CN111150424A - 一种成像与干预一体化的声共振系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种成像与干预一体化的声共振系统，其中扫频控制系统与主控计算机相关联，通过调控两组共焦超声束的频差，生成连续递增或递减的差频振动声对共焦区组织进行刺激；振动声信号采集分析显示系统，用于接收和分析所述回波信号，并形成共振频率和共振幅度；共振声图分析显示系统，用于形成目标区域的共振频率及共振幅度分布图；治疗计划单元用于明确目标靶点在目标区域的分布情况及共振频率；通过主控计算机将目标靶点的共振频率设定为消融频率，对目标靶点实施超声消融。该系统采用探测“共振频率和幅度”的方式来获得目标区域组织的共振峰频率和幅度分布图，准确反映目标区域的组织分布状态和待消融靶点位置，在目标靶点组织共振频率下给予治疗功率，提高聚焦超声干预的有效性和安全性。

Description

一种成像与干预一体化的声共振系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说，是一种成像与干预一体化的声共振成像系统。

背景技术

近年来，随着无创超声系统的发展，利用超声系统快速准确的对人体深部组织进行成像，进而找到疾病治疗的靶点并特异性治疗是目前主流的研究方向。

高强度聚集超声(HIFU)作为一种无创、有效、安全的治疗方式，在中晚期肝癌、肾上腺肿瘤等实体肿瘤的综合治疗中发挥着重要作用，能够显著改善患者的临床症状和长期预后。但传统HIFU仍然存在以下缺陷：1.无法实现一体化，需要超声影像等其它影像系统引导定位；2.部分患者病灶位置较深，超声影像定位因受各项因素干扰而导致定位成像效果欠佳，一方面可能导致病灶组织消融不全影响疗效，另一方面也可能导致过度消融造成正常组织损伤；3. 传统HIFU消融时功率较大，主要通过热效应发挥治疗作用，缺乏组织特异性，且因消融能量较大可能造成声传导路径损害及病灶周围重要组织血管损伤。因此仍需要探索一种成像与干预一体化、治疗更具选择性聚集超声消融方法。

本申请人课题组长期致力于差频聚焦超声的研究，探索了差频聚焦超声在人体深部组织成像及干预方面的作用，具体内容如下：采用不同频率但有共同焦点(同轴更好)的超声换能器同时发射超声，两组超声的频率(f1和f2) 有细微的差值(即差频⊿f＝f1-f2,⊿f约为主频的1％)，基于波动干涉原理在焦点会产生以差频⊿f工作的低频振动(或称为拍频)辐射力。基于该原理，本申请人已经申请专利：双频聚焦超声系统(CN102793980B)。共焦区组织在该振动辐射力作用下发生低频振动，并向四周发生辐射低频波。

申请人课题组继续研究，旨在设计一种能够更加准确反映靶点组织状态和位置，更加高效、安全的进行超声消融的成像与干预一体化的声共振系统。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种能够应用于人体内部组织，并根据组织共振特征进行成像，进而利用特定组织的共振属性实现组织特异性干预，包括消融、液化、声动力、理疗等作用的一种成像与干预一体化的声共振系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种成像与干预一体化的声共振系统，包括：超声信号发生器、差频聚焦超声换能器，其中：所述的超声信号发生器为双频超声信号发生器，用于发出两组不同的频率信号，所述的两组不同的频率信号经所述的差频聚焦超声换能器形成两组不同频率的共焦超声束，其特征在于：所述声共振系统还包括扫频控制系统、振动声信号采集分析显示系统、共振声图分析显示系统以及治疗计划单元，其中，所述扫频控制系统，通过调控两组所述共焦超声束的频差(⊿f)，生成连续递增或递减的差频振动声对共焦区组织进行刺激；所述振动声信号采集分析显示系统，用于接收和分析所述共焦区组织在所述差频振动声刺激下向周围发射的回波信号，并形成所述共焦区组织的共振频率和共振幅度；所述共振声图分析显示系统，用于接收和分析目标区域内连续的多个所述共焦区组织的共振频率和共振幅度，形成所述目标区域的共振频率及共振幅度分布图；所述治疗计划单元通过接收所述共振声图分析显示系统传入的所述目标区域内的共振频率和共振幅度分布图，并与预存的人体常见组织共振频率和共振幅度进行对比分析，明确目标靶点在所述目标区域的分布情况及共振频率；主控计算机，与所述治疗计划单元关联，将所述目标靶点的共振频率设定为消融频率，对所述目标靶点实施超声消融。

进一步地，所述振动声信号采集分析显示系统包括：振动声信号采集系统以及振动声信号分析显示系统，其中所述振动声信号采集系统用于接收所述共焦区组织生成的所述回波信号；所述振动声信号分析显示系统通过分析所接收的所述回波信号，获取所述共焦区组织的共振频率和共振幅度。

优选地，所述振动声信号分析显示系统包括振动声信号显示系统以及振动声信号分析系统，其中所述振动声信号显示系统将所述回波信号转换成数字化信号，并进行显示；所述振动声信号分析系统通过分析所述回波信号的声压幅值，获取所述共焦区组织的共振峰，并与所述扫频控制系统相关联，获取与所述共振峰相对应的共振频率。

