offset来实现改变，可在超声照射过程中，连续变换θ_offset实现焦点声场绕焦点中心轴的旋转，从而达到更均匀加热焦点区域组织的目的。

偏转相位值生成装置中，偏转相位值可根据焦点位置与阵元之间的相对几何位置来计算，第n个阵元的偏转相位值可写为ωn＝d_n/c0*f*2*π，dn为该阵元到焦点之间的距离，c0为超声传播介质中的声速，通常为水或者软组织的声速，f为超声频率。

相位叠加装置最终将初始相位值与偏转相位值相加，作为换能器阵元的相位信号，该相位信号可以实现在偏转相位值所对应的位置上形成初始相位值所对应的大尺寸焦点。

实施例1

如图1-图3所示，以64阵元换能器为例，描述本发明在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备的工作过程：

1.计算出每个换能器阵元在以圆盘基座中心为原点的极坐标中的极坐标值；

2.根据各个阵元的坐标值，将阵元划分为多组，可有多种划分方式，本实施例按照如下三种情况之一描述：

a)均匀划分为6组扇形区域，命名为1～6号区域(也可划分为如4、8等整数组，此处以6组为例)；

b)首先划分为6组扇形区域，再划分为2个环形区域，命名为1o～6o号(外圈)和1i～6i号(内圈)区域；

c)不划分区域。

3.按照所划分的区域，对每个区域内的阵元的初始相位值幅值，分别对应第2步中的a)、b)、c)三种情况：

a)分别对1～6号区域内阵元的初始相位值赋值为π/6，π/2，5π/6，7π/6，3π/2，11π/6，此时M取值为1。当M取值为2时，初始相位值为π/3，π，5π/3，7π/3(π/3)，3π(π)，11π/3(5π/3)。以此类推。

b)分别对1o～6o号(外圈)和1i～6i号(内圈)区域内阵元的初始相位值赋值为π/6，π/2，5π/6，7π/6，3π/2，11π/6和π/6+π，π/2+π，5π/6+π，7π/6+π，3π/2+π，11π/6+π此时M取值为1，两个环形区域间的相位差值为ψ＝π。当M取值为其他取值时，根据上述类推。

c)根据每个阵元的极坐标的

在M＝1时，其初始相位即为

4.本实施例中，设定需要焦点偏离至(5mm,0,0)(自然聚焦位置为(0，0，0))，可按照各个阵元在以自然聚焦位置的笛卡尔坐标系中的坐标值(x_n,y_n,z_n)，来计算各个阵元发出的超声到焦点的声程

以此计算阵元的偏转相位值。

5.将所计算出的相位初始值与偏转相位值相加，得到最终的相位信号，能够实现在焦点位置(5mm,0,0)处形成大尺寸的焦点，如图4所示。

实施例2

本实施例中，初始相位值生成装置只将换能器上的各阵元划分为多个圆环状区域，在每个圆环区域中，按照阵元的实际极坐标值进行计算，而且每个区域所取的M值可不相同，同时仍然保持每个环形区域之间不同的初始相位值差ψ。在该情况下，超声焦点将根据每环之间M值差，呈现出螺旋带状，螺旋的初始位置可通过在每个阵元的初始相位值上叠加一相同的角度值θ_offset来实现改变。从而可以在超声照射过程中，连续变换θ_offset可以实现焦点声场绕焦点中心轴的旋转，从而达到更均匀加热焦点区域组织的目的。

以64阵元换能器说明本实施例设备的初始相位值生成过程：

1.计算出每个换能器阵元在以圆盘基座中心为原点的极坐标中的坐标值；

2.根据各个阵元的坐标值，将阵元划分为两个圆环区域I和II；

3.按照所划分的区域，对每个区域内的阵元的初始相位值幅值：在区域I中，M取值为M_I，该区域内阵元的初始相位幅值即为

在区域II中，M取值为M_II，该区域内阵元的初始相位幅值即为

4.在每个阵元的初始相位值上叠加θ_offset形成最终的初始相位值。其中，θ_offset＝2π*f_rot*t，t为时间，f_rot为焦点旋转的速度。

在偏转相位值的计算上，这一实例中采用的是与实施例1相同的方法。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备，其特征在于，包括：

初始相位值生成装置，用于计算获得多阵元相控换能器中各换能器阵元的初始相位值，初始相位值控制形成超声焦点的尺寸，该初始相位值生成装置通过设置一正整数M控制获得超声焦点的不同尺寸；

