CN111494817A - 一种hifu设备大焦域形成系统及其焦域形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HIFU设备大焦域形成系统及其焦域形成方法，所述系统包括：显示模块，显示待治疗区域，并根据所述待治疗区域的形状建立聚焦区域模型；路径规划模块，规划聚焦区域的扫查过程，进行分区聚焦，形成聚焦路径；聚焦计算模块，计算每一次聚焦过程中，多元平面阵列换能器的每一个阵元的延时和到达聚焦区域的声强，控制所述多元平面阵列换能器阵元的发射和切换；参数配置模块，配置聚焦过程所需的参数，传输到每一个多元平面阵列换能器阵元；监控模块，实时监控聚焦过程；测温模块，测量所述聚焦区域的温度；结果处理模块，在扫查结束后，将扫查结果进行处理和反馈，反馈到路径规划模块，和显示模块一起确定下一次的聚焦区域。本发明能够调控超大焦域的大小和形态，计算快速，能提升待治疗目标区的治疗效率。

Description

一种HIFU设备大焦域形成系统及其焦域形成方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种HIFU设备大焦域形成系统及其焦域形成方法。

背景技术

高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound，HIFU)利用超声波具有的组织穿透性和能量沉积性，将体外发生的超声波聚焦到生物体内病变组织(治疗靶点，如肿瘤组织)，通过超声的机械效应、热效应和空化效应，使肿瘤区域达到温度大于65摄氏度，进行肿瘤组织热消融治疗，使焦域处肿瘤靶组织发生凝固性坏死，而周围组织极少或不受损伤，达到无创切除肿瘤的目的。

HIFU系统主要包括换能器、控制部分、监控显示部分等等，通过控制部分来控制换能器的发射，并实时显示图像或者监控温升。

焦域是指HIFU换能器的聚焦声场形成的区域，该焦域的大小、形状最好是可控的，面对不同病灶可以自适应进行调整。对于较大范围病灶的HIFU消融，需要较大的焦域才能完整地覆盖整个病灶区域，缩短治疗时间。通常形成大焦域做法是通过多焦点声场分布合成大焦域，但现有专利使用的是伪逆算法，算法复杂，用时较长，再加上换能器的限制，导致多个焦点不能同时形成，最终不能实时形成大焦域。

球面相控阵换能器是将阵元排布在以球冠体中心为原点的若干层同心环上，该换能器有一个自然焦点，也可以通过控制每一个阵元的相位和幅度实现多个焦点聚焦，平面相控阵换能器是将阵元在平面上排布，依靠控制每一个阵元的相位和幅度实现聚焦。相比而言，球面相控阵换能器能偏转的角度小于平面相控阵换能器，所以平面相控阵换能器能形成的焦域会比较大。

然而，现有技术中存在以下技术问题：

1、因为要扩大HIFU的治疗区，需要“大焦域”，而现有的专利利用球面换能器形成的焦域本身会比平面阵的小，为一个有限的“聚焦区”，现有专利所提及的焦域最大为直径30mm。

2、现有专利所述的“大焦域”是根据靶组织的大小和形态来设定热场形态形成多个焦斑区，通过一次形成多个焦点，根据伪逆算法计算声场分布，通过多个焦点合成“大焦域”的声场模式，但其焦点形成方法为使用伪逆算法进行计算，该算法复杂且计算速度慢，不能达到实时形成大焦域。

3、现有的HIFU设备系统并没有涉及到大焦域的形成。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明第一方面的目的在于提供一种能形成大焦域的HIFU设备系统，能够调控“超大焦域”的大小和形态，计算快速，能提升待治疗目标区的治疗效率。

本发明第二方面的目的在于提供一种相控阵HIFU技术的超大焦域实时形成方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种HIFU设备大焦域形成系统，包括：