优选地，所述振动声信号显示系统包括：前置放大器、滤波器以及数字显示器。

优选地，该系统进一步包括生理信号探测系统，用于接收所述差频振动声作用在所述共焦区组织而生成的生理信号而获得标测点，并监测消融前后靶组织对所述差频振动声刺激的反应性。所述的生理信号探测系统用于接收低频振动作用在探测面可兴奋组织的生理信号而获得标测点，并用于监测消融前后靶组织对振动声刺激的反应性，发现可兴奋组织靶、反应幅度、范围及分布，有利于确定可兴奋组织的干预计划，以确保消融的有效性和安全性。

优选地，所述治疗计划单元通过灰度图、三维直方图或伪彩图的图像形式，显示建议干预区域的治疗计划。

优选地，该系统进一步包括基础影响单元，所述基础影响单元包括超声影像探头及超声影像主机，所述超声影像探头安装在所述差频聚焦超声换能器上，在所述差频聚焦超声换能器工作时进行二维或三维多普勒血流成像。

优选地，该系统进一步包括叠加图像单元，对所述治疗计划单元输出的图像以及所述基础影响单元输出的多普勒血流成像进行叠加组合，用于消融时提供影像支持。所述显示控制系统根据治疗需要选择某特定组织进行共振干预时，所述的频率共振成像干预系统适度提升功率，并以靶组织的共振频率对感兴趣区组织进行逐点干预。

优选地，该系统进一步包括三维运动扫描系统，控制所述差频聚焦超声换能器相对所述目标区域进行三维任意面运动。

本发明优点在于：

1、本发明的一种成像与干预一体化的声共振系统，将高频聚焦超声在机体深部形成焦点，利用差频共焦超声干涉原理，在焦点产生低频振动声的机械应力形成“叩击”力，并通过扫频控制系统调节两组共焦超声束的频差(⊿f) 调节共焦区组织的机械应力频率大小，通过对特定频段的连续扫查，以探测组织的共振频率和共振幅度并进行成像，创建利用差频聚焦超声在机体深部组织“共振频率成像”定位方法，结合生理信号探测系统验证和监测，引导聚焦超声能量治疗和疗效验证系统方法，为机体深部组织的标测、调控和消融治疗等提供具有广阔应用前景。

2、在某一频段内，以不同差频的超声对某一共焦区组织进行刺激扫描，可观察到在特定共振频率下，共焦区组织振动幅度呈几何级数增加，并出现锐利的共振峰。在共焦区大小确定的情况下，共振频率与组织弹性模量、组织超声波吸收和散射特性相关，因此不同组织有其特异性的共振频率。该声共振系统采用的是探测“共振频率和幅度”的方式来获得目标区域组织的共振峰频率和幅度分布图，显著提高成像精确度，更加准确地反应了目标区域组织的弹性、机械、共振等多种物理属性，形成了一种以组织产生共振为特征的新的成像方法。

3、目标区域内消融靶组织在与其共振频率相同的差频振动声作用下将发生共振，与其它类型组织相比靶组织振动幅度显著增加，机械效应明显增强。因此，在靶组织共振频率下给予较低治疗功率能够特异性的干预靶组织，更大程度减少因机械效应和热效应对其它组织造成的损伤，进一步提高聚焦超声干预的有效性和安全性。

4、共振声系统通过主控计算机扫频控制系统控制超声信号发生器，调节两组共焦超声束的频差(⊿f)，来探测共焦区组织的共振频率。其中，标测源在体外进行，无需借助任何电极或导管进入体内就能实现良好的声耦合，可实现深部靶组织的无创治疗；通过共振频率成像可获得深度组织的解剖结构和组织分布信息。

5、共振声系统设有三维运动扫描系统，在进行共振频率和幅度探测时，控制聚焦超声换能器相对目标区域进行三维任意面运动，能够对待检测部位进行任意三维扫描，从而使得振动声信号采集分析系统获得更加全面的共振频率和幅度分布图，从而精准的获得探测面。在进行生理信号探测时，焦点不受解剖结构的限制，而可以在实体组织的任意点进行二维或三维的扫描，实现了标测和消融治疗时同一焦点。而传统的生理检测时，因无三维运动扫描系统，生理检测在血管内刺激将受到空间限制，如神经距离血管远一点就不能检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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。

附图1是本发明的各实施例成像与干预一体化的声共振系统的结构框图。

附图2为本发明各实施例的振动声信号分析显示系统结构框图。

附图3为本发明各实施例的生理信号标测系统的结构框图。

附图4为本发明的各实施例的共焦区的共振峰图。

附图5为本发明的各实施例的目标区域的共振频率和幅度分布图。

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.主控计算机 2.扫频控制系统

3.超声信号发生器 4.三维运动系统

5.差频聚焦超声换能器 6.脱气水循环系统

7.振动声信号采集系统 8.振动声信号分析显示系统

81.振动声信号显示系统 811.前置放大器

812.滤波器 813.数字示波器

82.振动声信号分析系统

9.共振声图分析显示系统 10.治疗计划单元

11.基础影像单元 12.图像叠加单元

13.生理信号探测系统 131.多道生理记录仪

132.辅助判别系统 14.肾动脉血管所在区域

15.动脉肾神经节所在区域 16.脂肪所在区域

17.神经节共振峰区 18.脂肪组织共振峰区

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1成像与干预一体化的声共振系统指导消融主动脉肾神经节治疗顽固性高血压

