CN113288499A - 一种用于小动物实验的聚焦超声平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于小动物实验的聚焦超声平台，包括上位机、功率放大模块、运动控制单元、超声成像设备、治疗头及小动物固定装置。治疗头包含超声成像探头及高强度聚焦超声换能器，且固定于水槽中。超声成像探头采集的图像可定位聚焦超声焦点位置并实时监测辐照过程。超声图像采集至上位机显示、重建并根据处理后的图像进行治疗计划。运动控制单元包含电机驱动的多维机械运动机构并由上位机控制，其另一端连接小动物固定装置。功率放大模块包含电压调节、信号生成及谐振电路，通过上位机可控制电压调整及信号发射和停止，功率放大模块的输出电连接于治疗头中的聚焦超声换能器。本发明结构简单、成本低，稳定可靠，体积小。

Description

一种用于小动物实验的聚焦超声平台

技术领域

本发明涉及动物实验设备技术领域，具体为一种用于小动物实验的聚焦超声平台，可用于采用小动物进行的基础实验研究。

背景技术

聚焦超声是一种将一定强度的超声波进行聚焦的技术，在焦点处可产生高的声强。聚焦超声已在工业和医疗领域得到了越来越广泛的应用。

在医疗领域体外式聚焦超声设备已应用于子宫肌瘤及各类肿瘤的消融治疗。该类设备能够聚焦到体内较深部位置，一般频率约1MHz、焦点轴向长约10mm。在基础研究领域聚焦超声越来越多的被用于离体和活体实验中，但由于实验中主要采用小动物，聚焦超声作用区域大多为浅表且范围较小，直接使用临床体外式聚焦超声设备用于小动物实验会遇到两个问题：1.难以对小动物浅表区域进行定位；2.焦点轴向较长，实验中易对目标区域以外组织特别是皮肤造成损伤。

目前国内还未有应用于小动物实验的聚焦超声设备，申请号为201811210773.7的专利公开了一种用于小动物具备二维成像和HIFU治疗一体的聚焦超声装置。该装置同时具有成像引导及聚焦超声发射功能，为上置干式探头，由于实验小动物比较小，聚焦超声换能器通过透声窗口与涂有耦合剂的小动物皮肤接触。在实验中聚焦超声换能器需要移动，与小动物皮肤的相对位移易造成目标位置的变化。同时，上置式的探头也需对小动物施加一定压力，易对其产生损伤。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种用于小动物实验的聚焦超声平台。该平台采用湿式聚焦方式，将小动物通过特定固定装置与去气水接触，固定装置与多维移动装置连接并由其进行运动控制，解决了聚焦超声换能器与小动物相对移动时可能造成的靶区位置变化以及对小动物造成损伤等问题。同时，采用较高频率的聚焦超声使得焦点尺寸更小，更适用于小动物的聚焦超声实验。

(二)技术方案

本发明提供如下技术方案：一种用于小动物实验的聚焦超声平台，包括上位机、功率放大模块、运动控制单元、超声成像设备、治疗头及小动物固定装置等。

所述上位机包含系统控制软件及其运行环境。软件可实现对运动控制单元、超声图像采集和处理及功率放大模块的输出控制。

通过上位机软件控制机械运动部件在不同维度的运动可调节小动物固定装置的方向和位置，在采集到的实时超声图像引导下实现对小动物体内目标区域的定位。在进行治疗计划时上位机通过控制机械运动部件，采集并处理目标区域不同层面的超声图像，治疗时根据计划焦点的位置移动机械运动部件，并逐个辐照计划焦点位置。

治疗面图像可通过采集的超声图像序列经三维重建得到，或直接采用采集到的超声图像。进行治疗计划时，通过在软件界面中治疗面图像上选定目标位置所在区域，自动计算生成离散的焦点位置及对应的辐照参数，不同焦点对应辐照参数(电压、脉冲长度、占空比及脉冲个数)均可进行调节。完成计划开始治疗时将辐照参数发送至功率放大模块使其输出高强度聚焦超声，在治疗过程中整个治疗进程及辐照信息在软件界面实时显示。