显示模块，用于显示待治疗区域，并根据所述待治疗区域的形状建立聚焦区域模型；

路径规划模块，用于规划聚焦区域的扫查过程，进行分区聚焦，形成聚焦路径；

聚焦计算模块，用于计算每一次聚焦过程中，多元平面阵列换能器的每一个阵元的延时和到达聚焦区域的声强，控制所述多元平面阵列换能器阵元的发射和切换；

参数配置模块，用于配置聚焦过程所需的参数，传输到每一个多元平面阵列换能器阵元；

监控模块，用于实时监控聚焦过程；

测温模块，用于测量所述聚焦区域的温度；

结果处理模块，用于在扫查结束后，将扫查结果进行处理和反馈，反馈到路径规划模块，和显示模块一起确定下一次的聚焦区域。

进一步地，所述显示模块包括B超显示模块和/或MRI显示模块。

进一步地，所述参数包括：换能器的参数、聚焦位置、聚焦时间、发射次数。

进一步地，所述换能器的参数包括发射阵元数、相位和幅值。

根据本发明的第二方面，提供了一种HIFU设备大焦域形成方法，包括：

准备多元平面阵列换能器；

根据待治疗区域的B超影像或者MRI图像确定目标的形状和大小，形成待治疗区域；

根据所述待治疗区域形成聚焦区域、规划区域；

根据所述规划区域，使用所述多元平面阵列换能器对所述待治疗区域进行聚焦扫查，根据每个聚焦区域焦点位置和阵元位置来计算每一个阵元的发射延时；

利用Rayleigh-Sommerfeld积分公式计算阵元发射高强度聚焦超声后，声场中每一点的声强，该计算结果用于操作人确定治疗声强；

使用所述多元平面阵列换能器对所述待治疗区域进行区域扫查，在形成多个焦点的过程中以一定的短周期进行切换；

完成所有区域的扫查。

进一步地，所述多元平面阵列换能器由至少1024个矩形平面阵元组成二维阵列结构。

进一步地，所述根据待治疗区域形成聚焦区域、规划区域，包括：

根据所述待治疗区域进行区域规划，若待治疗区域超出预设阈值，则进行分区聚焦，将所述多元平面阵列换能器的阵元也进行分区，一个区的阵元对应扫描一个区域。

进一步地，所述预设阈值根据设备的不同而设置不同的值。

进一步地，所述根据每个聚焦区域焦点计算发射延时，包括：

通过目标点的位置和每一个阵元的位置，计算每一个阵元的发射延时；

进一步地，所述短周期在200ms以内。

本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种HIFU设备大焦域形成系统，通过路径规划模块对整个聚焦区域进行分区规划，能一次性扫查整个待治疗区域；通过聚焦计算模块计算每一个阵元的延时和形成的声场强度，来控制换能器的发射和快速切换；通过监控模块和测温模型来实时监控治疗过程和治疗区域的温度，实现了功能规划多样、安全可靠、操作简便的HIFU设备大焦域形成系统。

(2)本发明还提供了一种大焦域形成方法，基于多元平面阵列换能器，规划聚焦区域以覆盖整个治疗区域，通过单个焦点的快速切换，进而实时形成超大焦域，用于高强度聚焦超声，主要优点是针对目前治疗形成的焦域要么不够大，覆盖范围不广，要么是多焦点形成的大焦域计算复杂的问题，有效利用多元平面阵列换能器形成大焦域，在阵元能快速切换达到不影响热场的情况下，瞬间形成一个超大焦域，计算简单，能一次全覆盖，达到实时形成大焦域的目的。对聚焦区域进行规划区域，覆盖整个治疗区域，在治疗过程中可以一次设定区域进行扫查，完成目标区域的治疗。具有计算简单、能实时形成大焦域的优点。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1所示为本发明提出的HIFU设备大焦域形成系统的结构示意图。

图2所示为本发明提出的大焦域形成方法流程图。

图3所示为利用本发明提出的方法，通过数值模拟计算形成的直径为60mm的大焦域示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明基于现有的典型的HIFU设备系统，提出了一种更加完善的可用于实时生成大焦域HIFU设备系统。本发明利用平面相控阵对聚焦区域进行分区聚焦，通过调控平面相控阵换能器各个阵元激励信号的相位和幅度，组合形成“超大焦域”，阵元的快速切换特点可以达到实时快速地形成焦域的目的，且形成的“超大焦域”大小和形态可控。本发明不需要使用耗时复杂的伪逆算法，通过先计算延时，再使用瑞利积分进行前向传播计算得到聚焦区，设计简单，算法运行速度快，能实时形成大焦域。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明所述的数值单位为SI单位。