为了更加清楚的描述技术方案，以下方案中对“目标靶点”以及“目标区域”进行了定义，目标区域：包含有“目标靶点”的特定机体组织，如：在顽固性高血压治疗中，目标区域指的是包含有主动脉肾神经节的肾动脉周围组织，目标靶点指的是主动脉肾神经节。

请参照图1和图2，图1是本发明的成像与干预一体化的声共振系统的结构框图。

如图1所示，成像与干预一体化的声共振系统中，声共振成像系统包括：主控计算机1、扫频控制系统2、超声信号发生器3、三维运动扫描系统4、差频聚焦超声换能器5、脱气水循环系统6、振动声信号采集系统7、振动声信号分析显示系统8、共振声图分析显示系统9、治疗计划单元10、基础影像单元 11、图像叠加单元12和生理信号探测系统13。

本实施例中的超声信号发生器3为双频超声信号发生器，包括使用性能一致的双通道超声信号发生及放大电路，该电路可采用多种脉冲重复频率和短脉冲发射模式，在小功率和功率工作模式下具备稳定的功率输出，可选择同频和精准的差频工作模式，具备精准到相位控制的差频精准度。

超声信号发生器3在本实施例中用于发出两组不同的频率信号，经差频聚焦超声换能器5形成两组不同频率的共焦超声束，并在共焦区域产生干涉效应而产生低频振动声(Ultrasound stimulated acoustic emission，USAE)，为共焦区生物组织提供低频的振动辐射力，使共聚焦区组织在振动辐射力作用下沿入射波声轴来回振动。

本实施例中的差频聚焦超声换能器5与超声信号发生器3相连，差频聚焦超声换能器5是采用球面几何聚焦或者相控阵电子声孔聚焦，适应大动物和人类标测和治疗需要的几何尺寸以及功率需求。同时使得差频聚焦超声换能器5 具备稳定的功率发射范围，具有足够焦距和适度的开角。差频聚焦超声换能器 5可采用对称双频模式，具有较高的电转换效率和稳定的使用寿命。作为一种优选，差频聚焦超声换能器5也可采用瓜瓣式或多阵元式。

本实施例中的扫频控制系统2一端与主控计算机1相连，另一端与超声信号发生器3相连，扫频控制系统2通过主动调控超声信号发生器3发出两组不同超声波的频差，且两组超声所形成的差频经差频聚焦超声换能器5在共焦区产生在不同程度的差频振动声的作用下而发生不同程度的低频振动回波信号。进一步地，扫频控制系统2通过调控两组共焦超声束的频差(⊿f)调节振动声的频率，产生快速短脉冲不同频差的差频振动声。

进一步地，扫频控制系统2通过对差频的调节范围、频差步进等参数进行调节控制，快速获取不同频率的刺激声信号，并覆盖靶组织的至少一个共振峰，以实现在差频调节范围内采用连续递增或递减的差频振动声对共焦区组织进行刺激。

具体而言，为了在共焦区产生不同频差的低频振动，首先在一定的频段范围内通过扫频控制系统2以一定的频差步进从低到高向超声信号发生器3发出指令，生成具有不同频率差的超声信号，并将所述超声信号传递至差频聚焦超声换能器5，并由差频聚焦超声换能器5(可包括：第一、第二……第N换能器组)生成两组具有不同频差值的差频聚焦超声。可选择的，扫频控制系统2 以一定的频差步进从高到低向超声信号发生器3发出指令。

本实施例中的振动声信号采集系统7用于获取低频振动组织发射的回波信号；所述的振动声信号分析显示系统8通过分析所接收的回波信号，获取共焦区组织的共振频率和共振幅度；所述的共振声图分析显示系统9通过接收振动信号分析显示系统8输入的连续多个共焦区共振频率和幅度，形成目标区域的共振频率和幅度分布图；所述的治疗计划单元10通过将目标区域共振频率和幅度分布图与主控计算机预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比，获取目标靶点；所述的生理探测系统13通过接收低频振动作用在探测面可兴奋组织的生理信号，而获得标测点，并监测消融前后目标靶点组织对振动声刺激的反应性。

本实施例中的振动声信号采集分析显示系统，用于接收和分析共焦区组织在差频振动声刺激下向周围发射的回波信号，并获取该共焦区组织的共振频率和共振幅度。

具体而言，本实施例中的振动声信号采集分析显示系统包括：振动声信号采集系统7以及振动声信号分析显示系统8。其中，振动声信号采集系统7用于接收共焦区组织的回波信号，并将该回波信号传递至振动声信号分析显示系统8进行处理。振动声信号分析显示系统8包括振动声信号显示系统81和振动声信号分析系统82，振动声信号显示系统81包括前置放大器811、滤波器 812、数字示波器813。振动声信号采集系统7可设置于机体周围，可以是水听器，可采用水槽信号和身体信号两种接收模式，水槽为减少表面反射的影响，在水面铺设柔性吸声橡胶。

