CN112022207A - 联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置，所述装置包括超声主机和集成有成像与治疗功能一体化的超声换能器阵列，超声换能器阵列用于将电信号转换为声信号，又可将声信号转换为电信号，并可依据不同的信号波形、幅度、相位，发射出不同的超声场和产生不同的接收效果，超声主机用于驱动超声换能器阵列完成成像所需的发射与接收，以及完成透皮给药所需的发射，进而实现超声多点聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道。所述控制方法采用多点聚焦发射，可在透皮给药的通路上形成连续的垂直向深度方向的较强声场，从而给药物粒子连续的推动力，有利于其到达皮下较深的病灶处，可以更好地进行药物地渗透。
Description
技术领域
本发明涉及一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置及控制方法，属于医疗器械技术领域。
背景技术
超声波是一种振动频率超过20000Hz的机械振动，一般由超声换能器产生，可在固体、液体、气体中传播。一定功率的超声波，在医疗方面可用于疾病治疗、透皮给药、理疗美容等。为实现更便捷的控制、更强大的功能，一般会将若干个超声换能器组合成阵列使用，并在控制电路的控制下发射出不同的超声波，满足不同的业务需求。
超声成像，是将超声波发射到人体内，遇到物体后反射，根据反射声波的幅度、时间、频率等信息，可重建人体内的实时图像。超声成像可用于疾病诊断、病灶定位、治疗引导、治疗监测、疗效评估等。由于超声波使用时无创、无痛、无辐射，设备价格相对便宜，是一种被广泛使用的医疗诊断手段。
透皮给药是指在皮肤上放置药物后，利用物理或化学的方法使药物穿透皮肤，进入循环系统而起治疗作用的治疗方式。透皮给药治疗具有超越一般给药方法的独特优点，可以不经过肝脏的“首过效应”和胃肠道的破坏。透皮给药治疗方法以其独特的优点，成为近年来国内外医药工作者的研究热点，发展迅速。超声透皮给药与化学促进剂相比安全性高，超声停止后皮肤屏障功能恢复更快,药物通透程度更深，药物不会被电解破坏，不存在极化问题，无电刺激现象等。
改善透皮给药的疗效，可以从两个方面着手：一，对目标区域进行精确地靶向给药，提高药物的利用率，尽量减少药物对正常组织的伤害；二，提高药物透皮的效率，可以使用更少的药物而达到同样的治疗效果，尤其对病灶位于较深位置的情况，提高药物透皮效率很有价值。H·佩尔策等在用于经皮给药的设备和操作这种设备的方法(CN101466432A)中提出一种用于向皮肤下进行给药的设备，该设备采用超声膜片换能器发射的超声波向目标区域聚焦提升透皮给药的效率。李萍等在一种真空负压超声经皮给药装置(CN104689465A)中提出用对人体表产生负压吸引的负压装置和用于使负压装置内产生负压的抽气囊，加上超声进行透皮给药。
这些设备虽然可以一定程度进行靶向给药和提高超声透皮给药的效率，但仍存在一些不足：1、透皮给药设备没有紧密结合成像设备的引导，或者成像设备定位后需更换设备进行透皮给药，降低了引导精度，无法进行精确地靶向透皮给药；2、超声场中焦点区域是声波强度最大且质点振动方向垂直向深度方向的，此处的超声波对药物粒子向人体深处渗透作用最强，而这些设备只有一个聚焦位置，无法在深度方向对药物粒子进行较长距离的有效推动。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置及控制方法。
本发明采取的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置，其包括超声主机和集成有成像与治疗功能一体化的超声换能器阵列，所述超声换能器阵列用于将电信号转换为声信号，又可将声信号转换为电信号，并可依据不同的信号波形、幅度、相位，发射出不同的超声场和产生不同的接收效果，所述超声主机用于驱动超声换能器阵列完成成像所需的发射与接收，以及完成透皮给药所需的发射，进而实现超声成像及在超声成像引导下的超声多点聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道。