所述运动控制单元包含可多维移动的机械部件，可沿上下、左右、前后方向以设定的步距移动。机械部件包含直线运动模组、电机及相关联的金属转接部件，电机驱动器通过CAN总线可与上位机通信并由其进行机械移动控制。

优选的，所述多维机械移动部件的末端包含可绕水平方向旋转的部件，该末端连接小动物固定装置。小动物固定装置可进行旋转及三维移动，使小动物皮肤与去气水面接触。这样，通过治疗头中的成像探头可清晰观察目标位置，同时进行安全的聚焦。小动物固定装置可采用不同的设计及材质。

所述功率放大模块主要包括调压电路、信号生成电路及谐振电路，功率放大模块包括电流电压检测电路以进行功率计算及监测，确保超声换能片正常工作。

优选的，所述频率信号可由集成DDS(Direct Digital Synthesis,直接数字频率合成)芯片生成。

优选的，所述调压功能可通过MCU内部PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)输出或DA转换器实现。

优选的，所述电压调节、信号生成的控制及电流电压的检测均可通过MCU实现，且MCU与上位机通过RS485/USB等接口连接以进行控制和通信。

所述治疗头包含超声成像探头及聚焦超声换能片，聚焦超声换能片分布于凹球面上，频率大于3MHz，曲率半径相对于临床中子宫肌瘤治疗设备超声换能器更小；聚焦超声换能器可为一片开孔的换能片，也可为分布在凹球面上的多个换能片。对于采用多个换能片的情况，多路换能片可并联电连接与同一个功率放大模块，也可分别独立电连接于不同的功率放大器，此时不同的功率放大器采用相同的信号作为激励源。根据不同的输入电压，可在聚焦超声换能器焦点产生不同大小的声强。凹球面中央有通孔，用于放置超声成像探头，成像探头由机械装置固定，成像探头中轴与聚焦超声声束轴重合。成像探头固定装置也可连接电机及电动转盘，通过上位机及电机驱动器实现超声成像探头的旋转以进行三维空间成像。采集到的超声图像可用于目标定位、治疗计划及实时监测。

去气水槽由金属部件固定，其底部有排水口及排水管便于排出去气水。治疗头可固定于水槽底部或侧壁并由外接机械装置固定。

除去超声成像设备为外接装置以外，上位机、运动控制单元、功率放大模块及水槽可集成在定制实验台上，便于操作。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种用于小动物实验的聚焦超声平台，具备以下有益效果：

(1)本发明提供的用于小动物实验的聚焦超声平台，相比于现有技术，具有结构简单、可降低成本的效果。

(2)本发明提供的治疗头，采用较高频率，焦点更小适合小动物靶区浅的需求，具有新颖性和创造性。

(3)本发明采用的湿式治疗方式，避免了治疗头对小动物皮肤产生直接压力与相对移动，有助于实验的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的治疗头、金属固定部件及水槽示意图；

图3为本发明的治疗头、金属固定部件及校准装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，一种用于小动物实验的聚焦超声平台，包括上位机、功率放大模块、运动控制单元、超声成像设备、治疗头及小动物固定装置等。功率放大模块驱动聚焦超声换能片工作，运动控制单元连接小动物固定装置并控制其移动，超声成像设备采集目标区域图像，治疗头发射聚焦超声至小动物体内目标区域，上位机控制机械运动、功率放大模块的工作，并对采集的超声图像进行处理。

图2-图3中：1、治疗头，2、聚焦超声换能片，3、超声成像探头，4、水槽，5、固定水槽及治疗头的金属部件，6、超声探头固定装置，7、排水口，8、金属校准装置，9、校准标记物。

水槽4底部有圆形开孔用于安装治疗头1，治疗头1与水槽4底部紧密连接。治疗头1由金属部件5支撑，同时该部件支撑水槽4底部，使得治疗头1与水槽4稳定。水槽4底部有排水口7使得去气水便于排出。

治疗头1不同位置分布有台阶的通孔，用于安装聚焦超声换能片2，超声换能片2电连接与功率放大模块并由其驱动。本实施实例包含多个聚焦超声换能片，采用相互独立的多路功率放大电路分别驱动不同的换能片并由上位机统一发送同相位信号进行聚焦。