在本实施例中，振动声信号采集系统7用于接收共焦区在不同频差的差频聚焦超声刺激后生成的回波信号，并在振动信号显示系统81内转换为数字化的回波信号。具体而言，振动声信号采集系统7所接收的回波信号传递至振动声信号显示系统81内的前置放大器811进行放大，回波信号进一步传递至振动声信号显示系统81内的滤波器812单元，滤波器812采取低通/高通或其他方式过滤所述回波信号中的杂波信号，最后将回波信号传递至振动声信号显示系统81内的数字示波器813上进行成像显示,如图4所示。通过振动声信号分析系统82与主控计算机相关联，获取各共焦区的共振频率和共振幅度。参照图4，为本实施例共焦区的共振峰图，示出了USAE声压幅度随差频变化的关系，其中，区域17为神经节共振峰区，区域18为脂肪组织共振峰区，所对应的频率为各自的共振峰频率。

本实施例的共振声图分析显示系统9通过采集分析振动声信号分析系统 82传输的体内目标区域连续多个共焦区的共振频率，获得目标区域的共振频率和幅度分布图。

所述的声共振系统根据扫频控制系统及超声信号发生器相互配合所产生的不同频率的低频振动而产生的不同程度应力作为标测源，并以该标测源对共焦区组织进行连续“叩击”，共焦区组织在不同程度的应力频率作用下发生来回振动，并向周围发射相应低频回波信号，通过振动声信号采集系统接收该回波信号、获得该共焦区的共振频率和共振幅度。在共焦区大小确定情况下，共振频率与组织弹性模量、组织超声波吸收和散射特性相关，因此不同组织有其特异性的共振频率。对目标区域通过上述方式进行连续多点探测，可获得目标区域内各共焦区各自的共振频率，最终通过共振声图分析显示系统9分析成像，可获得目标区域的组织特异性共振频率和幅度分布图，参考图5。该分布图反应了目标区域组织的弹性、机械、共振等多种物理属性，形成了一种以组织产生共振为特征的新的成像方法。

本实施例中设有三维运动扫描系统4，该三维运动扫描系统4包含有运动控制器；运动控制器中包含有数字处理芯片(DSP)，该数字处理芯片与主控计算机1相匹配，并接收主控计算机1的指令，控制聚焦超声换能器相对目标区域进行三维任意面运动，同时供带有靶点的目标区域的任意面进行扫描。

差频聚焦超声换能器5工作时大功率下工作的，容易发热，且水在高温时会出现气泡，对超声影像。因此，本实施例中还设有脱气水循环系统6，一是对差频聚焦超声换能器5进行冷却，另外一个作用是排除气泡。

治疗计划单元10通过接收共振声图分析显示系统9传入的目标区域的共振频率和幅度分布图，并与治疗计划单元10内预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比，该分布图显示了目标区域的解剖结构和组织分布状态，并通过灰度图、三维直方图、伪彩色图等形式显示，直观显示建议干预点或干预区域的治疗计划。

基础影像单元11包括超声影像探头及超声影像主机，进一步地，基础影像单元11包括超声影像探头、磁共振线圈及核医学探测器及成像显示单元；该超声影像探头安装在差频聚焦超声换能器5上，并可灵活转向，在差频超声工作时能够进行二维、三维多普勒血流成像；形成超声、磁共振或放射核素成像作为系统的基础图像。

叠加图像单元12对治疗计划单元10输出的灰度图、三维直方图、伪彩色图以及基础影像单元11输出的多普勒血流成像进行叠加组合，用于消融时提供影像支持，寻找治疗靶点及扫描平面，并利用其虚拟的焦点通过治疗单元的三维运动来设置治疗能量的投送位点。

在共焦区大小确定情况下，共振频率与组织弹性模量、组织超声波吸收和散射特性相关，因此不同组织有其特异性的共振频率。系统通过接收不同频差的差频振动声对目标区域进行平面或立体连续扫描之后获得的共振频率和共振幅度，并与系统内预设的人体常见组织共振频率和幅度进行比较，可以明确目标区域的组织分布状态，并以灰度、直方图、伪彩色等方式进行二维或三维显示不同的组织构成及组织功能状态，最终直观呈现需要干预的目标靶点，本实施例中为主动脉肾神经节，并将该信息图叠加于目标区域的二维、三维多普勒血流图像上，用于干预时提供影像支持，并利用其虚拟的焦点通过治疗单元的三维运动来设置治疗能量的投送位点。

本实施例中还包括生理信号探测系统13，图3为生理信号探测系统13的结构框图。本实施例中设有振动声生理信号记录分析系统，该生理信号探测系统13包括多通道生理记录仪131；该多通道生理记录仪131配置有多种传感器，能实时采集多项生理参数，可用于有创或无创多种生理信号获取，能实时采集多项生理参数。具体而言，该多通道生理记录仪131配置有多种传感器，能实时采集多项生理参数，具备有创或无创血压记录、呼吸运动记录、标准心电图记录、肢体肌电图记录、体位移动传感器、体表电阻传感器、计算机生理信号分析系统、生理信号变化动态分析等功能。