进一步的，所述超声主机包括通道切换电路、收/发切换电路、超声发射电路、超声接收电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路与超声接收电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路和超声接收电路与收/发切换电路相连接，在超声发射和接收阶段分别选择对应的电路接通通道切换电路；所述通道切换电路与超声换能器阵列连接，用于在不同的超声工作时间阶段选不同的超声换能器阵元。
进一步的，所述FPGA为超声电路的主控元器件，用于负责与PC通信、控制超声发射与接收；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定波形、幅度、相位的超声信号；所述收/发切换电路根据当前所处的超声工作阶段选择对应的电路接通；所述通道切换电路用于将超声电路与不同的超声换能器阵元连接，并以时分复用的方式实现较少的超声电路通道数控制较多的换能器阵元。
进一步的，所述超声换能器阵列紧贴皮肤表面的药物池，换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射的时候通过驱动信号相位不同实现移动焦点。
另一方面，本发明还提供了一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，首先由超声主机工作于成像模式，根据超声成像所得的患者体内图像，划出透皮给药的目标范围，然后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射向目标范围内给药所需的超声波，其中超声波的发射包括深度方向自动进行多点聚焦发射和水平方向自动逐条移动给药发射声束。
进一步的，通过改变驱动信号的相位，使超声场的聚焦位置从皮下浅处逐步向深处延伸，充分发挥焦点区域声波强度最大且质点振动方向垂直向深度方向的特点，形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处；然后在经过一定时间的多点聚焦发射后，改变换能器阵列的发射序列，移动到旁边的空间位置进行同样的多点聚焦发射，这样经过若干次发射空间位置的移动，实现覆盖整个靶区的药物推送。
进一步的，在多点聚焦发射中，根据不同的焦点深度，开不同的阵元个数和位置，在近场区使用较小的阵元孔径，用最中间的换能器阵元进行发射；而在远场区域，使用靠近两边的换能器阵元进行发射，开启的阵元距离换能器阵列中心位置随探测深度增加而逐渐增大。进一步的，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角，小于-6dB半开角的，该阵元均属于可开启的，半开角的计算公式为：
其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。
进一步的，换能器阵元的指向特性为：
其中k为波数，考虑到声波在组织中的衰减，
p＝p0*e-αx
其中p为考虑衰减后的声压，p0为不考虑衰减的声压，α为声波衰减系数，x为声波传播距离；α越大，声波随距离x的增大衰减越快；一般的生物组织的超声衰减系数与频率有如下关系：
α～fn
在1MHz～7MHz频率范围内n的值为1.07至1.14，即衰减系数与频率基本上成正比关系；每个阵元对焦点处声压的贡献为：
Pi＝D(θ)*p
每个焦点处声压是各阵元产生声压的叠加，即：
P＝sum(Pi)
为了使得每个焦点处声波对药物的推力大致相同，在动态孔径的范围内，使得每个焦点处的P值大致相同，以此来判断每个焦点对应需打开的阵元位置和个数。
进一步的，划定待定给药区域后，设置给药发射参数，设定焦点个数、位置，声束条数、位置，随后由超声主机自动计算每个焦点发射阵元位置和个数，再然后系统在深度方向自动进行多点聚焦发射，并间隔穿插超声成像发射与接收，完成一条声束上的给药发射后在水平方向自动逐条移动给药发射声束，直至覆盖全部靶区完成给药。
本发明的原理及效果如下：
本发明可在透皮给药的通路上形成连续的垂直向深度方向的较强声场，从而给药物粒子连续的，动力，有利于其到达皮下较深的病灶处。