治疗头中央为一通孔用于放置超声成像探头3，超声成像探头3可采用带旋转机构控制的方式，但该种方式需要考虑密封。本实施实例采用简单的实现将超声探头3固定与治疗头1通孔中并涂抹硅胶等粘合剂进行密封。

由于超声探头悬挂在治疗头下方，为保持其位置稳定，设计固定装置6同时确保其成像轴与聚焦超声声束轴重合。由于聚焦超声声束轴可由治疗头1确定，因而在治疗头边沿留有转接口可放置校准装置8，该部件类似门框跨在治疗头1两边，可方便的进行安装和取出，校准装置8可用金属制作。校准装置8有均匀分布细孔用于放置标记物，标记物可采用金属或其它材质。理想情况下，中间标记物9位于聚焦超声声束轴及超声图像中轴上。根据标记物在实时超声图像的位置可判定超声成像轴与聚焦超声声束轴是否一致。同时，超声探头3的固定装置6与底座相接确保其稳定。

根据不同的治疗计划实施方式，本聚焦超声平台采用不用的实验流程，其中一种流程如下：

首先将水槽倒入一定温度的去气水，将小动物麻醉并固定于与运动控制单元连接的固定装置。通过上位机控制机械移动使得小动物目标位置在能够进行有效的聚焦，且通过实时超声图像观察可确定聚焦于目标区域时有安全的声通道。上位机发指令开始治疗计划，机械部件自动沿垂直于超声成像面的方向平移小动物扫描不同层面的图像，重建扫描图像序列并选定一层作为治疗面，在治疗面上设定靶区和焦点位置，并且确定不同焦点发射参数如电压、脉冲长度、占空比及脉冲个数等。然后开始辐照，在辐照过程中根据实际情况可暂停及进行参数调整。辐照过程中治疗信息如已发射能量、剩余时间等在上位机软件界面实时显示，辐照结束后输出所有的辐照信息。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于，包括上位机、功率放大模块、运动控制单元、超声成像设备、治疗头及小动物固定装置；

所述上位机采集超声成像设备的图像并且进行处理，控制治疗头中聚焦超声换能器的发射及运动控制单元的移动；

所述运动控制单元连接于小动物固定装置，通过上位机控制机械部件运动调整聚焦超声焦点位置的改变；

所述治疗头包括成像探头和聚焦超声换能器，治疗头可固定于水槽底部或水槽侧壁。

2.根据权利要求1所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述上位机包含系统控制软件，可控制运动控制单元的移动、功率放大模块的发射，以及超声图像的采集、显示和重建；上位机通过USB转485接口对功率放大模块中的调压电路及信号生成电路进行控制；上位机内安装图像采集卡，通过HDMI接口采集超声成像设备的图像数据；同时上位机通过USB转CAN总线与运动控制单元的电机连接并通过电机控制其机械移动。

3.根据权利要求2所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述上位机所采集及重建后的图像可用来进行治疗计划的制定。

4.根据权利要求3所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述治疗计划包括在重建的图像上可勾选相应的区域，将自动生成离散的焦点及计算对应聚焦超声坐标系下的物理坐标，同时可自动或手动设置不同焦点的发射参数如电压、脉冲长度、占空比及脉冲个数。

5.根据权利要求1所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述运动控制单元至少可进行三维空间内的直线移动，所述运动控制单元固定于水平桌面或底座上，其末端转接小动物固定装置。

6.根据权利要求5所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：根据治疗头位于水槽底部或侧壁、动物大小及目标辐照位置，可更换不同设计的固定装置。

7.根据权利要求6所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述水槽的底部有排水口便于去气水排出。

8.根据权利要求5所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述固定装置包含通孔使得小动物体内目标组织可以与水槽中去气水接触，通过治疗头对该部位清晰成像和高强度超声能量聚焦。

9.根据权利要求1所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：所述治疗头包含聚焦超声换能器及超声成像探头；聚焦超声换能器由一片或多片分布在凹球面上的超声换能片组成，其中心存在通孔用于安置超声成像探头。

10.根据权利要求9所述的用于小动物实验的聚焦超声平台，其特征在于：聚焦超声声束轴与超声成像轴重合，确保超声声束轴在超声成像面上；超声探头可固定，也可绕其成像轴旋转。

Images