本实施例中生理信号探测系统13还设有振动声生理信号辅助判别系统132；该振动声生理信号辅助判别系统132用于辅助判断目标神经节的阳性标测点及其分布状态。

本实施例中的主控计算机1接收来自基础影像单元11的图像，以及叠加有共振频率分布图和整合有虚拟焦点的主控影像，以发送探测信号或治疗所需的差频聚焦换能器工作信号；主控计算机1向三维运动扫描系统4发送三维运动或扫描运动信号，同时也通过扫频控制系统2和超声信号发生器3向差频聚焦超声换能器5发送不同频差的差频探测信号或治疗同频信号，控制超声换能器工作；主控计算机1还同时自动控制脱气水循环系统6以及振动声信号分析显示系统7和生理探测系统13的启动、记录和分析工作。

成像与干预一体化的声共振系统通过获取目标区域内各共焦区的共振频率和幅度构建共振频率和幅度分布图，并与系统预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比，准确反应目标区域的组织分布状态和消融靶点准确位置。

本实施例的成像与干预一体化的声共振系统通过获取目标区域内各共焦区的共振频率和幅度构建共振频率和幅度分布图，并与系统预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比，准确反应目标区域的组织分布状态和消融靶点位置，即主动脉肾神经节的准确位置。

此外，在该实施例中由于主动脉肾神经节为可兴奋组织，可通过生理信号探测系统13对消融靶点位置进行生理标测验证和监测消融前后消融靶点组织对差频振动声刺激的反应性。进而可以实现，通过共振频率和幅度分布图确定主动脉肾在目标区域的准确位置，再用生理刺激对主动脉肾神经节位置进行再次验证和消融监测。

该成像与干预一体化声共振系统根据双频超声换能器产生的低频振动而产生的应力作为标测源，并通过扫频控制系统调控两组共焦超声束的频差调节标测源应力的频率，以不同的频率对共焦区组织进行“叩击”。其中，标测源在体外进行的，无需借助任何电极或导管进入体内就能实现良好的声耦合，可实现深部靶组织的无创治疗。

另一方面，如果在超声诊断或者在超声治疗过程中，如果没有很好的控制共振，可能会引起不必要的组织损伤，对病人造成伤害。在这种情况下，本实施例中成像与干预一体化声共振系统，通过双频聚焦超声共振成像系统找到主动脉肾神经节的准确位置的同时，找到主动脉肾神经节的共振频率，在干预治疗时，选用主动脉肾神经节的共振频率，在本实施例中为44kHz的共振频率，并选用较低的治疗功率来对该主动脉肾神经节进行消融。在消融过程中，仅在主动脉肾神经节区域产生很强烈的机械效应、空化效应以及热效应，对主动脉肾神经节产生显著的损伤，进一步减少了对周围组织的非特异性损伤。通过物理参数的调整，达成组织特异性的诊断和治疗，从而减少副作用，提高治疗的疗效。

目标区域内消融靶点组织在与其共振频率相同的差频振动声作用下将发生共振，与周围其它类型组织相比靶组织振动幅度显著增加，机械效应明显增强。因此，在共振频率下给予较低的治疗功率即可特异性的消融靶组织，更大程度减少因机械效应和热效应对其它组织造成的损伤，进一步提高聚焦超声消融治疗的有效性和安全性。例如，在治疗顽固性高血压时，以神经节组织的共振频率和治疗功率可实现对主动脉肾神经节的特异性消融，进一步减少聚焦超声对处于非共振状态下的周围脂肪和血管组织的损伤。

在共焦区大小确定情况下，共振频率与组织弹性模量、组织超声波吸收和散射特性相关，因此不同组织有其特异性的共振频率和共振幅度。对目标区域连续多个共焦区的共振频率和幅度进行接收、分析和成像而获得目标区域的共振频率和幅度分布图，后与系统预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比即可反应目标区域的组织分布状态；其中，共振频率和幅度分布图根据每一共焦区的共振频率和幅度大小用灰阶或伪彩色等方式进行二维或三维的显示来呈现。通过大量获取主动脉肾神经节的共振频率和幅度信号后以伪彩色直观显示建议消融的治疗计划。

例如，在治疗顽固性高血压时，通过共振频率和幅度分布图可显示主动脉肾神经节在脂肪(肾周脂肪囊)背景中的分布状态。参考图5所示出的，不同颜色的区域代表不同的共振频率，在图5中目标区域包括共振频率约为42kHz 赫兹的区域，该区域为肾动脉血管所在区域14，共振频率约为44kHz的区域，该区域为主动脉肾神经节所在区域15，以及共振频率约为45kHz的区域，该区域为脂肪所在区域16。