本发明的超声换能器阵列，可通过改变每个阵元的驱动信号相位实现声场在不同位置聚焦。通过改变驱动信号的相位，使得换能器阵列同时产生多个聚焦发射位置，从皮下浅处逐步向深处延伸。充分发挥焦点区域声波强度最大且质点振动方向垂直向深度方向的特点，形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处。经过一定的时间后，超声场焦域宽度范围内的药物有足够多的量被推到病灶处。此时改变换能器阵列的发射序列，移动到旁边的空间位置进行同样的多点聚焦发射，将同样宽度范围内的药物推到病灶处。经过若干次发射空间位置的移动，实现覆盖整个靶区的药物推送。
由于换能器阵列的每个基元都有一定的宽度，在声波发射时存在不同角度上声场强度不同的固有特性。在换能器阵列进行聚焦发射，尤其是焦点距离阵列很近的时候，阵列边缘的某些阵元所发射的声场对形成良好的焦点并没有帮助，反而会造成很强的近场混乱效应而影响声场的聚焦特性。此时需要根据焦点的位置控制阵元的发射状态，在不同的焦点位置控制所需要打开的阵元位置和个数，即为变孔径控制方式。
本发明采用的动态孔径的方法进行超声聚焦，在近场区应使用较小的阵元孔径，用最中间的换能器阵元进行发射；而在远场区域，使用靠近两边的换能器阵元进行发射。开启的阵元距离换能器阵列中心位置随探测深度增加而逐渐增大。在整个给药区域，动态孔径技术可以使声场的波束形状保持较好的形态。
其次，本发明设定纵向的焦点个数和位置，超声主机根据不同角度的声压值乘以随距离的衰减值，综合来确定由哪些阵元聚焦哪个焦点。再次，设定横向宽度来确定换能器阵列给药时候每次横向移动的距离。
附图说明
图1是联合超声成像与多点聚焦发射透皮给药原理示意图。
图2是联合超声成像与多点聚焦发射透皮给药装置框图。
图3是联合超声成像与多点聚焦发射透皮给药流程图。
图4是联合超声成像与多点聚焦发射透皮给药间隔的时序图。
图5是超声多点聚焦发射示意图。
图6是超声多点聚焦发射声场效果示意图。
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。
如图1所示，集成有成像与治疗功能一体化的超声换能器阵列紧贴皮肤表面的药物池，并由超声主机驱动。换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，换能器阵列可以同时发射和接收超声波，通过相位不同实现移动焦点。使用时，首先进行成像发射与接收，实时成像。通过观测成像图像，确定透皮给药的范围，调节超声发射参数，达到精确靶向给药。
如图2所示，本发明包括超声主机和超声换能器阵列。超声主机包括：通道切换电路1、收/发切换电路2、超声发射电路3、超声接收电路4、FPGA5。FPGA5和超声发射电路3、超声接收电路4相连接，并与PC通过通信接口连接；超声发射电路3和超声接收电路4与收/发切换电路2相连接，在超声发射和接收阶段分别选择对应的电路接通通道切换电路1；通道切换电路1与超声换能器阵列连接，在不同的超声工作时间阶段选通不同的超声换能器阵元。其中FPGA5为超声电路的主控元器件，负责与PC通信、控制超声发射与接收；超声发射电路3根据FPGA5的控制指令，发射指定波形、幅度、相位的超声信号；收/发切换电路2根据当前所处的超声工作阶段选择对应的电路接通；通道切换电路1可将超声电路与不同的超声换能器阵元连接，以时分复用的方式实现较少的超声电路通道数控制较多的换能器阵元；电信号在超声换能器转化为声信号并向患者体内传播，遇到声学性质不连续的组织会被反射回来，在超声换能器再次被转化回电信号；回波信号经过通道切换电路1和收/发切换电路2后来到超声接收电路4，在此完成滤波、方法、数字化等处理；数字化的超声回波信号传入FPGA5，并在此被重建为超声图像；不同时序的超声图像被传送到PC并显示在显示器上，供操作者判断患者体内的情况，并据此做出相应的诊断和治疗操作。
如图3，联合超声成像与多点聚焦发射透皮给药的流程为：首先由超声主机工作于成像模式，根据超声实时图像观察病灶所在区域，操作者在超声图像上划定待定给药区域。由操作者设置给药发射参数，设定焦点个数、位置，声束条数、位置，随后由超声主机自动计算每个焦点对应发射阵元位置和个数。系统在深度方向自动进行多点聚焦发射，间隔穿插超声成像发射与接收，完成一条声束上的给药发射后，在水平方向自动逐条移动给药发射声束，直至覆盖全部靶区完成给药。