偏转相位值生成装置，用于采用伪逆矩阵算法或根据所述空间指定位置与各换能器阵元的空间几何关系计算获得各换能器阵元的偏转相位值，偏转相位值控制超声焦点所形成的位置；

相位叠加装置，用于将所述初始相位值和偏转相位值叠加获得各换能器阵元的最终相位信号；

超声焦点形成装置，用于根据所述最终相位信号控制换能器阵元产生超声，并在空间指定位置形成尺寸可控的超声焦点；

所述初始相位值生成装置包括：

相控换能器分区模块，用于对所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元根据阵元极坐标进行分组，形成多个阵元区域；

初始相位计算模块，用于根据分组结果计算每个阵元区域的初始相位值，并以计算获得的初始相位值作为该阵元区域中每个阵元的初始相位值；

所述相控换能器分区模块包括：

分区单元，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元划分为多个均匀的扇形区域；

此时，所述初始相位计算模块中，第m个扇形区域的初始相位值的计算公式为：

f_m=Φ_m*M

其中，Φ_m为第m个扇形区域的中心位置极坐标的角度值，f_m为该扇形区域的初始相位值。

2.一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备，其特征在于，包括：

初始相位值生成装置，用于计算获得多阵元相控换能器中各换能器阵元的初始相位值，初始相位值控制形成超声焦点的尺寸，该初始相位值生成装置通过设置一正整数M控制获得超声焦点的不同尺寸；

偏转相位值生成装置，用于采用伪逆矩阵算法或根据所述空间指定位置与各换能器阵元的空间几何关系计算获得各换能器阵元的偏转相位值，偏转相位值控制超声焦点所形成的位置；

相位叠加装置，用于将所述初始相位值和偏转相位值叠加获得各换能器阵元的最终相位信号；

超声焦点形成装置，用于根据所述最终相位信号控制换能器阵元产生超声，并在空间指定位置形成尺寸可控的超声焦点；

所述初始相位值生成装置包括：

相控换能器分区模块，用于对所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元根据阵元极坐标进行分组，形成多个阵元区域；

初始相位计算模块，用于根据分组结果计算每个阵元区域的初始相位值，并以计算获得的初始相位值作为该阵元区域中每个阵元的初始相位值；

所述相控换能器分区模块包括：

分区单元，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元先划分为多个环状区域，再进行扇形分割，形成多个分段圆环区域；

此时，所述初始相位计算模块中，第m个分段圆环区域的初始相位值的计算公式为：

f_m=Φ_m*M+ψ(R_m)

其中，Φ_m为第m个分段圆环区域的中心位置极坐标的角度值，f_m为该分段圆环区域的初始相位值，R_m为该分段圆环区域的中心位置到极坐标原点的距离，ψ(R_m)为各分段圆环区域之间的初始相位值差。

3.一种在空间指定位置上形成多种聚焦超声焦点的设备，其特征在于，包括：

初始相位值生成装置，用于计算获得多阵元相控换能器中各换能器阵元的初始相位值，初始相位值控制形成超声焦点的尺寸，该初始相位值生成装置通过设置一正整数M控制获得超声焦点的不同尺寸；

偏转相位值生成装置，用于采用伪逆矩阵算法或根据所述空间指定位置与各换能器阵元的空间几何关系计算获得各换能器阵元的偏转相位值，偏转相位值控制超声焦点所形成的位置；

相位叠加装置，用于将所述初始相位值和偏转相位值叠加获得各换能器阵元的最终相位信号；

超声焦点形成装置，用于根据所述最终相位信号控制换能器阵元产生超声，并在空间指定位置形成尺寸可控的超声焦点；

所述初始相位值生成装置包括：

相控换能器圆环分区模块，用于将所述多阵元相控换能器中的所有换能器阵元划分为多个圆环状区域；

初始相位计算模块，用于计算各圆环状区域内各换能器阵元的初始相位值，计算公式为：

f_n=Φ_n*M+ψ

其中，Φ_n为第n个换能器阵元的中心位置极坐标的角度值，f_n为该换能器阵元的初始相位幅值，M为该换能器阵元所在圆环状区域的、与形成的超声焦点尺寸成正比的正整数，ψ为各圆环状区域之间的初始相位值差；

旋转值叠加模块，用于在每个换能器阵元的初始相位幅值上叠加一随时间改变的旋转角度值θ_offset，形成最终的初始相位值。

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