所述的生理信号探测系统13用于接收低频振动作用在探测面可兴奋组织的生理信号而获得标测点，并用于监测消融前后靶组织对振动声刺激的反应性，其中，生理信号探测系统13的具体原理如下：活体可兴奋组织对某些刺激可产生反应，通过给与刺激到可兴奋组织，记录观察生物组织是否出现特定的反应来评价给与刺激的部位是否是在正确的点及该点是否消融彻底。例如，当治疗顽固性高血压时，系统释放适度的声能作用于主动脉肾神经节时，将出现交感神经兴奋的表现，出现血压升高、心率加快、心率变异性减小、呼吸改变、肌张力升高、皮肤血管收缩、出汗、肌电兴奋增加等表现。通过有创压力传感器获得血压变化反应；心电记录仪记录心率并可分析心率变异性；运动传感器获取呼吸运动和肌肉运动信息；皮肤温度和阻抗传感器可获得血管收缩和出汗等信息；肌电传感器可记录肌电信息等，生理信息具有较大的可扩展性。可对感兴趣区进行二维或三维的逐点探测时可发现某些点有反应一个或多个指标出现反应，表明刺激点准确刺激到了主动脉肾神经节，反之则不在神经节分布的位置。此外，在刺激阳性点进行聚焦超声消融后，对该点再次进行刺激，如无反应性则表明该点主动脉肾神经节组织已失消融彻底，反之则提示消融不全。

本实施例中振动声信号采集系统7为水听器，水听器上设有水槽，水槽的水面上铺设有吸声橡胶，便于减少表面反射的影响。

本实施例中生理信号探测系统13进一步包括振动声生理信号辅助判别系统132，主要是为了进一步精确主动脉肾神经节的位置，减少其它因素的干扰。

本实施例中的脱气水循环系统6设有脱气膜；该脱气膜采用装填有疏水性的聚丙烯中空纤维膜。采用脱气膜进行脱气的方案，脱气膜采用装填有疏水性的聚丙烯中空纤维膜，具有装填密度大，接触面积大，布水均匀的特点。液相和气相在膜的表面相互接触，由于膜是疏水性的，水不能透过膜，气体却能够很容易地透过膜。通过浓度差进行气体迁移从而达到脱气的目的。采用疏水性中空纤维脱气膜，脱气速度大于20L/h。脱氧率小于3ppm。

本实施例中的三维运动扫描系统4，在进行物理探测时，控制聚焦超声换能器相对目标区域进行三维任意面运动，能够对待检测部位进行任意三维扫描，从而使得振动声采集分析系统获得更加全面的共振频率和幅度分布图，从而精准的获得探测面。在进行生理信号探测时，焦点不受解剖结构的限制，而可以在实体组织的任意点进行二维或三维的扫描，实现了标测和消融治疗时同一焦点。而传统的生理检测时，因无三维运动扫描系统4，生理检测在血管内刺激将受到空间限制，如神经距离血管远一点就不能检测。

本实施例中的差频聚焦超声换能器5的聚焦模式为瓜瓣结构或者环形陈列结构或者偶数陈元结构。瓜瓣结构对凹球面陶瓷分割成8个尺寸相同的阵元，奇数阵元和偶数阵元分别并联。环形阵列对凹球面陶瓷在轴向进行分割，切成面积相同的2个阵元。多阵元结构是在一个凹球面的骨架上均匀分布上数百个小直径阵元通过几何距离或计算机电子声孔控制，以达成聚焦的目标。

实施例2成像与干预一体化的声共振系统指导治疗原发性肝癌

原发性肝癌居恶性肿瘤死亡率第二位，占全部恶性肿瘤的18％。原发性肝癌起病隐匿，进展迅速，恶性程度很高，一旦发现多失去手术机会，而放疗及化疗效果不理想。HIFU作为一种无创、有效、安全的治疗方式，在中晚期肝癌患者的综合治疗中发挥着重要作用，能将其1年生存率提升到50％左右。但一方面由于部分肝癌病灶位置较深，依赖超声影像引导存在定位欠精、周围毗邻组织损伤的问题；另一方面由于聚焦超声消融能量较大，热效应明显，也可导致周围正常肝脏组织和重要血管损伤。因此仍需要一种成像效果更佳、治疗更具选择性的肝癌消融方法。

为了更加清楚的描述技术方案，以下方案中对“目标靶点”以及“目标区域”进行了定义，目标区域：包含有所述“目标靶点”的特定机体组织，如：在原发性肝癌治疗中，目标区域指的是包含有完整肝癌组织的肝组织，目标靶点指的是肝癌组织。

在本申请实施例中，为了在机体内部的目标区域产生连续递增或递减的不同频差的低频振动，首先在一定的频段范围内通过扫频控制系统2以一定的频差步进从低到高向超声信号发生器3发出指令，生成具有不同频差的超声信号，并将所述超声信号传递至差频聚焦超声换能器5，并由差频聚焦超声换能器5 (可包括：第一、第二……第N换能器组)生成两组具有不同频差值的差频聚焦超声。

在扫频控制系统2调节下差频聚焦超声换能器5发出不同频差的聚焦声束，作用于目标区域的共焦区后，因差频振动声的辐射力频率不同，将产生不同的回波信号；该回波信号被振动声信号采集系统7接收，并在振动声信号显示系统81内分别经过前置放大器811放大、滤波器812过滤后，最终将回波信号转化为数字化的回波信号，并在数字示波器813上进行显示，并通过振动声信号分析系统82与主控计算机1相关联，获取各共焦区的共振频率和共振幅度。进一步地，振动声信号采集系统7为水听器，可采用水槽信号和身体信号两种接收模式。