如图1所示，为本发明中一种HIFU设备大焦域形成系统10的结构示意图，包括：

显示模块11，用于显示待治疗区域，根据治疗区域形状来建立聚焦区域模型；显示模块11包括B超显示模块和/或MRI显示模块。

路径规划模块12，用于规划聚焦区域的扫查过程，进行分区聚焦，形成聚焦路径；

聚焦计算模块13，用于计算每一次聚焦过程中，每一个阵元的延时和到达聚焦区域的声强，控制换能器阵元的发射和快速切换；

参数配置模块14，用于配置聚焦过程所需的参数，传输到每一个单元；

其中参数包括：换能器的参数如发射阵元数、相位和幅值；聚焦位置；聚焦时间；发射次数等等。

监控模块15，用于实时监控聚焦过程，以便更准确地对治疗区域进行聚焦；

测温模块16，用于测量聚焦区域温度，在治疗过程中，需要实时监控聚焦区域的温度；

结果处理模块17，用于扫查结束后，将结果进行处理、总结、反馈，反馈到路径规划模块12，和显示模块11一起确定下一次的聚焦区域。

其中路径规划模块与聚焦计算模块结合使用，用于生成大焦域。现有技术中提出的典型HIFU设备系统大部分只有路径规划模块，通过路径规划模块来控制换能器按照规划路径来完成治疗过程，该设计的操作选择性较低，适合一次单点聚焦，多次移动形成多点聚焦，不能实时形成大焦域。为了实时形成大焦域，本发明在路径规划模块之后添加聚焦计算模块，路径规划用于规划治疗区域的聚焦路径，并对阵元也进行分区规划，聚焦计算用于计算换能器每一个阵元的延时，并控制换能器进行路径扫查，也能控制换能器实现快速切换，两个模块结合作用，生成大焦域。

本发明提供的HIFU设备大焦域形成系统，通过路径规划模块对整个聚焦区域进行分区规划，能一次性扫查整个待治疗区域；通过聚焦计算模块计算每一个阵元的延时和形成的声场强度，来控制换能器的发射和快速切换；通过监控模块和测温模型来实时监控治疗过程和治疗区域的温度，实现了功能规划多样、安全可靠、操作简便的HIFU设备大焦域形成系统。

本发明的大焦域形成方法用于在路径规划模块、聚焦计算模块中，该大焦域形成方法描述如下：

如图2所示为本发明提出的大焦域形成方法流程图，具体实施如下：

S1、采用多元平面阵列换能器，该阵列由1024个矩形平面阵元组成二维阵列结构。

该换能器能满足的技术要求为：阵元的发射能够快速切换，切换时间能达到200ms以内，优选50ms以内，能在瞬间形成多个焦点，合成一个直径大于60mm的大焦域。

S2、根据待治疗区域的B超影像或者MRI图像来确定目标的形状和大小，形成治疗区域，也就是高强度超声需要聚焦的区域。

S3、对整个待治疗区域进行区域规划，若待治疗区域较大，则进行分区聚焦，相应的换能器阵元也进行分区，一个区的阵元对应扫描一个区域。而阵元扫描该区域时，需要先对区域进行规划，多个焦点合成一个区域，再使用阵元对这些焦点区域进行快速切换扫查，形成一个大焦域。

例如，待治疗区域为一个直径为60mm的圆形聚焦区域，先将其分为7个直径为20mm的圆形区域，相对应的将换能器的阵元也分为7个区，每个区的阵元对应一个聚焦区域，完成一个区域的聚焦即可。

一个区的阵元用于聚焦一个治疗区域的时候，若不能一次形成这么大的焦域，可再次将聚焦区域分区，将直径为20mm的圆形区域分成7个区域，阵元先后快速切换对该7个区域进行聚焦。

S4、根据规划好的区域，使用高强度聚焦换能器对治疗区域进行聚焦扫查，通过目标点的位置和每一个阵元的位置，计算每一个阵元的发射延时；

S5、利用Rayleigh-Sommerfeld积分公式计算阵元发射高强度聚焦超声后，声场中每一点的声强，该计算结果用于操作人确定治疗声强。

其中，所述的换能器进行区域扫查时，根据目标点位置和每个阵元的位置，来计算换能器每个阵元的发射延时，达到聚焦的效果。直接使用

Rayleigh-Sommerfeld积分公式前向传播计算声场中每一点的声强，计算方便。

S6、使用高强度聚焦换能器对治疗区域进行区域扫查，形成多个焦点的过程中快速切换。当切换速度够快，不影响热场的分布时，可视为同时进行聚焦扫查，实时形成一个大焦域。图3所示为利用本发明提出的方法，通过数值模拟计算形成的直径为60mm的大焦域示意图。