如图4，给药发射间隔成像发射与接收，达到时分复用。给药发射的连续周期数，由操作者设定的发射参数及设定的焦点个数和位置、声束条数和位置决定，而成像发射周期数，由操作者设定的成像参数而决定。在透皮给药的间隙，系统进行超声成像，供操作者实时观察当前的患者体内情况，以便在需要的时候调整参数。
如图5，超声多点聚焦发射示意图。所有的换能器阵元同时开启，n4到n5的阵元聚焦发射到位置d1处，n2到n3和n6到n7的阵元聚焦发射到位置d2处，1到n1和n8到N的阵元聚焦发射到dn病灶位置。换能器阵列形成一个多点聚焦的向下给药通道。
针对不同的焦点位置，采用动态孔径技术。根据不同的焦点深度，开不同的阵元位置。在近场时，位于中心的阵元发射超声信号进行聚焦。随着深度的增加，距离换能器阵列中心位置较远的通道进行聚焦发射，直到所有阵元都开启。也可根据实际应用中不同的需求，开启需要的阵元。一般而言，定义换能器阵元的有效发射角度θ为随着角度增大，换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半即-6dB处的角度，根据超声方程的贝塞尔解可得：
其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。凡换能器阵元中心点与焦点之间的连线，其与换能器法线方向的夹角，小于-6dB半开角的，该阵元均属于可以开启的，以此来确定动态孔径的大小。阵元的指向特性为：
其中k为波数，考虑到声波在组织中的衰减，
p＝p0*e-αx
其中p为考虑衰减后的声压，p0为不考虑衰减的声压，α为声波衰减系数，x为声波传播距离。α越大，声波随距离x的增大衰减越快。一般的生物组织的超声衰减系数与频率有如下关系：
α～fn
在1MHz～7MHz频率范围内n的值为1.07至1.14，即衰减系数与频率基本上成正比关系。每个阵元对焦点处声压的贡献为：
Pi＝D(θ)*p
每个焦点处声压是各阵元产生声压的叠加，即：
P＝sum(Pi)
为了使得每个焦点处声波对药物的推力大致相同，在动态孔径的范围内，使得每个焦点处的P值大致相同，以此来判断所开的阵元位置和个数。
本发明通过设定的焦点个数和横向宽度来确定换能器聚焦位置以及声束每次横向移动的距离。
如图6，超声多点聚焦发射声场效果图，颜色越深，表明声场的绝对推动力越大。所示箭头为声场中质点移动方向，焦点位于换能器阵列的中线上，焦点处质点移动方向向下，具有更好地向深处推动药物粒子的能力，焦点周围的质点移动方向偏向焦点处，向深处推动药物粒子移动的能力相对较弱。相比单个聚焦点的声场，多点聚焦发射得到的声场，在深度方向形成了一个持续正向下的推动力，可以更有效将药物推动到病灶位置。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置，其特征在于，包括超声主机和集成有成像与治疗功能一体化的超声换能器阵列，所述超声换能器阵列用于将电信号转换为声信号，以及将声信号转换为电信号，并可依据不同的信号波形、幅度、相位，发射出不同的超声场和产生不同的接收效果，所述超声主机用于驱动超声换能器阵列完成成像所需的发射与接收，以及完成透皮给药所需的发射，进而实现超声成像及在超声成像引导下的超声多点聚焦发射，形成一个从浅到深的超声聚焦通道。
2.根据权利要求1所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置，其特征在于，所述超声主机包括通道切换电路、收/发切换电路、超声发射电路、超声接收电路和FPGA，所述FPGA和超声发射电路与超声接收电路相连接，并与PC通过通信接口连接；所述超声发射电路和超声接收电路与收/发切换电路相连接，在超声发射和接收阶段分别选择对应的电路接通通道切换电路；所述通道切换电路与超声换能器阵列连接，用于在不同的超声工作时间阶段选不同的超声换能器阵元。