本实施例的振动声信号分析系统82将分析得到的目标区域内连续各共焦区共振频率和幅度传送至共振声图分析显示系统9，并进行转换运算，获得目标区域的共振频率和幅度分布图；将目标区域共振频率和幅度分布图与治疗计划单元10内预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比，以明确目标区域内各种解剖组织分布状态，并以灰度、直方图、伪彩色等方式进行二维或三维进行显示，最终直观呈现需要治疗的目标靶点，本实施例中为原发性肝癌组织。

图像叠加单元12对治疗计划单元10输出的灰度图、三维直方图、伪彩色图以及超声影像单元11输出的多普勒血流成像进行叠加组合，用于进一步生理标测时提供影像支持，寻找标测靶点及扫查平面。

完成对目标区域的共振频率和幅度分布图成像，明确目标靶点，即肝癌组织在目标区域的分布情况及共振频率后，操作人员选取适合消融的靶点，通过主控计算机1发出消融指令，该消融指令可以以肝癌组织共振频率及特定治疗功率进行消融，指令传递至超声信号发生器3，生成两束或多束具有相同频率的聚焦超声声束，并根据基础影像单元11和图像叠加单元12生成的合成图像，对目标靶点实施超声消融。

实施例3成像与干预一体化的声共振系统指导缺血性脑卒中的再灌注治疗急性血栓形成或血栓栓塞是缺血性脑卒中的主要病因，而早期再灌注治疗是缺血性脑卒中成功治疗的关键。目前缺血性脑卒中的再灌注治疗方式主要包括静脉溶栓和脑血管介入治疗。一方面由于部分脑卒中患者出血风险较高，存在明确的溶栓禁忌；另一方面由于脑血管介入治疗手术难度大，目前在全国多数医院尚未广泛开展。因此目前仍迫切需要寻求一种安全、有效、简便的缺血性脑卒中的再灌注治疗方法。

为了更加清楚的描述技术方案，以下方案中对“目标靶点”以及“目标区域”进行了定义，目标区域：包含有所述“目标靶点”的特定机体组织，如：在缺血性脑卒中的再灌注治疗中，目标区域指的是包含有病变血管及血栓的脑组织，目标靶点指的是血栓。

在本申请实施例中，为了在机体内部的目标区域产生连续递增或递减的不同频差的低频振动，首先在一定的频段范围内通过扫频控制系统2以一定的频差步进从低到高向超声信号发生器3发出指令，生成具有不同频差的超声信号，并将所述超声信号传递至差频聚焦超声换能器5，并由差频聚焦超声换能器5 (可包括：第一、第二……第N换能器组)生成两组具有不同频差值的差频聚焦超声。

在扫频控制系统2调节下差频聚焦超声换能器5发出不同频差的聚焦声束，作用于目标区域的共焦区后，因差频振动声的辐射力频率不同，将产生不同的回波信号；该回波信号被振动声信号采集系统7接收，并在振动声信号显示系统81内分别经过前置放大器811放大、滤波器812过滤后，最终将回波信号转化为数字化的回波信号，并在数字示波器813上进行显示，并通过振动声信号分析系统82与主控计算机1相关联，获取各共焦区的共振频率和共振幅度。进一步地，振动声信号采集系统7为水听器，可采用水槽信号和身体信号两种接收模式。

本实施例的振动声信号分析系统82将分析得到的目标区域内连续各共焦区共振频率和幅度传送至共振声图分析显示系统9，并进行转换运算，获得目标区域的共振频率和幅度分布图；将目标区域共振频率和幅度分布图与治疗计划单元10内预存的人体常见组织共振频率和幅度进行对比，以明确目标区域内各种解剖组织分布状态，并以灰度、直方图、伪彩色等方式进行二维或三维进行显示，最终直观呈现需要治疗的目标靶点，本实施例中为血栓组织。

图像叠加单元12对治疗计划单元10输出的灰度图、三维直方图、伪彩色图以及超声影像单元11输出的多普勒血流成像进行叠加组合，用于进一步指导超声溶栓治疗。

完成对目标区域的共振频率和幅度分布图成像，明确目标靶点，即血栓组织在目标区域的分布情况及共振频率后，操作人员选取适合消融的靶点，通过主控计算机1发出消融指令，该消融指令可以以血栓组织共振频率及特定治疗功率进行溶栓，指令传递至超声信号发生器3，生成两束或多束具有相同频率的聚焦超声声束，并根据基础影像单元11和图像叠加单元12生成的合成图像，对目标靶点实施超声溶栓。