阵元先后快速切换对7个区域进行聚焦，阵元每切换一次所需时间例如为50ms，阵元多次切换花费的时间不到1s，可以忽略不计，对整个区域的一次聚焦扫查可达到实时扫查的目的。

S7、完成所有区域的扫查。

本发明提供的大焦域形成方法，基于多元平面阵列换能器，规划聚焦区域以覆盖整个治疗区域，通过单个焦点的快速切换，进而实时形成超大焦域，用于高强度聚焦超声，主要优点是针对目前治疗形成的焦域要么不够大，覆盖范围不广，要么是多焦点形成的大焦域计算复杂的问题，有效利用多元平面阵列换能器形成大焦域，在阵元能快速切换达到不影响热场的情况下，瞬间形成一个超大焦域，计算简单，能一次全覆盖，达到实时形成大焦域的目的。对聚焦区域进行规划区域，覆盖整个治疗区域，在治疗过程中可以一次设定区域进行扫查，完成目标区域的治疗。具有计算简单、能实时形成大焦域的优点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种HIFU设备大焦域形成系统，其特征在于，包括：

显示模块，用于显示待治疗区域，并根据所述待治疗区域的形状建立聚焦区域模型；

路径规划模块，用于规划聚焦区域的扫查过程，进行分区聚焦，形成聚焦路径；

聚焦计算模块，用于计算每一次聚焦过程中，多元平面阵列换能器的每一个阵元的延时和到达聚焦区域的声强，控制所述多元平面阵列换能器阵元的发射和切换；

参数配置模块，用于配置聚焦过程所需的参数，传输到每一个多元平面阵列换能器阵元；

监控模块，用于实时监控聚焦过程；

测温模块，用于测量所述聚焦区域的温度；

结果处理模块，用于在扫查结束后，将扫查结果进行处理和反馈，反馈到路径规划模块，和显示模块一起确定下一次的聚焦区域。

2.根据权利要求1所述的一种HIFU设备大焦域形成系统，其特征在于，

所述参数包括：换能器的参数、聚焦位置、聚焦时间、发射次数。

3.根据权利要求2所述的一种HIFU设备大焦域形成系统，其特征在于，

所述换能器的参数包括发射阵元数、相位和幅值。

4.根据权利要求1所述的一种HIFU设备大焦域形成系统，其特征在于，

所述显示模块包括B超显示模块和/或MRI显示模块。

5.一种HIFU设备大焦域形成方法，其特征在于，包括：

准备多元平面阵列换能器；

根据待治疗区域的B超影像或者MRI图像确定目标的形状和大小，形成待治疗区域；

根据所述待治疗区域形成聚焦区域、规划区域；

根据所述规划区域，使用所述多元平面阵列换能器对所述待治疗区域进行聚焦扫查，根据每个聚焦区域焦点位置和各个阵元的位置来计算每个阵元的发射延时；

利用Rayleigh-Sommerfeld积分公式计算阵元发射高强度聚焦超声后，声场中每一点的声强，该计算结果用于操作人确定治疗声强；

使用所述多元平面阵列换能器对所述待治疗区域进行区域扫查，在形成多个焦点的过程中以一定的短周期进行切换；

完成所有区域的扫查。

6.根据权利要求5所述的一种HIFU设备大焦域形成方法，其特征在于，

所述多元平面阵列换能器由至少1024个矩形平面阵元组成二维阵列结构。

7.根据权利要求5所述的一种HIFU设备大焦域形成方法，其特征在于，

所述根据待治疗区域形成聚焦区域、规划区域，包括：

根据所述待治疗区域进行区域规划，若待治疗区域超出预设阈值，则进行分区聚焦，将所述多元平面阵列换能器的阵元也进行分区，一个区的阵元对应扫描一个区域。

8.根据权利要求7所述的一种HIFU设备大焦域形成方法，其特征在于，

所述预设阈值根据设备的不同而设置不同的值，若治疗区域超出该预设阈值，则进行分区扫描。

9.根据权利要求5所述的一种HIFU设备大焦域形成方法，其特征在于，

所述根据每个聚焦区域焦点计算发射延时，包括：

通过目标点的位置和每一个阵元的位置，计算每一个阵元的发射延时。

10.根据权利要求5所述的一种HIFU设备大焦域形成方法，其特征在于，

所述短周期在200ms以内。

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