3.根据权利要求2所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置，其特征在于，所述FPGA为超声电路的主控元器件，用于负责与PC通信、控制超声发射与接收；所述超声发射电路根据FPGA的控制指令，发射指定波形、幅度、相位的超声信号；所述收/发切换电路根据当前所处的超声工作阶段选择对应的电路接通；所述通道切换电路用于将超声电路与不同的超声换能器阵元连接，并以时分复用的方式实现较少的超声电路通道数控制较多的换能器阵元。
4.根据权利要求1所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置，其特征在于，所述超声换能器阵列紧贴皮肤表面的药物池，换能器阵列呈线形形式，共N个阵元，每个阵元宽度为L，相邻阵元之间间隔为dL，发射的时候通过驱动信号相位不同实现移动焦点。
5.一种联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，其特征在于，首先由超声主机工作于成像模式，根据超声成像所得的患者体内图像，划出透皮给药的目标范围，然后超声主机产生控制信号并驱动超声换能器阵列发射向目标范围内给药所需的超声波，其中超声波的发射包括深度方向自动进行多点聚焦发射和水平方向自动逐条移动给药发射声束。
6.根据权利要求5所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，其特征在于，通过改变驱动信号的相位，使超声场的聚焦位置从皮下浅处逐步向深处延伸，充分发挥焦点区域声波强度最大且质点振动方向垂直向深度方向的特点，形成一个连续的推动力将药物粒子推向人体深处；然后在经过一定时间的多点聚焦发射后，改变换能器阵列的发射序列，移动到旁边的空间位置进行同样的多点聚焦发射，这样经过若干次发射空间位置的移动，实现覆盖整个靶区的药物推送。
7.根据权利要求5或6所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，其特征在于，在多点聚焦发射中，根据不同的焦点深度，开不同的阵元个数和位置，在近场区使用较小的阵元孔径，用最中间的换能器阵元进行发射；而在远场区域，使用靠近两边的换能器阵元进行发射，开启的阵元距离换能器阵列中心位置随探测深度增加而逐渐增大。
8.根据权利要求7所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，其特征在于，以换能器阵元产生的声压下降到最大值的一半，即-6dB处的角度为准，若换能器阵元中心点与焦点之间的连线与换能器法线方向的夹角，小于-6dB半开角的，该阵元均属于可开启的，半开角的计算公式为：
其中λ为传播介质中的声波波长，L为换能器阵元的宽度。
9.根据权利要求8所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，其特征在于，换能器阵元的指向特性为：
其中k为波数，考虑到声波在组织中的衰减，
p＝p0*e-αx
其中p为考虑衰减后的声压，p0为不考虑衰减的声压，α为声波衰减系数，x为声波传播距离；α越大，声波随距离x的增大衰减越快；一般的生物组织的超声衰减系数与频率有如下关系：
α～fn
在1MHz～7MHz频率范围内n的值为1.07至1.14，即衰减系数与频率基本上成正比关系；每个阵元对焦点处声压的贡献为：
Pi＝D(θ)*p
每个焦点处声压是各阵元产生声压的叠加，即：
P＝sum(Pi)
为了使得每个焦点处声波对药物的推力大致相同，在动态孔径的范围内，使得每个焦点处的P值大致相同，以此来判断每个焦点对应需打开的阵元位置和个数。
10.根据权利要求5所述的联合成像与多点聚焦发射透皮给药的超声装置的控制方法，其特征在于，划定待定给药区域后，设置给药发射参数，设定焦点个数、位置，声束条数、位置，随后由超声主机自动计算每个焦点发射阵元位置和个数，再然后系统在深度方向自动进行多点聚焦发射，并间隔穿插超声成像发射与接收，完成一条声束上的给药发射后在水平方向自动逐条移动给药发射声束，直至覆盖全部靶区完成给药。
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