本发明的成像与干预一体化的声共振系统，将高频聚焦超声在机体深部形成焦点，利用差频共焦超声干涉原理，在焦点产生低频振动声的机械应力形成“叩击”力，并通过扫频控制系统调节两束共焦超声束的频差(⊿f)调节共聚焦区组织的机械应力的频率大小，以探测组织的共振频率和幅度并进行成像，创建利用差频聚焦超声在机体深部组织“共振频率成像”定位方法，结合生理探测系统监测，引导聚焦超声能量治疗和疗效验证系统方法，为机体深部组织的标测、调控和消融治疗等提供具有广阔应用前景。声共振系统采用的是探测“共振频率和幅度”的方式来获得目标区域组织的共振峰频率和幅度分布图。该分布图反应了目标区域组织的弹性、机械、共振等多种物理属性，形成了一种以组织产生共振为特征的新的成像方法。目标区域内消融目标靶点组织在与其共振频率相同的差频振动声作用下将发生共振，与其它类型组织相比靶组织振动幅度显著增加，机械效应明显增强。因此，在目标靶点组织共振频率下给予较低治疗功率能够特异性的干预目标靶点组织，更大程度减少因机械效应和热效应对其它组织造成的损伤，进一步提高聚焦超声干预的有效性和安全性。共振声系统通过主控计算机扫频控制系统控制超声信号发生器，调节两组共焦超声束的频差(⊿f)，来探测共焦区组织的共振频率。其中，标测源在体外进行，无需借助任何电极或导管进入体内就能实现良好的声耦合，可实现深部靶组织的无创治疗；通过共振频率成像可获得深度组织的解剖结构和组织分布信息。共振声系统设有三维运动扫描系统，在进行共振频率和幅度探测时，控制聚焦超声换能器相对目标区域进行三维任意面运动，能够对待检测部位进行任意三维扫描，从而使得振动声信号采集分析系统获得更加全面的共振频率和幅度分布图，从而精准的获得探测面。在进行生理信号探测时，焦点不受解剖结构的限制，而可以在实体组织的任意点进行二维或三维的扫描，实现了标测和消融治疗时同一焦点。而传统的生理检测时，因无三维运动扫描系统，生理检测在血管内刺激将受到空间限制，如神经距离血管远一点就不能检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种成像与干预一体化的声共振系统，包括：双频超声信号发生器(3)，用于发出两组不同的频率信号，所述的两组不同的频率信号经差频聚焦超声换能器(5)形成两组不同频率的共焦超声束，其特征在于：所述的声共振系统还包括：

扫频控制系统(2)，通过调控两组所述共焦超声束的频差(⊿f)，生成连续递增或递减的差频振动声对共焦区组织进行刺激；

振动声信号采集分析显示系统，用于接收和分析所述共焦区组织在所述差频振动声刺激下向周围发射的回波信号，并获取所述共焦区组织的共振频率和共振幅度；

共振声图分析显示系统(9)，用于接收和分析目标区域内连续的多个所述共焦区组织的共振频率和共振幅度，形成所述目标区域的共振频率及共振幅度分布图；

治疗计划单元(10)，通过接收所述共振声图分析显示系统(9)传入的所述目标区域内的共振频率和共振幅度分布图，并与预存的人体常见组织共振频率和共振幅度进行对比分析，明确目标靶点在所述目标区域的分布情况及共振频率；

以及主控计算机(1)，与所述治疗计划单元(10)关联，将所述目标靶点的共振频率设定为消融频率，对所述目标靶点实施超声消融。

2.根据权利要求1所述的声共振系统，其特征在于，所述的振动声信号采集分析显示系统包括：振动声信号采集系统(7)以及振动声信号分析显示系统(8)，其中所述振动声信号采集系统(7)用于接收所述共焦区组织生成的所述回波信号；所述振动声信号分析显示系统(8)通过分析所接收的所述回波信号，获取所述共焦区组织的共振频率和共振幅度。

3.根据权利要求2所述的声共振系统，其特征在于，所述振动声信号分析显示系统(8)包括振动声信号显示系统(81)以及振动声信号分析系统(82)，其中所述振动声信号显示系统(81)将所述回波信号转换成数字化信号，并进行显示；所述振动声信号分析系统(82)通过分析所述回波信号的声压幅值，获取所述共焦区组织的共振峰，并与所述扫频控制系统(2)相关联，获取与所述共振峰相对应的共振频率。

4.根据权利要求3所述的声共振系统，其特征在于，所述振动声信号显示系统(81)包括：前置放大器(811)、滤波器(812)以及数字显示器(813)。

5.根据权利要求1所述的共振成像系统，其特征在于，还包括生理信号探测系统(13)，用于接收所述差频振动声作用在所述共焦区组织而生成的生理信号而获得标测点，并监测消融前后目标靶点组织对所述差频振动声刺激的反应性。

6.根据权利要求1所述的声共振系统，其特征在于，所述治疗计划单元(10)通过灰度图、三维直方图或伪彩图的图像形式，显示建议干预区域的治疗计划。

7.根据权利要求6所述的声共振系统，其特征在于，还包括基础影响单元(11)，所述基础影响单元(11)包括超声影像探头及超声影像主机，所述超声影像探头安装在所述差频聚焦超声换能器(5)上，在所述差频聚焦超声换能器(5)工作时进行二维或三维多普勒血流成像。

8.根据权利要求7所述的声共振系统，其特征在于，还包括叠加图像单元(12)，对所述治疗计划单元(10)输出的图像以及所述基础影响单元(11)输出的多普勒血流成像进行叠加组合，用于消融时提供影像支持。

9.根据权利要求1或8所述的声共振系统，其特征在于，还包括三维运动扫描系统(4)，控制所述差频聚焦超声换能器(5)相对所述目标区域进行三维任意面运动。

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